本科院校密码学课程体系建设研究与实践

李德顺 姚姜源 羊秋玲 黄向党 谭毓银 周晓谊

摘  要：当前本科院校开设的密码学课程存在着诸多挑战导致学生学习难度大、掌握不扎实等问题。在文章中，教研团队从课程教材编选、组合教学模式、模块化实验教学、思政入课堂和多元化过程考核等五个方面提出本科院校密码学课程体系建设改革方案。经过三个学年的教学改革实践，教师授课内容更易于理解，学生端正了学习态度，提升了学习积极性，普遍提高了编程实践能力和课程考核成绩。

关键词：密码学;课程体系;教学模式;教学改革;课程思政

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）36-0093-04

Abstract： The current course of Cryptography in undergraduate colleges and universities suffers from many challenges， which lead to problems that students learn the cryptography hardly and cannot master the knowledge thoroughly. In this article， the teaching and research team proposed a teaching reformation scheme for the construction of the cryptography curriculum system for undergraduate colleges and universities from five aspects as shown below： the compilation of curriculum materials combined teaching model， modular experimental teaching， applying the ideological and political education into cryptography， and diversified process assessment. After three school years of teaching reform and practice， the content of teachers' lectures is easier to understand for each student， and students had corrected their learning attitudes to cryptography with great improvement in their learning enthusiasm. As a result of the teaching reform and practice in cryptography， students generally improved their programming practice ability and course assessment results.

Keywords： Cryptography; curriculum system; teaching mode; teaching reform; the ideological and political education in all courses

密码学作为信息安全的核心技术，是维护国家网络空间安全的基石。培养密码科学与技术人才是推动密码理论创新和技术应用的基础，而密码学课程体系改革是培养高质量密码学人才的必由之路[1-3]。当前本科院校密码学课程体系存在理论基础不牢，知识体系陈旧，教学模式固化，且考核方式单一等问题，难以激发学生学习的积极性和主动性，导致学生缺乏实践和创新能力[4-6]。

在本文中，教研团队从教材编选、教学模式、实验教学、课堂思政和课程考核等五个方面阐述本科院校密码学课程体系建设方案[3，7-9]。根据教学要求和目标综合选取教材，单本教材难以满足教学需求时由教研团队进行知识内容补充;基于课程章节独立性，授课教师根据具体教学内容选择适合的课堂教学模式，形成组合模式理论教学;针对算法复杂性高和代码工作量大的特点，根据密码算法的内在逻辑提出基于模块化任务分解的实验教学模式;结合密码发展史故事，在课程教学中将传授知识和价值引导融合起来，激发学生的责任担当和历史使命感;根据教学要求和培养目标，采用多元化过程课程考核方式进行考核，避免一考定成绩的弊端。

经过网络空间安全和信息安全专业的4届本科学生教学改革实践，教师授课内容更易于理解，学生专业知识水平有了大幅提升。学生树立起了成为网络空间安全卫士为国铸盾的信念，增强了专业学习中的责任担当和历史使命感。学生对专业理论和技术的理解更加深入，编程实践能力有了显著提升，并取得了良好的课程成绩。这表明教研团队提出的本科院校密码学课程体系建设方案具有良好的实践效果。在今后的教学改革研究和实践中，教研团队努力将其做成标准化模式进一步实践和推广。

一、教学现状分析

密码学课程教研团队从事信息安全专业教学十余年，包括教授、副教授、高级实验师和讲师等十余人。教研团队成员梯次配备得当，学缘结构合理，积累了丰富的密码学教学和改革经验。对当前密码学课程教學现状和存在的主要问题分析如下：

密码学兼具理、工、军等学科特点，其所依托的学科专业差异大，教学和考核要求不同，难以形成规范统一的教学体系。该专业在不同的学科门类下所采用的教材、教学方法、考核方式和课程难度差异较大[1，7]。

学生学习难度大，难以全面掌握相关知识基础。密码学科的交叉性强，其基础包含数学、通信、计算机、生物和物理等交叉学科知识。工学学生缺少数论和高等代数基础，难以形成完整和严谨的算法安全性证明;理学学生缺少通信和计算机实践基础，不能发挥密码学应用性强的特点[8-9]。

教材侧重各异，部分内容陈旧。因课程依托的学科门类、授课对象和教学目标不同，教材或偏重理论知识，或偏重密码算法，或偏重实践应用。部分密码学教材内容陈旧，未涉及前沿研究和应用进展，难以体现密码学对网络空间安全的支撑作用[9-10]。

教学模式固化，难以调动学生。当前通常采用传统教师讲授-学生听课的教学方式，教师讲解大量的密码学理论和算法知识，这种教学模式难以适应密码学这种前沿性和应用性强的交叉学科。大量的理论、冗长的算法和严谨的证明导致传统课堂教学枯燥，学生难以长时间集中注意力[11-13]。

