密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程SPOC建設(shè)探討

吳旭光，韓益亮

（武警工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院，陜西　西安　710086）

0 引 言

MOOC（Massive Open Online Courses），即大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程[1]，借助計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在各國(guó)高校積極參與和推動(dòng)下，將優(yōu)質(zhì)教育送到世界的每個(gè)角落，為更多的人提供系統(tǒng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。清華大學(xué)、北京大學(xué)、香港大學(xué)、香港科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等陸續(xù)開(kāi)展了MOOC教育革命的研究與討論，并推出多門(mén)優(yōu)質(zhì)課程，但MOOC教學(xué)存在課程完成率低的問(wèn)題[2]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，并且與院校教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，SPOC[3]（Small Private Online Course，簡(jiǎn)稱(chēng)SPOC）應(yīng)運(yùn)而生。

SPOC教學(xué)課程多以理論課程為主，而實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)鮮有。目前已出現(xiàn)了多個(gè)MOOC/SPOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如合天網(wǎng)安實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)吧、實(shí)驗(yàn)樓等，盡管還不夠完善，但已為相關(guān)課程開(kāi)展SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基礎(chǔ)條件。密碼學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)空間安全專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，兼具理論性和實(shí)踐性。在教學(xué)中，教師往往側(cè)重于理論講解，花費(fèi)較多課堂時(shí)間在各種抽象算法的講解學(xué)習(xí)中，忽視了密碼學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用；而密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程則側(cè)重于學(xué)生對(duì)算法的理解和實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，同時(shí)課時(shí)較少，使得學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)的積極性和興趣，進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐能力下降。

1 密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

密碼學(xué)作為學(xué)科的理論基礎(chǔ)課程是教學(xué)中的重點(diǎn)。然而網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科是一個(gè)創(chuàng)辦時(shí)間不長(zhǎng)的新興學(xué)科，密碼學(xué)的教學(xué)基礎(chǔ)仍然薄弱。近年來(lái)，不少學(xué)校已經(jīng)對(duì)密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)進(jìn)行了有益的探索和嘗試，但仍然存在不少問(wèn)題[4-8]。

（1）實(shí)驗(yàn)難度高。這體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是密碼算法本身較為抽象和復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)就很困難；二是編程難度大，涉及大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的編程實(shí)現(xiàn)。在密碼學(xué)中，最為典型的對(duì)稱(chēng)密碼算法是DES算法，在教學(xué)中有著重要的地位。對(duì)于它的理解和掌握，直接反映了學(xué)生對(duì)密碼學(xué)的學(xué)習(xí)程度。DES算法采用Feistel結(jié)構(gòu)，有著多輪迭代，還使用了較為神秘的S盒。算法本身讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)上就已經(jīng)望而卻步，而在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，涉及大量的二進(jìn)制運(yùn)算和矩陣表達(dá)，更是讓對(duì)編程不熟悉的同學(xué)逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。

（2）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)環(huán)境配置復(fù)雜[5]。算法的實(shí)現(xiàn)需要借助于密碼函數(shù)庫(kù)，如GMP高精度數(shù)學(xué)庫(kù)、OpenSSL、Libtomcrypt、Miracl、Crypto++、NTL 等，其中有些大數(shù)庫(kù)是側(cè)重于商業(yè)用途且不容易獨(dú)立成為大數(shù)庫(kù)，如OpenSSL；有的又太過(guò)復(fù)雜，如Crypto++，這些函數(shù)庫(kù)需要安裝在Linux環(huán)境下，對(duì)于習(xí)慣使用Windows操作系統(tǒng)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，既陌生又困難，從而在安裝配置方面花費(fèi)了大量精力。

（3）實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限。一般在設(shè)計(jì)密碼學(xué)課程中，大多保有50～60學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)30～40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課課時(shí)15～20學(xué)時(shí)，但大多學(xué)生反映實(shí)驗(yàn)課時(shí)不夠，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，算法雖能編寫(xiě)出，但理解算法和應(yīng)用于實(shí)踐不夠深入。

2 SPOC式密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模型

通過(guò)學(xué)習(xí)眾多學(xué)者的觀點(diǎn)，我們結(jié)合SPOC的特點(diǎn)以及學(xué)習(xí)者的需求，將翻轉(zhuǎn)課堂分為課前、課中和課后3個(gè)階段來(lái)構(gòu)建模型，如圖1所示。

