王俊 朱容波 孟博 王德軍

摘 要 針對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)實驗課程的教學(xué)實際，基于在線開放云端網(wǎng)安實驗室，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)信息安全方向下密碼學(xué)實驗課程新的教學(xué)模式。從參與人員、實驗平臺和課程設(shè)計三個方面研究此實踐教學(xué)模式，即以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)；以云端平臺為基礎(chǔ)，寓教于樂，寓學(xué)于樂；結(jié)合實際靈活設(shè)計實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，開展無時空限制教學(xué)。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)工程 密碼學(xué) 實驗課程 云端教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.07.047

Abstract In view of the teaching practice of the network engineering professional cryptography experiment course， based on the online open cloud network security laboratory， the new teaching mode of cryptography experiment course in the direction of network engineering professional information security is designed. This practical teaching mode is studied from three aspects： participants， experimental platform and curriculum design， that is， students as the main body and teachers as the mainstay； based on the cloud platform， entertaining and learning， learning and learning； combining practical and flexible design of experimental teaching link， carry out teaching without time and space restrictions.

Keywords network engineering； cryptography； experimental courses； cloud teaching

密碼學(xué)包括密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)，主要研究密碼理論、密碼算法、密碼技術(shù)以及密碼應(yīng)用等科學(xué)技術(shù)問題。[1]密碼學(xué)是敵我雙方智慧的較量，事關(guān)用戶隱私，工業(yè)安全以及國防安全。在當(dāng)今信息時代，密碼學(xué)的研究與應(yīng)用方興日盛，且日趨緊迫而且重要。為實施國家安全戰(zhàn)略，加快信息安全人才培養(yǎng)，國務(wù)院學(xué)位委員會與教育部于2015年正式增設(shè)“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級學(xué)科，為信息安全相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)與開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。[2]隨著“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級學(xué)科的設(shè)立，我國信息安全人才培養(yǎng)取得了一定的進展，但專業(yè)人才缺口依然很大。圍繞《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》精神和要求，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)積極探索信息安全方向密碼學(xué)實驗課程教學(xué)模式的新思路，促進信息安全人才的培養(yǎng)。

網(wǎng)絡(luò)工程和網(wǎng)絡(luò)空間安全兩個專業(yè)在信息安全方向的系列課程即緊密聯(lián)系又有區(qū)別。針對密碼學(xué)課程，他是網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)的核心課程和主干課程，在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)下則為選修課程。然而，不管密碼學(xué)課程性質(zhì)是必修或是選修，他都是一門典型的理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程。密碼學(xué)以代數(shù)、數(shù)論和組合數(shù)學(xué)等為基礎(chǔ)，其算法抽象且復(fù)雜，存在算法理解難，實驗平臺配置復(fù)雜和編程實現(xiàn)難的問題。同時，對于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)課程來說，還存在學(xué)時少和教學(xué)資源不足等問題。讓我們慶幸的是，信息時代下在線開放云端網(wǎng)安實驗室，例如實驗吧，U-SaaS開放實驗云平臺和合天網(wǎng)安實驗室，為解決上述問題提供了良好的云端平臺。

1 網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)實驗課程的教學(xué)實際

密碼學(xué)理論知識主要包括對稱密碼、公鑰密碼、Hash函數(shù)和密碼應(yīng)用等內(nèi)容，其實驗課程屬于密碼學(xué)理論課程配套的實踐環(huán)節(jié)。在密碼學(xué)實驗課程中，可以加深學(xué)生對理論知識的理解，拓展學(xué)生的思維和眼界，鍛煉學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的動手能力，是密碼學(xué)課程不可或缺的有機組成部分。然而，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)信息安全方向密碼學(xué)實驗課程在實施過程中常面臨以下困難。[3-5]

（1）密碼算法理解與編程實現(xiàn)困難。密碼學(xué)算法自身抽象而且邏輯關(guān)系復(fù)雜，如非對稱RSA算法，包含多個子功能模塊且功能抽象，學(xué)生在理解及編輯實現(xiàn)上出現(xiàn)阻礙，學(xué)習(xí)效率及效果降低。

（2）理論及實驗課時偏少。網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)通常屬于專業(yè)選修課，考核方式為考查，總學(xué)分和總學(xué)時一般為2個學(xué)分和36學(xué)時，遠遠低于網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)密碼學(xué)課程的總學(xué)時（網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)密碼學(xué)課程總學(xué)時一般大于等于50學(xué)時）。課時少，難于平衡理論教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)，突顯了實驗課程內(nèi)容的單薄。網(wǎng)絡(luò)空間安全和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)下密碼學(xué)課程區(qū)別如表1所示。

（3）實驗平臺配置復(fù)雜且教學(xué)資源不足。密碼學(xué)算法的實現(xiàn)常需借助于不同系統(tǒng)平臺、密碼函數(shù)庫和應(yīng)用軟件，配置復(fù)雜而且繁瑣，使得學(xué)生在前期準(zhǔn)備階段花費了大量時間和精力，不利于實驗課程的展開。同時，實驗環(huán)節(jié)教學(xué)資源不足，限制了學(xué)生思維和眼界的拓展，使得學(xué)生僅僅局限于書本知識和現(xiàn)有實驗資源。

