信息隱藏技術(shù)課程研究性教學(xué)改革研究

摘要：如何提高信息隱藏技術(shù)課程的教學(xué)水平，使學(xué)生真正學(xué)懂、學(xué)好這門(mén)課，并不斷提高分析和解決問(wèn)題的能力，是該課程教學(xué)中應(yīng)該重點(diǎn)研究和探討的問(wèn)題。文章結(jié)合實(shí)際的教學(xué)情況，探討針對(duì)該課程開(kāi)展研究性教學(xué)的基本思路、問(wèn)題設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：研究性教學(xué)；信息隱藏

0.引言

信息隱藏技術(shù)課程具有交叉學(xué)科的特點(diǎn)，學(xué)生很難快速理解和掌握；信息隱藏作為一門(mén)新興的技術(shù)，其內(nèi)容和方法都在不斷地發(fā)展和完善。在該課程的教學(xué)實(shí)踐中，需要不斷研究和探索新的教學(xué)理念和方法，以使學(xué)生能夠真正理解和掌握信息隱藏的基本原理及方法，并能運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析和解決實(shí)際問(wèn)題。

研究性教學(xué)是目前高等教育教學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向，大量的理論研究和實(shí)踐表明，研究性教學(xué)是教學(xué)改革的一個(gè)重要途徑。2005年，教育部在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見(jiàn)》中明確提出，大學(xué)“要積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”。筆者在該課程中開(kāi)展研究性教學(xué)改革，將科學(xué)研究的方法和基于問(wèn)題的訓(xùn)練與實(shí)踐等研究性教學(xué)思路滲透到課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1.課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀分析

與其他課程相比，信息隱藏技術(shù)課程具有以下特點(diǎn)：

（1）信息隱藏是一門(mén)新的綜合性前沿學(xué)科，其內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多門(mén)學(xué)科。如果高校的信息安全專(zhuān)業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)數(shù)字圖像、數(shù)字語(yǔ)音處理和信號(hào)處理等課程，學(xué)生就會(huì)缺乏學(xué)習(xí)信息隱藏技術(shù)課程的前期基礎(chǔ)知識(shí)（尤其是不具備數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)，對(duì)Matlab環(huán)境下多媒體數(shù)據(jù)和信號(hào)處理基本算法的應(yīng)用不熟悉），極大地影響對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用。

（2）該課程新技術(shù)多、內(nèi)容更新快，現(xiàn)有的很多教材和參考書(shū)主要是對(duì)各種信息隱藏技術(shù)和方法的分析和匯總，缺乏具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，對(duì)本科學(xué)生來(lái)說(shuō)理解和實(shí)現(xiàn)都比較困難。

2.研究性教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1研究性教學(xué)理念

研究性教學(xué)是一種教師指導(dǎo)下的以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐過(guò)程，它包含了教與學(xué)兩個(gè)方面：前者以教師為主導(dǎo)，在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)一種類(lèi)似科學(xué)研究的情景或途徑，把凝結(jié)在知識(shí)點(diǎn)背后的思想、方法和創(chuàng)新過(guò)程揭示出來(lái)，在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握新知識(shí)的同時(shí)，又能使其受到知識(shí)創(chuàng)新和科學(xué)研究方法的熏陶和訓(xùn)練；后者指學(xué)生在教師指導(dǎo)下，以科學(xué)研究的方式查閱資料、搜集信息，并通過(guò)分組協(xié)作和討論來(lái)完成指定項(xiàng)目或問(wèn)題的一種主動(dòng)的、獨(dú)創(chuàng)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)。研究性教學(xué)的目的不僅是使學(xué)生掌握系統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)，更重要的是使學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題，得到思維訓(xùn)練，學(xué)會(huì)知識(shí)的遷移或應(yīng)用，逐步培養(yǎng)研究能力和實(shí)踐能力。研究性教學(xué)具有開(kāi)放性、綜合性和實(shí)踐性的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)教學(xué)方法，研究性教學(xué)更注重學(xué)生的感受和體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的親身經(jīng)歷和實(shí)踐，它不是學(xué)科知識(shí)的簡(jiǎn)單灌輸和疊加，而是有意識(shí)地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2.2教學(xué)改革的目標(biāo)

該課程的教學(xué)改革以研究性教學(xué)為理念，以增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和提高動(dòng)手能力為主線展開(kāi)教學(xué)，知識(shí)、能力和素質(zhì)并重。通過(guò)該課程的教學(xué)，希望學(xué)生能夠理解數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念和原理，熟練掌握信息加密、置亂等預(yù)處理技術(shù)以及在數(shù)字圖像中隱藏秘密信息的常用空、頻域處理方法，并能夠采用Matlab在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