圖1　SPOC式密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模型示意圖

2.1 課前階段

在該階段中，以SPOC網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)為依托，教師采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并提出問(wèn)題，以供后續(xù)的課中教學(xué)研討。教師要根據(jù)學(xué)生具體學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行微視頻、相關(guān)資料查看任務(wù)的布置。學(xué)生根據(jù)教師的要求，在學(xué)習(xí)后進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。同時(shí)在本階段，還有在線(xiàn)交流活動(dòng)環(huán)節(jié)，教師負(fù)責(zé)組織，學(xué)生按要求參與?？梢钥闯?，教師是“SPOC翻轉(zhuǎn)課堂”內(nèi)容及進(jìn)度的設(shè)計(jì)者，學(xué)生是“翻轉(zhuǎn)課堂”的執(zhí)行者。

2.2 課中階段

該階段以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)平臺(tái)為核心，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，在教師的正確引導(dǎo)下，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)言，提出并解決問(wèn)題，從而達(dá)到知識(shí)內(nèi)化的目的。學(xué)生通過(guò)課前“翻轉(zhuǎn)課堂”的學(xué)習(xí)，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)有了一定認(rèn)知，并通過(guò)在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)密碼學(xué)的實(shí)驗(yàn)有了進(jìn)一步理解和掌握。在課堂中，通過(guò)與教師和其他同學(xué)交流，解決在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，從而使知識(shí)得到內(nèi)化，提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量。在本階段，教師是“SPOC翻轉(zhuǎn)課堂”的主導(dǎo)者，根據(jù)學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納，給予新的任務(wù)，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作，內(nèi)化知識(shí)。

2.3 課后階段

由于密碼學(xué)課程理論難度高、實(shí)踐性強(qiáng)、創(chuàng)作性強(qiáng)的特點(diǎn)，該階段主要進(jìn)行課程綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生自由分布，自行選擇題目，分別進(jìn)行需求分析、功能設(shè)計(jì)，與課堂教學(xué)同步進(jìn)行具體功能的實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行比賽競(jìng)技，以提高學(xué)生的整體實(shí)踐能力。學(xué)生可以利用老師在“翻轉(zhuǎn)課堂”中提供的一些“拓展知識(shí)”進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新，在線(xiàn)與老師、同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)交流，使學(xué)生對(duì)于該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)一步鞏固，融會(huì)貫通，得到知識(shí)的升華。

3 SPOC式密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需把握的問(wèn)題

3.1 以實(shí)驗(yàn)教師為中心，回歸教育本質(zhì)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往有著固定的模式和套路，實(shí)驗(yàn)教師在準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)設(shè)施后，需要詳細(xì)地講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而后要求學(xué)生按照要求，完成指定的實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容。在這種模式下，強(qiáng)調(diào)組織管理的“統(tǒng)一性”和教學(xué)內(nèi)容的“驗(yàn)證性”，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)內(nèi)容被限制，教學(xué)形式易僵化[9]。而SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求教師更多地扮演“指南針”的角色，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立觀察，自主地思考和探索，從而具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，這也對(duì)實(shí)驗(yàn)教師提出了更高要求，不僅需要實(shí)驗(yàn)教師能設(shè)計(jì)、會(huì)輔導(dǎo)，更要求在SPOC支撐環(huán)境、SPOC體系、SPOC平臺(tái)、SPOC教學(xué)方法和手段等方面有新的認(rèn)知和見(jiàn)解。

（1）重視頂層設(shè)計(jì)。在密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)SPOC建設(shè)中，確立以“培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”為目標(biāo)，將密碼學(xué)的“理論學(xué)習(xí)”和“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成密碼教學(xué)不可分割的整體。為此，規(guī)劃SPOC密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、手段、方法等方面的建設(shè)，改變過(guò)去實(shí)驗(yàn)課局限于驗(yàn)證理論，明確界定期望的實(shí)驗(yàn)成果，重新制定評(píng)價(jià)策略。

（2）注重教學(xué)互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)教師充分利用SPOC教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的橋梁作用，指導(dǎo)學(xué)生的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)，改變過(guò)去只能在實(shí)驗(yàn)課上溝通交流的時(shí)間限制，進(jìn)行思想上的交流碰撞。同時(shí)在此過(guò)程中，也可了解學(xué)生的想法和反饋信息，以此為依據(jù)及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。

（3）精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。實(shí)踐證明，較短的視頻更容易吸引學(xué)生，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)將SPOC教學(xué)內(nèi)容分解成少于6分鐘即可講解清楚的視頻片段。還應(yīng)該精心設(shè)置實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，開(kāi)展案例式教學(xué)，區(qū)分實(shí)驗(yàn)的難易程度增加綜合性、設(shè)計(jì)性和自擬題目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為不同層次的學(xué)習(xí)提供相應(yīng)的空間，提高學(xué)生探索未知和分析問(wèn)題的能力。

（4）明確實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)策略。通過(guò)獲得學(xué)生的反饋信息，并借助SPOC平臺(tái)的學(xué)習(xí)分析技術(shù)，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)效果在整體上是否達(dá)到了預(yù)先目標(biāo)，繼續(xù)推進(jìn)和改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.2 以學(xué)生為主體，提高學(xué)習(xí)責(zé)任感

