0 引言

網(wǎng)絡(luò)空間安全是關(guān)乎百姓生命財(cái)產(chǎn)安全、關(guān)系國家安全和社會(huì)穩(wěn)定的重大戰(zhàn)略問題[1]。2015年6月，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)、教育部決定在工學(xué)門類下增設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間安全一級(jí)學(xué)科，并明確指出需加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科建設(shè)，做好人才培養(yǎng)工作。

《2024年網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報(bào)告》顯示，截至2024年6月，我國已有626所高校開設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)[2]。盡管開設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間安全的高校數(shù)量逐年攀升，我國網(wǎng)絡(luò)空間安全人才還是存在數(shù)量缺口較大、能力素質(zhì)不高、結(jié)構(gòu)不盡合理等問題，與維護(hù)國家網(wǎng)絡(luò)安全、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的要求不相適應(yīng)。信息安全本科專業(yè)承擔(dān)著為國家網(wǎng)絡(luò)空間安全培養(yǎng)人才的根本任務(wù)。根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，信息安全專業(yè)的具體培養(yǎng)目標(biāo)如下。

目標(biāo)1：具有在信息安全領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用服務(wù)的能力。

目標(biāo)2：具有自然科學(xué)、密碼技術(shù)應(yīng)用、數(shù)字版權(quán)保護(hù)、數(shù)字內(nèi)容安全、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，適應(yīng)信息安全需求的變化。

目標(biāo)3：具有良好的人文科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)道德、團(tuán)隊(duì)合作和溝通交流能力，較強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)新精神，熟悉印刷、出版、傳媒行業(yè)的技術(shù)和規(guī)范。

目標(biāo)4：具有新聞出版領(lǐng)域信息安全基礎(chǔ)理論的應(yīng)用能力、數(shù)字內(nèi)容中數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)能力。

由此可見，信息安全專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)尤其強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力培養(yǎng)。為此，對(duì)信息安全專業(yè)主要課程的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行整體優(yōu)化，以數(shù)字圖像水印算法實(shí)驗(yàn)為代表性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)方案。

1現(xiàn)有研究基礎(chǔ)與分析

1.1 現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

印刷學(xué)院信息安全專業(yè)教師擁有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有研究基礎(chǔ)包括四個(gè)方面，如圖1所示。

1）筆者已主持印刷學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)教改項(xiàng)目“多語言跨平臺(tái)信息安全綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目研發(fā)”，該項(xiàng)目形成多項(xiàng)研究成果，可作為本項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)。

2）印刷學(xué)院李子臣老師于2019年出版教材《密碼學(xué)—基礎(chǔ)理論與應(yīng)用》[3]（電子工業(yè)出版社），筆者于2022年出版教學(xué)改革專著《數(shù)字圖像水印算法的多種語言實(shí)現(xiàn)與分析》[4]（郵電大學(xué)出版社），這兩本書的內(nèi)容均可作為本項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)。

3）印刷學(xué)院信息安全專業(yè)目前講授課程包括信息隱藏與數(shù)字水印、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代密碼學(xué)、數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)、Java語言程序設(shè)計(jì)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等。

4）各門課程中開設(shè)多種語言、不同平臺(tái)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)：信息隱藏與數(shù)字水印課程、數(shù)字圖像處理課程各開設(shè)8個(gè)MATLAB語言實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)代密碼學(xué)課程開設(shè)8個(gè)C語言實(shí)驗(yàn)；數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)課程開設(shè)4個(gè)MATLAB語言實(shí)驗(yàn)；Java語言程序設(shè)計(jì)課程開設(shè)8個(gè)Java語言實(shí)驗(yàn)；移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)課程開設(shè)8個(gè)移動(dòng)平臺(tái)（Android平臺(tái)）下Java語言實(shí)驗(yàn)。

圖1高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

1.2 現(xiàn)狀分析

信息安全專業(yè)目前已開設(shè)多門課程及實(shí)驗(yàn)，但與培養(yǎng)目標(biāo)中實(shí)踐能力的培養(yǎng)仍有一定差距，主要問題有：

1）講授理論較多，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，而且各門課程相互聯(lián)系較少；

2）學(xué)生學(xué)習(xí)課程后，C語言編程實(shí)現(xiàn)能力仍有待提高;

3）學(xué)生學(xué)習(xí)課程后，多種語言編程能力亟待加強(qiáng)；

4）課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)缺少混合編程能力培養(yǎng)。

1.3 項(xiàng)目研究目標(biāo)

1）以數(shù)字圖像水印算法為代表性實(shí)驗(yàn)，開發(fā)代表性實(shí)驗(yàn)的C語言版實(shí)驗(yàn)程序，培養(yǎng)學(xué)生基本編程實(shí)現(xiàn)的能力；

