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        基于任務(wù)驅(qū)動和深度學(xué)習(xí)的信息安全課堂教學(xué)實踐研究

        2020-04-03 09:28:40吳立強楊曉元吳旭光韓益亮
        計算機教育 2020年3期
        關(guān)鍵詞:密碼學(xué)門限秘密

        吳立強,楊曉元,吳旭光,韓益亮

        (武警工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院,陜西 西安 710086)

        0 引 言

        沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全。應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)和信息安全的挑戰(zhàn),必須以堅實的理論知識和過硬的安全技術(shù)作為支撐。

        密碼學(xué)是保障信息安全的核心技術(shù),信息安全是密碼學(xué)研究與發(fā)展的目的,密碼學(xué)課程已成為支持信息安全各個專業(yè)方向的基礎(chǔ)學(xué)科之一,旨在培養(yǎng)學(xué)生信息安全的核心能力:①對密碼基本原理深刻理解和分析的能力;②對復(fù)雜密碼算法理解、分析和設(shè)計的能力;③拓展密碼學(xué)知識、解決相應(yīng)的實際信息安全問題的能力。

        在實際教學(xué)中,密碼學(xué)課程具有很強的理論性和實踐性。由于涉及理論知識比較抽象,編程基礎(chǔ)要求比較高,學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高,慣用機械記憶、簡單模仿來應(yīng)對考試,缺乏學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性,最終“學(xué)生學(xué)得被動,教師教得乏味”,教學(xué)目標難以真正落實。因此,嘗試以引導(dǎo)、指導(dǎo)學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)、探究、深度學(xué)習(xí)為主的教學(xué)方法,是目前課程改革面臨的一個緊迫任務(wù)。

        1 密碼學(xué)課程教學(xué)方法研究

        曾光等人[1]立足現(xiàn)實,從課程建設(shè)、教學(xué)條件建設(shè)、師資隊伍培養(yǎng)3 個角度,闡述了對密碼學(xué)實踐教學(xué)的思考和探索。劉楊等人[2]利用項目驅(qū)動教法和分層目標教學(xué)法,提出適合網(wǎng)絡(luò)空間安全方向的密碼學(xué)教學(xué)模式,構(gòu)建了支撐體系模型。閆璽璽等人[3]探討教學(xué)內(nèi)容的安排、教學(xué)方法的應(yīng)用、實踐任務(wù)的強化等方面,并設(shè)計了任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)內(nèi)容。汪永偉等[4]分析了任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在信息安全管理課程教學(xué)中的適用性,設(shè)計了關(guān)鍵學(xué)習(xí)任務(wù),有機銜接了課程內(nèi)容。

        在這些教學(xué)方法中,任務(wù)驅(qū)動法得到了很多教育學(xué)者的認可和重視。任務(wù)驅(qū)動法[5]是以建構(gòu)主義教學(xué)理論為基礎(chǔ)的教學(xué)方法,根據(jù)學(xué)生特點和目標,設(shè)立一個恰當?shù)膶W(xué)習(xí)情境,構(gòu)建一個或多個任務(wù),驅(qū)動學(xué)生的好奇心和求知欲。學(xué)生帶著具有針對性的任務(wù)進行探索和主動學(xué)習(xí)。

        深度學(xué)習(xí),是指在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程。在這個過程中,學(xué)生掌握學(xué)科核心知識,理解學(xué)習(xí)過程,把握學(xué)科本質(zhì)及思想方法,形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀,成為既具獨立性、創(chuàng)造性又有合作精神、基礎(chǔ)扎實的優(yōu)秀學(xué)習(xí)者。

        任務(wù)驅(qū)動深度學(xué)習(xí)教學(xué)模式見圖1,旨在充分發(fā)掘密碼學(xué)的魅力,激發(fā)學(xué)生的探索意識,培養(yǎng)學(xué)生的深度參與能力,促進其對知識的深層理解,最終培養(yǎng)學(xué)生的安全知識應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。

        圖1 面向密碼學(xué)的任務(wù)驅(qū)動深度學(xué)習(xí)教學(xué)模式

        2 基于任務(wù)驅(qū)動法和深度學(xué)習(xí)理論的教學(xué)實踐

        2.1 教材、學(xué)情分析

        2.1.1 教材分析

        本節(jié)課源自楊波主編、清華大學(xué)出版社出版的《現(xiàn)代密碼學(xué)》第五章第四節(jié),但教材對于秘密共享的介紹比較簡略,只給出了Shamir 門限方案的實現(xiàn)過程和簡單描述,并未對構(gòu)造原理作詳細闡述。如果學(xué)生未能掌握底層數(shù)學(xué)原理,就只會簡單地計算和模仿,知其然不知其所以然,難以將知識應(yīng)用于日常生活,保證信息安全。

