基于OBE的現(xiàn)代密碼學課程教學改革

王少輝 李琦 張平 王志偉

摘要：現(xiàn)代密碼學是信息安全專業(yè)教學體系中最重要的專業(yè)基礎課程之一。在分析現(xiàn)代密碼學課程教學現(xiàn)狀中存在不足的基礎上，結合OBE以“學生為中心”的輸出性教學理念，從授課內容、教學策略、反饋考核機制等方面對現(xiàn)代密碼學課程的教學改革進行了探索，以期激發(fā)學生的學習興趣，有效提高課程的教學質量。

關鍵詞：成果導向教育;現(xiàn)代密碼學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0163-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著網(wǎng)絡信息技術在政府機構、軍事系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、教育系統(tǒng)等方面的普遍應用，信息安全已成為影響社會穩(wěn)定、經濟發(fā)展和國家安危的重大戰(zhàn)略性問題。2015年6月11日，國務院學位辦正式批準網(wǎng)絡空間安全成為一級學科，網(wǎng)絡安全及其人才培養(yǎng)被提升到歷史前所未有的高度?，F(xiàn)代密碼學作為網(wǎng)絡安全專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課之一，對教學內容、教學方法的探討與研究對培養(yǎng)優(yōu)秀的網(wǎng)絡安全人才具有重要的意義。

1 現(xiàn)代密碼學課程教學現(xiàn)狀

南京郵電大學信息安全系現(xiàn)代密碼學課程開設在大二下學期，先修專業(yè)課程包括高級程序語言C語言、信息安全數(shù)學基礎等數(shù)學基礎課，課程主要圍繞密碼學如何實現(xiàn)信息安全機密性、完整性、認證性和不可否認性四大安全目標展開?？偨Y數(shù)年來現(xiàn)代密碼學課程的教學工作，目前該課程在教學的各個環(huán)節(jié)還存在如下的一些薄弱環(huán)節(jié)：

1） 課程教學內容不夠前沿、知識體系更新不夠及時。這并不是說我們上課的內容已經完全過時，以DES算法為例，雖然已經不是目前的數(shù)據(jù)加密標準，但其仍然具有廣泛應用，且設計理念是介紹Feistel設計結構最好的例子之一。但密碼學是一門新興的交叉性學科，不管是編碼技術、分析技術及應用技術的變化都非常快，而如果課程內容不能緊扣當前的密碼學研究應用的熱點，知識體系落后于實際應用技術，就會使得課程不能很好地激發(fā)學生主動學習的積極性。如區(qū)塊鏈或電子貨幣是近幾年非常重要的熱點問題，班級也有相當一部分的學生對此好奇感興趣，如果我們能將相關的密碼學知識的學習和具體應用很好地結合，這必然會極大地提升學生的學習熱情。

2） 教學過程中對實踐環(huán)節(jié)重視不夠。我校2018年新的教學大綱征訂前，現(xiàn)代密碼學課程共48個學時，均為理論學時。雖然學生在大三年級可以在“專業(yè)課程設計”課程上，對相關的密碼算法進行實現(xiàn)，但這已經過去大半年的時間，對一些算法的要點很多學生記憶是模糊的。密碼學本身就是一門實踐性很強的課程，在理論教學的同時，輔之以實踐環(huán)節(jié)，可以幫助學生更好地掌握算法的原理;而算法的原理與之實現(xiàn)的方法往往并不一致，通過對密碼實現(xiàn)技術的掌握，也能更好地提高學生的動手能力。

3） 授課和考核方式忽視學生的主體地位，缺乏多樣性。傳統(tǒng)的教學組織形式以教師為中心，利用板書或PPT演示的方式從事課堂教學，由老師指定教學進度，方法單一，缺少和學生的互動性。南京郵電大學現(xiàn)代密碼學課程學生的最終成績以平時表現(xiàn)和閉卷考試為主，其中卷面成績占最終成績的70%，而平時表現(xiàn)主要體現(xiàn)在出勤和作業(yè)兩方面，對學生實踐動手能力和密碼知識的綜合運用能力缺乏考量。高校教學較少的互動性，反饋機制的缺失使得教師對學生的實際學習情況掌握不足，雖然平時的作業(yè)能在一定程度上反映學生對課本知識的掌握情況，但很多時候是考試結束以后，才發(fā)現(xiàn)很多學生并沒有很好地掌握課程的相關知識點。

綜上，可以看出，傳統(tǒng)的教學過程并不能充分地調動學生學習的積極性和主動性，很多學生只是被動地去死記教材上的知識，將密碼學當作一門純背誦的課程，而不能將所講述的知識體系靈活運動到具體問題的解決實踐中，無法提高學生的信息安全綜合素養(yǎng)。

