针对计算机类专业本科学生的密码学课程教学探索
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摘 要：针对密码学课程在计算机类学生教学过程中所暴露出的问题，通过深入分析密码学的本质特征，并全方面结合学生的学习状况，提出了更加系统化的实践教学模式。陕西师范大学密码学课程教学中所取得的效果和经验，对于其他院校的密码学课程的建设也具备一定的借鉴和参考意义。
关键词：密码学 计算机类本科生学习 课程教学 教学实践
中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0155-02
Abstract： According to the cryptography course for undergraduate students with computer major in School of Computer Science， Shaanxi Normal University， we present a series of practical teaching plans based on the students' existing knowledge background. It could be applied for the cryptography-like courses at other Universities in the future.
Key Words： Cryptography course; Study of undergraduate students with computer majors; Course practice; Teaching and learning study
5G移动互联网的时代到来，为国民经济的快速发展提供了新的快速增长点。与此同时，网络数据量已经出现爆炸式增长的态势。这其中隐藏着众多的信息安全问题，例如个人隐私信息的不经意交叉泄露、部分移动应用程序对用户信息的过度采集等。在移动互联网技术已经深入到国民经济的各个角落的当今时代，网络空间信息安全也已经上升为我们国家的核心安全战略之一。如何在大学本科阶段有效地推广普及网络空间信息安全教育是当下所面临的一个亟待解决的问题。众所周知，密码学技术是信息安全技术的核心。因此，推广网络空间安全战略的关键在于对本科生密码学相关课程教育的关注和探索。
陕西师范大学计算机科学学院已经为计算机类本科学生开设了现代密码学相关的专业选修课。虽然密码学与计算机学科有很大的关联性，但是密码学本质上是一个综合学科，涉及到通信、数学等多个学科的深层次内容。因此，如何针对计算机类专业本科学生群体知识结构的特殊性，进行密码学课程教学已经成为密码学相关学科教师亟待解决的问题。
1 密码学课程教学现状分析
1.1 密码学的课程特点
设立现代密码学课程的目的，不仅是让学生了解网络空间信息安全相关的核心概念，还要培养学生的保障网络空间信息安全的专项技能，并且尽可能地带动学生从事复杂、抽象问题分析的能力[1，2]。而密码学是一个相对新兴且发展节奏较快的学科，其知识点较为丰富、理论化很强。与传统计算机类课程强调以软硬件应用设计为主的思路相差较大。通过该课程的学习，不仅能够加强计算机类专业本科生的逻辑思维和理论分析的能力，而且能够锻炼学生将理论和应用相结合的科研工作能力，为学生在研究生阶段的学习奠定扎实的基础，提高学生的竞争能力。
1.2 计算机类本科学生的特点
计算机类学生的特点是：动手能力相对较强，但理论性基础稍微薄弱。具体而言，经过本科阶段的基础知识学习和编程能力训练，计算机类专业本科生已经能够胜任小规模应用型的项目开发工作要求。此类学生在毕业后大部分都能找到专业相关的工作机会。所以，学生容易失去对更深层次理论课程学习的兴趣和动力。
通过传统的课堂教学手段，例如教师的个人讲述和理论推导，已无法满足密码学课程理论化、系统化的教学目标要求。因此，如何有效调动学生的学习积极性，引导学生从实际应用问题出发，逐步发掘问题表象背后的深层次理论原因，并最终利用理论工具反馈到应用问题的解决上，是密码学相关课程教师所直接面临的挑战。
1.3 计算機类本科学生的兴趣
大部分计算机类专业本科生的兴趣集中在多种不同类型编程语言的学习和应用上。在密码学课程教学过程中，需要发挥学生的善于编程的学习自主性，让学生尝试用不同的编程语言实现同一个密码系统。并进一步对比不同实现方式之间的效率差异。从实际应用的角度出发，感受对密码学课程学习的价值和意义，并逐步提高学生的学习兴趣。具体而言，让学生深入分析密码系统的构造特点和所用编程语言的特色，帮助学生从模型融合构建的角度理解密码系统运作的基本原理。进一步，引导学生从基础理论上学习密码系统中所进行基本运算的数学特性，进而尝试使用更加有效的数据结构实现整个密码系统。在该实现分析的过程中，逐步提高学生的理论知识积累和分析的能力。
