基于课程群的密码学实践教学改革与评估

朱晓玲， 胡东辉

(合肥工业大学 计算机与信息学院， 合肥 230009 )



基于课程群的密码学实践教学改革与评估

朱晓玲， 胡东辉

(合肥工业大学 计算机与信息学院， 合肥 230009 )

摘要：以课程群组织实践教学有利于开设创新性、应用性强的综合性实验。本文以密码学课程群为例，给出其课程体系结构，探讨与之对应的实践教学改革。为了解教学改革的实施效果，从难度、广度、时间、感受、内容五个方面设计问卷，问卷分析的结果启示我们：从权衡选题创新性、综合性、应用性与难度间的关系入手，优化实践教学内容；重视培养学生撰写报告的能力；加强实践环节的师生互动等。这些启示为我们进一步完善课程群实践教学提供了有用线索。

关键词：课程群; 实践教学改革; 教学评价; 教学启示

信息安全学科是计算机、数学、通信、法律、管理等多学科交叉的产物，在信息安全专业课程设置时，常出现内容重叠与衔接的问题。引入课程群，有利于打破课程间壁垒，理清课程间前驱后继的关系，从专业培养目标层次对课程进行有效配置。在教育部信息安全类教学指导委员会颁布的信息安全专业规范的指导下[1,2]，合肥工业大学信息安全专业于2012年开始摸索课程群建设，经历了调研、制定、修改和实施阶段，目前已设立密码学、网络安全和软件安全三个方向的课程群[3]；增加密码学综合实验、网络安全综合实验、软件安全综合实验三个实践教学环节。本文以密码学课程群为例，探索其实践教学的组织、实施与评估方法，期望能够抛砖引玉，为信息安全类专业课程体系优化和实践教学改革提供可供参考的经验。

1密码学课程群体系结构

《密码学概论》是信息安全专业的核心和主干课程，该课程需要坚实的数学和信息论基础,同时它又是学好认证理论与技术等课程的基础。图1为我校设置的密码学课程群体系结构[3]，体现了课程间的前驱与后继的关系。数论和有限域是公钥密码的数学基础，概率论是密码分析的基础[4,5]，这些理论构成《信息安全数学基础》[6]的主要内容。同时，熵、完善保密性等密码理论来源于信息论。由于信息可以采取加密或隐密的方式进行保护，信息加密是密码，信息隐密是信息隐藏，作为密码学课程群的另一主干课程——《信息隐藏技术》[7]，其前驱课程是《信息论与编码》[8]、《图像与视频处理技术》。综合《密码学概论》、《认证理论与技术》、《信息隐藏技术课程》，期望开设能够体现应用性、创新性强的综合实验。由于我校是工科院校，我们希望密码学课程群，特别是综合课程群所有课程的《密码学综合实验》具有较强的工程应用性，能锻炼学生动手创新能力，以及应用密码学相关知识解决应用系统安全的创新能力。

图1　密码学课程群体系结构

2密码学课程群实践教学改革

课程教学体系的优化要求与之适应的实践教学体系。近年来，我们大力推进课程群实践教学改革。在新大纲中，增加了课程实验，将验证性实验前移到课程实验，将综合性、设计性和创新性的实验放在课程群综合实验环节。课程群综合实验综合多门课程，其综合性、创新性、应用性，较之课程实验，有较大的提高。

2015年，我们开设的密码学课程群综合实验的选题如表1所示。它包括加密与认证(选题1-3)、隐藏与水印(选题4-5)、云平台的图像安全(选题6-8)、编码与加密(选题9-10)、安全应用系统(11-13)五个方面。所涉及的知识结构覆盖到：①分组加密、公钥加密、数字签名、动态口令、伪随机数生成等密码学基本理论；②同态加密、秘密共享等密码学高级理论；隐藏算法、鲁棒水印算法等信息隐藏理论；③哈夫曼编码等信息论内容；④socket通信、邮件系统等网络编程知识。

表1　密码学课程群实践教学内容

在开设《密码学综合实验》之初，我们发动4位老师分别出题，形成题库，然后从题库中选择一定的题目为本年度的实验题目。由于我校信息安全专业只有一个班共45位同学，所以我们本年度共选择13道题目，每3-4位同学为一个小组，相互合作，完成该项综合实践。为了更好地了解密码学课程群综合实验的开设情况，促进课程群综合实验的不断完善，我们在该实践课程结束之后，设计问卷，调查学生对《密码学综合实验》实践教学的反馈情况，为该课程后续的持续改进提供参考依据。

