基于文献计量分析的本科生密码学教育现状及趋势

袁 科，王籽霖，程自伟，鄢英杰，汤 茜，闫永航

（1.河南大学计算机与信息工程学院；2.河南省空间信息处理工程研究中心；3.河南大学地理与环境学院，河南开封 475004）

0 引言

密码学是用于保证信息安全三要素，即机密性、完整性和可用性的重要技术［1］。在近代以前，密码学只考虑到信息的机密性，即如何将可理解的信息转换成难以理解的信息，并且使得接收方可以使用密钥解密信息，而缺乏解密密钥的拦截者或窃听者无法解读。近年来，该领域已经涵盖身份认证、信息完整性检查、数字签名、互动证明、安全多方计算等各类技术领域，其中最直观的体现是身份认证。在信息化时代，当将真实世界转移到网络中的虚拟世界时，身份认证必不可少。

密码学是一门理论性和实践性都很强的课程，在现代信息安全领域中，其已成为支撑信息安全各个研究方向的专业基础学科之一［2］，是信息安全、电子通信和计算机等专业的必修课或选修课［3］。由于具有强大的应用背景，涉及计算理论基础、信息论基础、初等数论、抽象代数、概率论等多个学科，密码学教学并非易事［4］。2015 年6 月，网络空间安全获批一级学科，信息安全拥有了更好的发展前景。作为信息安全的核心技术，密码学的教学更加受重视。2020 年1 月1 日，国家实施《中华人民共和国密码法》，重点规范了什么是密码、谁来管密码、怎么管密码以及怎么用密码等问题，体现了密码学越来越重要的地位。2021年，教育部新增密码学科学与技术本科专业，如何培养解决信息安全问题的专业技术人员成为教育界近年来的研究重点。

在数据库中以“密码学教育”等关键词搜索近25 年文献所获得的信息是杂乱的、毫无规律的，想要从中获得有用的信息非常困难。为此，本文对检索文献进行计量学分析，以期获得更加直观的数据展示密码学教育领域的发展历程。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

以中国知网（CNKI）为数据来源，其是世界上全文信息量规模最大的数字图书馆，可基本反映密码学教育领域的发展和研究情况。以密码学教育、密码学课程以及信息安全教育为关键词，去除无关主题，检索时间范围为1996-2020 年。结果共检索到论文472 篇，以此为样本进行分析研究。

1.2 研究方法

知识图谱可以将复杂的知识领域通过数据挖掘、信息处理、知识计量和图形绘制的方式展示出来，以揭示该领域的动态发展规律，为科学研究提供切实的、有价值的参考。美籍华裔学者陈超美博士设计的CiteSpace 软件［5］是众多知识图谱绘制软件中的一种。SATI 可以利用一般计量分析、贡献分析、聚类分析、多维尺度分析、社会网络分析等数据分析方法对期刊全文数据题录信息进行处理，挖掘和呈现出美观的可视化数据结果［6］。两个软件均为期刊文献数据统计与分析的辅助工具，但侧重点有所不同。

本文从CNKI 数据库中共获取两种不同格式的数据，分别为Refworks 和EndNote。首先使用CiteSpace 对Refworks 数据进行关键词的字段抽取、词频统计、作者分析以及作者合作分析，得到相关知识图谱、时间线图以及时区图；然后将EndNote 数据导入SATI 文献题录信息统计分析工具，得到机构知识图谱和论文高频发表年份。

2 研究结果与分析

2.1 发表年份分析

对论文年度发文量进行统计分析可根据其增长及下降规律体现该领域的发展状况，预测发展趋势［7］。近25 年密码学教育领域逐年发文量如图1 所示，可以看出，我国关于密码学本科教育的研究整体呈上升趋势，且文献分布具有明显的阶段性特征，可划分为两个阶段。第一阶段为1996-2006 年，该阶段为密码学的研究初期［8］，亦为密码学教育研究的初始阶段。该时期由于密码学多应用于军事等领域，公开技术较少，因此相关文献数量较少，年均发表论文仅为2.64 篇。密码学包含数学、计算机科学、通信与信息等多学科内容［9］，初期仍处于密码学课程的基础理论建设时期；第二阶段为2007-2020 年，该阶段发文量显著增加且年发文量较为稳定，年均31.6 篇。这一时期，网络安全被上升至国家安全体系中的重要战略地位，且密码学是网络信息安全的核心技术，高等院校越来越重视密码学科的发展，注重探索和改革密码学课程的教学方法，将传统密码学与前沿技术结合深化课程体系教育改革。

