面向网络空间安全新工科的密码学教学研究

刘杨 王佰玲

摘 要：随着网络空间安全新工科的兴起，研究面向网络空间安全的密码学教学方法具有越来越重要的意义。利用项目驱动教学法和分层目标教学法，提出了适合网络空间安全方向的密码学教学模式，构建了支撑体系模型，将教学过程分为基础理论教学、实验教学和实践教学，使整个教学环节更加完善合理。实践表明这种教学方式是可行的，不仅提高了教学效果，而且极大地调动了学生的积极性。

关键词：密码学；网络空间安全；项目驱动教学；分层目标教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）12-0013-03

Abstract： The rise of the new engineering of cyberspace security makes it become more and more significant to make the research on the teaching method of Cryptology dealing with cyberspace security. Through project-driven teaching method and stratified teaching method， the paper proposes the teaching model suitable for cryptology applied for cyberspace security， constructs the supporting system model， and divides the process of teaching into basic theory teaching， experimental teaching and practical teaching. The practice proves that this teaching method is available， for it not only improves the teaching effect， but also gets the students motivated.

Keywords： Cryptology； cyberspace security； project-driven teaching method； stratified teaching method

引言

密码学是一门理论性和实践性都很强的课程，在现代信息安全领域中，密码学已经成为支持信息安全各个方向的专业基础学科之一。随着网络空间安全新工科[1]的兴起，密码学迫切需要调整传统以信息安全专业为背景的教学模式，设计新的教学模式与教学方法，从而适合新工科的发展需求。

随着密码学教学改革的不断发展，很多教师都在积极探索新的、有效的教学方法[2-7]。胡小明等人[4]利用案例教学法，从理论和实践两方面对密码学课程教学进行研究，同时将密码学最新研究成果和知识引入到课堂教学，以提高教学效果。窦本年等人[5]利用科研方法论，将密码学教学与科研创新教育相结合，使学生在深入理解教学内容的基础上，接受科研方法的培训，自觉培养自己的创新精神和创新能力。朱晓玲等人[6]在优化课程体系、构建工程实践教学及改革教学方法等方面对课程体系进行优化，构建由基础实践、工程实践和创新实践环节组成的密码工程实训平台。王后珍等人[7]根据密码学课程特点，从加强课堂教学的生动性和启发性、加强教学实践环节及采取灵活多样的考核体系等方面进行了密码学教学研究。

一、密码学课程教学存在问题分析

作为网络空间安全关键技术的密码学课程，具有其不同于其他学科的特点：1.较强的实践性。密码学的最终目的是提供各种安全的应用算法，如加密保护信息的机密性，消息摘要检测信息的完整性，数字签名对抗信息的否认性。2.覆盖的知识面广。由于密码学最初是由军事发展而来，故而涉及到的知识非常广，如数论、抽象代数、概率论、组合数学等。3.广泛的横向联系。密码学是由应用数学、通信、计算机应用等多个自然学科汇集而成的综合性学科。密码学与其他课程的关联如图1所示。

随着各学科的发展，课程所涉及的知识越来越多，学科之间相互联系和相互交叉的趋势越来越广泛，在有限的授课课时内，如何选择本门课程的主要内容，采用哪些有效教学方法，使学生接收和掌握这些内容，是一件值得深入研究的问题。这也就是教学中“教什么”和“怎么教”的根本问题。因为课程所涉及知识多，且存在交叉和联系，所以需要介绍的内容较多；又因为课时有限，不能凭借增加课时、增加课目的方法将每个分支详细介绍。基于以上分析，发现目前密码学教学存在以下问题：

1. 课程应用性教学不足。密码学是一门应用性很强的学科，在网上银行、卫星通信、网络安全等生产生活、军事外交领域中具有广泛应用。目前密码学教学在这些应用方面的内容不足，不能使学生对密码学实际应用具有直观的理解。

2. 科研与教学融合不够。目前的密码学教学仅局限于课本知识，但是密码学是一门发展很快的学科，很多信息安全类的科学研究都要涉及密码学知识，而目前的密码学教学很少涉及科研项目，局限了学生的眼界和知识获取的范围。

3. 实践教学缺乏工程性。由于密码学是一门实践性较强的课程，尤其是在网络空间安全新工科中，密码学实验更应与网络应用相结合。然而，高校在人才培养过程中缺乏与实际项目相接轨的工程性实验，难以培养学生的工程认知、工程设计和工程实践能力。

4. 教学模式较为单一。当前密码学教学模式较为单一，创新性和趣味性不足，不能適应当今学生的发展需求，需要研究适合当今学生特征的教学模式。

二、面向网络空间安全的密码学教学模式

作为网络空间安全关键技术的密码学课程，在人才培养过程中应体现较强的工程实践性与自主创新性。密码学是一门综合性学科，总体来讲有一定难度，学生在前期的学习可能相对轻松，但随着教学的深入，内容的加深，会逐步感到老师讲授的知识越来越不容易理解。基于有限的教学课时及学生的接受能力，必须对教学内容进行合理编排。依据网络空间安全对密码学的要求，我们提出了利用科研项目驱动教学与分层目标教学的密码学教学模式，如图2所示。