密码算法冗长，编程实现难度高[14-15]。密码学算法编程实现复杂工作量大，需要较高的编程技巧，更需要严谨的理论计算和推理证明能力。实现密码学算法难以给学生带来诸如网络攻防实战类似的成就感和获得感，这进一步降低了学生实践的积极性。

考核手段单一，缺少过程性考核。当前密码学考核通常采用“平时成绩+期末成绩”的方式[16-17]，其中，平时成绩采用考勤情况、课堂表现和课后作业的形式赋分，期末成绩采用闭卷考试形式进行考核。这种考核手段难以体现学生课程学习过程中的进步，且期末考题模式、重点和难点固化。

针对当前密码学课程体系存在的上述问题，教研团队从教材编选、教学模式、实验教学、课堂思政和课程考核等五个方面阐述本科院校密码学课程体系建设思路和实施方案。

二、课程体系建设方案设计与实施

教研团队从课程教材选编、组合模式理论教学、模块化实验教学、思政入课堂和多元化过程考核等五个方面介绍密码学课程体系教学改革方案。

（一）课程教材选编

课程教材应根据授课对象所属学科专业的教学要求和教学目标进行综合选取。对工学本科生，教材选择应注重其应用性。在理解密码学算法原理的基础上，重点掌握算法的编码实现过程和工程背景应用，可选择偏重工程应用的应用密码学和密码工程类教材。对理学本科生，教材选择应注重其理论性。在掌握密码学原理的基础上，应深入学习算法的理论背景知识，理解密码学难题假设的困难性、算法证明的严谨性和算法分析的复杂性，可根据需要选择密码学或者现代密码学类教材。对选修课学生，教材选择应注重其引导性。教材应在涵盖密码学原理的基础上，具有较强的吸引力和应用背景，可根据需要选择密码学导论或密码学引论类教材。

当单本教材难以满足教学内容和教学目标时，可由授课教师根据实际情况对教学内容进行增补。授课教师选择一定数量的参考书目进行扩展以满足不同层次学生的学习需求，工学课程应至少补充一本理论性的参考书以增强学生对基础理论的理解，理学课程应补充偏重工程应用的参考书以加强学生对应用背景的理解，选修课学生则应补充应用前沿探索类的参考书以开拓学生视野。

（二）组合模式理论教学

密码学课程特点是各章节理论基础内聚性高，可形成相对独立的教学模块。因此，授课教师可根据每个章节的具体内容选择适合的课堂教学模式，如传统模式、混合模式和专题研讨模式等。

传统教学是当前教师授课普遍采用的模式。授课教师根据教学大纲和进度讲解课程内容，学生通过预习、听课和课后作业的形式进行学习和复习。该模式以教师讲授-学生接收为特征，由授课教师主导整个教学过程。传统教学模式特有的優势使其在密码学课程理论教学中可以发挥关键作用，特别是需要进行大量课堂讲解和推理过程的章节内容。

混合教学是指线下课堂教学结合线上多媒体网络教学，授课教师根据教学内容制作网络多媒体课件，学生可通过网络点播进行学习。这种教学模式以平台知识内容为中心，突破了传统教学模式的时空限制，学生在课前和课后可以通过网络进行自主学习。通过混合教学模式，学生可以反复观看课件，从而达到掌握学习内容的目的。

专题研讨式教学是通过探究某一专题问题而在教师和学生之间共同研究讨论的教学方式。该教学方式可将课程教学和前沿研究结合起来，通过研究讨论调动学生自主学习的积极性，培养学生在资料收集、知识学习、观点表达和分析总结等方面的能力。密码学课程具有章节独立性高和内聚性强的特点，采用专题研讨式教学模式能够发挥学生的主动性和积极性，加深对密码学知识的理解，全方位锻炼学生能力。

根据密码学章节内容采用具有针对性的教学模式能够提升课程对学生的吸引力。这种组合模式教学对授课教师的备课提出了较高的要求，需要在熟悉教材内容的基础上掌握密码学科领域的前沿应用。

（三）模块化实验教学

针对密码学课程实验中算法复杂性高和代码工作量大的特点，教研团队提出模块化实验教学。在模块化实验教学中，授课教师自顶向下将密码学算法应用分解成多个模块，每个模块可包含若干子模块。学生逐步完成子模块和模块内容，最后组合形成完整的密码应用算法。

以AES算法和应用为例介绍模块化试验教学[9]。授课教师将其分为GF（28）域上的基本运算、S盒子与S逆盒子、密钥扩展算法、AES基本变换、加解密算法、文件加解密和程序演示等7个模块。以其中AES基本变换为例，该模块又可细分为字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加等4个子模块。学生根据子模块-模块次序逐步实现各模块功能，并最终组成AES算法完整的应用程序。

通过模块化任务分解能够让学生更好地理解复杂密码算法的实现过程，从全局和细节之间的粒度加深对密码算法的理解。密码实验模块化实现过程能够增强学生独立完成任务的信心，培养学生面对复杂算法时的任务分解能力。

