基于创新创业教育的开放式精品—示范课堂的设计与实践以信息安全专业课程为例

2019-07-01段桂华胡志刚王建新

计算机教育 2019年6期

段桂华，胡志刚，王建新，盛羽

（中南大学计算机学院，湖南长沙 410083）

0 引言

自2015年国务院发布关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见以及2016年教育部发布关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见以来，以国家创新创业导向为契机，探索新的教学理念、教学模式和教学方法成为近年来高校教学改革的热点之一。目前高校创新创业教学改革主要体现在两个方面。①在已有的创新创业项目立项支持的基础上，增加创新创业教育专题课程和实践训练环节[1-2]。这些独立设置的创新创业教育课程，一般是一些创新创业导论、创新创业管理、创新创业理论等通识课程，在内容上与专业教育脱节[3]，在时间上占用了专业教育的教学学时。②探讨以学生为中心的开放式教学模式，让学生参与教师的教学过程[4]。在这些以学生为主体的教学方法和手段中[5-6]，有些会占用学生大量的课外时间和课内教师的授课时间，从而影响教学计划。

创新创业教育改革的两个方面都存在与专业教育相冲突的问题，具体表现在大量的专业知识点与有限的课内学时之间的矛盾，解决这个矛盾是目前高校教育改革中需要重点思考的问题。已有的研究主要是从宏观上探讨高等教育中学生创新创业能力培养的目标和专业体系[7-8]，研究创新创业背景下实践教学环节的教学内容和考核方式[9]，分析“双创”人才培养过程中当前考试存在的问题，给出一些考试改革的建议[10]，或从个性化教育的角度探讨培养大学生创新创业能力的一些方法和途径[11]。这些教学改革思想和策略虽然各有着重点，但是内容大同小异，都是从人才培养的全过程考虑，抽象不具体，对于一线教师的教学参考价值不大。

1 基于创新创业教育的开放式精品示范课堂的设计框架

开放式教育的特点是以学生为中心，不同于传统的教学模式，教师不仅仅是能站上讲台，还要能站好讲台，能充分调动学生的学习主动性，变接收式的被动学习为探究式的主动学习。根据这种课堂形式变化的需求，课程改革将融合创新创业教育理念和专业课程知识体系，从教学理念、教学设计、教学方法和考核方式4方面展开，最终使学生在知识、能力和思想3方面得到锻炼和提升，成为具有创新能力和团队协作能力的人才。基于创新创业教育的开放式精品示范课堂的设计框架如图1所示。

根据这种课堂形式变化的需求，按照课程的教学课时与知识点分配，以1课时为单位进行课堂的教学设计，教学设计所包含的项目见表1。

2 信息安全专业课程开放式精品示范课堂的教学设计

信息安全专业的核心课程主要包括信息安全导论、信息安全数学基础、现代密码学、操作系统及安全、软件安全、网络安全、信息内容安全、信息安全工程与管理、计算机取证、信息隐藏等。通过课程学习，学生能够掌握信息安全的相关专业知识点，学会分析问题、解决问题的方法和策略，用创新思维解决实际生活中的信息安全问题。以现代密码学课程为例阐述开放式精品示范课堂的详细教学设计过程，该门课程的知识点包括现代密码学的基础知识、常用的密码算法、经典的密码协议及其在当前网络热点研究中的应用。

图1 基于创新创业教育的开放式精品示范课堂的设计框架

表1 基于创新创业教育的开放式精品示范课堂的教学设计内容

创新创业教育和开放式教育的共性体现在以学生为主体的新双创意识、技能培养，具体而言就是学生主动思考、分析和解决问题能力的培养、创新创业思维的培养以及专业技能的培养。基于这些共性，将现代密码学课程的知识点分类，不同的知识点融入不同能力的培养，如密码算法的原理和密码协议的设计思想等知识点融合，培养学生的信息安全专业技能；密码协议的安全性分析和性能分析等知识点融合，培养学生主动思考和分析问题的能力；算法和协议的应用等知识点融合，设计相应的拓展题，让学生进行资料查找和文献综述，在文献综述的过程中培养其解决问题能力以及创新创业能力。

遵循基于创新创业教育的开放式精品示范课堂的设计框架和设计理念，以保密通信协议为例，设计1课时的课程教学过程如下。

在实际的教学设计中，教学思路、教学方法是融合在教学过程中的，同时考虑到篇幅有限，因此，只给出具有代表性的关键知识点的教学设计。

1）教学内容与教辅。

本堂课程涉及的教学大纲知识点为保密通信协议的流程、利用密码算法设计保密通信协议、保密通信协议的性能分析与代码实现。这些知识点与教辅材料的对应关系为：①《应用密码学：协议、算法与C源程序》第2章的2.1节、2.2节和2.5节；②《现代密码学》第1章的1.3节。

2）教学目标与要求。

通过本堂课程的教学，学生在知识、能力和思想上应达到的目标包括以下几方面。

（1）知识方面：了解密码协议的应用背景；理解密码协议的概念、密码协议的分类；掌握保密通信协议的设计原理和性能分析。

（2）能力方面：及时消化和巩固所学知识，提升学习能力；培养发现问题、分析问题和解决问题的能力，针对实际生活中存在的一些信息安全问题，能够设计出相应的解决方案，提高创新创业能力；学会资料查找和文献综述，培养运用分析、比较、归纳、演绎等科学研究方法的能力。

（3）思想方面：提升信息安全意识和鉴别能力，培养辩证的思想，学会从多角度思考问题；培养复习+总结、预习+思考的良好的学习习惯和严谨务实的学习态度，并通过知识拓展开阔视野，提高学习的兴趣、热情和主动性。

