网络工程专业密码学实验课程的云端教学模式研究

摘 要 针对网络工程专业密码学实验课程的教学实际，基于在线开放云端网安实验室，设计网络工程专业信息安全方向下密码学实验课程新的教学模式。从参与人员、实验平台和课程设计三个方面研究此实践教学模式，即以学生为主体，教师为主导；以云端平台为基础，寓教于乐，寓学于乐；结合实际灵活设计实验教学环节，开展无时空限制教学。

关键词 网络工程 密码学 实验课程 云端教学

中图分类号：G424 文献标识码：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

密码学包括密码编码学和密码分析学，主要研究密码理论、密码算法、密码技术以及密码应用等科学技术问题。[1]密码学是敌我双方智慧的较量，事关用户隐私，工业安全以及国防安全。在当今信息时代，密码学的研究与应用方兴日盛，且日趋紧迫而且重要。为实施国家安全战略，加快信息安全人才培养，国务院学位委员会与教育部于2015年正式增设“网络空间安全”一级学科，为信息安全相关专业人才的培养与开发奠定了坚实的基础。[2]随着“网络空间安全”一级学科的设立，我国信息安全人才培养取得了一定的进展，但专业人才缺口依然很大。围绕《2018年教育信息化和网络安全工作要点》精神和要求，网络工程专业积极探索信息安全方向密码学实验课程教学模式的新思路，促进信息安全人才的培养。

网络工程和网络空间安全两个专业在信息安全方向的系列课程即紧密联系又有区别。针对密码学课程，他是网络空间安全专业的核心课程和主干课程，在网络工程专业下则为选修课程。然而，不管密码学课程性质是必修或是选修，他都是一门典型的理论与实践相结合的专业课程。密码学以代数、数论和组合数学等为基础，其算法抽象且复杂，存在算法理解难，实验平台配置复杂和编程实现难的问题。同时，对于网络工程专业密码学课程来说，还存在学时少和教学资源不足等问题。让我们庆幸的是，信息时代下在线开放云端网安实验室，例如实验吧，U-SaaS开放实验云平台和合天网安实验室，为解决上述问题提供了良好的云端平台。

1 网络工程专业密码学实验课程的教学实际

密码学理论知识主要包括对称密码、公钥密码、Hash函数和密码应用等内容，其实验课程属于密码学理论课程配套的实践环节。在密码学实验课程中，可以加深学生对理论知识的理解，拓展学生的思维和眼界，锻炼学生将理论知识转化为实际应用的动手能力，是密码学课程不可或缺的有机组成部分。然而，网络工程专业信息安全方向密码学实验课程在实施过程中常面临以下困难。[3-5]

（1）密码算法理解与编程实现困难。密码学算法自身抽象而且逻辑关系复杂，如非對称RSA算法，包含多个子功能模块且功能抽象，学生在理解及编辑实现上出现阻碍，学习效率及效果降低。

（2）理论及实验课时偏少。网络工程专业密码学通常属于专业选修课，考核方式为考查，总学分和总学时一般为2个学分和36学时，远远低于网络空间安全专业密码学课程的总学时（网络安全专业密码学课程总学时一般大于等于50学时）。课时少，难于平衡理论教学和实验环节，突显了实验课程内容的单薄。网络空间安全和网络工程专业下密码学课程区别如表1所示。

（3）实验平台配置复杂且教学资源不足。密码学算法的实现常需借助于不同系统平台、密码函数库和应用软件，配置复杂而且繁琐，使得学生在前期准备阶段花费了大量时间和精力，不利于实验课程的展开。同时，实验环节教学资源不足，限制了学生思维和眼界的拓展，使得学生仅仅局限于书本知识和现有实验资源。

2 基于云端平台的实验课程方案

针对网络工程专业密码学实验课程的教学实际，基于云端平台对实验课程进行了设计，如图1所示。例如，在DES数据加密标准算法实验中，借助云端平台的可视化界面，可以通过动画的形式动态展示算法运行流程，并通过“人机交互”的方式进一步让学生了解和认识算法的核心运算模块，加深对算法的理解。在利用数字签名实现文件安全传输实验中，形式化展示文件传输具体过程，使得学生清楚明了文件的传输流转过程，最终认识数字签名的精确性和唯一性。