2.3教學(xué)改革的思路

本課程進(jìn)行研究性教學(xué)改革的基本思想是使學(xué)生真正掌握課堂所學(xué)的知識(shí)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)具體的程序代碼再現(xiàn)和展示，使學(xué)生身臨其境，理解信息隱藏技術(shù)的實(shí)質(zhì)和魅力，并在此過(guò)程中形成探究性學(xué)習(xí)的習(xí)慣和自主學(xué)習(xí)的能力。教學(xué)實(shí)踐通過(guò)將科學(xué)研究的方法和基于問(wèn)題的訓(xùn)練與實(shí)踐滲透到課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)開(kāi)展，具體如下：

（1）對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合：在課堂教學(xué)中重點(diǎn)、詳細(xì)講述數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)、信息隱藏預(yù)處理的常用方法、空域和DCT變換域的經(jīng)典信息隱藏方法，其他內(nèi)容則簡(jiǎn)要介紹或由學(xué)生自學(xué)。

（2）嘗試新的教學(xué)方法：由于信息隱藏技術(shù)主要是利用多媒體信息的冗余性和視覺(jué)感知的不敏感性來(lái)隱藏機(jī)密信息，所以讓學(xué)生從視、聽(tīng)覺(jué)上直接感受信息隱藏技術(shù)的魅力就非常重要。在課堂教學(xué)中，除傳統(tǒng)的黑板結(jié)合PPT的方式之外，將信息隱藏算法的原理講解、運(yùn)行和效果演示等部分內(nèi)容改在教學(xué)與實(shí)踐創(chuàng)新基地的電子教室進(jìn)行，使學(xué)生能夠在真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境中按照教師的指導(dǎo)和要求親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐操作，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和切身體會(huì)，較好地激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣。

（3）基于問(wèn)題的訓(xùn)練和實(shí)踐：作為工科尤其是信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，只有通過(guò)動(dòng)手編寫(xiě)程序，在計(jì)算機(jī)上完整、準(zhǔn)確地再現(xiàn)和應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，才能真正領(lǐng)會(huì)和掌握課程的相關(guān)內(nèi)容并形成自己的能力。本課程的研究性教學(xué)改革中，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上著力增加一些實(shí)踐性的項(xiàng)目（如圖像的加噪、裁剪、旋轉(zhuǎn)、平滑、壓縮、剪切、置亂及各種典型的空域和頻域圖像信息隱藏技術(shù)的實(shí)現(xiàn)），對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)和調(diào)試的能力進(jìn)行訓(xùn)練和強(qiáng)化。

（4）科學(xué)研究方法的滲透：在通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握經(jīng)典知識(shí)和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生對(duì)算法的性能、適用條件、優(yōu)點(diǎn)、不足、可能的改進(jìn)方法等進(jìn)行分組討論，并查閱資料、思考相關(guān)的解決方案，從而使學(xué)生獲得科學(xué)研究方面的訓(xùn)練和熏陶。通過(guò)科學(xué)研究方法的滲透，使學(xué)生真正具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和探索、創(chuàng)新的精神。

（5）學(xué)習(xí)過(guò)程中的分組協(xié)作和討論：通過(guò)讓學(xué)生分組完成事先設(shè)計(jì)的實(shí)踐性項(xiàng)目，培養(yǎng)其分工協(xié)作的能力，采用各組匯報(bào)和演示的方式使學(xué)生能夠積極互動(dòng)、交流和討論。

（6）全面的過(guò)程管理及考核：在課堂教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)學(xué)生的課堂表現(xiàn)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、匯報(bào)、討論、問(wèn)答等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的過(guò)程管理和評(píng)價(jià)。

2.4研究性教學(xué)的問(wèn)題設(shè)計(jì)

“問(wèn)題”是研究性教學(xué)的載體和切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)能夠反映課程內(nèi)容并具有較強(qiáng)趣味性和吸引力的問(wèn)題，是組織好研究性教學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在研究型教學(xué)過(guò)程中，教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題必須能引出所學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)概念和原理，吸引學(xué)生并提升其解決該問(wèn)題的信心和欲望，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。學(xué)生通過(guò)圍繞問(wèn)題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和研究，能夠帶著結(jié)果和疑惑在課堂上與其他學(xué)生和教師進(jìn)行交流和討論。學(xué)生自學(xué)和主講是發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性的重要手段，也是提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、研究能力和表達(dá)能力的有效途徑。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的研究和實(shí)踐，既可以使學(xué)生掌握探究性、主動(dòng)性學(xué)習(xí)的方法，又可以鍛煉學(xué)生的書(shū)面和口頭表達(dá)能力。以學(xué)習(xí)小組為單位，向全體學(xué)生展示和匯報(bào)研究成果，既能夠鍛煉小組負(fù)責(zé)人的組織能力，又能很好地培養(yǎng)學(xué)生之間的合作意識(shí)。

在本課程的研究性教學(xué)改革中，突出教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐性要求，設(shè)計(jì)如下6個(gè)與課程相關(guān)的問(wèn)題：

（1）通過(guò)Matlab對(duì)選定的圖像添加均勻噪聲、高斯噪聲，并能進(jìn)行平滑、旋轉(zhuǎn)、裁剪、JPG壓縮等處理。

（2）用傅里葉變換分析信號(hào)的頻譜，并對(duì)其分別進(jìn)行過(guò)采樣、欠采樣及其重構(gòu)，計(jì)算和展示原信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)的誤差。

