新工科背景下密碼學實踐教學建設探索

曾 光，王 洪，段乾恒，楊 陽

（中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學 應用數(shù)學系，河南 鄭州 450000）

0 引言

網(wǎng)絡空間安全已成為各國競相爭奪的戰(zhàn)略制高點，黨的十九大鮮明提出要“營造清朗的網(wǎng)絡空間”，達到這一宏偉目標離不開網(wǎng)絡空間安全技術、離不開密碼學的有力支撐。密碼學一方面覆蓋內(nèi)容較多，涉及豐富的數(shù)學知識，另一方面與密碼學相關的技術、知識更新速度快，且具有較強的實踐性。要實現(xiàn)新工科形勢下院校的新型人才培養(yǎng)目標，必須大力加強面向?qū)嵺`需求的人才培養(yǎng)與建設。本著產(chǎn)業(yè)需要什么人才就培養(yǎng)什么人才的原則，加大密碼學實踐化培訓力度，切實滿足網(wǎng)絡空間安全現(xiàn)實需求，使人才培養(yǎng)具有對相關產(chǎn)業(yè)的支撐引領作用[1]。通過對密碼學內(nèi)涵外延和產(chǎn)業(yè)需求的深入研究分析，筆者認為實踐化目標對課程體系設置、培訓環(huán)境建設和師資隊伍建設賦予了新含義、新生命，為密碼學建設指明了新方向。

1 密碼實踐化豐富課程新內(nèi)涵

密碼學的院校教育工作必須圍繞培養(yǎng)密碼素質(zhì)入手，著眼就業(yè)需求，動態(tài)地對已有專業(yè)訓練內(nèi)容進行充實，使學生不斷了解網(wǎng)絡空間安全的相關理論，掌握密碼學相關基礎理論，學會密碼工程項目的運作與管理，提高訓練實踐能力，初步具備從事網(wǎng)絡空間安全相關工作的素質(zhì)和意識。

1.1 兼顧數(shù)學計算機基礎重塑課程

網(wǎng)絡空間安全是一個集成數(shù)學、計算機、通信等學科知識的交叉學科，該領域的人才培養(yǎng)需要專業(yè)知識和工程能力的高度復合。網(wǎng)絡空間安全原有的課程體系多以數(shù)學素養(yǎng)教育為核心[2]，而密碼學在網(wǎng)絡空間安全學科的拓展需要學生的素質(zhì)高度交叉融合，筆者特此選定了以數(shù)學和計算機并重為基礎、強化工程實現(xiàn)意識的課程設計：一是夯實數(shù)學理論知識基礎，認真分析密碼算法、密碼協(xié)議、密碼應用、密碼系統(tǒng)所需要的數(shù)學基礎，科學地平衡數(shù)學和計算機課程的邏輯關系和比例分配，設置代數(shù)與分析、概率與統(tǒng)計、組合與安全、密碼理論、密碼應用等課程模塊；二是打牢計算機技能基礎，以計算機組成原理、數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡作為主要教學內(nèi)容，對實訓環(huán)境和網(wǎng)上虛擬實驗室進行優(yōu)化重構，鼓勵學生與非本專業(yè)學生組隊參加各種競賽活動，不斷加深對計算機的理解；三是強化計算工程意識，培養(yǎng)學生算法思維，鍛煉學生將數(shù)學知識轉化成算法的能力、將簡單算法轉化為并行算法的能力、從海量數(shù)據(jù)中進行挖掘的能力，并初步具有高性能計算基礎的能力，構建以數(shù)學計算為核心的計算工程視野。