2 基于OBE 的現(xiàn)代密碼學課程定位

20世紀90年代初，美國教學學家Willian G Spady[1]在《成果導向教學管理：以社會學的視角》一文中，首次提出了“成果導向教育（Outcomes-based Education，簡稱OBE）”的概念。OBE倡導以學生為中心，最大限度地調動學生學習的主動性和積極性，而成果導向則要明確學習達到的目標，由專業(yè)的培養(yǎng)目標逆向決定畢業(yè)要求，并由畢業(yè)要求確定各專業(yè)課程的教學內容，組織和指導課程各個教學環(huán)節(jié)。OBE的教育理念在我國教育領域應用較成功，為提升學生綜合能力開發(fā)了教學新思路[2-6]。

南京郵電大學信息安全專業(yè)制定的培養(yǎng)目標是：培養(yǎng)和造就德智體美勞全面發(fā)展的社會主義事業(yè)合格建設者和可靠接班人。培養(yǎng)適應社會發(fā)展需要，具備良好的人文社會科學素養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ邆湓鷮嵉臄?shù)學、自然科學基礎知識和必備的專業(yè)知識，具有良好的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新意識、國際視野和團隊合作精神，能在信息安全及計算機技術領域內從事相關的研究、設計、開發(fā)、應用、維護、管理等工作的高素質專門技術人才?，F(xiàn)代密碼學課程具有豐富的數(shù)學理論和應用實踐背景，結合專業(yè)培養(yǎng)目標，我們希望學生通過現(xiàn)代密碼學課程，在培養(yǎng)數(shù)學邏輯思維的同時，又可以提升自身的實踐素養(yǎng)。具體而言學生需要掌握密碼學領域的專業(yè)知識，熟悉相關的概念、方法，培養(yǎng)學生較好地提煉問題、分析問題、解決問題的本領，能將專業(yè)知識用于分析和解決信息安全領域內的工程問題;同時，具有信息安全軟件或硬件系統(tǒng)相關的工程基礎實驗驗證和實現(xiàn)能力。

3 基于OBE 的現(xiàn)代密碼學課程教學改革

為了達成信息安全專業(yè)的畢業(yè)要求，我們從授課內容、授課方法、反饋評估機制等幾個方面對現(xiàn)代密碼學課程的教學改革進行了探討。

3.1 課程內容的設計

作為一門專業(yè)基礎課，基礎知識的講授至關重要也不可或缺，密碼學的授課內容圍繞密碼學在信息安全中的作用展開，即密碼學提供怎樣的解決方案以實現(xiàn)機密性、完整性、認證性和不可否認性。課程的主要內容包括：①密碼學基礎與古典密碼學：介紹消息傳輸安全模型，密碼學相關基本概念，古典代碼和置換密碼等;②對稱和非對稱加密機制：加密方案可以提供機密性保護。對稱加密部分分別介紹分組密碼和序列密碼算法及加密模式，其中分組密碼部分別以DES和AES兩個算法，印證Feistel結構和SPN結構這兩種最重要的分組密碼設計架構;序列密碼重點介紹RC4算法和基于線性反饋移位寄存器的序列密碼的設計;而非對稱加密則重點介紹目前使用最廣泛的RSA算法、ElGamal算法和橢圓曲線算法，該部分涉及較多的數(shù)學算法，是課程的難點;③提供完整性與認證性的Hash函數(shù)及消息認證碼MAC：重點介紹安全要求，Hash函數(shù)部分重點介紹MD5和SHA-1算法，而MAC部分則介紹HMAC和CBC-MAC;④數(shù)字簽名：其可提供完整性、認證性及不可否認性，我們重點介紹基于RSA和ElGamal的簽名方案，特別是ElGamal簽名、Schnorr簽名及DSS三者之間的區(qū)別;⑤密鑰管理：介紹密鑰管理方面的原則要求，及秘密共享、密鑰協(xié)商、密鑰分發(fā)等問題。

同時，為了更好地了解我國在密碼學領域的成果和解決方法，我們還重點介紹國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準，如SM2橢圓曲線公鑰密碼算法、SM3雜湊算法、SM4對稱算法、ZUC祖沖之算法等，這對于拓寬學生的知識面、培養(yǎng)學生的愛國意識具有重要的作用。