在这种教学模式中，采用科研项目驱动教学法和分层目标教学法指导学生的具体课程学习任务，并在实际的教学过程中，使两者有机结合起来。

（一）科研项目驱动教学

项目驱动教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，在教学中以学生为中心，将一个相对独立的项目交予学生完成，信息的收集、方案的设计与实施主要由学生负责。针对密码学课程的性质，把项目驱动教学分为明确项目任务、制定项目计划、实施项目计划和总结评估四个阶段。

1. 项目任务划分阶段：由教师根据不同的科研项目背景，提出所需要的密码学知识，把这些密码学知识应用到实际的科研项目中，帮助学生体验密码学应用的真实情景。

2. 项目计划制定：按照工作流程把整个系统分解成一个个模块，对每个模块都提出具体的工作任务和所需的密码学知识，指导学生逐步完成。

3. 项目计划实施：教师为学生提供技术支持，适时组织讨论、讲解和归纳总结，及时发现学生完成项目过程中出现的问题，为学生提供解决问题的思路和方法。

项目驱动教学法的主体是学生，由教师提出开发目标，学生亲身实践，通过独立或合作完成一个目的明确的项目而掌握相应的技能。它的特点是强调项目任务的真实性、教师指导的目标指引性、学生学习的积极主动性、实践过程的探究性和合作性、评价的过程性和反思性等。科研项目驱动的密码学教学过程如图3所示。

（二）分层目标教学

分层目标教学是教师根据学生现有的知识、能力水平和潜力倾向，把学生科学地分成几组，分层制定出不同的教学目标，提出不同的教学要求，施以不同的教学内容，以最大限度地调动每一个学生的学习积极性，充分促进学生智能发展的一种教学法。根据密码学课程的任务，把分层目标教学分为分层制定任务、分层实施任务和分层考核评估三个阶段。

1. 分层制定任务：根据学生的掌握程度以及实际的动手能力，将学生分为不同的层次，对每个层次的学生进行分层教学，对能力较强的学生可以制定较复杂的任务，而对于能力较差的学生制定较简单的任务。

2. 分层实施任务：能力较强的学生可以要求完成较复杂的学习目标，遇到问题时鼓励学生自己去查阅资料解决问题。而对于能力较差的学生可以要求完成较简单的学习目标，并给予一些具体指导。

3. 分层考核评估：在考核评估阶段，要体现出前两个阶段的特点，考虑到题目的难度和学生的完成情况。

三、面向网络空间安全的密码学教学体系

密码学是高等院校本科生网络空间安全专业的主干基础课，也是各信息类专业竞相开设的重要选修课。传统的信息安全专业培养内容强调信息本身及其环境的安全，教学内容多偏重于安全技术，培养的人才大多从事信息安全的科学研究、技术开发、安全规划、运行维护、安全防御等和技术比较相关的工作。而網络空间安全专业的人才培养目标是，培养不仅具有扎实的网络空间安全基础理论和基本技术知识，而且系统掌握信息内容安全、系统安全、网络安全等实践技能的综合性人才。基于密码学课程特点及网络空间安全新工科密码学教学模式，提出密码学教学体系模型，如图4所示。

学生在学习了密码学基础理论、掌握了密码学基本原理和典型加密算法之后，通过安全算法和安全系统等编程实验加深对理论知识的理解，然后进行科研项目、校企合作等实践教学，完成从密码学理论到实际操作的过程。从而培养学生不仅具有扎实的理论知识，而且具有广泛的实践技能。在实际的密码学教学过程中，教师依据这个体系进行教，学生依据这个体系进行学，从而完成整个教学过程。

四、结束语

本文利用操作性较强的项目驱动教学法和分层目标教学法相结合的教学模式，提出了基于网络空间安全新工科的密码学教学体系模型。通过提高教学方法、完善实验教学、构建实践教学，对课程体系进行优化。利用科研项目、企业实习、校企合作、创新基地及校企合作等途径提高学生实践能力。培养适合网络空间安全新工科的密码学人才，使学生不仅具有扎实的理论知识，而且具有广泛的实践能力。

参考文献：

[1]国务院学位委员会（学位[2015]11号）.教育部关于增设网络空间安全一级学科的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb-xxgk/mo

e_1777/moe-1778/2015ll/t20151127_221423.html.

[2]郭华，李舟军，张习勇.从程序思维能力看密码学实验的教学[J].计算机教育，2014（13）：35-38.

[3]田有亮，王雪梅.算法思维在密码学教学中的应用[J].科技创新导报，2015（22）：188-189.

[4]胡小明，杨寅春，吴秀梅，等.信息安全专业密码学课程教学改革[J].计算机教育，2014（1）：49-52.

[5]窦本年，许春根.密码学课程的科研方法论教育探究[J].计算机教育，2018（3）：18-21.

[6]朱晓玲，胡东辉，侯整风.工程创新型密码人才培养模式的研究与实践[J].长春大学学报，2013，23（4）：472-476.

[7]王后珍，张焕国.密码学课程建设及教学方法探讨[J].高教学刊，2016（7）：78-79.