新工科背景下密码学实践教学建设探索

曾 光，王 洪，段乾恒，杨 阳

（中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 应用数学系，河南 郑州 450000）

0 引言

网络空间安全已成为各国竞相争夺的战略制高点，党的十九大鲜明提出要“营造清朗的网络空间”，达到这一宏伟目标离不开网络空间安全技术、离不开密码学的有力支撑。密码学一方面覆盖内容较多，涉及丰富的数学知识，另一方面与密码学相关的技术、知识更新速度快，且具有较强的实践性。要实现新工科形势下院校的新型人才培养目标，必须大力加强面向实践需求的人才培养与建设。本着产业需要什么人才就培养什么人才的原则，加大密码学实践化培训力度，切实满足网络空间安全现实需求，使人才培养具有对相关产业的支撑引领作用[1]。通过对密码学内涵外延和产业需求的深入研究分析，笔者认为实践化目标对课程体系设置、培训环境建设和师资队伍建设赋予了新含义、新生命，为密码学建设指明了新方向。

1 密码实践化丰富课程新内涵

密码学的院校教育工作必须围绕培养密码素质入手，着眼就业需求，动态地对已有专业训练内容进行充实，使学生不断了解网络空间安全的相关理论，掌握密码学相关基础理论，学会密码工程项目的运作与管理，提高训练实践能力，初步具备从事网络空间安全相关工作的素质和意识。

1.1 兼顾数学计算机基础重塑课程

网络空间安全是一个集成数学、计算机、通信等学科知识的交叉学科，该领域的人才培养需要专业知识和工程能力的高度复合。网络空间安全原有的课程体系多以数学素养教育为核心[2]，而密码学在网络空间安全学科的拓展需要学生的素质高度交叉融合，笔者特此选定了以数学和计算机并重为基础、强化工程实现意识的课程设计：一是夯实数学理论知识基础，认真分析密码算法、密码协议、密码应用、密码系统所需要的数学基础，科学地平衡数学和计算机课程的逻辑关系和比例分配，设置代数与分析、概率与统计、组合与安全、密码理论、密码应用等课程模块；二是打牢计算机技能基础，以计算机组成原理、数据结构、操作系统和计算机网络作为主要教学内容，对实训环境和网上虚拟实验室进行优化重构，鼓励学生与非本专业学生组队参加各种竞赛活动，不断加深对计算机的理解；三是强化计算工程意识，培养学生算法思维，锻炼学生将数学知识转化成算法的能力、将简单算法转化为并行算法的能力、从海量数据中进行挖掘的能力，并初步具有高性能计算基础的能力，构建以数学计算为核心的计算工程视野。

1.2 专业核心课程增加实践比重

按照网络安全行业人才需求，系统优化教学设计，加大专业核心课程实践环节比重[3]，由以往的750学时增加到900学时，约占人才培养方案的1/3。专业核心课程的明确导向就是提升密码应用能力，并与国家的密码发展战略相互动：一是增加信息知识、突出实践意识，教学工作围绕学生信息化素质培养展开，着眼动态地对教学内容进行充实，使学生掌握信息化的理论与实践，学会使用信息化工具，将知识转化为信息化实践能力的过程必须在实践环节中不断积累；二是创新实践环境、强化实践意识，模拟与仿真现实环境，不仅可以让学生感受实际工作氛围、体验实际工作过程，更能够让其快速具备网络空间安全实践的能力和素质，让学生在全场景、全流程、全感知的综合实践化环境中得到有效锻炼；三是开发团队实践项目、培养团队实践能力，积极开展以课题、实用化产品开发为牵引的教学组织模式，将学生按照不同专业和层次分成3～5人的小组，安排指导教师带领学生开展就业相关的网络空间安全产品研发与课题研究，完成综合素质项目和学生创新计划，以全国性比赛为牵引，加强学生的工程实践综合能力训练。

