密码学课程教学内容与教学模式研究

束妮娜 王怀习 王晨 吴一尘

摘  要：文章分析密码学课程特点及教学问题，构建密码编码与密码分析并重的教学内容体系，并提出应基于EduCoder平台和雨课堂开展SPOC混合式教学模式改革。理论课基于BOPPPS模型，利用Educoder平台和雨课堂，通过课前发布预习资料、课中讲解重难点知识及随堂测试、课后交流答疑及阶段测试，固化学习内容；实践课利用Educoder平台，通过发布实训项目，完成实践任务，提升实验动手能力。该模式实现了教师和学生在教学全周期中的多渠道实时互动和反馈，提高了学生参与课程学习的主动性，提升了课程教学质量和学生综合能力。

关键词：教学模式；在线教学；BOPPPS模型；EduCoder平台

中图分类号：G642   文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）08-0032-04

网络空间安全事关经济发展、社会稳定和国家安全，已得到了世界各国的高度重视，纷纷将其提升为国家战略。为了加强我国网络空间安全技术研究和人才培养，教育部批准设立了网络空间安全一级学科，国内于此掀起了网络空间安全学科建设浪潮。作为网络空间安全学科的专业基础课程，密码学为网络空间安全提供了理论基础和应用实践案例。目前，多数院校在本科人才培养方案制订过程中，按照突出核心课程、减轻学生课业负担的思路，大幅压缩了各门课程的课内教学总学时。［1-4］在课时不充裕情况下，既要夯实学生的理论基础，又要提升学生的创新实践能力、激发学生的学习兴趣，亟须研究体现学科特色的教学内容，改革传统教学模式，从课堂教学、实验教学及课程考核评价三个核心环节进行研究和实践。

一、密码学课程特点

密码学在网络空间安全学科知识体系中占据重要的地位，其主要特点如下。

（一）发展历史悠久，作用地位重要

密码学发展历史，既古老又年轻。说其古老，是因为自从有了战争，就有了密码学。20世纪70年代以前，密码学应用于军事政治领域。说其年轻，密码学的大发展是随着计算机和互联网普及应用而兴起，自此密码学成为实现数字保密通信和信息系统安全的主要技术手段，构成网络空间安全的基石，受到各方高度重视。

（二）学科交叉融合，数学基础较高

密码学是一门集数学、信息论、计算机科学、复杂性理论等于一体的深度交叉与融合的学科，涉及的内容非常广泛。从密码学基础理论到实用算法，涉及初等数论、代数数论、计算理论、概率统计、组合分析等多方面的数学知识，例如基于布尔函数构造对称密码，基于数论来构建公钥密码算法等。

（三）应用范围广，实践性很强

密码学旨在解决现实生活中的信息安全问题，实现信息保密、数据完整、身份鉴别与不可伪造等功能。密码学广泛地应用于数字通信、网络安全等领域，其应用性决定了其较强的实践性。密码学能够提供各种安全实用的密码算法，教学过程中理论与实际相结合。

（四）技术更新快，教学内容迭代快

纵观密码学发展史，从古典密码到对称密码、公钥密码，密码学在每个阶段都能融合当时的先进科技，一直在不断更新迭代。特别是近年来，密码学领域涌现出了大量新思想与新技术，如量子密码、区块链技术、生物密码等。为此，本课程内容需与时俱进，及时反映密码技术的发展现状与最新成果。

二、密码学课程教学存在的问题

密码学课程所涉及知识繁多，如何在限定课时内编排课程内容，采用何种教学模式，使学生切实理解与掌握密码学基本概念、核心算法与重要技术，是一件需要深入探讨的问题。

基于以上分析，研究发现目前密码学教学存在以下问题：

（一）课程教学内容设置学科特色不明显，缺乏有效抓手

密码学主要研究在有敌手的环境下的安全通信问题，主要分为密码编码学和密码分析学两个分支，密码编码学主要是对信息进行编码。而密码分析学则主要研究如何破译给定密码算法或破坏信息系统的密码安全功能。密码编码学与密码分析学对立统一，密码学天然地具备红蓝对抗特色。密码学课程教学多偏重于密码编码学，密码分析学重视不够，这与密码学的对抗性特征并不完全契合，其显性结果就是学生在参加信息安全技能赛中表现欠佳，不利于学生长远发展。