Fig.1 Number of literatures issued by cryptography education research from 1996 to 2020图1 1996-2020年密码学教育相关研究逐年发文量

2.2 核心作者分析

发文量可在一定程度上反映该领域有学术影响力的作者群体［10］。作者合作共现分析是对该领域发表著作的作者间合作次数的统计分析，可以反映作者间的合作关系与紧密程度［11］。将“Node Types”设置为Author，Thresholds分别为（2，2，20）、（4，3，20）、（3，3，20），采用CiteSpace 软件得到密码学本科教育领域的核心作者共现网络图谱。如图2 所示，节点越大表示该作者发文量越多，节点间的连线越多表明作者间的合作越密切。可以看出，该领域已基本形成以张焕国、韩益亮、沈霞娟、贾忠田、朱晓玲为核心的作者群；以杨建强、张京良、段桂华、贾春福为核心组成的作者群合作也较为密切。各个作者群合作节点之间的关系较为分散，内部关系较为紧密，表明在密码学教育领域多为小群体合作，但小群体之间尚未形成紧密的合作关系。因此建议团队间加强合作，促进优势资源互补。

Fig.2 Core author co-occurrence network map图2 核心作者共现网络图谱

近25 年密码学本科教育相关领域发文量排名前20 位的作者如表1 所示。可以看出，发文量在5 篇以上的作者仅有2 位，占10%；发文量在4 篇以上的作者有13 位，占65%。表明该领域仅存在部分核心作者，尚未形成稳定的研究群体。

Table 1 Top 20 authors of cryptography undergraduate education research from 1996 to 2020表1 1996-2020年密码学本科教育发文量前20位作者

2.3 科研机构分析

利用SATI 软件抽取“研究机构”字段，生成研究机构合作可视化知识图谱，结果如表2 和图3 所示。在发文量方面，北京电子科技学院（9 篇）和武警工程大学密码工程学院（6 篇）位居前列。共现网络图谱中的连线代表机构间的合作关系，可以看出机构间合作仅有4 类，分别为北京交通大学计算机与信息技术学院和北京交通大学国家保密学院、北京航空航天大学网络空间安全学院和北京航空航天大学计算机学院、华南师范大学计算机学院和广东商学院数学与计算科学学院、南开大学计算机与控制工程学院和南开大学数学科学学院。由图中节点可看出，高发文量研究机构之间的合作关系较弱，且均为校内合作。表明密码学教育领域研究机构分布较广且机构间的合作较少，有待加强。

Table 2 High-volume research institution for cryptography undergraduate education from 1996 to 2020表2 1996-2020年密码学本科教育领域高发文量研究机构

2.4 研究热点分析

关键词是论文中心内容的概括，在一定程度上体现了文章的研究重点，因此对关键词频次进行分析可以反映该领域的研究热点［12］。运用CiteSpace 软件，将节点类型设置为Keyword（关键词），设置时间间隔为1996-2020 年，然后进行聚类分析，得到如图4 所示的关键词聚类图谱，其中N（节点）=473，E（连线）=1 007，Density（密度）=0.009。将图中频次排前20 位的关键词列出，如表3 所示。由于“密码学”为主要检索关键词，在接下来的分析中忽略该关键词。

如图4 所示，密码学教育领域的关键词主要分为5 类，分别为密码学、信息安全、信息安全教育、网络安全以及教学改革。图中节点代表关键词，节点大小代表该关键词出现频次的高低。可以看出，出现频次最高的关键词为信息安全，其次为信息安全教育，然后为教学方法，表明近25年信息安全教育及教学方法的研究尤为突出。这是由于密码学是信息安全的关键技术之一，想要在信息安全方面对学生进行教育及意识培养，就不可避免地要开设密码学课程，研究其教学方法并进行教学改革。

Fig.3 Institutional cooperation co-occurrence network map图3 机构合作共现网络图谱

Fig.4 Keywords clustering graph in cryptography education related fields图4 密码学教育相关领域关键词聚类图谱

Table 3 High frequency keywords in fields related to cryptography education from 1996 to 2020表3 1996-2020年密码学教育相关领域高频关键词

运用CiteSpace 的TimeZone 功能将关键词图谱转换为研究热点时区分布图谱，结果见图5。时区图又称为主题路径图，可直观展示某一时区的研究热点。图中关键词的位置表示该关键词首次出现的时间，两点间存在连线表示两者出现在同一篇文献中［13］，可根据热点内容将该领域研究分为3个阶段。