1.3 面向产业课程吻合实际需求

以符合产业需求、适应网络空间安全相关行业人才培养为终极目标，在院校教育与行业教育之间做平稳衔接。利用行业的具体应用，如区块链的应用，确定实践科目内容为工作量证明机制的实验，加强密码算法的应用实践，认清密码算法在区块链系统安全的作用。具体做法：一是全员提升实践能力，结合训练目标，建设操作性较强的实践类课程，规范训练流程，分层次确定训练方式，完善针对性的教学训练设施，构建集“教学、训练、协作”为一体的密码控制与协同开发课程，实施阶梯式项目管理、协作与开发能力培训；二是加强基本技能训练，从代码分析、数据分析、算法分析、系统分析4个维度各开设1门技能课程，加强针对性训练，强化专业技能；三是培养管理能力，针对密码攻防的信息不对称性，加强学生对密码信息的判断能力，学习技术实战运用，培养创新实施能力，增强谋略行为训练，建设密码组织与管理课程，提高科技运用决策和智能谋略水平。

2 密码实践化指明教学环境建设新方向

当前，大数据时代正在到来，与密码相关的网络安全事件随之而呈暴发性增长态势，新理念、新方法、新技术层出不穷。网络空间安全专业学生不仅要强化专业素养，全面掌握密码学的专业基础知识，更需要具有熟练掌握使用工具完成任务的能力。此外，还需要培养学生自我学习、自我进化的创新意识和能力。这些能力的培养和实践意识的养成需要契合的教学平台作为坚强保障[4]。为此，可以依托基础理论实践辅助平台、实践技能锤炼平台、综合演练模拟平台，强化3个层次的能力培养：基础理论实践辅助平台为密码学与信息安全辅助平台；实践技能锤炼平台为对称密码、公钥密码和密码应用平台；综合演练模拟平台分为两类，一类是密码算法与协议的综合演练，另一类是网络攻防系统中的密码演练部分。通过3个层次形成从基础知识点的学习到实践技能培养，从强化个人单项技能到综合性全面技能、系统安全思维培养的综合性教学支撑环境。

2.1 基础理论实践辅助平台

基础理论实践辅助平台是实现从课程讲授到实践技能培养的桥梁：一是设置特色基础教学实践模块，结合专业课程设置，重视实践化教学基础模块的构建，为课程理论讲授提供可验证、可演示的基础支撑环境；二是打通基础模块到支撑环境的桥梁，依托通专结合的可重构计算设备、高性能密码分析设备、安全协议数据解析环境、网络密码模拟仿真环境等终端体系，构建密码学辅助教学系统、密码分析教学平台等核心支撑模块，为相关课程提供前端教学实践平台和基本的操作演练环境；三是凝练实践辅助平台的核心功能，辅助平台侧重于为基础课程教学提供实践环境，强调理论讲授的可视化、形象化、系统化；为改进教学效果提供硬件支持，同时也为实践技能锤炼平台提供前端的技术与平台支撑。

2.2 实践技能锤炼平台

网络空间安全专业的人才培养，在打牢密码学相关理论基础的前提下，重点要强化学生的实践技能：一是强化核心实践能力，在基础理论实践辅助平台的支撑下，重点打磨学生在实际工作中需要的编程能力、基础数据处理与分析能力、逆向分析能力和系统化思维能力；二是促进形成系统化分析理念，依托各类密码机制模拟系统，让各层次学生体验从终端到服务端，从理论技术到实用化产品的全流程、立体化密码算法、协议工作原理与机制；三是突出专项技能的培养与强化，学生深入了解各类密码系统特征，能够更好地将基础实践经验、技巧打磨成实践能力。对个人综合能力及单项技能进行升级强化，为系统化密码人才培养提供基础支撑。

