密码学实验课程SPOC建设探讨

吴旭光，韩益亮

（武警工程大学 密码工程学院，陕西　西安　710086）

0 引 言

MOOC（Massive Open Online Courses），即大型开放式网络课程[1]，借助计算机和网络技术，在各国高校积极参与和推动下，将优质教育送到世界的每个角落，为更多的人提供系统学习的机会。清华大学、北京大学、香港大学、香港科技大学、复旦大学、上海交通大学和国防科技大学等陆续开展了MOOC教育革命的研究与讨论，并推出多门优质课程，但MOOC教学存在课程完成率低的问题[2]。为了解决这个问题，并且与院校教学实际相结合，SPOC[3]（Small Private Online Course，简称SPOC）应运而生。

SPOC教学课程多以理论课程为主，而实验课程建设鲜有。目前已出现了多个MOOC/SPOC实验教学平台，如合天网安实验室、实验吧、实验楼等，尽管还不够完善，但已为相关课程开展SPOC式实验教学提供了基础条件。密码学作为网络空间安全专业的技术基础课，兼具理论性和实践性。在教学中，教师往往侧重于理论讲解，花费较多课堂时间在各种抽象算法的讲解学习中，忽视了密码学在实际中的应用；而密码学实验教学过程则侧重于学生对算法的理解和实现，以验证性实验为主，同时课时较少，使得学生普遍缺乏学习的积极性和兴趣，进一步导致学生实践能力下降。

1 密码学实验教学存在的问题

密码学作为学科的理论基础课程是教学中的重点。然而网络空间安全学科是一个创办时间不长的新兴学科，密码学的教学基础仍然薄弱。近年来，不少学校已经对密码学实验课程建设进行了有益的探索和尝试，但仍然存在不少问题[4-8]。

（1）实验难度高。这体现在两个方面：一是密码算法本身较为抽象和复杂，学生理解起来就很困难；二是编程难度大，涉及大量数学运算的编程实现。在密码学中，最为典型的对称密码算法是DES算法，在教学中有着重要的地位。对于它的理解和掌握，直接反映了学生对密码学的学习程度。DES算法采用Feistel结构，有着多轮迭代，还使用了较为神秘的S盒。算法本身让学生在理论学习上就已经望而却步，而在实现过程中，涉及大量的二进制运算和矩阵表达，更是让对编程不熟悉的同学逐渐失去学习的兴趣。

（2）实验基础环境配置复杂[5]。算法的实现需要借助于密码函数库，如GMP高精度数学库、OpenSSL、Libtomcrypt、Miracl、Crypto++、NTL 等，其中有些大数库是侧重于商业用途且不容易独立成为大数库，如OpenSSL；有的又太过复杂，如Crypto++，这些函数库需要安装在Linux环境下，对于习惯使用Windows操作系统的学生来说，既陌生又困难，从而在安装配置方面花费了大量精力。

（3）实验课时有限。一般在设计密码学课程中，大多保有50～60学时，其中理论教学30～40学时，实验课课时15～20学时，但大多学生反映实验课时不够，离开实验室无法开展实验，算法虽能编写出，但理解算法和应用于实践不够深入。

2 SPOC式密码学实验的教学模型

通过学习众多学者的观点，我们结合SPOC的特点以及学习者的需求，将翻转课堂分为课前、课中和课后3个阶段来构建模型，如图1所示。

图1　SPOC式密码学实验的教学模型示意图

2.1 课前阶段

在该阶段中，以SPOC网络教学平台为依托，教师采用任务驱动，强调学生自主学习，并提出问题，以供后续的课中教学研讨。教师要根据学生具体学习情况，进行微视频、相关资料查看任务的布置。学生根据教师的要求，在学习后进行在线实验的实践环节。同时在本阶段，还有在线交流活动环节，教师负责组织，学生按要求参与。可以看出，教师是“SPOC翻转课堂”内容及进度的设计者，学生是“翻转课堂”的执行者。