3实践教学评测

教学评价在教学体系构建中不可缺少，对正在执行的培养方案进行有效的评估，能够给出有益的建议，便于教师调整自身的教学内容和教学方法，实现教学体系的优化。设置合理的指标体系是有效评价的基础。文献[9]围绕着反映学生学的效果，从学生的知识习得、能力提升、情感体验三个维度，给出十五个观测指标。文献[10]介绍了美国麻省理工的课程评估，其评估内容包括课堂笔记的准备情况、教学设备的应用情况、实验室项目的参与情况、小型考试和期末考试的设计情况、家庭作业的布置情况、课堂小组讨论的参与情况、学期论文的完成情况。

结合我校信息安全专业实践教学的实际情况，我们合理选择评价指标设计问卷，并在2012级即将毕业的信息安全学生中展开调查。

3.1问卷设计

我们从“难度”、“广度”、“时间”、“感受”、“内容”五个方面出发，细化出十一个指标进行评价，具体如图2所示。其中，“难度”、“广度”、“时间”分别对应所评估的课程设计题目的整体难度、所覆盖的知识面、完成该项设计所需要的时间，“感受”细化出“重要性”、“获益情况”、“解决问题途径”、“感兴趣方向”四个指标，“内容”细化出“应用性”、“综合性”、“创新性”、“难度”四个指标。对于这些指标，采取三到五级的评价分级。“难度”分为非常困难、困难、适中、非常简单四个等级，“覆盖面”分为广、较广、适当、较窄、窄五个等级，完成时间分为五天以上、五天、四天、三天、三天以下五个等级，“重要性”分为非常重要、重要、一般、不重要四个等级。面向具体选题的“应用性”、“综合性”、“创新性”、“难度”指标，采取了强、中、弱三级评价。对于“获益情况”、“解决问题途径”、“感兴趣方向”这些主观指标，单一选项无法满足多样性需求，设计了多项选择。

图2　评价指标与评价分级

3.2问卷分析

图3　综合实验项目难度、覆盖面、完成时间、重要性分析

为了获得学生对密码学课程群综合实验的反馈信息，我们于2015年11月面向2013级信息安全本科生展开问卷。本次问卷共40人参加，其中有效问卷39份，无效问卷1份，无效问卷是因为该问卷没给出学生的选题信息，这将导致我们无法合理统计具体选题的应用性、综合性、创新性、难度评分。

在39份有效问卷中，41%的学生认为综合实验整体难度适中，但也存在着38%学生认为选题有难度(图3(a))。72%学生认为覆盖面适当，15%学生认为覆盖面较广(图3(b))。59%的学生需要五天以上的时间完成(图4(c))。69%的学生认为综合实验在信息安全知识能力构建中重要，26%的学生认为非常重要(图4(d))。以上数据表明超过半数的学生认为综合实验是重要的，其覆盖面适中，需要足够时间去完成。同时，38%学生认为选题有难度，完成它是个挑战。

在主观的多项选择中，关于收益，绝大对数学生认为自己的编程能力(79%学生)、查找资料(77%)、解决问题(67%)能力得到锻炼(图4(a))；仅有21%的学生认为书面表达能力得到锻炼，这与实践教学的培养目标是有偏离的，我们期望通过实践环节，不仅锻炼学生的动手解决问题的能力，还希望培养学生语言表达、报告撰写的能力，显然学生对报告撰写重视不够。关于解决问题主要途径(图4(b))，排在前三位的选项依次为网络(92%)、同学讨论(64%)、图书馆(41%)；在面对问题时，仅有18%的学生选择与老师沟通，这一方面表明了学生自主学习的能力增强，另一方面也反映出老师在指导学生方面，参与度不高。图4(c)表明针对已开设五个方向实验项目，51%同学感兴趣的方向是安全应用，之后的排序依次为隐藏水印(38%)、加密认证(36%)、图像安全(33%)、编码加密(23%)，由于应用性选题学生更感兴趣，兴趣是促进学生积极地探索和实践的动力，而且相对于创新性，应用性对于本科生也更为重要，因此我们在设置选题时应关注应用性。

为了减少学生抄袭的现象，我们引导学生选题不要集中，规定了一个题目所选学生人数上限。在2015密码学综合实验中，学生选择实验项目的人数分布如图5，除了第11题，每个题都有学生选。

