密码学“微”课程实践

2018-06-01杨宇光周艺华侍伟敏

计算机教育 2018年5期

杨宇光，周艺华，侍伟敏

（北京工业大学信息学部，北京100124）

0 引言

随着计算机网络和通信技术的发展，信息安全问题日益凸显。密码学作为信息安全的核心技术，已成为信息安全和其他计算机相关专业的核心课程，对于专业的人才培养目标起着至关重要的作用。目前，大部分高校开设了相应的本科生课程和研究生课程，一些高校成立了信息安全专业。

如何培养合格的信息安全专业人才一直是专业任课教师研究的重点，作为信息安全专业核心的密码学课程的教学内容和方法的研究是重中之重。教师从密码学课程设置、教学方法、教学内容、实践教学等多方面对密码学课程进行了探讨，取得了一些有价值的理论及实践成果。例如，朱晓玲等[1]探索了基于攻防思维的密码学实验教学模式。李梦东[2]讨论了密码学课程教学内容设置和教学方法问题，研究了密码学课程的教学方法和教学特点。由于传统的密码学教学理论性强，学生感觉教学内容比较抽象，难以直观理解，文献[3—4]探讨了将可视化密码学教学软件CrypTool引入到密码学教学过程中，利用可视化图形界面，向学生演示密码算法。文献[5]也设计了一种可动态演示密码算法详细流程的应用系统平台。

1 密码学课程面临的问题

在传统的密码学教学过程中，主要存在以下问题：

1）课时相对较少。

密码学课程所涉及的知识多，没有足够的课时来详细介绍诸多密码算法，使得学生难于深刻理解算法的原理及软硬件实现。如我校的密码学课程安排了40学时，其中32学时理论教学，8学时实践教学。相比之下，针对密码学教学，重庆邮电大学安排了64个学时，其中理论教学56学时，实验教学8学时。

2）课程体系设计不完善。

密码学具有知识背景多，内容覆盖面广、数学概念多、逻辑推理性强、与其他课程联系多、实践性强等特点。

（1）密码学课程的先修课程有“初等数论”“抽象代数”“计算复杂性理论”等，有些学校并未将其纳入信息安全专业课程体系中，如我校只开设有“信息安全数学基础”课程，此课程只含有以上数学课的少量介绍。因此，学生的数学基础比较薄弱。

（2）密码工程包括各种密码学算法的 FPGA硬件实现、软件实现及其优化，这些知识是培养信息安全工程人才所必需的。我校密码学课程以讲解密码学理论知识为主，很少涉及密码工程的相关内容。

（3）随着通信、电子和计算机等技术的不断进步，密码学也得到了快速发展。然而，密码学教材由于篇幅限制无法涵盖最新的密码技术，如混沌密码学、DNA密码、后量子密码学、量子密码学等。为了开阔学生的视野，在教学过程中也有必要介绍一下最新的密码学前沿技术。

对于我校讲授密码学课程的教师来说，在32理论学时内，将密码学的基本内容、密码工程相关内容以及密码学最新进展介绍给学生，即使对教学内容和教学方法进行精心安排和设计，仍然存在一定的难度。

2 密码学微课程的设计

2.1 微课程的定义和特点

微课程(Micro-lecture)的理念起源于美国北爱荷华大学McGrew 教授所提出的60秒课程[6]以及英国纳皮尔大学的Kee提出的一分钟演讲[7]。McGrew教授希望在非化学专业的学生以及民众中普及有机化学常识，然而有机化学教材普遍篇幅很长需要耗费精力去学习。因此，他提出60秒课程，希望在一些如舞会、搭乘电梯等场合，为大众普及化学常识。他将60秒课程设计成3部分：概念引入、解释、结合生活实例，并认为其他领域的专家也可用类似的方式普及自己的专业。而如今众所周知的微课程概念是2008年由美国新墨西哥州圣胡安学院的高级教学设计师Penrose提出的[8]。Penrose认为微型的知识脉冲只要在相应的作业与讨论的支持下，能够与传统的长时间授课取得相同的效果。

