“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”教學(xué)改革研究

密碼學(xué)是保障信息安全的底層核心技術(shù)，密碼工程實踐是運用密碼學(xué)解決信息安全實際問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，隨著我國密碼事業(yè)的快速發(fā)展，密碼人才實踐能力培養(yǎng)暴露出知識體系不夠全面、學(xué)科交叉理解不深入、工程實踐能力不過硬等方面的問題，難以滿足社會對高素質(zhì)密碼人才的需求。因此，教育部高等學(xué)校信息安全專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會修訂的《信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》明確指出，密碼學(xué)實踐能力應(yīng)是信息安全專業(yè)實踐能力體系的重要組成部分［1］。相較于密碼學(xué)相對成熟的理論教學(xué)體系，密碼學(xué)工程實踐教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容及施訓(xùn)模式上可供借鑒的教學(xué)內(nèi)容和經(jīng)驗較少。文獻［2］結(jié)合實踐應(yīng)用場景，建立了包含基礎(chǔ)實驗平臺、實訓(xùn)平臺和創(chuàng)新應(yīng)用平臺的三層次密碼實踐環(huán)境。文獻［3］引入游戲通關(guān)方式，提出了網(wǎng)絡(luò)空間安全綜合實踐分級培養(yǎng)模式。文獻［4］從教學(xué)目標模型構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容體系優(yōu)化、教學(xué)實施規(guī)范創(chuàng)新等5個方面闡述了信息安全專業(yè)實踐教學(xué)改革與創(chuàng)新的實施辦法。文獻［5］提出了采用啟發(fā)式教學(xué)法開展密碼學(xué)實踐教學(xué)，教員設(shè)計應(yīng)用需求，并啟發(fā)學(xué)員根據(jù)需求按步驟完成設(shè)計任務(wù)。為有效提升學(xué)員密碼工程實踐能力，我校在大三上學(xué)期為信息安全專業(yè)本科學(xué)員開設(shè)了“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”課程。課程既是對程序設(shè)計、信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、密碼學(xué)等前導(dǎo)課程知識的綜合運用，也是后續(xù)專業(yè)課程，例如網(wǎng)絡(luò)安全原理、信息系統(tǒng)安全的重要基礎(chǔ)，對于貫通學(xué)員密碼理論到工程實踐知識、能力體系鏈路，深化學(xué)員對密碼理論的理解層次，強化其動手能力具有重要推動作用。但在教學(xué)過程中存在課時量少、內(nèi)容體系不完善、考核機制不健全、實踐難度與學(xué)員認知符合度低等問題，影響了課程教學(xué)效果。針對上述問題，結(jié)合實踐教學(xué)課程的施訓(xùn)特點規(guī)律，開展了“以學(xué)員為中心”的課程教學(xué)改革，取得了一定的教學(xué)效果。一、教學(xué)改革實踐“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”是一門與“密碼學(xué)”配套的綜合性實踐課程，與傳統(tǒng)的密碼學(xué)原理驗證性實驗不同，該門課程以提升學(xué)員密碼系統(tǒng)綜合設(shè)計和應(yīng)用能力為目標，重點培養(yǎng)學(xué)員運用密碼學(xué)知識解決信息安全實際問題的工程實踐能力和團結(jié)協(xié)作精神。針對施訓(xùn)過程中存在的課程知識體系分散、學(xué)員實踐能力參差不齊、課內(nèi)學(xué)時有限等問題，課程組充分考慮學(xué)員學(xué)習(xí)的心理狀態(tài)，遵循由易到難的原則，采用面向項目的實踐教學(xué)方法，從信息安全典型問題出發(fā)，精心設(shè)計選題，幫助學(xué)員將密碼理論知識運用到信息安全工程實踐中，重點培養(yǎng)學(xué)員分析實際問題的思維能力、動手解決實際問題的實踐能力和團結(jié)協(xié)作的合作精神。通過強化課程與密碼學(xué)、程序設(shè)計等前導(dǎo)專業(yè)基礎(chǔ)課程知識體系的連貫性，使學(xué)員有效掌握密碼算法工程實現(xiàn)方法，熟悉簡單密碼系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)，具備良好的密碼素養(yǎng)。