密碼學課程教學內容與教學模式研究

束妮娜 王懷習 王晨 吳一塵

摘? 要：文章分析密碼學課程特點及教學問題，構建密碼編碼與密碼分析并重的教學內容體系，并提出應基于EduCoder平臺和雨課堂開展SPOC混合式教學模式改革。理論課基于BOPPPS模型，利用Educoder平臺和雨課堂，通過課前發布預習資料、課中講解重難點知識及隨堂測試、課后交流答疑及階段測試，固化學習內容；實踐課利用Educoder平臺，通過發布實訓項目，完成實踐任務，提升實驗動手能力。該模式實現了教師和學生在教學全周期中的多渠道實時互動和反饋，提高了學生參與課程學習的主動性，提升了課程教學質量和學生綜合能力。

關鍵詞：教學模式；在線教學；BOPPPS模型；EduCoder平臺

中圖分類號：G642? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）08-0032-04

網絡空間安全事關經濟發展、社會穩定和國家安全，已得到了世界各國的高度重視，紛紛將其提升為國家戰略。為了加強我國網絡空間安全技術研究和人才培養，教育部批準設立了網絡空間安全一級學科，國內于此掀起了網絡空間安全學科建設浪潮。作為網絡空間安全學科的專業基礎課程，密碼學為網絡空間安全提供了理論基礎和應用實踐案例。目前，多數院校在本科人才培養方案制訂過程中，按照突出核心課程、減輕學生課業負擔的思路，大幅壓縮了各門課程的課內教學總學時。［1-4］在課時不充裕情況下，既要夯實學生的理論基礎，又要提升學生的創新實踐能力、激發學生的學習興趣，亟須研究體現學科特色的教學內容，改革傳統教學模式，從課堂教學、實驗教學及課程考核評價三個核心環節進行研究和實踐。

一、密碼學課程特點

密碼學在網絡空間安全學科知識體系中占據重要的地位，其主要特點如下。

（一）發展歷史悠久，作用地位重要

密碼學發展歷史，既古老又年輕。說其古老，是因為自從有了戰爭，就有了密碼學。20世紀70年代以前，密碼學應用于軍事政治領域。說其年輕，密碼學的大發展是隨著計算機和互聯網普及應用而興起，自此密碼學成為實現數字保密通信和信息系統安全的主要技術手段，構成網絡空間安全的基石，受到各方高度重視。

（二）學科交叉融合，數學基礎較高

密碼學是一門集數學、信息論、計算機科學、復雜性理論等于一體的深度交叉與融合的學科，涉及的內容非常廣泛。從密碼學基礎理論到實用算法，涉及初等數論、代數數論、計算理論、概率統計、組合分析等多方面的數學知識，例如基于布爾函數構造對稱密碼，基于數論來構建公鑰密碼算法等。

（三）應用范圍廣，實踐性很強

密碼學旨在解決現實生活中的信息安全問題，實現信息保密、數據完整、身份鑒別與不可偽造等功能。密碼學廣泛地應用于數字通信、網絡安全等領域，其應用性決定了其較強的實踐性。密碼學能夠提供各種安全實用的密碼算法，教學過程中理論與實際相結合。

（四）技術更新快，教學內容迭代快

縱觀密碼學發展史，從古典密碼到對稱密碼、公鑰密碼，密碼學在每個階段都能融合當時的先進科技，一直在不斷更新迭代。特別是近年來，密碼學領域涌現出了大量新思想與新技術，如量子密碼、區塊鏈技術、生物密碼等。為此，本課程內容需與時俱進，及時反映密碼技術的發展現狀與最新成果。

二、密碼學課程教學存在的問題

密碼學課程所涉及知識繁多，如何在限定課時內編排課程內容，采用何種教學模式，使學生切實理解與掌握密碼學基本概念、核心算法與重要技術，是一件需要深入探討的問題。

基于以上分析，研究發現目前密碼學教學存在以下問題：

（一）課程教學內容設置學科特色不明顯，缺乏有效抓手

密碼學主要研究在有敵手的環境下的安全通信問題，主要分為密碼編碼學和密碼分析學兩個分支，密碼編碼學主要是對信息進行編碼。而密碼分析學則主要研究如何破譯給定密碼算法或破壞信息系統的密碼安全功能。密碼編碼學與密碼分析學對立統一，密碼學天然地具備紅藍對抗特色。密碼學課程教學多偏重于密碼編碼學，密碼分析學重視不夠，這與密碼學的對抗性特征并不完全契合，其顯性結果就是學生在參加信息安全技能賽中表現欠佳，不利于學生長遠發展。

（二）教學模式較為單一，課時受限，學生畏難情緒大、興趣不高

密碼學是一門實踐性較強的課程，但目前受限于課時，只能以課堂理論教學為主，實踐教學內容設計與實驗模式難以滿足學生需求。在課堂教學方式上，主要以傳統的灌輸式教學為主。課程需要大量數學知識作為基礎，一方面學生對先修課程掌握不牢，基礎不扎實。另一方面，學生普遍感覺密碼學概念和算法枯燥，興趣不高、參與度低，課堂氛圍不夠活躍。特別是對數學基礎薄弱的學生來說，存在畏難情緒，學習積極性差，整體學習效果不理想。