2.2 课中阶段

该阶段以传统的课堂教学平台为核心，采用翻转课堂的形式，在教师的正确引导下，鼓励学生主动发言，提出并解决问题，从而达到知识内化的目的。学生通过课前“翻转课堂”的学习，对于知识点有了一定认知，并通过在线实验环节，对密码学的实验有了进一步理解和掌握。在课堂中，通过与教师和其他同学交流，解决在线实验环节存在的问题，从而使知识得到内化，提高学习的质量。在本阶段，教师是“SPOC翻转课堂”的主导者，根据学生完成的实验情况，对知识点进行总结归纳，给予新的任务，学生通过实践操作，内化知识。

2.3 课后阶段

由于密码学课程理论难度高、实践性强、创作性强的特点，该阶段主要进行课程综合创新实验，即学生自由分布，自行选择题目，分别进行需求分析、功能设计，与课堂教学同步进行具体功能的实现，最后进行比赛竞技，以提高学生的整体实践能力。学生可以利用老师在“翻转课堂”中提供的一些“拓展知识”进行实践创新，在线与老师、同学进行互动交流，使学生对于该课程的学习内容进一步巩固，融会贯通，得到知识的升华。

3 SPOC式密码学实验教学需把握的问题

3.1 以实验教师为中心，回归教育本质

传统的实验教学往往有着固定的模式和套路，实验教师在准备好实验设施后，需要详细地讲解实验内容，而后要求学生按照要求，完成指定的实验步骤和内容。在这种模式下，强调组织管理的“统一性”和教学内容的“验证性”，导致实验教师的教学内容被限制，教学形式易僵化[9]。而SPOC式实验教学要求教师更多地扮演“指南针”的角色，引导学生独立观察，自主地思考和探索，从而具备发现问题、分析问题和解决问题的能力，这也对实验教师提出了更高要求，不仅需要实验教师能设计、会辅导，更要求在SPOC支撑环境、SPOC体系、SPOC平台、SPOC教学方法和手段等方面有新的认知和见解。

（1）重视顶层设计。在密码学实验SPOC建设中，确立以“培养学生创新精神和实践能力”为目标，将密码学的“理论学习”和“实验教学”有机结合起来，形成密码教学不可分割的整体。为此，规划SPOC密码学实验教学，全面推进实验教学的内容、手段、方法等方面的建设，改变过去实验课局限于验证理论，明确界定期望的实验成果，重新制定评价策略。

（2）注重教学互动。实验教师充分利用SPOC教学实验平台的桥梁作用，指导学生的密码学实验，改变过去只能在实验课上沟通交流的时间限制，进行思想上的交流碰撞。同时在此过程中，也可了解学生的想法和反馈信息，以此为依据及时调整教学方法。

（3）精心设计实验活动。实践证明，较短的视频更容易吸引学生，提升学生的学习投入度。一般来说，实验教师应将SPOC教学内容分解成少于6分钟即可讲解清楚的视频片段。还应该精心设置实验场景，开展案例式教学，区分实验的难易程度增加综合性、设计性和自拟题目的实验内容，为不同层次的学习提供相应的空间，提高学生探索未知和分析问题的能力。

（4）明确实验评价策略。通过获得学生的反馈信息，并借助SPOC平台的学习分析技术，确认实验效果在整体上是否达到了预先目标，继续推进和改善实验教学。

3.2 以学生为主体，提高学习责任感

在传统实验教学中，学生的角色被固定化，限定在一定的教学范围内学习，且大多“依葫芦画瓢”，依照提前制定好的实验步骤逐步实施，不去主动思考，创新余地小；而SPOC式实验教学鼓励学生自主学习、自主参与、团队协作，进一步解放各种束缚，培养学生的自学能力、创新能力和团队协作能力，确保学生的密码学实验主体地位，因此利用SPOC式实验教学方式，启发学生自主学习是“重中之重”。

（1）设置开放式实验。SPOC式实验应设置不同的实验内容，有些要求学生必须掌握，有些供学有余力的学生探索和挑战，支持学生的开放式学习体验，由学生按自己的需求自行选择具体的学习时间与方式。