2.3 综合演练模拟平台

以基础平台为支撑，形成完备的综合演练平台：一是加强综合意识培养，密码学的人才培养，除了单项密码专项技能外，还需要强化系统安全意识，初步具备从事网络安全产业的基本素质。为此，在实践技能培养的基础上，通过毕业设计、实习、综合演练，以及密码数学挑战赛、密码技术竞赛等各类学科竞赛与科技创新等环节，强化密码理论应用能力；二是打造多平台协同的实践生态系统，大力加强密码综合演练系统、密码系统侧信道分析、网络协议自动化分析等系统的有机组合与重构。打破系统固有边界、增强系统的耦合，构建学生在密码分析时的系统化思维；三是促进学生综合分析能力的全面升级，培养学生的综合能力，包括科研攻关能力，有针对性的培养学生对密码系统的综合分析以及适应新密码装备、新密码系统的能力。

在相关平台的支撑下，实现人才培养工作从理论到实践，从应用到开发的重大转变，从而完成全方位的知识学习、技能实践、系统化思维和综合分析能力培养的任务。

3 密码实践化推进师资队伍实践新发展

立教之本在教师，兴教之源看人师。高素质、高水平的师资队伍是保证实践教学效果的关键因素。教师是人才培养工作的主体，是人才培养的中坚力量，也是科研的主力军。密码学实践教学需要一支师德高尚、业务过硬、富有创新精神的复合型、高素质教师队伍，更需要一支真懂实践、会教实践、扎根实践的师资队伍[5]。

3.1 增强实践化导向，探索科学的实践化人才培养机制

网络安全领域相关理论和技术飞速发展，多学科多领域深度融合，新情况、新问题层出不穷：一是根据学科整体布局和发展需要，制订青年骨干教师送学发展计划，扩宽教学科研视野；选派教学骨干到国内外高校、科研院所访学，学习先进教学方法和教学理念，了解和掌握最新科学进展，提高青年教师教学科研能力，构建教学名师、学科带头人、骨干教师构成的高层次人才体系；二是根据实践化需求，加强院校和相关企业间交流，多渠道了解实践化最新进展；通过校企交流项目，加大对校内外、国内高水平密码人才的邀请力度和频度，聘请知名企业专家作系列专题讲座。积极引进校内外、国内外先进教学平台，提高教师实践化平台应用水平；三是利用好国家重大人才工程项目，积极培养青年教师和骨干讲师，做好相关教师的职业规划，为密码学培养出复合型、高素质的教师队伍。

3.2 加强教师实践经历，提高教师实践化教学能力

密码学的实践化教学，离不开一支真懂实践、会教实践的教师队伍：一是加大密码学专业教师与知名企业之间的交流力度，安排青年教师（尤其是没有企业实践经历的教师）到相关企业参观访问，鼓励教师利用寒暑假到相关单位交流学习；二是创新院校与企业之间的交流模式，依托合作单位，采取选派教师参加或观摩合作单位的实践化演练等活动，体会企业文化氛围，掌握企业发展前沿动态，融入产业信息安全科研项目，使院校教学工作更加贴近产业需要；三是经常邀请各大知名业务专家到院校讲学，介绍实践化细节，鼓励教师与企业之间协同开展相关课题研究，丰富实践案例库，有针对性地加强教师实践化教学能力建设。

3.3 加强实践化氛围建设，积极开展专业特色文化建设

密码实践化教学需要一支长期扎根院校、服务院校的教师队伍。建设这样的队伍，离不开特色文化，这也是实践化建设的重要内容和维度：一是加大特色网络空间安全文化展示和人文关怀，通过展板、条幅等媒介，加强对院校相关专业的历史沿革、辉煌成就教育，激发教师和学生的职业热情和使命认同感；二是加大对教学实际先进人物事迹介绍，利用好教学活动、辅导答疑时间，介绍优秀人物事迹，利用鲜活的形象推动特色文化的凝聚和引领作用，增强教师长期扎根院校、服务院校的事业心；三是有意识地为教师实践化教学建立一个实践文化环境，通过对实验室实践化环境改造，凸显实践化氛围、塑造实践化意识，严格以实践化要求指导日常教学、科研活动。