图5　学生的选题分布

由于学生对自己选做题目具有更好的认知，对该选题的应用性、综合性、创新性、难度的评分更具说服力，评分时应分配较大的权重。我们按照80%和20%的权重区分是/否选做，针对13个选题的应用性、综合性、创新性、难度，对学生的评分数据进行分析。由图6(a)可看出，对于题1(身份认证系统)和13(安全邮件系统)，75%以上学生认为其应用性强，认证、邮件系统在我们生活中扮演着重要角色，其应用性不言而喻，对此类问题的解决有助于激发学生参与实验的兴趣和提升成就感。对于题6(安全检索)、7(安全存储)和8(安全共享)，50%以上学生认为其综合性强，30%以上学生认为应用性强，50%以上学生认为难度大。此类选题要解决云环境下图像的安全存储与安全检索问题，它们是当前研究的热点，选题具有强的创新性、综合性、应用性。但是因为其创新性、综合性强，学生要完成此类选题，需要足够的知识储备，又由于综合实验的时间有限，学生认为难度大。图6(b)显示约60%学生认为题2(签名模拟)、题4(密文域的信息隐藏)和题11(数据库隐私保护)的综合性、创新、难度适中。图6(c)表明大于30%学生认为题3(随机数产生器)、题10(基于huffman的信息隐藏)、题13(安全邮件)创新弱，其中题3(随机数产生器)被同时认为综合性弱、难度弱。伪随机数产生器被广泛地应用于程序设计和密码算法实现中，随机数产生的方法有线性同余、线性移位寄存器、基于对称密码、基于公钥密码，这些算法在经典教科书中给出，课堂上也加以强调。因此，选题创新性弱，如果设计需求中没有规定必须实现的算法个数，其综合性也弱。

图6　选题应用性、综合性、创新性、难度分析

在以上数据的基础上，将13个选题的应用性、综合性、创新性、难度的支持比例求平均，获得四个指标整体的评分。图7显示了学生认为选题的四个评价指标达到强的人数占比，由高到低依次为应用性、综合性、难度、创新性。创新性相较于其他指标，虽然支持率较低，但也达到了26%。

图7　选项强的学生人数平均占比

4教学启示

虽然以上分析基于39个同学的调研内容，样本较少，分析结果可能有偏颇，但是它给了我们直接的启示。

(1)选题更换提醒。在应用性、综合性、创新性、难度四个指标中，达到两项及以上弱的选题应该调换(图6(c))。对于算法实现类的选题，如伪随机数产生器(选题3)，虽然具有一定的应用需求，但是毕竟要实现的都是经典算法，将其作为选题显然缺乏创新性，因此把它放在课程群综合实验中不太合适，也缺乏综合性，考虑将其移到课程实验中。

(2)难度大选题的调整策略。涉及研究热点的选题具有强的创新性、综合性，如云环境下图像安全选题6、7、8(图3(a)、图6(a))，针对这些选题的新方法和理论不断提出，而这些方法在经典密码教材中很少提及，我们在课堂中作为补充知识引入。学生要完成此类选题，需要查找大量的资料，需要具有探索新方法的能力，完成难度大。但是，不能因为难度大就取消这类选题，如何做到难度与创新、综合性的平衡，最大能力地锻炼学生创新与实践能力，值得我们去努力。

(3)关注选题的应用性、综合性、创新性，尤其关注选题的应用性。学生最感兴趣的是应用性选题(图4(c))，同时超过一半的同学认为十三个选题的整体应用性强(图7)，这表明目前选题与同学们的期望基本吻合。

(4)加强学生书面表达能力。由于学生对报告撰写不够重视(图4(a))，提交的报告呈现简单贴图、贴代码的撰写模式，报告内容显得拼凑，语言缺乏条理，这些问题在今后的实践教学中应给予足够重视。

(5)进一步发挥老师的指导作用。不同于课程实验，综合实验更多的考察学生的自主学习和自我解决问题的能力，学生与老师的沟通较少(图3(b))。然而，面对一些创新性强的选题，网上资源不充分，学生应主动联系老师，老师也应积极参与指导，通过师生交互，化解选题难点，这将有利于学生顺利地完成工作。

针对以上问题和启示，我们将从以下方面进一步完善信息安全专业课程群的实践教学。

4.1实践内容的优化

(1)权衡难度与创新性、综合性的关系。因为课程群融合了若干门课程，其实践内容的设置首先应满足综合性需求。为激发学生的学习兴趣，应用性不容忽视。社会的进步离不开创新，实践内容应体现一定的创新性。随着综合性、创新性地加大，难度可能增加。在权衡它们之间关系时，要满足学生努力后可实现的前提。考虑到学生的不同情况，实践教学应因材施教，选题尽可能地激发每个学生的兴趣和潜能。实践内容应具有开放性，鼓励学生充分利用网络和图书资料查找可能的实现方法。实践要求应具有弹性，基本功能必须实现，创新性设计可因人而异。

(2)增强选题的应用性。学生对应用性选题更感兴趣，考虑到我校工科院校的特点，培养创新应用型本科人才是当前教学改革的重要任务。我们后续应该更多地结合企业和社会的需求，设计更多的应用系统安全的题目，培养学生的创新实践能力，缩短人才培养与社会、企业需要的差距，进一步促进学生就业。在设计这些选题时，同时也应考虑题目的难度、覆盖的知识点、学生能否在一定的时间内完成等。

