淺談如何加強應(yīng)用密碼學(xué)教學(xué)的效果

張蓉

摘要：密碼學(xué)是信息安全專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。信息安全的主要任務(wù)是研究計算機(jī)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)中信息的保護(hù)方法，其中密碼學(xué)正是實現(xiàn)這些功能的核心技術(shù)。本文就結(jié)合密碼學(xué)研究內(nèi)容的特點以及課程特新的基礎(chǔ)上，就如何加強應(yīng)用密碼學(xué)教學(xué)的效果提出論述。

關(guān)鍵詞：密碼學(xué)；實驗；理論

引言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展，信息安全越來越受到社會各界的高度重視，已成為影響國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定的重要因素。由于信息安全技術(shù)的核心源于密碼學(xué)，使得密碼學(xué)成為信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點[3]。我校在眾多獨立院校中脫穎而出創(chuàng)辦了信息安全專業(yè)，并引進(jìn)了吉大中軟的網(wǎng)絡(luò)信息安全教學(xué)實驗系統(tǒng)，其中就包含有密碼學(xué)及應(yīng)用這一部分。但由于該課程本身是一門交叉學(xué)科，涉及的領(lǐng)域廣，包含的內(nèi)容多等特點再加上其在整個專業(yè)的奠基型作用導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的困難性及教學(xué)效果不理想。本文就集中在理論教學(xué)和實驗教學(xué)這兩個核心環(huán)節(jié)來對如何加強教學(xué)效果進(jìn)行研究。

1 理論教學(xué)

1.1 加大學(xué)習(xí)熱情

許多年來，密碼學(xué)是軍隊獨家專有的領(lǐng)域。各國的安全機(jī)構(gòu)早已將大量的人力物力財力投入到加密自己的通信，同時又千方百計地去破譯別人的通信的殘酷游戲中，如斯諾登事件中透露出的美國連續(xù)幾年都在攻擊其他國家的網(wǎng)絡(luò)。興趣是最好的老師，是一種甜蜜的勾引。在第一堂課密碼學(xué)概論部分對課程性質(zhì)做足夠的闡述并充分利用課程的神秘性加大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為后續(xù)階段理論知識的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

1.2 調(diào)整內(nèi)容順序

密碼學(xué)理論教學(xué)的難點和重點在于學(xué)生建立起良好的立體體系，這其中就包括基本模型、基本理論。在實際教學(xué)中，一般的教程緊跟密碼學(xué)概論基礎(chǔ)之后的通常是傳統(tǒng)密碼體制，而在傳統(tǒng)密碼體制當(dāng)中涉及到了密碼學(xué)基礎(chǔ)部分，如仿射密碼當(dāng)中涉及到數(shù)論當(dāng)中的同余理論。如果在這個部分當(dāng)中的數(shù)論概念模糊不清的情況下，基本上不能理解者算法的精髓?；谶@個問題可以適當(dāng)調(diào)整內(nèi)容的順序，先完成密碼學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)，從素數(shù)理論開始，其后包括模運算、同余式、歐幾里得算法、同余方程做一個系統(tǒng)的教授，改變固有的數(shù)學(xué)當(dāng)中等號思想形成密碼學(xué)中同余的思想，從而不會有講傳統(tǒng)密碼體制中學(xué)生云里霧里的情況發(fā)生。

1.3 增加實例講解

密碼學(xué)是解決信息安全的核心技術(shù)具有很強的實踐性，如文件安全傳輸、PGP應(yīng)用、PKI技術(shù)等?？菰锏睦碚撝R容易降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，解決這一問題的良藥是適當(dāng)穿插實例的講解。因為抽象的內(nèi)容不好理解的時候，適當(dāng)講解實例是很好的經(jīng)驗。如在密碼學(xué)基礎(chǔ)部分講解韓信點兵[1]的例子，對“韓信點兵，多多益善”的典故做適當(dāng)鋪墊，然后用中國剩余定理予以講解，提高理論部分的實用性，增加學(xué)生興趣。又如在講解Hash函數(shù)和消息認(rèn)證內(nèi)容初始講解王小云教授2004、2005年先后破解了MD4和SHA1算法的事跡，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供正能量。但是同時考慮到密碼學(xué)是一門結(jié)構(gòu)緊湊的課程，過度的實例降級容易導(dǎo)致教學(xué)進(jìn)度滯后，所以在選取實例的時候務(wù)必做到典型合理。