        2.2.2 學(xué)情分析

        本課程授課對象為大學(xué)本科三年級學(xué)生。這一階段學(xué)生好奇心強,較為關(guān)切與生活息息相關(guān)的信息技術(shù),對神秘的密碼學(xué)充滿期待。能通過觀察、閱讀等方法獲取信息,運用分析、對比、歸納等方法加工信息,為本節(jié)課的順利進行奠定心理基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)。

        在本節(jié)課前,學(xué)生已完成了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí),為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了一定的知識基礎(chǔ)。但大部分學(xué)生已經(jīng)淡忘了線性代數(shù)等知識,難以建立方程組和秘密分割之間的聯(lián)系,理解上存在障礙。在本節(jié)課的活動設(shè)計中,利用任務(wù)驅(qū)動法,促進學(xué)生分組合作,知識遷移,自主探索,整體提升。

        2.2 教學(xué)內(nèi)容與目標

        2.2.1 教學(xué)內(nèi)容

        秘密共享思想以及(k,n)門限的實現(xiàn)方法和原理。

        2.2.2 教學(xué)目標

        (1)知識目標:理解密碼共享的基本概念,掌握(k,n)門限的實現(xiàn)方法和原理。

        (2)能力目標:①培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納的能力;②通過剖析(k,n)門限的實現(xiàn)方法和原理,培養(yǎng)學(xué)生鉆研精神,提高探究問題、分析與解決問題的能力。

        (3)情感目標:①通過課堂教學(xué)參與的過程,讓學(xué)生真正體驗任務(wù)達成的快樂和成就感,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)密碼學(xué)以及信息安全實踐的興趣;②培養(yǎng)學(xué)生不畏困難、樂于鉆研的科學(xué)態(tài)度、實事求是的學(xué)習(xí)品質(zhì)和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

        2.3 教學(xué)過程

        “秘密共享及構(gòu)造方法”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計分為3 個環(huán)節(jié):首先,由現(xiàn)實生活中雙人雙鎖、導(dǎo)彈發(fā)射等例子引出秘密共享的思想,歸納秘密共享的定義以及保密性、一致性兩個性質(zhì);其次,通過任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法,探索秘密共享的實現(xiàn)方法和原理,同時引出完善性,這是教學(xué)的重點;最后,總結(jié)擴展。下面展示第二個教學(xué)環(huán)節(jié):秘密共享的實現(xiàn)方法和原理。首先創(chuàng)設(shè)情境,拋出本節(jié)課要解決的具體任務(wù),之后利用問題引導(dǎo),激發(fā)學(xué)生主動探索、深度學(xué)習(xí)。教學(xué)設(shè)計見圖2。

        創(chuàng)設(shè)情境:某次作戰(zhàn)任務(wù)中,攻擊時間是12 點34 分56 秒,學(xué)生作為作戰(zhàn)參謀,如何將這個秘密信息分發(fā)給3 個將軍,當3 個將軍同時在場情況下才能獲取這個時間?

        問題1:能否直接對秘密進行分割,構(gòu)造共享方案?

        小組活動討論,交流分享方案:若3 個將軍得到的份額分別是時、分、秒的值,恢復(fù)階段只需將份額收集起來,拼湊出最原始的秘密即可。

        問題2:這種直接方法在現(xiàn)實中有哪些應(yīng)用場景?

        圖2 問題設(shè)計

        學(xué)生舉例:①登錄重要服務(wù)器時,每個人輸入一部分,這些部分密碼順序連接起來,作為整個服務(wù)器的登錄密碼;②在印章管理上,可以將印章分割,分發(fā)給不同的管理者,只有這些管理者全部同意,才可以完整拼湊完成蓋章。

        問題3:上述直接分割法一定程度完成了任務(wù),但是否存在缺陷?

        學(xué)生思考回答:①只能構(gòu)造這種(n,n)方案;②如果2 個將軍在一起,可以通過窮舉,嘗試尋找第3 個將軍的份額,方案不具有完善性。

        問題1—3 總結(jié):基于上述3 個問題,學(xué)生利用最容易想到的簡單方法——直接分割嘗試完成任務(wù),并將方法進行推廣,以此來解決了一些日常中的實際安全需求,完成了知識遷移。同時,深入探討了直接分割法存在的缺陷,指明了改進方向。

        問題4:結(jié)合完善性定義,想一想學(xué)過的哪種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)具有類似的可恢復(fù)性?

        播放微課:動畫展示1 個平面包括無數(shù)的點、2 個平面相交為1 條直線,但是3 平面相交唯一確定1 個點,每個平面實際對應(yīng)一個3 元方程,當平面?zhèn)€數(shù)大于等于方程變量個數(shù)時,可確定點,學(xué)生獲取平面關(guān)系和秘密共享的相通之處。

        問題5:如何將秘密嵌入方程?