（二）教学模式较为单一，课时受限，学生畏难情绪大、兴趣不高

密码学是一门实践性较强的课程，但目前受限于课时，只能以课堂理论教学为主，实践教学内容设计与实验模式难以满足学生需求。在课堂教学方式上，主要以传统的灌输式教学为主。课程需要大量数学知识作为基础，一方面学生对先修课程掌握不牢，基础不扎实。另一方面，学生普遍感觉密码学概念和算法枯燥，兴趣不高、参与度低，课堂氛围不够活跃。特别是对数学基础薄弱的学生来说，存在畏难情绪，学习积极性差，整体学习效果不理想。

（三）实验内容设置不合理，缺乏优质的实践平台，学生实践和创新能力难以得到较大提升

由于密码学是一门实践性较强的课程，本校在密码学课程中安排了专项课程實验。但是，目前课程实验主要包含验证型、编程型和综合型三类实验。［5］验证型实验主要使用程序或软件对算法或技术进行验证。编程型实验主要是使用编程工具对算法进行编程实现。验证型实验操作简单，占用有限而宝贵的实验课时显得浪费。编程型实验中要在有限时间内编写密码算法难度大，完成度不高。综合型实验数目不足，无法促进学生对密码学新技术与新应用的认识和理解、激发学生的学习兴趣、培养学生的创新思维能力。另外，原有实验都是在机房实验环境完成，学生只能在课内上机，导致部分进度较慢的学生无法高质量完成。

（四）采用常规考核方式，难以全方位考查学生的学习效果

课程考核是评估学生学习效果的主要手段，科学有效的考核方法能极大地提升教学质量。传统考核方式以闭卷考试为主，仅仅考查基础理论知识的掌握情况，无法全面考查学生动手实践能力，不利于学生动手实践能力的培养。

三、密码编码与密码分析并重的课程教学内容改革

针对密码学教学实践中的问题，密码学课程内容改革的宗旨为：打牢数学基础，强化动手实践，渗透对抗思想，使学生理解与掌握密码学基本理论与方法，掌握密码产品的基本工作原理，培养学生解决现实信息安全问题的能力。［6］课程教材选取胡向东等人编著的《应用密码学（第4版）》，该教材内容全面，通俗易懂，兼顾理论与应用，但是该教材缺少密码分析学方面的内容，因此推荐选择道格拉斯·斯廷森（Douglas R.Stinson）著的《密码学原理与实践（第三版）》作为补充教材。

课程除传统的密码编码学方面的内容之外，重点增加了密码分析学方面的内容，设置了相关实验。增加的课程知识点如表1所示。新增内容的设置，不仅体现了网络空间安全学科的对抗性特征，而且这些知识点也是从近年来相关学科竞赛中出现频率较高的真题提炼出来的基础知识，对学生参加学科竞赛也起到了很好的支撑作用。

四、利用雨课堂和EduCoder平台构建在线课程混合式教学模式

小规模限制性在线课程（Small Private Online Cou rse， SPOC）对于校园内受众知识层次一致的群体具有广泛的应用价值，符合军队院校人才规模培养较小的实际。密码学课程包含理论教学与实践教学两个部分，非常适宜采用基于SPOC的混合式教学模式，如图1所示。其中，课堂教学主要基于BOPPPS模型，辅以“雨课堂”及“EduCoder”平台上的在线课堂来完成理论部分的教学。在线教学主要基于EduCoder平台，利用实训作业及相关功能模块来完成实践部分的教学。