1.4加強課后答疑

開展課后答疑是實現(xiàn)理論教學(xué)的重要手段和措施，在每一章學(xué)習(xí)內(nèi)容完成以后，都應(yīng)留下難易適中具有代表性的課后習(xí)題，學(xué)生利用課余時間互相討論，查資料，把疑問總結(jié)歸納出來，定期做一個課后答疑，教師給予及時的幫助，以免發(fā)生積重難返的后果。這樣既反映了理論教學(xué)當(dāng)中問題的普遍性，為今后的教學(xué)提供寶貴的經(jīng)驗。同時增加了學(xué)生的知識量，開拓專業(yè)知識視野，提高了學(xué)生的分析問題處理問題的能力。

1.5強調(diào)教與學(xué)互動

要達(dá)到理想的教學(xué)成果，和教師本身的自我修養(yǎng)是有極大的關(guān)聯(lián)大的，所以要求充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，在理論課堂上注意察言觀色，注意學(xué)生的眼神和表情，從中觀察出學(xué)生的理解情況。課堂提問是一較直觀的方法之一，通過課堂提問，檢驗課堂中重難點知識的掌握，每堂課前，檢驗上堂課的內(nèi)容掌握情況。并可以采取獎勵機(jī)制，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

2實驗教學(xué)

2.1增加實驗學(xué)時

作為一門實用性很強的課程，實驗課程是學(xué)好這門課程不可或缺的部分，實驗課程起到舉足輕重的作用[4]。為了完善實驗內(nèi)容，解決內(nèi)容相對簡單學(xué)生理解不透徹這一問題，并較好的鍛煉學(xué)生思考能力，養(yǎng)成良好的變成習(xí)慣，我校特意引進(jìn)了吉大中軟的網(wǎng)絡(luò)信息安全教學(xué)實驗系統(tǒng)，并將實驗學(xué)時提升至36學(xué)時，增加大量實驗內(nèi)同，如下表1-1所示。

2.2降低實驗難度[2]

就近些年反饋來看，教學(xué)的不足當(dāng)中就包含了算法編程難度大這一問題。在密碼學(xué)中，算法是最主要的內(nèi)容，如 DES，AES，RC4，MD5 等，普遍存在基本結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流程冗長等特點，對于才處于信息安全本科專業(yè)低年級的學(xué)生，遇到這樣復(fù)雜的算法，通常都無從下手；即便存在編程能力較強的學(xué)生，也會因為工作量巨大，缺乏編程經(jīng)驗導(dǎo)致失敗。因此，如何降低算法編程難度，提高學(xué)生完成編程的能力是密碼學(xué)實驗首先要解決的問題。安全教學(xué)實驗系統(tǒng)中的算法很好的涵蓋了該課程的實驗內(nèi)容，每個算法前半部分是算法演示機(jī)驗證部分，后半部分是源碼應(yīng)用部分。這種方式特別適合教學(xué)模式，其前半部分對理論部分做了很好的復(fù)習(xí)及歸納，便于理論知識的理解和鞏固。后半部分源碼設(shè)計部分解決了這一問題，該系統(tǒng)的源碼應(yīng)用部分包含了主要功能模塊的詳細(xì)完整的代碼，并有詳細(xì)注釋，例如AES算法當(dāng)中的主要模塊包含有輪密鑰加、字節(jié)代換、行移位、列混合、輪密鑰加等，在源碼應(yīng)用中都包含有。

2.3任務(wù)式教學(xué)

