密碼學課程建設及教學方法探討*

王后珍　張煥國（武漢大學計算機學院空天信息安全與可信計算教育部重點實驗室，湖北武漢430079）

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密碼學課程建設及教學方法探討*

王后珍張煥國
（武漢大學計算機學院空天信息安全與可信計算教育部重點實驗室，湖北武漢430079）

摘要：針對密碼學課程的特點，結合密碼學課程的建設體會和教學經驗，對該課程的建設及教學方法提出了一些建議和設想，供同行交流探討。

關鍵詞：密碼學；教學方法；密碼學精品課程

Abstract：According to the characteristics of cryptography course，this paper analyzes the constructions and teaching experiences of cryptography course，and proposes some suggestions and ideas to give a reference for other universities.

Key words：cryptography；teaching methods；excellent course of cryptography

一、背景

近年來計算機、互聯網和現代通信技術已經廣泛應用于政治、軍事、金融、等各個領域。其存儲、傳輸和處理的很多信息都是至關重要的、有的甚至是國家機密，因此難免會遭遇各種信息安全問題，如信息泄漏、信息竊取、數據篡改等安全問題日益上升。伴隨著信息產業發展而產生的網絡信息安全問題，也已成為各國政府聚焦的熱點問題。我國也是遭受網絡攻擊的受害者，近年來，我國政府也十分重視信息安全產業的發展及人才培養。例如，2015年6月，為實施國家安全戰略，加快網絡空間安全高層次人才培養，根據《學位授予和人才培養學科目錄設置與管理辦法》的規定和程序，經專家論證，國務院學位委員會學科評議組評議，報國務院學位委員會批準，教育部決定在“工學”門類下增設“網絡空間安全”一級學科，學科代碼為“0839”，授予“工學”學位。另要求各單位加強“網絡空間安全”的學科建設，做好人才培養工作［1］。

二、密碼學課程教學存在的問題

現今，我國有100多所高校開設了密碼學課程。由于依托學科專業不同、教學要求的差異，因此，在教學大綱、教學方法及教學內容等方面很難規范統一，總的來講，目前教學環節中的主要問題有：（1）教學手段的單一性；（2）重理論、輕應用，知識面拓展性不夠；（3）課程考核形式單一。密碼學是一門交叉性學科，包括了信息論、數學、通信、計算機、生物、物理等多方面的知識。同時，它又有很強實踐性。如何協調理論與應用實踐、合理組織教學，值得我們探索改進。

三、課程建設及教學方法探討

（一）教學內容及教材的選取

教學內容則要根據不同學科專業對本課程的要求情況加以定位取舍。密碼學及相關基礎課程的銜接和課時安排可參考《高等學校信息安全專業指導性專業規范》［8］。一般的工科專業或低年級本科生，我們建議選擇《應用密碼學》教材，教學內容上側重實用性講授，只要求學生了解密碼算法的基本原理，重點掌握算法的具體實現和工程應用。而對于網絡空間安全學科而言，則對密碼學的需求更高，因此，需要選擇偏理論的教材，而教學內容方面，不僅要求學生理解密碼體制的基本原理，還需要了解它的基礎理論背景知識，理解相關的安全性定義、密碼學困難性問題假設、嚴格的安全性證明方法以及相應密碼分析方法等。例如講授分組密碼時，主要內容包括DES、AES、IDEA、SMS4等，對于一般工科專業的學生而言，只需要了解這些分組密碼算法的基本原理即可，重點是掌握這些國內外分組密碼標準算法的工程實現，教學中我們介紹一些著名的密碼學工具如AESTool、CRYPTO++、Miracl等，供學生參考實現；而對于網絡空間安全相關專業的學生而言，在組織教學內容時，需要進行分組密碼體制的理論提升及知識拓展，例如我們需要詳細講授分組密碼的設計理念（如SPN、Feistel等結構及其結構的優缺點）和相應的攻擊方法（如差分攻擊、線性攻擊、代數攻擊、積分攻擊、中間相遇攻擊、相關秘鑰攻擊等），以加深學生的理解和靈活運用能力。

（二）加強課堂教學效果

結合密碼學課程本身的特點及不同專業學生的實際需求，采取相適應的教學模式、激發學生的學習興趣、充分發揮學生學習的主動性。

1.根據課程教案內容，制作生動直觀的多媒體課件。密碼學教學過程中采用現代多媒體教學技術可以有效彌補傳統教學模式的不足，對于密碼學課程中抽象的概念、復雜理論推導，利用生動的多媒體技術課件，可以形象直觀展現于學生面前，易于理解和加深印象。比如像經典DES、AES、RSA、ECC等密碼算法網上都有很多優秀免費的動畫演示作品，只要稍加修改借鑒便可作為我們的課堂教學素材。但對于一些經典的理論推導過程我們建議采用多媒體課件及黑板板書相結合的方法。

2.加強課堂教學的生動性和啟發性。密碼學的課堂教學中，應盡量避免老師講、學生聽的傳統“滿堂灌”教學模式，而是應該采用討論式、啟迪性的教學方式。例如，講授經典密碼算法時，可以簡要介紹其歷史背景、發展歷程、研究過程及方法、目前的研究現狀及有待解決的開放問題，增加互動環節，組織學生提問討論，啟發學生的探究能力，逐步培養學生的探索能力和創造能力。同時，還可以穿插一些歷史人物及相關事件介紹，以激發學生的學習興趣，活躍課堂教學氣氛。