3 密码学实践教学新模式

基于在线开放云端网安实验室，设计网络工程专业信息安全方向下密码学实验课程新的教学模式，从参与人员、实验平台和课程设计三个方面研究此实践教学模式，即以学生为主体，教师为主导；以云端平台为基础，寓教于乐，寓学于乐；结合实际灵活设计实验教学环节，开展无时空限制教学。

3.1 以学生为主体，教师为主导

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确指出“要以学生为主体，教师为主导，充分发挥学生的主动性”。不同于传统的“老师教，学生听和学”，要在学生为主体的基础之上，强调学生的主观能动性。首先，教师主导作用体现在密码学备课之中，要在有限的学时里，反复钻研，精心组织，充分激发学生的注意力和求知欲，为后续实验课程打下良好的理论基础。教师的引导为外因，学生的学习为内因，要强调学生的主动性。学生有疑虑，有求知欲，进一步辅助以云端实验室，为学生提供验证和解决问题的良好平台，使得学生从知识的被动接受者，变成知识的主动探索者。特别的，基于云端网安实验室，使得学生一对一服务变得普适，使得学生的学习动力和效率得到加强，增强了学生一对一个性化辅导的体验。

3.2 寓教于乐，寓学于乐

兴趣是有效提高学生学习效率的推动力，是促进学生学习积极性的源泉，是学生最好的老师。[6]密码学算法看不见，摸不着，学生学习起来感觉无从着力，甚至因知识枯燥和难理解产生学习上的厌烦情绪。结合云端开放实验室，可以明确实验目的，简化实验初始配置，让学生把主要精力放到密码学算法本身。通过良好的线上学习氛围和多终端覆盖学习，使学生能够主动挖掘自己感兴趣的知识点，激发自身的创造力。良好的教学互动和图形化的动态展示，把传统的平面黑白文字转变成立体的动画，使得学习变成一件自主而且快乐的事情，寓教于乐，寓学于乐。

3.3 结合实际灵活设计，开展无时空限制教学

传统的基于实验室的实验教学，受限于实验室场地大小和开放时间的限制，不利于实验的灵活展开。云端网安实验室，利用云计算虚拟化等技术，可事先配置和部署，学生只需要通过因特网，远程登录云端实验室，即可访问线上实验室丰富的资源。云端实验室不受时间和实验室场地的限制，并可对实验环境进行隔离，让学生并行操作实验，也可对实验内容和规模进行灵活设计和扩展。云端实验室极大拓展了学生的学习时间和空间，从有限的实验室物理空间，伸展到整个无限云端虚拟实验空间，把有限的实验课时延伸为了全天时学习。从时间到空间，从内容到资源，为学生提供一种无时空限制教学新模式。

4 结语

云端网安实验室为网络工程专业密码学实验课程提供了一个良好的实践平台，利用信息时代下“在线实验”无时空限制教学新模式，从理论教学出发，依靠交互性、操作性更强的在线实践平台，激发学生的创造力，提高学习效率和效果，培养合格的信息安全人才。

参考文献

[1] 教育部高等学校信息安全专业教学指导委员会.高等学校信息安全专业指导性专业规范[M].北京：清華大学出版社，2014：1-174.

[2] 国务院学位委员会，教育部.国务院学位委员会 教育部关于增设网络空间安全一级学科的通[EB/OL].[2015-06-11].http：///s78/A22/A22_gggs/A22_sjhj/201511/t20151127_221423.html.

[3] 吴旭光，韩益亮.密码学实验课程 SPOC 建设探讨[J].计算机教育，2018（3）：32-35.

[4] 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（2）：70-73.

[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] 张瑞霞，唐成华，唐麟.密码学实验教学改革应用实践[J].计算机教育，2013（5）：68-71.

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