讓學(xué)生時刻保持一種帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)態(tài)度，從而保證教學(xué)效果。將實驗內(nèi)容設(shè)計成多個具體的任務(wù)，讓學(xué)生各個擊破。在實驗的過程當(dāng)中，教師首先自己演示操作過程，使得學(xué)生對實驗流程有一個清晰的理解。在實驗過程當(dāng)中，針對學(xué)生掌握情況的不同給予適當(dāng)?shù)膶嶒炛笇?dǎo)，培養(yǎng)出一批突出學(xué)生參與到教與學(xué)的互動當(dāng)中。在實驗完成后統(tǒng)一檢查，并形成驗證結(jié)果報告。

2.4新增課題類實驗

針對理論及實驗課程結(jié)束之后的課程應(yīng)用上，我校專門開設(shè)了為期兩周的密碼應(yīng)用及綜合實驗這一課題類實驗。這一課題類實驗從鍛煉學(xué)生運用所學(xué)知識與技能去分析和解決相關(guān)的實際問題的能力出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生使其具有較高的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)、較強的創(chuàng)新與實踐能力，能夠滿足計算機(jī)安全系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、研究、教學(xué)等工作對高級工程技術(shù)人才的需求。這一課題叫做安全的信息傳輸工具，這一課題實驗中要求設(shè)計與實現(xiàn)一款局域網(wǎng)中點到點的信息傳輸工具，采用對稱與非對稱混合加密方法，每進(jìn)行一次通信，更改一次會話密鑰。這一課題實驗不但能鞏固密碼學(xué)課程當(dāng)中所學(xué)的所有算法而且綜合了網(wǎng)絡(luò)編程當(dāng)中文件網(wǎng)絡(luò)傳輸分析里的內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生綜合能力。

3 課程考核標(biāo)準(zhǔn)

作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的考核標(biāo)準(zhǔn)由四部分組成，期末考試占總成績的百分之七十，剩余部分占百分之三十。這其中包括：第一，學(xué)生在平時理論及實驗當(dāng)中的出勤及回答問題成績，占的比例是百分之十.第二，學(xué)生提交的每次課后預(yù)留的作業(yè)及隨堂測試情況成績的占的比例是百分之十。最后剩的百分之十是綜合學(xué)生在整個實驗過程當(dāng)中的實驗效果及最后提交的實驗報告完成情況。由這四部分構(gòu)成學(xué)生最終的綜合成績，使學(xué)生不再拘泥于學(xué)習(xí)書本知識，更加注重動手實驗?zāi)芰?，將課本所學(xué)應(yīng)用到實際系統(tǒng)工程中去。同時每次實驗基本都是以兩到三人為小組單位，提高團(tuán)隊精神，更能在實驗過程當(dāng)中相互督促相互切磋從而提高整體素質(zhì)。

4結(jié)語

密碼學(xué)課程作為信息安全專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，本文淺談了如何在在信息安全這一大背景下進(jìn)行密碼學(xué)課程的教學(xué)。本文給出了我校密碼學(xué)課程課堂教學(xué)、實驗教學(xué)以及課程考核評價結(jié)果這三個核心環(huán)節(jié)的課程內(nèi)容實施情況。我校自2009 級開設(shè)密碼學(xué)課程開至今，總結(jié)了在教學(xué)中容易出現(xiàn)學(xué)生興趣不高、知識掌握不扎實、實驗效率低下的根本原因，提出的加大學(xué)習(xí)熱情、調(diào)整內(nèi)容順序、增加實例講解、加強課后答疑、強調(diào)教與學(xué)互動、增加實驗學(xué)時、降低實驗難度、任務(wù)式教學(xué)、新增課題類實驗等方面改進(jìn)已經(jīng)卓見成效，在以后的工作當(dāng)中將會作更深入更進(jìn)一步的探究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 谷利澤，鄭世慧等 . 現(xiàn)代密碼學(xué)教程[M].第1版 . 北京 ： 郵電大學(xué)出版社 ，2011.

[2] 呂秋云，趙澤茂等. 信息安全本科專業(yè)密碼學(xué)實驗課程的教學(xué)研究，教學(xué)研究[J]，2009

[3] 單來祥，信息安全專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備哪些知識和能力，計算機(jī)教育[J]， 2005

[4] 李夢東.《 密碼學(xué)》課程設(shè)置與教學(xué)方法探究[J]，北京電子科技學(xué)院學(xué)報，2007