整体而言，可以通过某一具体科研项目的为切入点，帮助学生将基础理论和前沿问题相结合，认识到所研究问题的重要性，并深入学习所必须用到的理论知识，最终将其应用于解决相应的现实问题。以此，既加深了学生对密码学理论的理解，又增强了学生的学习积极性，从而改善教学的效果[3，4]。
1.4 密码学理论与实践结合 现代密码学课程是一门理论性较强的学科，涉及的多个知识点。在学习的过程中，学生不仅要熟练掌握基本的加解密的概念及实现方法，还要对密钥协商协议、数字签名等核心概念有所了解。更为重要的是，要求学生对密码学中多种不同类型的安全模型的定义和运用有所理解。在教学的过程中，可以利用多元化教学模式和多样化的教学方法[5，6]，将密码方案的理论模型和具体现实应用场景相结合，循序渐进地引导学生进行思考和学习。
为了将密码学理论与实际应用场景相结合，提高学生对密码学理论概念的理解能力，需要建立以思维实验为中心的教学方式。即在面对一定的实际应用场景时，需要有目的地先考虑一些因素并且忽略另外一些因素，最终以循序渐进的形式，引出能够应对现实中所有合理因素的解决方案。该课程就采用了以加密方案的语义安全性定义和模型作为该课程的起始点。原则上，密文可以看作是对明文的一种掩盖。在没有解密密钥的情况下，任何人都不能从密文中有效地获得所对应明文的信息。对这一要求的最直观描述就是单向性，即由明文可以得到所对应的密文，但是由密文求解明文是困难的。经过深入分析可以发现，单向性的定义要求还不够完备。例如，某一个加密方案即使能够满足单向性的要求，即不能从密文中完全恢复明文，但也有可能会泄露明文的部分重要信息。在此情况下，该加密方案仍然不能被认为是安全的。通过对以上单向性定义和模型的深入思考，进一步引入语义安全性的定义，即任意两个不同明文所对应的密文是不可区分的。此时，还可以深入考虑赋予攻击者不同的能力，例如选择明文攻击或者是选择密文攻击等。以此，以一种循序渐进的方式，根据设想不同的应用场景，完成对加密方案形式化定义的系统学习。
在教学方面，通过将学生划分为不同的小组，由弱到强，分别设计单向性、选择明文安全和选择密文安全等不同强度的安全模型。在课堂学习的过程中，既锻炼了学生的思考和相互合作能力，又加深了学生对于密码安全定义和模型的理解，具有一定的趣味性和直观性，有助于学生将兴趣转化为学习的动力。
2 密码学课程教学模式构建
2.1 网络安全课程教学内容选择
密码学课程所涉及到的知识点较为丰富，如何協调各个内容之间的关系，并整理出清晰合理的学习主线，使学生既可以了解密码学的全貌，又要避免陷入各个知识点之间“孤立无援”的境地是一个教学难点。为了克服这一难点，在教学内容的设计上，课程以前沿科研项目为导向，以安全性定义和模型为主线，兼顾理论的完善性和学习的趣味性，同时对密码学问题的特点和研究方法进行介绍。针对计算机类专业本科生的知识结构特点，该课程使用“翻转课堂”等多个项目训练学生的表达沟通和抽样逻辑思维能力。学生通过和老师进行项目合作的方式，逐步加深对密码学概念本质的理解，实现教学相长，学生既全面理解了课程的重难点，又提高了教学效果，达到课程和专业研究相结合的目的。
2.2 网络安全课程教材选择
密码学是一门综合交叉学科，涉及到数学、理论计算机科学、网络通信原理等多个领域。因此，仅利用已有教材很难针对计算机类专业本科生的知识结构，实现密码学课程的广度和深度的共同覆盖。为此，课程采用了以教材为主学习基础知识，以国内外学术资源数据库为辅学习当前研究前沿的方式完成综合性教学。
2.3 网络资源的使用
随着互联网的快速发展，已经可以在网络上找到密码学相关的课程和研究资源。在具体教学过程中，也需要注意对不同网络资源的综合使用。通过利用网络资源进行自主学习的方式，学生可以对某一密码学概念的理论本质和实际应用进行深入了解，适合学生的全方位发展要求。
3 结语
密码学技术是网络空间信息安全技术的核心。密码学课程是计算机类大学本科生学习网络空间信息安全技能的主要课程。该文分析了计算机类本科学生在密码学课程中需要注意的问题，探讨了密码学课程建设的注意事项，对于其他院校的密码学课程建设同样具有借鉴意义。
参考文献
[1] 王彬.密码学里的较量——记西安电子科技大学通信工程学院教授胡予濮[J].中国科技奖励，2016（12）：75-76.
[2] 李艳俊，刘冰，郑秀林.密码学课程体系建设探讨[J].北京电子科技学院学报，2016，24（3）：68-74.
[3] 李玮，夏小玲，黄晓虎.密码学课程的建设与探索[J].教育教学论坛，2012（S2）：100-101.
[4] 李景涛，刘洋.面向密码学基础的互动式教学方法研究[J].计算机教育，2018（9）：40-43.
[5] 王少辉，王志伟.密码学课程设计探索与实践[J].课程教育研究，2013（1）：15-16.
[6] 温雅敏，龚征.现代密码学课程的教学探讨[J].赣南师范学院学报，2013，34（3）：113-115.
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