        學(xué)生分組討論:構(gòu)造出一個三元方程,其解就是要共享的秘密值12、34、56,那么隨機選取解滿足上述條件的3 個方程,將系數(shù)分發(fā)給3 個不同的將軍,而當要恢復(fù)秘密時,每個將軍拿出自己的方程,解方程組求解,重構(gòu)出秘密。

        問題6:這種方案是否安全?恢復(fù)的秘密是否唯一?

        知識遷移,完成證明:學(xué)生回顧線性代數(shù)定理中方程解的定理,從而證明了保密性、完善性、一致性。

        問題4—6 總結(jié):在上述探究活動中,通過微課、動畫等形式,直觀建立起線性方程組和秘密共享之間的橋梁,深層揭示了秘密共享方案的底層原理。學(xué)生通過討論,基本掌握了Blakley 門限秘密共享方案的思路,完成了方案設(shè)計,并從數(shù)學(xué)上進行了嚴格的證明。

        問題7:上述方法較為圓滿地完成了共享任務(wù),但是每個將軍得到份額包括3 個整數(shù),即方程系數(shù)。傳遞這么多整數(shù)十分麻煩,能否改進?

        學(xué)生計算、模擬:學(xué)生分組扮演將軍、參謀等角色,進行計算并模擬秘密分割、恢復(fù)過程,體驗傳遞3 個系數(shù)的不便,嘗試利用方程次數(shù)的增加換取變量的減少,建立3 個系數(shù)之間的關(guān)系,將三元變成一元,實現(xiàn)Shamir 門限秘密共享方案。

        問題8:Shamir 門限秘密共享方案,恢復(fù)的秘密是否唯一?

        知識遷移,完成證明:回憶范德蒙行列式的性質(zhì),完成方案保密性、完善性和一致性證明。

        問題7—8 總結(jié):在上述探究活動中,學(xué)生通過計算和模擬,體驗到方案存在的不足,因此針對性地改進,縮小變量規(guī)模,完成了Shamir門限方案設(shè)計,并從數(shù)學(xué)上進行了嚴格的證明。至此,成功地完成了任務(wù)。

        2.4 課程反思

        在“秘密共享及構(gòu)造方法”一課后,學(xué)生更深地理解了“密碼分割”“門限方案”等知識,提高了學(xué)習(xí)興趣,改善了學(xué)習(xí)習(xí)慣,整個過程輕松而充實。教師和學(xué)生一起收獲了學(xué)習(xí)的樂趣和成功的喜悅。教學(xué)活動有以下可取之處:①在任務(wù)設(shè)計階段,通過設(shè)計精煉、精準、精巧的挑戰(zhàn)性任務(wù),喚醒了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)其學(xué)習(xí)愿望與行為,讓學(xué)生真正參與學(xué)習(xí)過程;②在教學(xué)過程中,及時指導(dǎo)學(xué)生疑難、關(guān)鍵處,激勵深究,使學(xué)生設(shè)計的方案按照“設(shè)計—分析—改進”模式不斷優(yōu)化,學(xué)生的認知水平螺旋上升;③教學(xué)方法上,靈活采用分組探究、微課視頻、模擬現(xiàn)實等方式,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)分析問題能力,提升解決問題能力,拓展知識面;④在課程反思方面。除了教師的教學(xué)反思,也引導(dǎo)學(xué)生反思,培養(yǎng)學(xué)生的反思意識、反思能力和反思習(xí)慣,提高學(xué)生的知識技能儲備和高階思維品質(zhì)。

        3 結(jié) 語

        “秘密共享及構(gòu)造方法”是現(xiàn)代密碼學(xué)領(lǐng)域中重要的理論研究方向之一,在密鑰管理、數(shù)據(jù)安全、導(dǎo)彈發(fā)射等場合有非常廣泛的應(yīng)用。因此,本次課的教學(xué)是密碼理論知識應(yīng)用現(xiàn)實生活,保障信息安全的重要例證。教學(xué)過程中采用任務(wù)驅(qū)動和深度學(xué)習(xí),激發(fā)了學(xué)生的探索興趣,培養(yǎng)了密碼技術(shù)的應(yīng)用技能,打通了理論和實踐之間的壁壘。另外,任務(wù)驅(qū)動和深度學(xué)習(xí)法在密碼學(xué)中古典密碼的構(gòu)造與分析方法、公鑰密碼學(xué)的原理與設(shè)計、各類密碼協(xié)議設(shè)計與分析等章節(jié)的教學(xué)中都有很強的操作性,值得借鑒和探究。

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