（2）重视SPOC中的小组协同学习。鼓励学生自行选择成立学习小组或者临时搭建在线学习小组，支持学生在一个有任务分工、合作协同的小组中，获得算法学习、协同设计、协同实践等学习体验，以完成密码学实验。这样精心设计一些小组学习则可能有效地提升学生的学习热情。

（3）提供个性化学习服务与支持。为学生提供一些有启示、有争论的问题，促进学生回顾、反思、思考、提取、应用所学内容去解决这些问题，利用SPOC平台短时间内得到学生的作答，而后实验教师及时解答分析，让学生有一种面对面接受教师个别化辅导的体验。

3.3 以平台为依托，开展全时教学

传统实验教学需要专门的实验室，开放时间受限。SPOC式实验教学依托MOOC、SPOC教学平台，利用云计算技术，提前配置好实验环境，让学生通过远程网络的方式，访问实验资源，实现全时教学，在时间和空间上进行了有效扩展。

（1）在线实验平台。利用云计算平台，远程编写DES、IDEA、AES等对称加密算法以及RSA和ELGamal等公钥加密算法。对于当前的DES、AES和RSA等复杂度较高的加密算法，可以提供现成的在线破译工具，让学生自己破译之前编写的算法。对于实践性比较强的实验，例如为学生提供 PKI 在线实验模块，其中实验中心模拟CA，学生利用公钥证书实现安全通信。

（2）发挥SPOC论坛的交流作用。我们发现传统方式的密码学实验中，同学们遇到一时无法解决的编程问题时，往往一筹莫展，在小范围内讨论求助，无法及时有效地获取信息，逐渐丧失了继续实验的兴趣。学生在学习的过程中，遇到疑问可以请教教师，也可以与其他学习者讨论和交流。通过 MOOC论坛这种学习模式，每个学生都能感觉到自己在接受教师的单独教授和辅导，也可以从一起学习的同伴那里获得指导以及指导他人，同时感受学与教的快乐。

（3）建立SPOC式密码实验教学网站。该网站包括课程导学、讨论协助、相关资源、作品展示、知识扩展等相关板块，为学生构建了完整的学习资源，既有助于学生在课下进行自主性和探索性学习，又可以辅助教师进行课堂教学。网站中优秀作品展示模块，能够更好地激发学生的学习热情，提高创新实践能力。

4 结 语

SPOC为密码学实验课程建设提供了一个理想的平台，利用先进的技术开展网络化实验教学，以更加人性化的方式为学生提供学习资源和机会，激发其学习积极性和主动性，使教师和学生都成为课程的建设者和受益者，进而优化学生实验技能的培养。同时我们必须清醒认识到，教师在SPOC式实验教学中的作用和影响力更大了，这对教师也提出了更高的要求。

参考文献：

[1]伍民友, 过敏意. 论MOOC及未来教育趋势[J].计算机教育, 2013(20): 5-8.

[2]康叶钦. 在线教育的“后MOOC时代”——SPOC解析[J]. 清华大学教育研究,2014(1): 85-93.

[3]曾明星, 李桂平, 周清平, 等. 从MOOC到SPOC:一种深度学习模式建构[J]. 中国电化教育, 2015(11): 28-34.

[4]秦艳琳, 吴晓平. 模块化密码学实验教学方法研究[J]. 计算机教育, 2013(2): 70-73.

[5]潘林, 王金双, 陈融, 等. 基于CrypTool的应用密码学实验设计[J]. 计算机教育, 2015(6): 101-103.

[6]张瑞霞, 唐成华, 唐麟. 密码学实验教学改革应用实践[J]. 计算机教育, 2013(5): 68-71.

[7]陈逢林. 密码学实验课程的建设[J]. 安庆师范学院学报(自然科学版), 2012(1): 108-111.

[8]吕秋云, 赵泽茂, 刘顺兰. 信息安全本科专业密码学实验课程的教学研究[J]. 计算机教育, 2009(15): 133-135.

[9]刘银萍, 彭端, 蒋力立. 创新实验教学与传统实验教学的比较[J]. 社会工作与管理, 2010, 10(5): 27-30.