（三）實驗內容設置不合理，缺乏優質的實踐平臺，學生實踐和創新能力難以得到較大提升

由于密碼學是一門實踐性較強的課程，本校在密碼學課程中安排了專項課程實驗。但是，目前課程實驗主要包含驗證型、編程型和綜合型三類實驗。［5］驗證型實驗主要使用程序或軟件對算法或技術進行驗證。編程型實驗主要是使用編程工具對算法進行編程實現。驗證型實驗操作簡單，占用有限而寶貴的實驗課時顯得浪費。編程型實驗中要在有限時間內編寫密碼算法難度大，完成度不高。綜合型實驗數目不足，無法促進學生對密碼學新技術與新應用的認識和理解、激發學生的學習興趣、培養學生的創新思維能力。另外，原有實驗都是在機房實驗環境完成，學生只能在課內上機，導致部分進度較慢的學生無法高質量完成。

（四）采用常規考核方式，難以全方位考查學生的學習效果

課程考核是評估學生學習效果的主要手段，科學有效的考核方法能極大地提升教學質量。傳統考核方式以閉卷考試為主，僅僅考查基礎理論知識的掌握情況，無法全面考查學生動手實踐能力，不利于學生動手實踐能力的培養。

三、密碼編碼與密碼分析并重的課程教學內容改革

針對密碼學教學實踐中的問題，密碼學課程內容改革的宗旨為：打牢數學基礎，強化動手實踐，滲透對抗思想，使學生理解與掌握密碼學基本理論與方法，掌握密碼產品的基本工作原理，培養學生解決現實信息安全問題的能力。［6］課程教材選取胡向東等人編著的《應用密碼學（第4版）》，該教材內容全面，通俗易懂，兼顧理論與應用，但是該教材缺少密碼分析學方面的內容，因此推薦選擇道格拉斯·斯廷森（Douglas R.Stinson）著的《密碼學原理與實踐（第三版）》作為補充教材。

課程除傳統的密碼編碼學方面的內容之外，重點增加了密碼分析學方面的內容，設置了相關實驗。增加的課程知識點如表1所示。新增內容的設置，不僅體現了網絡空間安全學科的對抗性特征，而且這些知識點也是從近年來相關學科競賽中出現頻率較高的真題提煉出來的基礎知識，對學生參加學科競賽也起到了很好的支撐作用。

四、利用雨課堂和EduCoder平臺構建在線課程混合式教學模式

小規模限制性在線課程（Small Private Online Cou rse， SPOC）對于校園內受眾知識層次一致的群體具有廣泛的應用價值，符合軍隊院校人才規模培養較小的實際。密碼學課程包含理論教學與實踐教學兩個部分，非常適宜采用基于SPOC的混合式教學模式，如圖1所示。其中，課堂教學主要基于BOPPPS模型，輔以“雨課堂”及“EduCoder”平臺上的在線課堂來完成理論部分的教學。在線教學主要基于EduCoder平臺，利用實訓作業及相關功能模塊來完成實踐部分的教學。

（一）基于BOPPPS模型的課堂教學

BOPPPS模型將教學過程分解為內容導入（Bridge- in）、教學目標（Objective）、課程前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、課程后測（Post- assessment）與課程總結（Summary）六個步驟，以教學目標為導向，以參與式學習為核心，貫穿“以學生為中心”的理念。［7-8］值得注意的是，BOPPPS教學模型受到教學內容尤其是課堂規模的制約，適用于小規模的課堂教學，因此，也非常契合SPOC的教學模式。

將 BOPPPS 模型引入課堂教學，旨在完善課堂教學設計、規范課堂教學過程、提升學生的參與度，最終提高教學目標的達成度。隨后，將“雨課堂”以及“EduCoder平臺”的若干功能融入BOPPPS模型的各個步驟，具體體現在以下幾個方面：

1. 導入環節是授課的必要環節，旨在引出課程內容，引導學生進入學習狀態。導入的方式有很多，需要精心設計，也最考驗功力。既可以在課堂上以講故事、提問題等方式，也可以利用EduCoder平臺上的“視頻直播”或“實驗演示”等功能，吸引學生注意，使其產生興趣、激起動機。

2. 教學目標是所有教學環節的目標指向，是課程教學的總綱。教學目標必須具有可操作性，通常在課堂上明確地表達出來，也可以通過雨課堂和EduCoder平臺中的“公告”功能進行預告，讓學生心中有目標、行動有方向。

3. 課程前測旨在掌握學生對先學知識的掌握程度，可以在課前進行，也可以在課堂上進行。具體來說，課前進行的前測可以通過發布在EduCoder平臺上的少量習題來完成，課堂上進行的前測可以利用雨課堂中的“隨堂測”功能來完成。在線統計和發布測試結果，使得教師可以根據測試結果及時了解學生學習情況，適時給予針對性指導幫助。