課時方面，我們由原來的48個課時增加至56個學時，增加了8個學時的實驗課時，實驗主要涉及：實現(xiàn)古典密碼輪轉機的加密和解密算法;實現(xiàn)AES算法的加解密，并對算法的擴散性、混淆性及密文的隨機性進行驗證;編程實現(xiàn)Hash算法MD5，對算法的擴散性進行驗證;對公鑰密碼RSA涉及的算法進行實現(xiàn)，如素判定算法、擴展的歐幾里得算法、偽隨機數(shù)生成算法、快速模指數(shù)算法等。通過實驗課程，讓學生進一步驗證算法的原理，并尋求數(shù)學原理的落地方法，進一步提升學生的實踐素養(yǎng)和動手能力。

3.2 教學方法的設計

除了在課堂上將課程的重點和難點進行認真講解，我們也充分利用網(wǎng)絡資源以豐富課堂教學。利用慕課、雨課堂、國家精品在線課程等資源，從不同的角度對一個問題進行闡述，汲取兄弟院校在教學內容、教學方法上的優(yōu)點。以北京郵電大學現(xiàn)代密碼學國家精品課程資源共享課程為例，除了與教材相匹配的課堂授課視頻外，網(wǎng)站整理了豐富的密碼學學習資料以及課后作業(yè);歷史背景故事激發(fā)學生的興趣;豐富的實驗安排配有具體的實驗步驟和實驗代碼，方便學生驗證自己的實驗成果。

在作業(yè)的安排上，我們借鑒MIT開設的線上計算機與網(wǎng)絡安全課程。雖然這門課程名稱不是密碼學，但授課的內容以密碼學為主，基本可以作為密碼學課程使用。該在線課程緊扣網(wǎng)絡安全的熱門問題，具有非常高的實用性，當然也具有一定的難度。其制定的課后作業(yè)，需要學生投入更多的精力去搜集查閱、思考整理相關資料，我們選擇布置適用于我們課堂教學的課后作業(yè)，如CBC加密模式安全性的討論、側信道分析對分組密碼安全性的影響、比特承諾和同態(tài)加密的應用等問題，以期培養(yǎng)學生的自學能力和對問題的分析與解決能力。

3.3 持續(xù)有效的反饋評估機制的建立

OBE要求教師清楚課程結束時應達到什么樣的結果，然后尋找并設計適宜且有效的方法達到目的，而這一目標的實現(xiàn)離不開和學生之間的溝通，建立長期有效的反饋機制。我們進一步深化傳統(tǒng)的考核評估方法，通過課堂練習、課后習題對學生授課內容的掌握情況有基本的了解，實踐課程中通過學生對實驗的講解，實驗報告的書寫，從實驗的完成度、各組之間的互評對比，取長補短，能更好地對學生掌握知識的情況進行摸底;而問卷調查也是反饋評估機制的重要渠道。通過定期的問卷調查，對授課內容和難點、授課方法、感興趣的安全問題等進行細致的調研，對反饋問題進行反思，發(fā)現(xiàn)問題并動態(tài)地調整優(yōu)化教學方法和手段，更好地提高教學質量，促進教學目標的達成。

4 結束語

密碼學實驗課程是信息安全本科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課。作為教師應在正確教學理念的指導下，不斷探索和嘗試新的教學方法，充分激發(fā)并維持學生的學習興趣，才能取得良好的教學效果。基于OBE的現(xiàn)代密碼學課程教學改革理念符合高校人才培養(yǎng)的特點，創(chuàng)新了課程教學模式，改變了傳統(tǒng)教學模式下的課程體系設置、實施模式和評價標準。我們的教學改革還在初始階段，而教學改革是一個長期探索不斷精進的過程，需要在與學生的交互中，不斷借鑒和創(chuàng)新適合不同學生主體的教學內容、教學模式和教學手段，提升我們后繼的教學質量。

參考文獻：

[1] Spady W G.Outcome-based education：critical issues and answers[M].Arlington，Va.：American Association of School Administrators，1994

[2] 史曉楠.基于OBE的Java程序設計教學改革研究[J].軟件導刊，2017，16（8）：216-218.

[3] 姚曄，邱洪君.基于OBE的MIT計算機與網(wǎng)絡安全課程教學剖析[J].計算機教育，2018（1）：63-66.

[4] 宋躍，余熾業(yè)，胡勝，等.基于OBE的嵌入式測控技術課程群建設與探索[J].實驗室研究與探索，2016，35（6）：208-210，283.

[5] 孫霞，程宏斌.基于OBE模式的C語言課程教學改革[J].寧波教育學院學報，2016，18（4）：15-18.

[6] 劉鍇，孫燕芳.基于OBE教育理念的高校教師培養(yǎng)研究[J].黑龍江高教研究，2017，35（6）：59-61.

【通聯(lián)編輯：王力】