1.2 專業(yè)核心課程增加實踐比重

按照網(wǎng)絡安全行業(yè)人才需求，系統(tǒng)優(yōu)化教學設計，加大專業(yè)核心課程實踐環(huán)節(jié)比重[3]，由以往的750學時增加到900學時，約占人才培養(yǎng)方案的1/3。專業(yè)核心課程的明確導向就是提升密碼應用能力，并與國家的密碼發(fā)展戰(zhàn)略相互動：一是增加信息知識、突出實踐意識，教學工作圍繞學生信息化素質(zhì)培養(yǎng)展開，著眼動態(tài)地對教學內(nèi)容進行充實，使學生掌握信息化的理論與實踐，學會使用信息化工具，將知識轉化為信息化實踐能力的過程必須在實踐環(huán)節(jié)中不斷積累；二是創(chuàng)新實踐環(huán)境、強化實踐意識，模擬與仿真現(xiàn)實環(huán)境，不僅可以讓學生感受實際工作氛圍、體驗實際工作過程，更能夠讓其快速具備網(wǎng)絡空間安全實踐的能力和素質(zhì)，讓學生在全場景、全流程、全感知的綜合實踐化環(huán)境中得到有效鍛煉；三是開發(fā)團隊實踐項目、培養(yǎng)團隊實踐能力，積極開展以課題、實用化產(chǎn)品開發(fā)為牽引的教學組織模式，將學生按照不同專業(yè)和層次分成3～5人的小組，安排指導教師帶領學生開展就業(yè)相關的網(wǎng)絡空間安全產(chǎn)品研發(fā)與課題研究，完成綜合素質(zhì)項目和學生創(chuàng)新計劃，以全國性比賽為牽引，加強學生的工程實踐綜合能力訓練。

1.3 面向產(chǎn)業(yè)課程吻合實際需求

以符合產(chǎn)業(yè)需求、適應網(wǎng)絡空間安全相關行業(yè)人才培養(yǎng)為終極目標，在院校教育與行業(yè)教育之間做平穩(wěn)銜接。利用行業(yè)的具體應用，如區(qū)塊鏈的應用，確定實踐科目內(nèi)容為工作量證明機制的實驗，加強密碼算法的應用實踐，認清密碼算法在區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全的作用。具體做法：一是全員提升實踐能力，結合訓練目標，建設操作性較強的實踐類課程，規(guī)范訓練流程，分層次確定訓練方式，完善針對性的教學訓練設施，構建集“教學、訓練、協(xié)作”為一體的密碼控制與協(xié)同開發(fā)課程，實施階梯式項目管理、協(xié)作與開發(fā)能力培訓；二是加強基本技能訓練，從代碼分析、數(shù)據(jù)分析、算法分析、系統(tǒng)分析4個維度各開設1門技能課程，加強針對性訓練，強化專業(yè)技能；三是培養(yǎng)管理能力，針對密碼攻防的信息不對稱性，加強學生對密碼信息的判斷能力，學習技術實戰(zhàn)運用，培養(yǎng)創(chuàng)新實施能力，增強謀略行為訓練，建設密碼組織與管理課程，提高科技運用決策和智能謀略水平。

2 密碼實踐化指明教學環(huán)境建設新方向

當前，大數(shù)據(jù)時代正在到來，與密碼相關的網(wǎng)絡安全事件隨之而呈暴發(fā)性增長態(tài)勢，新理念、新方法、新技術層出不窮。網(wǎng)絡空間安全專業(yè)學生不僅要強化專業(yè)素養(yǎng)，全面掌握密碼學的專業(yè)基礎知識，更需要具有熟練掌握使用工具完成任務的能力。此外，還需要培養(yǎng)學生自我學習、自我進化的創(chuàng)新意識和能力。這些能力的培養(yǎng)和實踐意識的養(yǎng)成需要契合的教學平臺作為堅強保障[4]。為此，可以依托基礎理論實踐輔助平臺、實踐技能錘煉平臺、綜合演練模擬平臺，強化3個層次的能力培養(yǎng)：基礎理論實踐輔助平臺為密碼學與信息安全輔助平臺；實踐技能錘煉平臺為對稱密碼、公鑰密碼和密碼應用平臺；綜合演練模擬平臺分為兩類，一類是密碼算法與協(xié)議的綜合演練，另一類是網(wǎng)絡攻防系統(tǒng)中的密碼演練部分。通過3個層次形成從基礎知識點的學習到實踐技能培養(yǎng)，從強化個人單項技能到綜合性全面技能、系統(tǒng)安全思維培養(yǎng)的綜合性教學支撐環(huán)境。