4. 參與式學習凸顯“以學生為中心”的教育理念，促使學生主動參與整個教學過程。具體來說，主要采取“講、演、練”的方式：“講”就是針對基本理論及重難點問題進行精講；“演”就是利用相關軟件進行操作演示；“練”就是依托EduCoder平臺上的分組作業進行現場練習。還可以利用雨課堂的“彈幕”功能方便學生隨時提出問題。

5. 課程后測可以實時反饋學生對課堂內容的掌握情況，是進行有效激勵的重要一環?；谡n程后測情況，教師能夠更好地把握后續的教學，學生也能及時了解自己的學習情況，有針對性地查漏補缺。后測成績則可以作為學生的平時成績，成為實實在在的激勵措施。

6. 課堂總結起著課程內容回顧、梳理和歸納的作用，可以融入互動環節以加深學生對本次教學內容的印象，幫助學生構建長時間知識記憶。具體來說，可以將課堂總結以思維導圖的形式發布在雨課堂或EduCoder平臺上，利用“討論”功能引導學生歸納重點、理清知識脈絡、發展興趣、活躍思維。

BOPPPS模型簡單易懂，對提高教學質量具有很好的指導意義，但在實際教學中，切實用好BOPPPS模型需要教師下一番功夫。從近些年來的教學實踐可以看出，采用BOPPPS 教學模型進行課堂設計顯著提高了學生的學習效率和學習質量。［7-8］

（二）基于EduCoder的在線教學

頭歌平臺（EduCoder）將開放共享、群體協同、持續評估的互聯網演進機理引入實踐教學平臺構建過程，形成了一種支持大規模開放在線實踐（Massive Open Online Practice，MOOP）的教學資源共建共享新型教學模式與平臺，突破了自動化評測等一系列難題，為科研院所與創新企業實踐教學與培訓模式升級提供了重要方法和途徑。［9-10］

EduCoder設計了多樣化的用戶使用模式和自動化評測機制以滿足不同課程實踐教學需求，其中在線編程模式主要為用戶提供在線編程窗口，用戶針對實訓作業中的開發任務進行在線代碼補全，完成相應的功能要求，非常適合本課程模塊化實驗的設計理念，［11］因此，這里主要介紹基于EduCoder平臺的實踐教學過程，如圖2所示。

整個教學過程分為課前、課中和課后3個階段。課前，教師在平臺創建課堂，并布置課前學習任務。學生登錄平臺加入教師所創建的課堂，完成課前學習任務，平臺對任務完成情況進行實時統計分析；教師根據平臺的數據分析情況，充分掌握學生的學習基礎，對課程實施進度節奏進行調控。課中，教師在信息化教室完成實訓原理講授后，通過平臺發布實訓闖關挑戰，實訓內容可以由教師在課前創建，也可以來自平臺資源，可有效調動學生學習興趣。學生通過闖關挑戰，獲得經驗積分。教師可以實時掌握學生闖關任務完成情況，動態調整教學策略，有的放矢。課后，教師基于學生完成實訓作業情況，選拔有競賽潛力的學生，定向發布競賽闖關作業，再根據學生表現開展專題指導，幫助學生提升競賽能力。

基于EduCoder的在線實踐教學提供了一種全新的學習模式，促使學生學習變被動為主動，有效激發學生的興趣與參與熱情，提高學生創新實踐能力，提升學生學科競賽成績。

（三）基于信息化平臺開展過程性考核

雨課堂和Educoder平臺為教師提供了全過程教學數據，包括課程預習、課堂表現、在線答題、交流討論、作業表現、階段測試情況等，系統會自動開展統計分析，教師基于系統數據科學給定學生形成性考核成績，形成性考核成績占到總成績的60%。教學全過程的數據分析讓教師能夠隨時掌控學生學習狀態與效果，讓教與學過程透明化，形成性考核調動了學生學習的主動性和積極性，讓學生真正成為課堂的主體。

五、結語

課程教學加強密碼分析內容，實現密碼分析與密碼編碼內容的相對平衡，突出創新實踐能力培養?；贐OPPPS模型將雨課堂和Educoder實訓平臺用于教學實踐中，凸顯“以學生為中心”的教育理念，把學生置于課堂舞臺的主角位置，最大化地釋放“教與學”的活力，科學地設計“課前-課中-課后”每一個教學環節，保證了教學過程的高效實施，提升密碼學教學的整體效果。

參考文獻：

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［9］ 尹剛，王濤，余躍，等. EduCoder：大規模開放在線實踐教學探索與應用——疫情防控下的在線實踐教學新途徑［J］. 軟件導刊，2020，19（10）：1-7.

［10］ 夏旭，漆華妹. 基于EduCoder平臺的高職程序設計類專業課程改革分析［J］. 無線互聯科技，2019，16（10）：69-73+93.

［11］ 秦艷琳，吳曉平. 模塊化密碼學實驗教學方法研究［J］. 計算機教育，2013（02）：70-73.

（責任編輯：邵秋露）