2 基于云端平臺的實驗課程方案

針對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)實驗課程的教學(xué)實際，基于云端平臺對實驗課程進行了設(shè)計，如圖1所示。例如，在DES數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)算法實驗中，借助云端平臺的可視化界面，可以通過動畫的形式動態(tài)展示算法運行流程，并通過“人機交互”的方式進一步讓學(xué)生了解和認(rèn)識算法的核心運算模塊，加深對算法的理解。在利用數(shù)字簽名實現(xiàn)文件安全傳輸實驗中，形式化展示文件傳輸具體過程，使得學(xué)生清楚明了文件的傳輸流轉(zhuǎn)過程，最終認(rèn)識數(shù)字簽名的精確性和唯一性。

3 密碼學(xué)實踐教學(xué)新模式

基于在線開放云端網(wǎng)安實驗室，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)信息安全方向下密碼學(xué)實驗課程新的教學(xué)模式，從參與人員、實驗平臺和課程設(shè)計三個方面研究此實踐教學(xué)模式，即以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)；以云端平臺為基礎(chǔ)，寓教于樂，寓學(xué)于樂；結(jié)合實際靈活設(shè)計實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，開展無時空限制教學(xué)。

3.1 以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確指出“要以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性”。不同于傳統(tǒng)的“老師教，學(xué)生聽和學(xué)”，要在學(xué)生為主體的基礎(chǔ)之上，強調(diào)學(xué)生的主觀能動性。首先，教師主導(dǎo)作用體現(xiàn)在密碼學(xué)備課之中，要在有限的學(xué)時里，反復(fù)鉆研，精心組織，充分激發(fā)學(xué)生的注意力和求知欲，為后續(xù)實驗課程打下良好的理論基礎(chǔ)。教師的引導(dǎo)為外因，學(xué)生的學(xué)習(xí)為內(nèi)因，要強調(diào)學(xué)生的主動性。學(xué)生有疑慮，有求知欲，進一步輔助以云端實驗室，為學(xué)生提供驗證和解決問題的良好平臺，使得學(xué)生從知識的被動接受者，變成知識的主動探索者。特別的，基于云端網(wǎng)安實驗室，使得學(xué)生一對一服務(wù)變得普適，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和效率得到加強，增強了學(xué)生一對一個性化輔導(dǎo)的體驗。

3.2 寓教于樂，寓學(xué)于樂

興趣是有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的推動力，是促進學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的源泉，是學(xué)生最好的老師。[6]密碼學(xué)算法看不見，摸不著，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺無從著力，甚至因知識枯燥和難理解產(chǎn)生學(xué)習(xí)上的厭煩情緒。結(jié)合云端開放實驗室，可以明確實驗?zāi)康?，簡化實驗初始配置，讓學(xué)生把主要精力放到密碼學(xué)算法本身。通過良好的線上學(xué)習(xí)氛圍和多終端覆蓋學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠主動挖掘自己感興趣的知識點，激發(fā)自身的創(chuàng)造力。良好的教學(xué)互動和圖形化的動態(tài)展示，把傳統(tǒng)的平面黑白文字轉(zhuǎn)變成立體的動畫，使得學(xué)習(xí)變成一件自主而且快樂的事情，寓教于樂，寓學(xué)于樂。

3.3 結(jié)合實際靈活設(shè)計，開展無時空限制教學(xué)

傳統(tǒng)的基于實驗室的實驗教學(xué)，受限于實驗室場地大小和開放時間的限制，不利于實驗的靈活展開。云端網(wǎng)安實驗室，利用云計算虛擬化等技術(shù)，可事先配置和部署，學(xué)生只需要通過因特網(wǎng)，遠程登錄云端實驗室，即可訪問線上實驗室豐富的資源。云端實驗室不受時間和實驗室場地的限制，并可對實驗環(huán)境進行隔離，讓學(xué)生并行操作實驗，也可對實驗內(nèi)容和規(guī)模進行靈活設(shè)計和擴展。云端實驗室極大拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)時間和空間，從有限的實驗室物理空間，伸展到整個無限云端虛擬實驗空間，把有限的實驗課時延伸為了全天時學(xué)習(xí)。從時間到空間，從內(nèi)容到資源，為學(xué)生提供一種無時空限制教學(xué)新模式。

4 結(jié)語

云端網(wǎng)安實驗室為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)密碼學(xué)實驗課程提供了一個良好的實踐平臺，利用信息時代下“在線實驗”無時空限制教學(xué)新模式，從理論教學(xué)出發(fā)，依靠交互性、操作性更強的在線實踐平臺，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，提高學(xué)習(xí)效率和效果，培養(yǎng)合格的信息安全人才。

參考文獻

[1] 教育部高等學(xué)校信息安全專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：1-174.

[2] 國務(wù)院學(xué)位委員會，教育部.國務(wù)院學(xué)位委員會 教育部關(guān)于增設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科的通[EB/OL].[2015-06-11].http：//www.moe.gov.cn/s78/A22/A22_gggs/A22_sjhj/201511/t20151127_221423.html.

[3] 吳旭光，韓益亮.密碼學(xué)實驗課程 SPOC 建設(shè)探討[J].計算機教育，2018（3）：32-35.

[4] 秦艷琳，吳曉平.模塊化密碼學(xué)實驗教學(xué)方法研究[J].計算機教育，2013（2）：70-73.

[5] 王少輝，王志偉.密碼學(xué)課程設(shè)計探索與實踐[J].課程教育研究，2013（1）：15-16.

[6] 張瑞霞，唐成華，唐麟.密碼學(xué)實驗教學(xué)改革應(yīng)用實踐[J].計算機教育，2013（5）：68-71.