2.1 基礎理論實踐輔助平臺

基礎理論實踐輔助平臺是實現(xiàn)從課程講授到實踐技能培養(yǎng)的橋梁：一是設置特色基礎教學實踐模塊，結合專業(yè)課程設置，重視實踐化教學基礎模塊的構建，為課程理論講授提供可驗證、可演示的基礎支撐環(huán)境；二是打通基礎模塊到支撐環(huán)境的橋梁，依托通專結合的可重構計算設備、高性能密碼分析設備、安全協(xié)議數(shù)據(jù)解析環(huán)境、網(wǎng)絡密碼模擬仿真環(huán)境等終端體系，構建密碼學輔助教學系統(tǒng)、密碼分析教學平臺等核心支撐模塊，為相關課程提供前端教學實踐平臺和基本的操作演練環(huán)境；三是凝練實踐輔助平臺的核心功能，輔助平臺側重于為基礎課程教學提供實踐環(huán)境，強調(diào)理論講授的可視化、形象化、系統(tǒng)化；為改進教學效果提供硬件支持，同時也為實踐技能錘煉平臺提供前端的技術與平臺支撐。

2.2 實踐技能錘煉平臺

網(wǎng)絡空間安全專業(yè)的人才培養(yǎng)，在打牢密碼學相關理論基礎的前提下，重點要強化學生的實踐技能：一是強化核心實踐能力，在基礎理論實踐輔助平臺的支撐下，重點打磨學生在實際工作中需要的編程能力、基礎數(shù)據(jù)處理與分析能力、逆向分析能力和系統(tǒng)化思維能力；二是促進形成系統(tǒng)化分析理念，依托各類密碼機制模擬系統(tǒng)，讓各層次學生體驗從終端到服務端，從理論技術到實用化產(chǎn)品的全流程、立體化密碼算法、協(xié)議工作原理與機制；三是突出專項技能的培養(yǎng)與強化，學生深入了解各類密碼系統(tǒng)特征，能夠更好地將基礎實踐經(jīng)驗、技巧打磨成實踐能力。對個人綜合能力及單項技能進行升級強化，為系統(tǒng)化密碼人才培養(yǎng)提供基礎支撐。

2.3 綜合演練模擬平臺

以基礎平臺為支撐，形成完備的綜合演練平臺：一是加強綜合意識培養(yǎng)，密碼學的人才培養(yǎng)，除了單項密碼專項技能外，還需要強化系統(tǒng)安全意識，初步具備從事網(wǎng)絡安全產(chǎn)業(yè)的基本素質(zhì)。為此，在實踐技能培養(yǎng)的基礎上，通過畢業(yè)設計、實習、綜合演練，以及密碼數(shù)學挑戰(zhàn)賽、密碼技術競賽等各類學科競賽與科技創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，強化密碼理論應用能力；二是打造多平臺協(xié)同的實踐生態(tài)系統(tǒng)，大力加強密碼綜合演練系統(tǒng)、密碼系統(tǒng)側信道分析、網(wǎng)絡協(xié)議自動化分析等系統(tǒng)的有機組合與重構。打破系統(tǒng)固有邊界、增強系統(tǒng)的耦合，構建學生在密碼分析時的系統(tǒng)化思維；三是促進學生綜合分析能力的全面升級，培養(yǎng)學生的綜合能力，包括科研攻關能力，有針對性的培養(yǎng)學生對密碼系統(tǒng)的綜合分析以及適應新密碼裝備、新密碼系統(tǒng)的能力。

在相關平臺的支撐下，實現(xiàn)人才培養(yǎng)工作從理論到實踐，從應用到開發(fā)的重大轉變，從而完成全方位的知識學習、技能實踐、系統(tǒng)化思維和綜合分析能力培養(yǎng)的任務。