4.2报告撰写能力的培养

报告能够反应出学生解决问题、书面表达、逻辑组织的能力，是实践效果评价的重要依据。学生即使毕业了，在今后的科学研究、工程设计、软件开发工作中撰写报告也必不可少。因此，不论是教师，还是学生都应该重视培养报告撰写的能力。除了沿用目前教师提供撰写提纲的方式，还需要通过以下途径加强：首先强调撰写报告要认真严谨、语言通顺、表达清楚、层次分明；一定要杜绝相互抄袭的现象，一旦发现，抄袭各方都将作为不合格处理；同时要鼓励学生从不同角度去思考问题、解决问题，避免报告千篇一律，将设计亮点凸显在报告中；把报告质量作为成绩考核的重要部分，在评分中占据相当比重。

4.3加强实践环节的师生互动

针对实践环节教师参与度不高的现象，我们应采取一些措施促进师生互动。在学生实验目标不明确时，教师应及时给予解答。在设计方案遇到困惑时，可以和老师讨论可行的方案。师生互动的地点不应拘泥于教室或实验室，当前的通信工具如QQ、微信、邮件等，都可以成为教师解答学生问题的工具。学生也可以通过本科生导师制、创新项目、竞赛等方式，与老师建立稳定的师生互动关系。

5结论

以课程群组织理论教学有利于理清课程间前驱后继的关系，以课程群组织实践教学有利于开设创新性、应用性强的综合性实验。本文以密码学课程群为例，在给出其课程体系结构的基础上，探讨与之对应的实践教学改革，特别介绍了我校2015年密码学课程群综合实验开设和实施情况。为了更好地评估和反馈我校课程群综合实验的开设效果，从难度、广度、时间、感受、内容五个方面出发，选择十一个评价指标设计问卷，并在2012级信息安全学生中展开调查。问卷分析结果向我们提供了一些启示：从权衡创新性、综合性、应用性与难度关系入手，优化实践教学内容；重视培养报告撰写的能力，把报告质量作为成绩考核的重要部分；采取有效措施加强实践环节的师生互动等。这些启示为我们进一步完善信息安全专业课程群实践教学体系提供有用的帮助。

参考文献：

[1]教育部安全类专业教学指导委员会. 信息安全类专业指导性专业规范(第三次征求意见稿)[EB/OL]. [2012-04-21].http//www.Secedu.cn/category/index.

[2]杜瑞颖, 张焕国, 王丽娜,陈晶. 《信息安全专业指导性专业规范》实施方案研究[J]. 计算机教育, 2012(17):19-20.

[3]胡东辉, 朱晓玲, 张仁斌, 侯整风. 信息安全本科专业课程体系优化及课程群建设[J]. 计算机教育, 2012,17(9).:21-25.

[4]斯廷森著, 冯登国译. 密码学原理与实践[M].北京：北京电子工业出版社, 2003:21-235

[5]杨波. 现代密码学[M].北京：清华大学出版社, 2007.

[6]陈恭亮. 简明信息安全数学基础[M].北京：高等教育出版社, 2011.

[7]王丽娜. 信息隐藏技术与应用[M].武汉：武汉大学出版社, 2012.

[8]傅祖芸. 信息论与编码[M].北京：电子工业出版社, 2014.

[9]张文强. 建立教师课堂教学评价体系促进学生发展[J]. 中国高等教育, 2013(10): 37-39.

[10]孙丽莎, 阎军. 美国MIT的教学评估办法与特色综合研究：对我国高校教师教学评价体系构建的启示[J]. 黑龙江高教研究, 2014(11):34-37.

责任编辑：刘琳

Practical Teaching Reform and Evaluation of Cryptography Based on Curriculum Group

ZHU Xiaoling, HU Donghui

(School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009，China )

Abstract：Practical teaching organized in the form of curriculum group contributes to establish comprehensive experiments with strong innovation and applicability. In this paper, the curriculum architecture and practical teaching reform are discussed by taking the cryptography curriculum group as an example. In order to find out the effects of reform, a questionnaire is designed from five aspects such as difficulty, scope, time, feeling and contents. The results of the analysis give us some enlightenment:practical teaching contents can be optimized by balancing difficulty with innovation, comprehensiveness and applicability; the training of students' ability to write reports should be paid attention to; the interaction between teachers and students should be strengthened .The enlightenments provide us a useful clue for the improvement of practical teaching of curriculum group.

Keywords：curriculum group; practical teaching reform; teaching evaluation; teaching revelation

收稿日期：2016-06-02

基金项目：安徽省自然科学基金项目(1608085MF141); 安徽省质量工程项目(2014zjjh002); 安徽省重大教研项目(2013zdjy008)

作者简介：朱晓玲(1974-)，女，安徽合肥人，讲师，博士，主要从事密码学研究。

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：1009-3907(2016)06-0103-07