2）對(duì)代表性實(shí)驗(yàn)開發(fā)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生多種語言編程的能力，本項(xiàng)目中包括Java擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)和Android擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)；

3）對(duì)代表性實(shí)驗(yàn)開發(fā)混合編程實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生混合編程的能力，本項(xiàng)目中包括JNI混合編程實(shí)驗(yàn)和Android-JNI混合編程實(shí)驗(yàn)；4）結(jié)合各實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程撰寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書。

2 項(xiàng)目研究內(nèi)容

2.1設(shè)計(jì)高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目實(shí)施方案

本項(xiàng)目開發(fā)需要用到C語言和Java語言，涉及開發(fā)平臺(tái)包括Windows平臺(tái)和Android平臺(tái)，還需要采用JNI技術(shù)和Android-JNI技術(shù)。本項(xiàng)目的實(shí)施方案按照采用開發(fā)語言和開發(fā)技術(shù)的順序，先開發(fā)對(duì)應(yīng)程序，并結(jié)合效果編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，實(shí)施方案見圖2。

2.2開發(fā)C語言版常用圖像水印算法程序

本項(xiàng)目在Windows平臺(tái)采用C語言實(shí)現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項(xiàng)目選擇基于DFT（離散傅里葉變換）的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水印信息嵌入，再進(jìn)行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.3編寫C語言版常用圖像水印算法實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

結(jié)合已有的C語言版常用圖像水印算法程序，編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實(shí)現(xiàn)流程及描述、實(shí)驗(yàn)程序修改及效果。

2.4采用JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Java開發(fā)環(huán)境下C語言版圖像水印算法程序

本項(xiàng)目采用JNI技術(shù)，將C語言版程序按照J(rèn)NI的函數(shù)封裝格式，通過JNI編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，采用Java語言開發(fā)界面，在Java程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，調(diào)用C語言中函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像水印程序。

2.5編寫JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Java環(huán)境下C語言版圖像水印的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

結(jié)合已有的JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像水印算法程序，編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書主要包括整體程序的操作流程、JNI技術(shù)介紹、JNI技術(shù)開發(fā)流程、JNI技術(shù)開發(fā)例程。

2.6開發(fā)Java語言版常用圖像水印算法程序

本項(xiàng)目在Windows平臺(tái)采用Java語言實(shí)現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項(xiàng)目選擇基于DFT的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水印信息嵌入，再進(jìn)行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.7編寫Java語言版常用圖像水印算法實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

結(jié)合已有的Java語言版常用圖像水印算法程序，編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實(shí)現(xiàn)流程及描述、實(shí)驗(yàn)程序修改及效果。

2.8采用Android-JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Android平臺(tái)下C語言版圖像水印算法程序

本項(xiàng)目采用Android-JNI技術(shù)，將C語言版程序按照Android-JNI的函數(shù)封裝格式，通過Cygwin編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，采用Android語言開發(fā)界面，在Android程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，調(diào)用C語言中函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像水印程序。

2.9編寫Android-JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Android平臺(tái)下C語言版圖像水印算法實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

結(jié)合已有的Android-JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圖像水印算法程序，編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書主要包括整體程序操作流程、Android-JNI技術(shù)介紹、Android-JNI技術(shù)開發(fā)流程、Android-JNI技術(shù)開發(fā)例程

2.10開發(fā)Android平臺(tái)圖像水印算法程序

本項(xiàng)目在Android平臺(tái)采用Java語言實(shí)現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項(xiàng)目選擇基于DFT的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水印信息嵌入，再進(jìn)行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.11編寫Android平臺(tái)圖像水印算法實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

結(jié)合已有的Android平臺(tái)常用圖像水印算法程序，編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，該指導(dǎo)書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實(shí)現(xiàn)流程及描述、實(shí)驗(yàn)程序修改及效果。

3項(xiàng)目的先進(jìn)性與創(chuàng)新性

該項(xiàng)目的先進(jìn)性和創(chuàng)新性體現(xiàn)在三個(gè)方面。

3.1 提高學(xué)生動(dòng)手編程和解決具體安全問題的能力

以常用圖像水印算法為例，在MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)C語言版圖像水印程序，并編寫實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，通過該項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)，提高學(xué)生動(dòng)手編程和解決具體安全問題的能力。

3.2使學(xué)生具備C語言和Java語言混合編程能力

以常用圖像水印算法為例，開發(fā)Java語言版常用圖像水印算法程序，并且采用JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Java開發(fā)環(huán)境下C語言版圖像水印算法程序，通過該項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生具備C語言和Java語言混合編程能力。

3.3使學(xué)生具備Windows平臺(tái)和Android平臺(tái)混合編程能力

以常用圖像水印算法為例，開發(fā)Android平臺(tái)圖像水印算法程序，并且采用Android-JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)Android平臺(tái)下C語言版圖像水印算法程序，通過該項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生具備Windows平臺(tái)和Android平臺(tái)混合編程能力。