Fig.5 Time zone distribution map of cryptography education research hot topics from 1996 to 2020图5 1996-2020年密码学教育研究热点时区分布图

第一阶段（1996-2005 年）比较注重密码学以及信息安全的教育，亦是密码学以及密码学教育的发展初期阶段。在该阶段，密码学多用于信息安全、保密通信、秘密分享等，其应用领域较为特殊且专业要求较高，因此需要培养专业人才。信息安全事关国家安全，甚至可能涉及信息战，因此需要专业人员掌握信息安全技术，开展信息安全工作。密码学是保障信息安全的关键技术之一，该课程涉及的领域较多，如密码协议、密码算法设计以及密码分析，并且需要较强的数学基础，如线性代数、信息安全数学基础、数论、概率论、图论、数理统计、近世代数等［14］。因此，在本科教学方面，改革的不仅仅是密码学一门课程，更需要对其基础课程进行改革，以完善密码学学习中所需要的基础知识［15］。

第二阶段（2006-2015 年）密码学的应用更加面向大众，发展到了全面实践应用阶段。在人们的日常生活中，无处不在的身份认证成为重中之重，而密码学是其中的关键技术。随着信息化和数字化社会的发展，人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高，网络安全从信息安全中脱颖而出，以学生为起点的网络安全教育也随之而来［16］。因此在这一阶段，密码学专业的本科生教学领域出现大规模改革，教学方法、教学设计以及实验教学成为该阶段的研究热点，培养学生科学的思维方式以及引导其树立正确的职业价值观亦十分重要［17-18］。

第三阶段（2016-2020 年）与前两个阶段的迅速发展不同，开始趋于稳定，研究热点主要围绕云计算安全、教育信息化以及教学模式展开。该阶段进入大数据时代，出现了许多需要加密或身份认证的领域，因此课程要求有所改变，需紧跟时代热点进行学习［19］。各高校根据新时代、新形势的要求，开展新一轮教学改革以及专业课程和基础课程建设。

Fig.6 Map of emerging words in fields related to cryptography education图6 密码学教育相关领域突现词图谱

为更加明确地掌握密码学教育领域在每个阶段的趋势转变，运用CiteSpace 软件对近25 年该领域的关键词进行突现检测，并按照突现年份排序得到如图6 所示的突现词图谱。突现词是指在发表文献中骤增的关键词，可以体现未来的研究趋势［20］。可以看出，突现值最高的关键词为网络信息安全，为3.23；其次为突现值为2.81 的课程改革以及突现值为2.73 的信息安全教育。为了解密码学教育领域近年来的研究热点，选取近5 年的突现词进行分析，分别为教育信息化、网络安全、课程改革、现代密码学、网络信息安全以及课程体系。可以看出，课程改革以及课程体系成为近年研究热点。对于各高校来说，如何使改革创新适应新环境而不流于形式，加强密码学基础课程建设，从本质上提高密码学专业学生的综合能力成为研究重点。随着新一代网络环境的出现，加强网络安全新认识、了解网络信息多样化等成为重中之重，如何在教学改革中融入新技术也值得进一步探讨。

3 结语

本文采用CiteSpace 和SATI 两种可视化工具对CNKI数据库1996-2020 年收录的密码学教育相关领域的472 篇文献进行了计量分析，展示了密码学教育研究的总体概况，得出以下结论：①从年度发文量可以看出，密码学教育相关研究从初期逐步增长到现在稳步发展，被越来越多的人关注并重视，可以预测其未来将会保持平稳发展甚至逐步增长；②从核心作者发文量可以看出该领域研究仍处于初步阶段，发文量较高的作者仍在少数；从作者以及机构间的数据看出，机构间合作亟待加强；③从关键词分析可以看出，在对本科生进行基础密码学教育的同时，需结合最新发展趋势不断进行教学内容与教学方式的改革。

密码学教育领域的研究主要呈现出3 个阶段的动态变化，早期研究更多关注信息安全教育、基础通讯领域的密码学应用、信息素质培养等；近期研究主题主要围绕网络安全中的密码学、教学内容改革、教学方式改进以及基础专业设立展开。

密码学教育是一门需要根据时代发展不断调整的学科，应加快学科专业结构调整，建立密码学基础学科、应用学科、交叉学科分类发展机制，才会有更好的发展前景。如何在不断发展的背景下建设高质量密码学学科、培养专业密码学人才，是密码学教育领域未来研究的重点。