信息隐藏技术课程研究性教学改革研究

摘要：如何提高信息隐藏技术课程的教学水平，使学生真正学懂、学好这门课，并不断提高分析和解决问题的能力，是该课程教学中应该重点研究和探讨的问题。文章结合实际的教学情况，探讨针对该课程开展研究性教学的基本思路、问题设计和实施方案。

关键词：研究性教学；信息隐藏

0.引言

信息隐藏技术课程具有交叉学科的特点，学生很难快速理解和掌握；信息隐藏作为一门新兴的技术，其内容和方法都在不断地发展和完善。在该课程的教学实践中，需要不断研究和探索新的教学理念和方法，以使学生能够真正理解和掌握信息隐藏的基本原理及方法，并能运用所学的知识去分析和解决实际问题。

研究性教学是目前高等教育教学研究的一个热点方向，大量的理论研究和实践表明，研究性教学是教学改革的一个重要途径。2005年，教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中明确提出，大学“要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”。笔者在该课程中开展研究性教学改革，将科学研究的方法和基于问题的训练与实践等研究性教学思路渗透到课程的各个教学环节。

1.课程特点与现状分析

与其他课程相比，信息隐藏技术课程具有以下特点：

（1）信息隐藏是一门新的综合性前沿学科，其内容涉及数学、信号处理、数字图像处理、密码学、计算机网络等多门学科。如果高校的信息安全专业没有开设数字图像、数字语音处理和信号处理等课程，学生就会缺乏学习信息隐藏技术课程的前期基础知识（尤其是不具备数字信号处理的知识，对Matlab环境下多媒体数据和信号处理基本算法的应用不熟悉），极大地影响对课程教学内容的理解和应用。

（2）该课程新技术多、内容更新快，现有的很多教材和参考书主要是对各种信息隐藏技术和方法的分析和汇总，缺乏具体实现细节，对本科学生来说理解和实现都比较困难。

2.研究性教学改革与实践

2.1研究性教学理念

研究性教学是一种教师指导下的以学生为主体的自主学习和实践过程，它包含了教与学两个方面：前者以教师为主导，在课堂教学中创设一种类似科学研究的情景或途径，把凝结在知识点背后的思想、方法和创新过程揭示出来，在引导学生学习和掌握新知识的同时，又能使其受到知识创新和科学研究方法的熏陶和训练；后者指学生在教师指导下，以科学研究的方式查阅资料、搜集信息，并通过分组协作和讨论来完成指定项目或问题的一种主动的、独创性的学习活动。研究性教学的目的不仅是使学生掌握系统的学科知识，更重要的是使学生综合运用知识去发现、分析和解决问题，得到思维训练，学会知识的迁移或应用，逐步培养研究能力和实践能力。研究性教学具有开放性、综合性和实践性的特点。相比于传统教学方法，研究性教学更注重学生的感受和体验，强调学生的亲身经历和实践，它不是学科知识的简单灌输和叠加，而是有意识地激发学生的学习兴趣，培养其自主学习的能力和创新意识。

2.2教学改革的目标

该课程的教学改革以研究性教学为理念，以增强学生主动学习和提高动手能力为主线展开教学，知识、能力和素质并重。通过该课程的教学，希望学生能够理解数字图像处理、数字信号处理的基本概念和原理，熟练掌握信息加密、置乱等预处理技术以及在数字图像中隐藏秘密信息的常用空、频域处理方法，并能够采用Matlab在计算机上进行具体实现。

2.3教学改革的思路

本课程进行研究性教学改革的基本思想是使学生真正掌握课堂所学的知识，在计算机上通过具体的程序代码再现和展示，使学生身临其境，理解信息隐藏技术的实质和魅力，并在此过程中形成探究性学习的习惯和自主学习的能力。教学实践通过将科学研究的方法和基于问题的训练与实践渗透到课程的各个教学环节来开展，具体如下：

（1）对教学内容进行整合：在课堂教学中重点、详细讲述数字信号处理的基本知识、信息隐藏预处理的常用方法、空域和DCT变换域的经典信息隐藏方法，其他内容则简要介绍或由学生自学。

（2）尝试新的教学方法：由于信息隐藏技术主要是利用多媒体信息的冗余性和视觉感知的不敏感性来隐藏机密信息，所以让学生从视、听觉上直接感受信息隐藏技术的魅力就非常重要。在课堂教学中，除传统的黑板结合PPT的方式之外，将信息隐藏算法的原理讲解、运行和效果演示等部分内容改在教学与实践创新基地的电子教室进行，使学生能够在真实的运行环境中按照教师的指导和要求亲自动手进行实践操作，增强学生的感性认识和切身体会，较好地激发其学习的兴趣。

（3）基于问题的训练和实践：作为工科尤其是信息类专业的学生，只有通过动手编写程序，在计算机上完整、准确地再现和应用所学的知识，才能真正领会和掌握课程的相关内容并形成自己的能力。本课程的研究性教学改革中，在课堂教学的基础上着力增加一些实践性的项目（如图像的加噪、裁剪、旋转、平滑、压缩、剪切、置乱及各种典型的空域和频域图像信息隐藏技术的实现），对学生程序设计和调试的能力进行训练和强化。

（4）科学研究方法的渗透：在通过课堂教学和实验使学生掌握经典知识和内容的基础上，让学生对算法的性能、适用条件、优点、不足、可能的改进方法等进行分组讨论，并查阅资料、思考相关的解决方案，从而使学生获得科学研究方面的训练和熏陶。通过科学研究方法的渗透，使学生真正具备发现问题和解决问题的能力，激发学生学习的积极性和主动性，培养其自主学习和探索、创新的精神。