（4）创新创业方面：基于所学的课程知识和文献拓展，设计综合性的项目，形成参赛作品，参加各种创新创业项目和信息类竞赛，如创新创业训练计划项目、自由探索项目、全国大学生信息安全竞赛、全国高校互联网应用创新大赛、计算机程序设计竞赛应用开发类等。

3）教学重点和难点。

本堂课程的教学重点是保密通信协议的流程分析、协议设计以及性能分析，其中难点在于协议的代价性能和安全性能分析以及协议的具体应用。

4）教学组织与思路。

教学时间共计45 min，各环节的时间分配大致为2 min知识点回顾、4 min密码协议的应用背景、3 min保密通信协议的流程、24 min保密通信协议的设计与性能分析、3 min保密通信协议的代码实现、4 min提问或者学生上课练习、5 min课程小结与预习知识。

5）教学方式和方法。

本堂课程要讲解古典密码、对称密码、公钥密码和混合密码4种密码机制的保密通信协议，因此，对与这些协议相关的密码算法分类、仲裁协议与裁决协议的特点等知识点进行回顾，采用问答方式进行学情分析，既可以复习知识点，又可以了解学生对知识点的掌握情况，用以调整后续知识点的授课进度。同时，给出思考问题：为什么采用对称密码算法设计的协议是仲裁协议，而采用公钥密码算法设计的协议是裁决协议？让学生带着问题在学习的过程中思考，培养分析问题和解决问题能力。

（1）分析生活中的网络诈骗事件，找到事件发生的根本原因——被骗者信息被泄露和诈骗者身份未被确认，从而引出保密通信协议和身份鉴别协议这两个重要的安全协议。通过案例引入和交互讨论的方式引导学生有针对性地分析问题和解决问题，提高学习的兴趣。

（2）在协议讲解的过程中，采用多媒体动画的方式形象地描述保密通信协议和中间人攻击的执行过程，帮助学生理解抽象的协议设计与性能分析过程；同时给出生活实例问题——如何在熟人间传输口令或密码等重要信息，让学生设计一个简单的协议解决该问题，培养学生的知识应用和创新能力。

（3）在4种保密通信协议之间知识点的衔接中，采用提出问题、解决问题、提出新问题、解决新问题的方式由易到难、循序渐进地引导学生进行思考，避免思维疲劳，同时培养学生思维的严谨性。

（4）在讲完采用对称密码和采用公钥密码的保密通信协议后，基于这两个协议的性能分析，让学生回答课前的思考题，考查学生对课堂知识的理解能力和掌握程度。

（5）在课程小结中，采用表格对比和问答的方式归纳4种保密通信协议的特点，加深学生对所学知识的理解，同时也培养学生对知识的分析比较和归纳能力。

（6）在作业的拓展题中，引入当前信息安全领域的研究热点之一隐私保护，结合生活中的实际问题，如社交软件的安全认证、电子商务中的个人信息保护等，考查学生的文献查找和综述能力、分析问题和解决问题能力、知识运用和创新能力，培养创新创业思维。

（7）在理论知识应用环节中，讨论目前常用的QQ、微信、邮箱等通信软件采用何种保密通信协议保证用户的信息安全，并让学生在课堂上分析和讲解不同软件实现的协议代码，提高学生的课堂参与度。

（8）保密通信中最关键的要素是密钥，以“通信双方是如何安全有效地协商这个密钥的呢？”问题引入下一节课学习内容的介绍，供学生课前预习。

6）考核方式。

采用多形式、多阶段、多类型的考核方式，并引入创新创业能力的考核。考核包括平时成绩、实验考核、课外拓展和期终考试4部分，见表2，成绩占比可以根据具体的课程进行调整。平时成绩和实验考核与课程每个章节知识点紧密结合，及时考核学生对知识点的掌握程度以及实践动手能力；课外拓展考查学生发现问题、分析问题和解决问题能力，启发学生提出一些创新性的解决方案，考核学生的创新能力。

课程每个章节的课后作业中，都留拓展题，学生可以从其中选择一个题并自发组成1～3人的兴趣小组，课外查阅资料，了解信息安全中的各种密码算法和安全问题以及相应的解决方案，撰写读书报告，教师从中选择优秀的若干组进行答辩。在答辩的过程中，每个小组做好答辩PPT，选派1个学生上台讲解，全体学生作为评委，可以提问并进行匿名评分，从PPT内容、PPT讲解和PPT形式3方面进行评分。通过这种方式，学生开放式教学参与度达100%，可以很好地调动学习的主动性，拓宽知识面，有利于培养独立思考的能力和灵活运用知识的能力。

表2 多形式、多阶段、多类型的考核方式

3 实践效果

从2013级学生开始，中南大学信息安全专业的专业核心课程体系采用新的基于创新创业教育的开放式精品示范课堂形式进行教学，取得了良好的教学效果。学生无论是在专业学习的积极性和主动性，还是批判思维、文献综述和创新能力方面，都得到很大提升。该专业学生参与学科竞赛获奖人次、主持和参加创新创业项目的人数都呈现增长趋势，在学生参加的学科竞赛和创新创业项目的选题中，有80%的题目是专业课程拓展题的升华，其中“一种高效的信息分级保密快递方案”和“一种基于特征提取的有效下载链接识别方法”获得国家级创新训练项目立项，参加全国大学生信息安全竞赛分别获全国总决赛二等奖和三等奖，相关文档形成小论文发表在学术期刊上[12-13]，并申请了发明专利；“基于高校域的网络攻防大赛平台”获国家级创业训练项目立项，相关成果为学校的大学生信息安全竞赛和信息安全专业课程的实验提供了平台。