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的角色被固定化，限定在一定的教學(xué)范圍內(nèi)學(xué)習(xí)，且大多“依葫蘆畫(huà)瓢”，依照提前制定好的實(shí)驗(yàn)步驟逐步實(shí)施，不去主動(dòng)思考，創(chuàng)新余地小；而SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主參與、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，進(jìn)一步解放各種束縛，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，確保學(xué)生的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)主體地位，因此利用SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)是“重中之重”。

（1）設(shè)置開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)。SPOC式實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有些要求學(xué)生必須掌握，有些供學(xué)有余力的學(xué)生探索和挑戰(zhàn)，支持學(xué)生的開(kāi)放式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，由學(xué)生按自己的需求自行選擇具體的學(xué)習(xí)時(shí)間與方式。

（2）重視SPOC中的小組協(xié)同學(xué)習(xí)。鼓勵(lì)學(xué)生自行選擇成立學(xué)習(xí)小組或者臨時(shí)搭建在線(xiàn)學(xué)習(xí)小組，支持學(xué)生在一個(gè)有任務(wù)分工、合作協(xié)同的小組中，獲得算法學(xué)習(xí)、協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同實(shí)踐等學(xué)習(xí)體驗(yàn)，以完成密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)。這樣精心設(shè)計(jì)一些小組學(xué)習(xí)則可能有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（3）提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)與支持。為學(xué)生提供一些有啟示、有爭(zhēng)論的問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生回顧、反思、思考、提取、應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容去解決這些問(wèn)題，利用SPOC平臺(tái)短時(shí)間內(nèi)得到學(xué)生的作答，而后實(shí)驗(yàn)教師及時(shí)解答分析，讓學(xué)生有一種面對(duì)面接受教師個(gè)別化輔導(dǎo)的體驗(yàn)。

3.3 以平臺(tái)為依托，開(kāi)展全時(shí)教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)放時(shí)間受限。SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托MOOC、SPOC教學(xué)平臺(tái)，利用云計(jì)算技術(shù)，提前配置好實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的方式，訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)全時(shí)教學(xué)，在時(shí)間和空間上進(jìn)行了有效擴(kuò)展。

（1）在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用云計(jì)算平臺(tái)，遠(yuǎn)程編寫(xiě)DES、IDEA、AES等對(duì)稱(chēng)加密算法以及RSA和ELGamal等公鑰加密算法。對(duì)于當(dāng)前的DES、AES和RSA等復(fù)雜度較高的加密算法，可以提供現(xiàn)成的在線(xiàn)破譯工具，讓學(xué)生自己破譯之前編寫(xiě)的算法。對(duì)于實(shí)踐性比較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，例如為學(xué)生提供 PKI 在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其中實(shí)驗(yàn)中心模擬CA，學(xué)生利用公鑰證書(shū)實(shí)現(xiàn)安全通信。

（2）發(fā)揮SPOC論壇的交流作用。我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方式的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們遇到一時(shí)無(wú)法解決的編程問(wèn)題時(shí)，往往一籌莫展，在小范圍內(nèi)討論求助，無(wú)法及時(shí)有效地獲取信息，逐漸喪失了繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的興趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，遇到疑問(wèn)可以請(qǐng)教教師，也可以與其他學(xué)習(xí)者討論和交流。通過(guò) MOOC論壇這種學(xué)習(xí)模式，每個(gè)學(xué)生都能感覺(jué)到自己在接受教師的單獨(dú)教授和輔導(dǎo)，也可以從一起學(xué)習(xí)的同伴那里獲得指導(dǎo)以及指導(dǎo)他人，同時(shí)感受學(xué)與教的快樂(lè)。

（3）建立SPOC式密碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。該網(wǎng)站包括課程導(dǎo)學(xué)、討論協(xié)助、相關(guān)資源、作品展示、知識(shí)擴(kuò)展等相關(guān)板塊，為學(xué)生構(gòu)建了完整的學(xué)習(xí)資源，既有助于學(xué)生在課下進(jìn)行自主性和探索性學(xué)習(xí)，又可以輔助教師進(jìn)行課堂教學(xué)。網(wǎng)站中優(yōu)秀作品展示模塊，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

SPOC為密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，利用先進(jìn)的技術(shù)開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以更加人性化的方式為學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源和機(jī)會(huì)，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，使教師和學(xué)生都成為課程的建設(shè)者和受益者，進(jìn)而優(yōu)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)。同時(shí)我們必須清醒認(rèn)識(shí)到，教師在SPOC式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用和影響力更大了，這對(duì)教師也提出了更高的要求。

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