（5）学习过程中的分组协作和讨论：通过让学生分组完成事先设计的实践性项目，培养其分工协作的能力，采用各组汇报和演示的方式使学生能够积极互动、交流和讨论。

（6）全面的过程管理及考核：在课堂教学和项目实践过程中，通过学生的课堂表现、项目设计、汇报、讨论、问答等环节对学生进行全方位的过程管理和评价。

2.4研究性教学的问题设计

“问题”是研究性教学的载体和切入点，设计能够反映课程内容并具有较强趣味性和吸引力的问题，是组织好研究性教学的一个关键环节。在研究型教学过程中，教师设计的问题必须能引出所学领域的相关概念和原理，吸引学生并提升其解决该问题的信心和欲望，激发其学习兴趣和主动性。学生通过围绕问题进行自主学习和研究，能够带着结果和疑惑在课堂上与其他学生和教师进行交流和讨论。学生自学和主讲是发挥学生主观能动性的重要手段，也是提高学生学习能力、研究能力和表达能力的有效途径。通过对问题的研究和实践，既可以使学生掌握探究性、主动性学习的方法，又可以锻炼学生的书面和口头表达能力。以学习小组为单位，向全体学生展示和汇报研究成果，既能够锻炼小组负责人的组织能力，又能很好地培养学生之间的合作意识。

在本课程的研究性教学改革中，突出教学内容的实践性要求，设计如下6个与课程相关的问题：

（1）通过Matlab对选定的图像添加均匀噪声、高斯噪声，并能进行平滑、旋转、裁剪、JPG压缩等处理。

（2）用傅里叶变换分析信号的频谱，并对其分别进行过采样、欠采样及其重构，计算和展示原信号和重构信号的误差。

（3）对自行录制或下载的音频数据，采用离散傅里叶变换的方法分析其频率成分，然后对其进行加噪和滤波处理。

（4）对选定的秘密图像进行对称流密码加密、Amold置乱、幻方置乱等预处理和复原。

（5）在选定的图像中采用最低有效位替换技术，隐藏经过预处理后的秘密信息，并对携密载体进行加噪、平滑、压缩、裁剪、旋转等攻击，然后提取秘密信息并进行复原。

（6）在选定图像的离散余弦变换域隐藏经预处理后的秘密信息，并对携密载体进行加噪、平滑、压缩、裁剪、旋转等攻击，然后提取秘密信息并进行复原。

2.5研究性教学过程的实施

本课程研究性教学过程的具体实施方案如下：

（1）首先由教师讲授绪论、数字图像和数字信号处理的基本知识。

（2）学生自学Maflab相关知识，掌握在Matlab环境下进行数字图像和数字信号处理的基本方法和技能，完成问题（1）、（2）和（3），并在创新实践基地进行演示、汇报和讨论。

（3）在创新实验基地采用交互式方式讲授秘密信息的加密、置乱等预处理技术，学生在课堂上完成问题（4），并进行分组演示和汇报。

（4）在教室由教师讲授基于文件格式的信息隐藏技术、基于最低有效位替换的信息隐藏技术、二值图像信息隐藏、基于调色板的彩色图像信息隐藏技术和基于离散余弦变换的数字图像信息隐藏方法的基本原理。

（5）学生在创新实验基地完成问题（5）和（6），撰写实验报告并进行演示和汇报，教师和其他学生进行提问和讲评。

2.6全面的过程管理及考核

考试是检验教学效果的重要手段之一，也是教学过程中的重要环节。适宜的考试方法有利于调动学生学习的主动性和积极性，对提高学生综合素质和建立良好学风有重要作用。研究性教学课程的考核应该具有灵活性和综合性，既要考查学生的理解记忆能力和基本技能，又要考查学生的认知能力、动手能力和知识转化能力。本课程在教学改革中，采用综合性的、全程性的过程管理及考核。课堂教学和项目实践过程中，在出勤、项目设计、实现及讨论、问答、演示、汇报、实验报告撰写等各个环节对学生的表现进行记录和评价，较好地实现教与学的步步为营，对学生学习起到良好的督促和激励作用。

3.研究性教学效果分析

在该课程的研究性教学过程中，学生通过课堂教学、课下自学和实验课程完成6个教学项目规定的内容，撰写实验报告并进行汇报和演示，极大地锻炼和提高了学生的自学和实践能力。为了提高学生学习的主动性和自学能力，安排学生自学并在课堂上通过PPT讲述傅里叶级数、傅里叶变换、采样定理、离散傅里叶变换、基于最低有效位的数字图像信息隐藏等方法，学生通过自学、PPT讲解、同学提问及补充、老师讲评，较好地理解和掌握了这部分知识并能灵活地运用，部分学生还理解和掌握了可视密码、叠像术、基于奇异值分解的信息隐藏方法等难度较大的内容。另外，实践教学基地的互动式教学提高了学生参与讨论的积极性，这种随学随练的教学方式也加强了学生对知识的掌握和理解。学生还通过空域和频域的不同方法，将选定的秘密信息隐藏到感兴趣的载体图像中，并进行攻击和提取，很好地体验和感受了信息隐藏技术的魅力。

4.结语

通过开展信息隐藏技术课程的研究性教学改革，拓宽了学生的知识面，较好地培养了学生分析问题和应用所学知识解决实际问题的能力，加强了对学生查阅资料、撰写实验报告、自学和口头宣讲等方面能力的培养；同时，教师在与学生的互动和讨论中，也提高了自身的教学水平和对课程内容理解的层次和深度，真正实现了教学相长。

课程的进一步建设还需要吸收其他课程教学改革和建设的成功经验，不断补充和完善教学内容、改进教学方法，从而更好地提升人才培养的质量。