4研究成果與應(yīng)用

4.1 研究成果

通過本項(xiàng)目前期研究，形成以下成果：

1）高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)程序一套；

2）高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一套；

3）項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告一份；

4）出版教學(xué)改革專著一部，即《數(shù)字圖像水印算法的多種語言實(shí)現(xiàn)與分析》[4]；

5）申請(qǐng)國內(nèi)發(fā)明專利一項(xiàng)；

6）指導(dǎo)學(xué)生取得軟件著作權(quán)兩項(xiàng)。

4.2 成果應(yīng)用

高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目的研究成果，已經(jīng)應(yīng)用到信息安全專業(yè)本科教學(xué)及筆者的研究生指導(dǎo)工作中，具體包括以下成果。1）在數(shù)字圖像處理課程中增設(shè)VC圖像水印程序?qū)嶒?yàn)，該實(shí)驗(yàn)已在學(xué)校2018級(jí)、2019級(jí)、2020級(jí)、2021級(jí)信息安全本科專業(yè)開設(shè)，實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，累計(jì)實(shí)驗(yàn)100人次。2）在信息隱藏與數(shù)字水印課程中開展DFT域圖像水印實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)已在學(xué)校2018級(jí)、2019級(jí)、2020級(jí)、2021級(jí)信息安全本科專業(yè)開設(shè)，實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，累計(jì)實(shí)驗(yàn)100人次。3）在信息安全綜合實(shí)訓(xùn)課程中使用該項(xiàng)目開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)程序擴(kuò)展學(xué)生選題，該實(shí)訓(xùn)課程已在學(xué)校2018級(jí)、2019級(jí)、2020級(jí)信息安全本科專業(yè)開設(shè)，實(shí)訓(xùn)時(shí)間為2周，累計(jì)實(shí)訓(xùn)75人次。4）結(jié)合該項(xiàng)目研究成果，指導(dǎo)研究生撰寫科研論文《基于Android的變換域數(shù)字水印算法》已發(fā)表在《通信技術(shù)》上[5]。

總之，該項(xiàng)目研究成果的應(yīng)用與推廣，能夠提高學(xué)生的動(dòng)手編程能力，指導(dǎo)學(xué)生將理論進(jìn)行C語言編程實(shí)現(xiàn)，使他們具備C語言和Java語言混合編程能力，具備Windows平臺(tái)和Android平臺(tái)混合編程能力。

5 改進(jìn)與完善

本項(xiàng)目以培養(yǎng)高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力為目標(biāo)，以數(shù)字圖像水印算法程序?yàn)榇硇詫?shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)高素質(zhì)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目，取得豐富的研究成果，并通過成果應(yīng)用與推廣，提高學(xué)生的動(dòng)手編程能力，豐富學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的技術(shù)手段。該項(xiàng)目研究仍然存在不足，應(yīng)不斷加以改進(jìn)。1）該項(xiàng)目在圖像水印算法上只針對(duì)DFT變換域?qū)崿F(xiàn)，在未來的使用中可以加入多種水印算法，如基于DCT變換的圖像水印算法、基于DWT變換的圖像水印算法等。2）該項(xiàng)目的編程語言沒有結(jié)合Python語言，在以后的研究過程中可以補(bǔ)充Python語言實(shí)驗(yàn)和基于ctypes技術(shù)的混合編程實(shí)驗(yàn)。3）該項(xiàng)目應(yīng)研究線上線下混合教學(xué)模式，將SP0C⁺ 翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于面向信息安全專業(yè)本科生開設(shè)的核心課程教學(xué)[6]。

6參考文獻(xiàn)

[1]馮登國.準(zhǔn)確把握網(wǎng)絡(luò)空間安全技術(shù)發(fā)展的新特征全力助推國家安全體系和能力現(xiàn)代化［J].中國科學(xué)院院刊，2022，37（11）：1539-1542.

[2]網(wǎng)絡(luò)安全人才需求正旺，全國已有626所高校開設(shè)相關(guān)專業(yè)[EB/0L].（2024-09-20）[2024-11-21].https：//www.nisp.org.cn/NewsDetail/5175378.html.

[3]李子臣.密碼學(xué)：基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].：電子工業(yè)出版社，2019.

[4]丁海洋，數(shù)字圖像水印算法的多種語言實(shí)現(xiàn)與分析[M].：郵電大學(xué)出版社，2022.

[5]秦定武，丁海洋，張凡，等．基于Android的變換域數(shù)字圖像水印算法[J].通信技術(shù)，2023，56（1）：119-125.

[6]鄭淑麗，羅珣，胡東輝.面向信息安全專業(yè)的信息隱藏技術(shù)課程混合式教學(xué)研究與實(shí)踐［J].軟件導(dǎo)刊，2023，22（6） ：110-113.