（一）教學(xué)內(nèi)容改革“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”實踐內(nèi)容可分為以下三個部分：安裝配置與熟悉開發(fā)環(huán)境、密碼算法編程實現(xiàn)、密碼算法綜合應(yīng)用。其中，安裝配置與熟悉開發(fā)環(huán)境部分重點讓學(xué)員了解C#等編程語言的特點，初步具備獨立開發(fā)應(yīng)用程序的能力。密碼算法編程實現(xiàn)部分由對應(yīng)的密碼學(xué)理論模塊驅(qū)動，并將國密算法工程實現(xiàn)融入這部分實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，具體包括：分組密碼算法編程實現(xiàn)、偽隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)、公鑰密碼算法編程實現(xiàn)、哈希函數(shù)實現(xiàn)及安全性測試。密碼算法綜合應(yīng)用則針對本地文件保護系統(tǒng)以及安全信息傳輸系統(tǒng)這兩個典型應(yīng)用場景，要求學(xué)員分析系統(tǒng)需求，結(jié)合前導(dǎo)理論課程知識，進行系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)、部署、配置和測試，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲安全及傳輸安全。具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如表1所示。表1“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”教學(xué)內(nèi)容在實踐類型上，既避免實踐內(nèi)容與信息安全實際問題脫節(jié)，又注重提升各實踐模塊內(nèi)容間的相關(guān)度。課程內(nèi)容具體分為密碼算法實現(xiàn)、密碼系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)以及研究創(chuàng)新型實踐3類。這3類實踐內(nèi)容在設(shè)計上充分考慮了學(xué)員的認知規(guī)律，難度層次由易到難分為A～D共4個層次，區(qū)分度高，體現(xiàn)了由獨立到綜合的特點。學(xué)員經(jīng)過密碼算法實現(xiàn)實踐已初步具備了單個密碼算法的編程能力，在此基礎(chǔ)上以密碼學(xué)典型應(yīng)用為牽引，循序漸進、逐步引導(dǎo)其將多個密碼算法工程實現(xiàn)進行整合，開展密碼系統(tǒng)綜合設(shè)計開發(fā)，使其了解密碼系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的一般過程、方法和技能，有效提升了其對密碼學(xué)基礎(chǔ)理論和密碼算法設(shè)計原理的理解層次。針對學(xué)有余力的學(xué)員開展研究創(chuàng)新型實踐，例如：選用15種國家密碼管理局規(guī)定的檢測規(guī)范之一，對生成的隨機數(shù)質(zhì)量進行檢測；對于MD5算法，尋找一對消息碰撞等，引導(dǎo)學(xué)員從密碼分析工程實踐的角度學(xué)習(xí)密碼編碼。通過研究創(chuàng)新型實踐，有效提升了學(xué)員獨立解決問題的能力和密碼工程實踐素養(yǎng)，使其學(xué)會學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造。（二）施訓(xùn)模式改革相較于“密碼學(xué)”等前導(dǎo)理論課程，綜合實踐課程學(xué)習(xí)難度增大，學(xué)習(xí)方法也有較大區(qū)別。在教學(xué)中學(xué)員普遍存在前導(dǎo)理論知識遺忘多、工程實踐能力弱、學(xué)習(xí)吃力的問題，容易產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不高，主觀能動性缺乏。針對學(xué)員的具體學(xué)情及學(xué)習(xí)心理狀態(tài)，施訓(xùn)過程注意把握學(xué)員學(xué)習(xí)節(jié)奏，將“密碼學(xué)”理論授課與實踐教學(xué)進行統(tǒng)籌安排，延長課程窗口期，確保編程基礎(chǔ)差的學(xué)員能有充足時間補齊短板。即在大三上學(xué)期初開課，采取集中授課方式為學(xué)員介紹開發(fā)環(huán)境安裝配置，讓學(xué)員充分熟悉開發(fā)環(huán)境。結(jié)合密碼學(xué)理論授課，提前布置實踐選題，在密碼理論學(xué)習(xí)過程中穿插進行密碼算法編程及綜合應(yīng)用實踐，體現(xiàn)了理實一體的教學(xué)理念。