基于OBE的現代密碼學課程教學改革

王少輝 李琦 張平 王志偉

摘要：現代密碼學是信息安全專業教學體系中最重要的專業基礎課程之一。在分析現代密碼學課程教學現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代密碼學課程的教學改革進行了探索，以期激發學生的學習興趣，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）：

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

1 現代密碼學課程教學現狀

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

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據加密標準，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?？欤绻n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學生主動學習的積極性。如區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節重視不夠。我校2018年新的教學大綱征訂前，現代密碼學課程共48個學時，均為理論學時。雖然學生在大三年級可以在“專業課程設計”課程上，對相關的密碼算法進行實現，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，輔之以實踐環節，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的方法往往并不一致，通過對密碼實現技術的掌握，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。南京郵電大學現代密碼學課程學生的最終成績以平時表現和閉卷考試為主，其中卷面成績占最終成績的70%，而平時表現主要體現在出勤和作業兩方面，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，才發現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。

2 基于OBE 的現代密碼學課程定位

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，由專業的培養目標逆向決定畢業要求，并由畢業要求確定各專業課程的教學內容，組織和指導課程各個教學環節。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了教學新思路[2-6]。

南京郵電大學信息安全專業制定的培養目標是：培養和造就德智體美勞全面發展的社會主義事業合格建設者和可靠接班人。培養適應社會發展需要，具備良好的人文社會科學素養和可持續發展潛力，具備扎實的數學、自然科學基礎知識和必備的專業知識，具有良好的學習能力、實踐能力、創新意識、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、應用、維護、管理等工作的高素質專門技術人才?，F代密碼學課程具有豐富的數學理論和應用實踐背景，結合專業培養目標，我們希望學生通過現代密碼學課程，在培養數學邏輯思維的同時，又可以提升自身的實踐素養。具體而言學生需要掌握密碼學領域的專業知識，熟悉相關的概念、方法，培養學生較好地提煉問題、分析問題、解決問題的本領，能將專業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相關的工程基礎實驗驗證和實現能力。

3 基于OBE 的現代密碼學課程教學改革

為了達成信息安全專業的畢業要求，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學算法，是課程的難點;③提供完整性與認證性的Hash函數及消息認證碼MAC：重點介紹安全要求，Hash函數部分重點介紹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、密鑰協商、密鑰分發等問題。

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：實現古典密碼輪轉機的加密和解密算法;實現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，如素判定算法、擴展的歐幾里得算法、偽隨機數生成算法、快速模指數算法等。通過實驗課程，讓學生進一步驗證算法的原理，并尋求數學原理的落地方法，進一步提升學生的實踐素養和動手能力。

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、教學方法上的優點。以北京郵電大學現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，網站整理了豐富的密碼學學習資料以及課后作業;歷史背景故事激發學生的興趣;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。

在作業的安排上，我們借鑒MIT開設的線上計算機與網絡安全課程。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，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，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、比特承諾和同態加密的應用等問題，以期培養學生的自學能力和對問題的分析與解決能力。

3.3 持續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，發現問題并動態地調整優化教學方法和手段，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的一門重要專業基礎課。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，充分激發并維持學生的學習興趣，才能取得良好的教學效果?；贠BE的現代密碼學課程教學改革理念符合高校人才培養的特點，創新了課程教學模式，改變了傳統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，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研究[J].黑龍江高教研究，2017，35（6）：59-61.

【通聯編輯：王力】