（3）對(duì)自行錄制或下載的音頻數(shù)據(jù)，采用離散傅里葉變換的方法分析其頻率成分，然后對(duì)其進(jìn)行加噪和濾波處理。

（4）對(duì)選定的秘密圖像進(jìn)行對(duì)稱(chēng)流密碼加密、Amold置亂、幻方置亂等預(yù)處理和復(fù)原。

（5）在選定的圖像中采用最低有效位替換技術(shù)，隱藏經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的秘密信息，并對(duì)攜密載體進(jìn)行加噪、平滑、壓縮、裁剪、旋轉(zhuǎn)等攻擊，然后提取秘密信息并進(jìn)行復(fù)原。

（6）在選定圖像的離散余弦變換域隱藏經(jīng)預(yù)處理后的秘密信息，并對(duì)攜密載體進(jìn)行加噪、平滑、壓縮、裁剪、旋轉(zhuǎn)等攻擊，然后提取秘密信息并進(jìn)行復(fù)原。

2.5研究性教學(xué)過(guò)程的實(shí)施

本課程研究性教學(xué)過(guò)程的具體實(shí)施方案如下：

（1）首先由教師講授緒論、數(shù)字圖像和數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)。

（2）學(xué)生自學(xué)Maflab相關(guān)知識(shí)，掌握在Matlab環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字圖像和數(shù)字信號(hào)處理的基本方法和技能，完成問(wèn)題（1）、（2）和（3），并在創(chuàng)新實(shí)踐基地進(jìn)行演示、匯報(bào)和討論。

（3）在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地采用交互式方式講授秘密信息的加密、置亂等預(yù)處理技術(shù)，學(xué)生在課堂上完成問(wèn)題（4），并進(jìn)行分組演示和匯報(bào)。

（4）在教室由教師講授基于文件格式的信息隱藏技術(shù)、基于最低有效位替換的信息隱藏技術(shù)、二值圖像信息隱藏、基于調(diào)色板的彩色圖像信息隱藏技術(shù)和基于離散余弦變換的數(shù)字圖像信息隱藏方法的基本原理。

（5）學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地完成問(wèn)題（5）和（6），撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行演示和匯報(bào)，教師和其他學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)和講評(píng)。

2.6全面的過(guò)程管理及考核

考試是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段之一，也是教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。適宜的考試方法有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)和建立良好學(xué)風(fēng)有重要作用。研究性教學(xué)課程的考核應(yīng)該具有靈活性和綜合性，既要考查學(xué)生的理解記憶能力和基本技能，又要考查學(xué)生的認(rèn)知能力、動(dòng)手能力和知識(shí)轉(zhuǎn)化能力。本課程在教學(xué)改革中，采用綜合性的、全程性的過(guò)程管理及考核。課堂教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，在出勤、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及討論、問(wèn)答、演示、匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行記錄和評(píng)價(jià)，較好地實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的步步為營(yíng)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)起到良好的督促和激勵(lì)作用。

3.研究性教學(xué)效果分析

在該課程的研究性教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)課堂教學(xué)、課下自學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程完成6個(gè)教學(xué)項(xiàng)目規(guī)定的內(nèi)容，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行匯報(bào)和演示，極大地鍛煉和提高了學(xué)生的自學(xué)和實(shí)踐能力。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自學(xué)能力，安排學(xué)生自學(xué)并在課堂上通過(guò)PPT講述傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉變換、采樣定理、離散傅里葉變換、基于最低有效位的數(shù)字圖像信息隱藏等方法，學(xué)生通過(guò)自學(xué)、PPT講解、同學(xué)提問(wèn)及補(bǔ)充、老師講評(píng)，較好地理解和掌握了這部分知識(shí)并能靈活地運(yùn)用，部分學(xué)生還理解和掌握了可視密碼、疊像術(shù)、基于奇異值分解的信息隱藏方法等難度較大的內(nèi)容。另外，實(shí)踐教學(xué)基地的互動(dòng)式教學(xué)提高了學(xué)生參與討論的積極性，這種隨學(xué)隨練的教學(xué)方式也加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解。學(xué)生還通過(guò)空域和頻域的不同方法，將選定的秘密信息隱藏到感興趣的載體圖像中，并進(jìn)行攻擊和提取，很好地體驗(yàn)和感受了信息隱藏技術(shù)的魅力。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展信息隱藏技術(shù)課程的研究性教學(xué)改革，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，較好地培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生查閱資料、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、自學(xué)和口頭宣講等方面能力的培養(yǎng)；同時(shí)，教師在與學(xué)生的互動(dòng)和討論中，也提高了自身的教學(xué)水平和對(duì)課程內(nèi)容理解的層次和深度，真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)。

課程的進(jìn)一步建設(shè)還需要吸收其他課程教學(xué)改革和建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，不斷補(bǔ)充和完善教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法，從而更好地提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。