微课程以短小的微视频为主要形式，也可以是文本、音频等，以解决某一知识难点为目标。微视频时间较短，一般10分钟之内，符合人类认知心理和碎片化学习的特点。由于微课程资源总量小，师生可通过计算机或手持移动终端访问，在线观看各种视频和资源，适合利用碎片化时间学习。

2.2 密码学微课程的设计

Penrose提出建设微课程的5个步骤：

①提取传统课堂教学中老师试图讲授的核心概念；②写出一份半分钟之内的简介，介绍核心概念；③用摄像头录制1～3分钟的核心概念的讲解；④指导学生完成课后阅读或探索的任务；⑤上传教学视频与课程任务到课程管理系统。

借鉴Penrose微课程建设思路，密码学微课程的建设，应注重与传统课堂的融合，为传统课堂提供服务和补充。为此，北京工业大学密码学微课程的实施过程如下。

2.2.1 需求分析

要夯实学生的数学基础。如果在有限的32学时的传统课堂上讲述前面提及的数学基础知识，将严重影响密码学本身课程内容的讲授。因此，可将密码学课程涉及的“初等数论”“抽象代数”“计算复杂性理论”中的数学知识点的讲解做成微视频，作为微课程介绍给学生。

另外，密码学是理论与工程结合很紧密的学科，32学时的传统课堂仅能给学生介绍密码算法的基本原理、思想，没有课时再介绍密码工程的内容，可将这部分内容做成微视频介绍给学生，提高其工程实践能力。

密码学教材由于篇幅限制以及各种密码技术的发展，无法涵盖前沿密码技术。为了开阔学生的视野，在教学过程中这部分内容也可以做成微视频，作为微课程介绍给学生。

通过将上述内容作为微课程介绍给学生，学生在32学时的传统课堂之外利用碎片化时间通过计算机、手机、iPad等移动终端进行学习。

2.2.2 微课程单元主题划分

针对学生的需求，我们设计了合适的微课程单元。由于密码学微课程是传统课堂的补充，为了10分钟之内能够把重难点讲解透彻，所以每个微课程单元模块所选的微课程知识点必须足够细，起到传统课堂不能起到的效果。比如在密码学各模块中会涉及一些核心数学概念（表1），这些数学概念由于课时所限不能详细讲解，我们可以针对每一个数学概念录成相应的微视频，作为微课堂的学习资源供学生课外进行学习，以加深传统课堂相关密码算法的理解。

表1 密码学课程各模块涉及核心数学概念

2.2.3 微课程单元的教学设计

微课程不仅仅是微视频的呈现，而是有一套完整的教学设计，要对学生需求进行分析，结合教学任务，确定学习内容。由于10分钟之内要求把一个知识点或概念讲清楚，要求在教学内容导入时，要求快速、新颖，切入主题，要激发学生的学习兴趣。讲解过程中要围绕主题，讲授思路清晰，逻辑性强，节奏紧凑，重点突出，最后对所学内容总结时要精炼、科学、准确，加深学生对所学内容的印象。

另外在教学设计中，还应该允许师生之间同步与异步讨论，课后提供不同层次的习题供学生练习，教师通过微课程学习平台掌握学生的学习情况，以便在传统课堂上能够针对性地查漏补缺。

2.2.4 微课程系统

微课程除了微视频之外，还有微教案、微课件、微习题、微反思以及各种学习辅助系统。这些资源可以通过微信平台进行发布，也可以搭建自己的密码学微课程平台，方便学生随时随地学习，还可随时进行各种学习资源更新，师生同步或异步讨论、学习资源分享等活动。

3 微课程实施效果

密码学微课程借助微信平台投入使用以来，延伸了传统教学课堂，教学过程不局限于仅有的32个学时。学生通过利用手机、iPad等移动终端，在自习室、图书馆、宿舍等任何地方随时随地利用碎片化时间都可以学习密码学的知识。如果微视频中有哪些听不懂的知识，学生可以反复观看，甚至可以将自己的疑问反馈给老师，老师可以有针对性地进行讲解。通过微课程和传统课堂相结合的方式，大大提升了学生的学习效果，取得了很好的教学效果。密码学微课程的建设得到了学生的高度评价。