3 密碼實踐化推進師資隊伍實踐新發(fā)展

立教之本在教師，興教之源看人師。高素質(zhì)、高水平的師資隊伍是保證實踐教學效果的關鍵因素。教師是人才培養(yǎng)工作的主體，是人才培養(yǎng)的中堅力量，也是科研的主力軍。密碼學實踐教學需要一支師德高尚、業(yè)務過硬、富有創(chuàng)新精神的復合型、高素質(zhì)教師隊伍，更需要一支真懂實踐、會教實踐、扎根實踐的師資隊伍[5]。

3.1 增強實踐化導向，探索科學的實踐化人才培養(yǎng)機制

網(wǎng)絡安全領域相關理論和技術飛速發(fā)展，多學科多領域深度融合，新情況、新問題層出不窮：一是根據(jù)學科整體布局和發(fā)展需要，制訂青年骨干教師送學發(fā)展計劃，擴寬教學科研視野；選派教學骨干到國內(nèi)外高校、科研院所訪學，學習先進教學方法和教學理念，了解和掌握最新科學進展，提高青年教師教學科研能力，構建教學名師、學科帶頭人、骨干教師構成的高層次人才體系；二是根據(jù)實踐化需求，加強院校和相關企業(yè)間交流，多渠道了解實踐化最新進展；通過校企交流項目，加大對校內(nèi)外、國內(nèi)高水平密碼人才的邀請力度和頻度，聘請知名企業(yè)專家作系列專題講座。積極引進校內(nèi)外、國內(nèi)外先進教學平臺，提高教師實踐化平臺應用水平；三是利用好國家重大人才工程項目，積極培養(yǎng)青年教師和骨干講師，做好相關教師的職業(yè)規(guī)劃，為密碼學培養(yǎng)出復合型、高素質(zhì)的教師隊伍。

3.2 加強教師實踐經(jīng)歷，提高教師實踐化教學能力

密碼學的實踐化教學，離不開一支真懂實踐、會教實踐的教師隊伍：一是加大密碼學專業(yè)教師與知名企業(yè)之間的交流力度，安排青年教師（尤其是沒有企業(yè)實踐經(jīng)歷的教師）到相關企業(yè)參觀訪問，鼓勵教師利用寒暑假到相關單位交流學習；二是創(chuàng)新院校與企業(yè)之間的交流模式，依托合作單位，采取選派教師參加或觀摩合作單位的實踐化演練等活動，體會企業(yè)文化氛圍，掌握企業(yè)發(fā)展前沿動態(tài)，融入產(chǎn)業(yè)信息安全科研項目，使院校教學工作更加貼近產(chǎn)業(yè)需要；三是經(jīng)常邀請各大知名業(yè)務專家到院校講學，介紹實踐化細節(jié)，鼓勵教師與企業(yè)之間協(xié)同開展相關課題研究，豐富實踐案例庫，有針對性地加強教師實踐化教學能力建設。

3.3 加強實踐化氛圍建設，積極開展專業(yè)特色文化建設

密碼實踐化教學需要一支長期扎根院校、服務院校的教師隊伍。建設這樣的隊伍，離不開特色文化，這也是實踐化建設的重要內(nèi)容和維度：一是加大特色網(wǎng)絡空間安全文化展示和人文關懷，通過展板、條幅等媒介，加強對院校相關專業(yè)的歷史沿革、輝煌成就教育，激發(fā)教師和學生的職業(yè)熱情和使命認同感；二是加大對教學實際先進人物事跡介紹，利用好教學活動、輔導答疑時間，介紹優(yōu)秀人物事跡，利用鮮活的形象推動特色文化的凝聚和引領作用，增強教師長期扎根院校、服務院校的事業(yè)心；三是有意識地為教師實踐化教學建立一個實踐文化環(huán)境，通過對實驗室實踐化環(huán)境改造，凸顯實踐化氛圍、塑造實踐化意識，嚴格以實踐化要求指導日常教學、科研活動。