（一）基于BOPPPS模型的课堂教学

BOPPPS模型将教学过程分解为内容导入（Bridge- in）、教学目标（Objective）、课程前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、课程后测（Post- assessment）与课程总结（Summary）六个步骤，以教学目标为导向，以参与式学习为核心，贯穿“以学生为中心”的理念。［7-8］值得注意的是，BOPPPS教学模型受到教学内容尤其是课堂规模的制约，适用于小规模的课堂教学，因此，也非常契合SPOC的教学模式。

将 BOPPPS 模型引入课堂教学，旨在完善课堂教学设计、规范课堂教学过程、提升学生的参与度，最终提高教学目标的达成度。随后，将“雨课堂”以及“EduCoder平台”的若干功能融入BOPPPS模型的各个步骤，具体体现在以下几个方面：

1. 导入环节是授课的必要环节，旨在引出课程内容，引导学生进入学习状态。导入的方式有很多，需要精心设计，也最考验功力。既可以在课堂上以讲故事、提问题等方式，也可以利用EduCoder平台上的“视频直播”或“实验演示”等功能，吸引学生注意，使其产生兴趣、激起动机。

2. 教学目标是所有教学环节的目标指向，是课程教学的总纲。教学目标必须具有可操作性，通常在课堂上明确地表达出来，也可以通过雨课堂和EduCoder平台中的“公告”功能进行预告，让学生心中有目标、行动有方向。

3. 課程前测旨在掌握学生对先学知识的掌握程度，可以在课前进行，也可以在课堂上进行。具体来说，课前进行的前测可以通过发布在EduCoder平台上的少量习题来完成，课堂上进行的前测可以利用雨课堂中的“随堂测”功能来完成。在线统计和发布测试结果，使得教师可以根据测试结果及时了解学生学习情况，适时给予针对性指导帮助。

4. 参与式学习凸显“以学生为中心”的教育理念，促使学生主动参与整个教学过程。具体来说，主要采取“讲、演、练”的方式：“讲”就是针对基本理论及重难点问题进行精讲；“演”就是利用相关软件进行操作演示；“练”就是依托EduCoder平台上的分组作业进行现场练习。还可以利用雨课堂的“弹幕”功能方便学生随时提出问题。

5. 课程后测可以实时反馈学生对课堂内容的掌握情况，是进行有效激励的重要一环。基于课程后测情况，教师能够更好地把握后续的教学，学生也能及时了解自己的学习情况，有针对性地查漏补缺。后测成绩则可以作为学生的平时成绩，成为实实在在的激励措施。

6. 课堂总结起着课程内容回顾、梳理和归纳的作用，可以融入互动环节以加深学生对本次教学内容的印象，帮助学生构建长时间知识记忆。具体来说，可以将课堂总结以思维导图的形式发布在雨课堂或EduCoder平台上，利用“讨论”功能引导学生归纳重点、理清知识脉络、发展兴趣、活跃思维。

BOPPPS模型简单易懂，对提高教学质量具有很好的指导意义，但在实际教学中，切实用好BOPPPS模型需要教师下一番功夫。从近些年来的教学实践可以看出，采用BOPPPS 教学模型进行课堂设计显著提高了学生的学习效率和学习质量。［7-8］

（二）基于EduCoder的在线教学

头歌平台（EduCoder）将开放共享、群体协同、持续评估的互联网演进机理引入实践教学平台构建过程，形成了一种支持大规模开放在线实践（Massive Open Online Practice，MOOP）的教学资源共建共享新型教学模式与平台，突破了自动化评测等一系列难题，为科研院所与创新企业实践教学与培训模式升级提供了重要方法和途径。［9-10］

EduCoder设计了多样化的用户使用模式和自动化评测机制以满足不同课程实践教学需求，其中在线编程模式主要为用户提供在线编程窗口，用户针对实训作业中的开发任务进行在线代码补全，完成相应的功能要求，非常适合本课程模块化实验的设计理念，［11］因此，这里主要介绍基于EduCoder平台的实践教学过程，如图2所示。