（三）加強教學實踐環節

密碼學的特點決定了它是一門極具實踐性的學科，密碼算法是解決信息安全問題的理論基礎和關鍵技術，因而應該高度重視密碼學的實踐教學環節。通過教學實驗環節，讓學生從工程應用的角度進一步理解相關的密碼理論思想，達到理論與實踐相結合的目的。例如，在教學實驗中模擬應用場景，設置一些難度適中的信息安全問題，讓學生能夠利用所學的密碼學知識加以解決，以提高學生的動手能力。同時，有條件的學校還可以組織課外科研活動，吸收部分優秀的學生參與教師的科研項目，提高學生的科研動手能力，培養拔尖的信息安全人才。

（四）采取靈活多樣的課程考核體系

針對密碼學課程的特點，傳統“閉卷考試成績+平時成績”的考核評價方式體現不出學生對知識的理解和綜合運用能力，而且還會導致學生以被動的學習方式來應付。不同的學校、不同的學科專業可根據自身相關專業要求探索相適應的考核評價機制。對于網絡空間安全學科專業的學生而言，密碼學作為為專業必修課，一般在高年級開設，此時學生已經具備了一定的理論基礎及知識運用能力，因此我們可以采用靈活多樣的考核方式。根據我們的教學經驗，將密碼學課程的考核分為四部分：命題考試成績（50%）、平時成績（10%）、論文閱讀報告（20%）和課程設計成績（20%）。根據學生的層次及教學要求，命題考試分為閉卷或開卷形式，閉卷側重學生基礎理論掌握情況評測，而開卷則注重學生綜合分析及解決實際問題能力檢測。平時成績主要包括平時課堂作業及到課率情況。論文閱讀報告主要是引導學生關注密碼學的發展新動向，一般建議由教師提供本學科領域最前沿的研究熱點方向論文若干、供學生選擇性閱讀并提交閱讀報告，這種考核形式可有效避免傳統提交課程小論文的網上抄襲現象，以此拓展學生的知識面及學習興趣。課程設計即實踐環節，建議將學生按3至5的規模分為若干組，以組為單位進行考核，旨在考查學生的動手實踐能力及團隊協同能力。

（五）教學評價及改進

課程結束后，設計密碼學課程專用調查問卷，及時收集了解學生對本課程教學內容、教學方法、課件制作、考核形式等方面的意見，對學生的反饋意見進行認真整理分析，不斷改進本課程的教學方法。其次，積極了解政府機構及相關企業對信息安全人才的要求情況，及時合理地調整和改進本課程的教學目標、教學內容及教學方法。另外，有條件的教師還應該積極參加國內相關單位舉辦的信息安全相關專業教學研討會，探討交流及借鑒好的教學方法及教學手段。

（六）營造良好課外學習環境

良好的課外學習環境是學生獲取知識提高應用能力的重要途徑，更是選拔培養拔尖信息安全人才的必要條件。

1.建設配套的密碼學教材及學習素材。例如，武漢大學信息安全團隊在探索改進教學方法的同時［4-6］，編寫出版了“普通高等教育‘十一五’國家級規劃教材”《密碼學引論》［7］，并翻譯了多部國外密碼學經典教材。同時，我們還建設了密碼學網站［2］，內容包括教學大綱、授課教案、課程錄像、實踐指導、習題及解答等資源。另外，我們建設的密碼學課程于2013年入選第三批國家級精品資源共享課［3］，為學生課外自學提供了豐富的參考資料。

2.提高學生的實踐動手能力。我們可以通過教學實驗環節及一些課外科研活動選拔科研動手能力強的學生參與教師的科研項目，條件許可的話，還可以組隊參加教育部高等教育司、工業和信息化部信息安全協調司的指導下的全國大學生信息安全競賽，培養學生的創新能力、團隊協作精神，提高學生的信息安全技術水平和綜合設計能力，著力于拔尖信息安全人才的培養。

四、結束語

密碼學是網絡空間安全及其相關專業的重要基礎課程，做好密碼學的教學科研工作具有十分重要的意義。文章針對目前密碼學課程教學中存在的一些問題，結合我們在密碼學課程建設及教學中實踐經驗，對本課程的教學提出了一些建議，供同行交流討論，期盼為密碼學課程建設及信息安全人才培養貢獻一份力量。

參考文獻

［1］國務院學位委員會（學位［2015］11號）.教育部關于增設網絡空間安全一級學科的通知［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/jyb-xxg k/moe_1777/moe-1778/201511/t20151127_221423.html.

［2］武漢大學精品課程——密碼學［EB/OL］.http：//jpkt.whu.edu.cn/ jpkc2009/mmx/vedio.html.

［3］張煥國，唐明，王張宜.國家級精品資源共享課——密碼學［EB/OL］.http：//www.icourses.cn/coursestatic/course-6648.html.

［4］杜瑞穎，張煥國，王麗娜，陳晶.本科信息安全專業專業知識體系的制定［J］.計算機教育，2012（17）：26-29.

［5］張煥國，王麗娜，杜瑞穎.信息安全學科體系結構研究［J］.武漢大學學報：理學版，2010（5）：614-62.

［6］杜瑞穎，張煥國，王麗娜.本科信息安全專業課程體系研究［J］.計算機教育，2011（8）：1-3.

［7］張煥國，王張宜.密碼學引論（第二版）［M］.武漢大學出版社，2009.

［8］教育部高等學校信息安全專業教學指導委員會.高等學校信息安全專業指導性專業規范［M］.清華大學出版社，2014.

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）07-0078-02

*基金項目：2013年國家自然科學基金重點項目（針對量子計算機特點的公鑰密碼理論與關鍵技術研究61332019）、2013年國家自然科學青年基金（多變量密鑰交換協議及公鑰加密算法研究61303212）資助。

作者簡介：王后珍（1981，1-），男，土家族，湖北省恩施市人，講師，博士，研究方向：密碼學。張煥國（1945，6-），男，漢族，湖北省武漢市人，教授，研究方向：密碼學、信息安全。