（四）思政入课堂

课程思政是在专业课课程教学中将传授知识和价值引导有机融合起来，在专业教学中潜移默化地培养既具有爱国主义情怀，又具有专业知识的社会主义事业接班人。

密码学天然是融入课程思政的富矿学科，其发展史上伴随着政治、军事和外交等活动，俯拾皆是曲折生动的故事[18]。如清末中日“第一次绝交书”诱饵文件，二战太平洋战役美日“AF缺水”诱饵电报、二战欧洲英国阿兰·图灵（Alan Turing）团队对德军Enigma密码机的破译以及当代各类间谍事件，都可作为密码学融入课程思政的内容。

结合密码学理论和技术的发展史和破译史，在密码史故事中隐式融入思想政治教育，不但能够增加理论课程的趣味性也能激发学生的爱国主义情怀，让学生理解科学技术对人类社会发展的推动作用，强化青年学生的历史使命感和社会责任感。

（五）多元化过程考核

针对密码学课程的教学要求和培养目标，采用面向学习全程的多元化过程考核方式，以避免一次考试决定最终成绩的弊端。

多元化过程考核以学生学习过程的表现分阶段分类别进行量化考核和评价，并最终得到本门课程的考核成绩。多元化过程考核对学生的预习、学习和复习情况及时地给出评价，并根据结果督促学生的日常学习。理学实验课程应注重算法实现的完备性和严谨性，期末考核应注重基本原理和算法证明的规范性和严谨性;工学实验课程应注重算法的实用性和高效性，期末考核应注重密码学算法基本原理和应用实现的规范性和实用性。在考核中，根据学生的表现给予过程成绩评价，结合期末考试给出密码学课程的考核成绩。

多元化过程性考核能够全面考核学生学习过程中的理论知识、编程能力和创新能力等综合素质，激发学生进行持之以恒学习的自觉性。

三、实践效果

在省教育厅、学校和学院的支持和资助下，教研团队成功对网络空间安全和信息安全专业进行了三个学年的教学改革实践，密码学课程体系建设和实施取得了良好的初步改革成果。

学生学习态度更加端正。密码发展史和课程思政背景知识深化了学生对密码理论和技术在促进社会发展中催化作用的认知，激发了学生勇于承担社会历史责任的使命感和投身实现民族复兴的爱国主义情怀。在学习过程中，学生不再抱着成为黑客或骇客的想法，而是树立起成为网络空间安全卫士为国铸剑为国铸盾的信念。

学生学习积极性提升。自密码学课程体系教学改革实践以来，学生学习的目标更加明确。以前学生学习更多是为了一考而定的期末成绩，改革后进行多元化过程性考核，学生更加重视日常学习过程和每个课时的学习所得，课前课后分别投入更多精力进行预习和复习，学生课堂参与力度更大，提问和研讨思路更加灵活。

教学内容更易理解。教材内容整合给学生提供了多角度理解密码学原理和算法的基础，从而使严谨的密码学原理和复杂的密码学算法更易于理解。针对各章节内容设定的教学模式，模块化实验分解，再结合密码发展史，使得教师授课时能够做到深入浅出，在不失严谨性的同时增加了课堂吸引力。

实践能力普遍提升。通过自顶向下的模块化实验任务分解，学生能够对子模块各个击破，逐步提升了学生对复杂算法和程序的问题分解能力和工程实践能力。密码算法应用编程实践能力的提升，促进了学生对基础理论的进一步理解。部分同学通过实验课程代码实现形成了具有一定规模的基础代码库。学生参加各类竞赛的积极性大幅提高，并有多名本科生获得了国家网络安全奖学金。

考核成绩普遍提高。多元化过程性考核增加了学生学习过程中反馈修正的机会，学生能够根据不足之处及时调整学习策略，并保持得分记录良好的学习方法，最终形成良性循环。及时纠正学生学习过程中的偏差，使得学生能够更好地掌握学习内容，取得优良的过程性考核成绩和期末考核成绩。

教学改革实践过程中的不足主要是授课教师难以兼顾授课、反馈和评价的均衡，需要配备课程助教协助进行成绩统计整理，以便授课教师专注于课程教学和指导。相信经过多届学生的教学实践磨合，教研团队能够逐渐积累教学改革经验和资料，逐步减轻授课教师工作负担。

四、结束语

针对当前本科院校密码学课程体系存在的问题和不足，教研团队从教材编选、教学模式、实验教学、课堂思政和课程考核等五个方面综合阐述了本科院校密码学课程体系建设和实施方案。三个学年的实践表明，通過课程教材选编、组合模式理论教学、模块化实验教学、思政入课堂和多元化过程考核进行的教学改革和实践，能够树立起学生的责任担当和历史使命感，夯实密码学课程理论基础，强化算法编程实践能力，进一步提升创新型密码科技和应用人才培养质量。

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