整个教学过程分为课前、课中和课后3个阶段。课前，教师在平台创建课堂，并布置课前学习任务。学生登录平台加入教师所创建的课堂，完成课前学习任务，平台对任务完成情况进行实时统计分析；教师根据平台的数据分析情况，充分掌握学生的学习基础，对课程实施进度节奏进行调控。课中，教师在信息化教室完成实训原理讲授后，通过平台发布实训闯关挑战，实训内容可以由教师在课前创建，也可以来自平台资源，可有效调动学生学习兴趣。学生通过闯关挑战，获得经验积分。教师可以实时掌握学生闯关任务完成情况，动态调整教学策略，有的放矢。课后，教师基于学生完成实训作业情况，选拔有竞赛潜力的学生，定向发布竞赛闯关作业，再根据学生表现开展专题指导，帮助学生提升竞赛能力。

基于EduCoder的在线实践教学提供了一种全新的学习模式，促使学生学习变被动为主动，有效激发学生的兴趣与参与热情，提高学生创新实践能力，提升学生学科竞赛成绩。

（三）基于信息化平台开展过程性考核

雨课堂和Educoder平台为教师提供了全过程教学数据，包括课程预习、课堂表现、在线答题、交流讨论、作业表现、階段测试情况等，系统会自动开展统计分析，教师基于系统数据科学给定学生形成性考核成绩，形成性考核成绩占到总成绩的60%。教学全过程的数据分析让教师能够随时掌控学生学习状态与效果，让教与学过程透明化，形成性考核调动了学生学习的主动性和积极性，让学生真正成为课堂的主体。

五、结语

课程教学加强密码分析内容，实现密码分析与密码编码内容的相对平衡，突出创新实践能力培养。基于BOPPPS模型将雨课堂和Educoder实训平台用于教学实践中，凸显“以学生为中心”的教育理念，把学生置于课堂舞台的主角位置，最大化地释放“教与学”的活力，科学地设计“课前-课中-课后”每一个教学环节，保证了教学过程的高效实施，提升密码学教学的整体效果。

参考文献：

［1］ 郭宇燕，孙梅，余磊，等. “新工科”背景下密码学课程改革探究［J］. 电脑知识与技术，2018，14（14）：117-119.

［2］ 李德顺，姚姜源，羊秋玲，等. 本科院校密码学课程体系建设研究与实践［J］. 高教学刊，2021，7（36）：93-96.

［3］ 刘杨，王佰玲. 面向网络空间安全新工科的密码学教学研究［J］. 高教学刊，2018（12）：13-15.

［4］ 李梦东. 《密码学》课程设置与教学方法探究［J］. 北京电子科技学院学报，2007（03）：61-66.

［5］ 束妮娜，王怀习，王晨. 密码学课程实验教学改革探索［J］. 大学，2021（39）：107-109.

［6］ 苏婷，蒋琳，房敏，等. 基于攻防结合和热点应用的密码学课程设计［J］. 计算机教育，2022（03）：53-56.

［7］ 魏曙寰，耿俊豹，刘晓威. BOPPPS教学模型的内涵及运用方法探析［J］. 教育教学论坛， 2019（01）：198-199.

［8］ 王宏坡，田江艳. BOPPPS教学模型对大学新教师课堂教学的启示［J］. 教育教学论坛， 2018（20）：210-211.

［9］ 尹刚，王涛，余跃，等. EduCoder：大规模开放在线实践教学探索与应用——疫情防控下的在线实践教学新途径［J］. 软件导刊，2020，19（10）：1-7.

［10］ 夏旭，漆华妹. 基于EduCoder平台的高职程序设计类专业课程改革分析［J］. 无线互联科技，2019，16（10）：69-73+93.

［11］ 秦艳琳，吴晓平. 模块化密码学实验教学方法研究［J］. 计算机教育，2013（02）：70-73.

（责任编辑：邵秋露）