學(xué)員通過工程實踐及時鞏固密碼基礎(chǔ)理論，同時，避免了理論與實踐課程非同步開課導(dǎo)致學(xué)員前導(dǎo)理論知識遺忘多的問題。通過實踐任務(wù)牽引、課上和課下實踐相結(jié)合、非連續(xù)授課等方式進行彈性課時改革，突破了固定學(xué)時限制，拓展了實踐教學(xué)的時間，實現(xiàn)了學(xué)員實踐能力提升與課下編程投入精力的正相關(guān)。課程教學(xué)從關(guān)注“教”向關(guān)注“學(xué)”轉(zhuǎn)變。學(xué)員3～4人一組自由組隊，采用個人實作和小組協(xié)作相結(jié)合的方式開展課程綜合設(shè)計，組長根據(jù)組員特長進行人員分工，并以組為單位完成資料及代碼查閱、環(huán)境部署、程序開發(fā)、系統(tǒng)集成與測試、設(shè)計報告撰寫、系統(tǒng)演示、小組答辯等工作。教員采取集中輔導(dǎo)、專題輔導(dǎo)、跟蹤指導(dǎo)和分組討論等多種形式施訓(xùn)，以充分激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主觀能動性。專題輔導(dǎo)環(huán)節(jié)重點使學(xué)員明確選題的基本原理，理順實作思路，明確技術(shù)路線，完成選題設(shè)計、實現(xiàn)。同時，指導(dǎo)教員采用個別答疑、理論講解、相關(guān)資料推薦等方式，對自己負責(zé)的小組進行階段性引導(dǎo)和針對性指導(dǎo)。（三）考核方式改革課程考核對課程建設(shè)具有引導(dǎo)和約束的作用，它反映了一門課程的教學(xué)質(zhì)量［6］。課程考核采取形成性考核與終結(jié)性考核相結(jié)合的方式展開，其中，形成性考核占比30%，終結(jié)性考核占比70%，體現(xiàn)了全程考核的思想。形成性考核主要考查每名學(xué)員密碼算法編程實現(xiàn)能力是否達到教學(xué)目標?？己嗽诿艽a算法編程實踐教學(xué)完成后進行，采取隨機抽取選題的方式確定每名學(xué)員演示內(nèi)容，既兼顧了考核效率又確保了考核內(nèi)容范圍的覆蓋率。教員根據(jù)演示的正確性、完整度對每名學(xué)員給出形成性考核成績評定。終結(jié)性考核以組為單位進行，個人終結(jié)性考核成績參考所在分組終結(jié)性考核成績進行評定。評定對象包括作品設(shè)計報告、作品展示以及項目答辯三個部分。設(shè)計報告主要考查學(xué)員對密碼技術(shù)原理理解的準確性、設(shè)計合理性，以及行文流暢度；作品展示考查本地文件保護系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，以及安全信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)這兩個綜合性作品功能展示的完整性、正確性；項目答辯環(huán)節(jié)通過學(xué)員答辯的正確性、流暢度給出綜合性評判。設(shè)計報告、作品展示成績分別占總成績的30%，項目答辯占總成績的10%。成績評定占比如表2所示。表2考核評定情況表通過上述考核方法，科學(xué)、合理地評判了學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，較好地鍛煉了學(xué)員的思維及表達溝通能力，實現(xiàn)了以考促訓(xùn)。二、改革效果分析通過“密碼學(xué)課程綜合設(shè)計”教學(xué)改革，有效提升了學(xué)員密碼綜合應(yīng)用能力以及創(chuàng)新實踐能力。近年來，我校學(xué)員在全國大學(xué)生信息安全大賽、全國大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)安全尖峰訓(xùn)練營等競賽中取得了較好成績。我校2018年全國大學(xué)生信息安全大賽總成績位列全國第四，并獲優(yōu)秀組織獎?！栋沧渴謾C隱私保護系統(tǒng)》等作品獲全國大學(xué)生信息安全競賽一等獎。近4年學(xué)員學(xué)科競賽獲獎情況統(tǒng)計如表3所示?！懊艽a學(xué)課程綜合設(shè)計”有效提升了教員的實踐教學(xué)能力，實現(xiàn)了教學(xué)相長。表3近4年學(xué)員學(xué)科競賽獲獎情況統(tǒng)計結(jié)語課程是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵要素，高校深化教育改革最終要落實到課程建設(shè)上［7］。課程綜合設(shè)計是《信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中明確的主要實踐課程形式之一，是深化信息