基于OBE教育理念的隐私安全理论课程教学设计.pdf

第 10 期2023 年 10 月 10 日计 算 机 教 育Computer Education中图分类号：G642126基于 OBE 教育理念的隐私安全理论课程教学设计蔡 惠，周 剑，吴家皋，孙国梓，桂林卿（南京邮电大学 计算机学院，江苏 南京 210023）摘 要：分析隐私安全理论课程教学现状与存在的问题，提出基于 OBE 教育理念的课程教学设计思路，从教学目标与方案设计、教学实践手段、教学成果评价 3 个阶段入手，详细介绍每个阶段教学设计的具体实施过程，旨在鼓励教师以自身专业领域知识为向导，以科研反哺教学，以科研训练的思维培养出具有实践创新、学科交叉融合的新型综合性人才。关键词：新工科；隐私计算理论课；OBE；教学改革；科研反哺教学文章编号：1672-5913(2023)10-0126-05基金项目：江苏省高等教育教学改革重点项目（2021JSJG144）。第一作者简介：蔡惠，女，讲师，研究方向为数据交易机制设计、大数据安全与隐私保护，。0引 言为响应习近平总书记提出的将“数据的开放与共享视为国家大数据战略发展”的重要方向，满足国家在大数据内容安全共享、价值挖掘等领域的发展需求，以隐私安全理论为代表的前沿科技已成为国家实施“互联网+”、创新驱动发展等科技举措的重要手段。在此背景下，教育部近年来提出新工科建设，旨在通过改革高等学校的工程教育，实现培养具有创新实践、学科交叉融合的综合性人才。隐私安全理论课程作为一门基础学科课程，未来极可能被广泛普及到各大高校的研究生课程中，其广泛推广将作为培养网络经济学领域人才的重要实施手段。1隐私安全理论课程教学现状与存在的问题目前，国内仅有少数知名高校开设了隐私安全理论相关的课程，其中北京大学数据科学学院于 2021 年度开设了专门的“应用数学专题讲习班”1，旨在介绍包括零知识证明、同态加密、安全多方计算在内的隐私安全领域的基础理论知识，并由此引出相关应用创新，例如去中心化的投票平台、拍卖平台的创建。另外，隐语开源社区联合上海交通大学、浙江大学、蚂蚁集团等国内知名高校企业界专家首次通过线上慕课的形式开设了隐私安全基础理论的线上课程2，旨在通过融合基础理论和应用实践，系统性地介绍基础概念、核心技术要点、典型应用案例等。可以看到，当前国内高校尚未系统性开设有关隐私安全理论基础的研究性课程，然而以密码学为核心基础，融合隐私保护技术的联合建模方案是实现隐私数据价值挖掘的核心技术方案，因此学术界有必要逐步推动对隐私安全理论基础知识的广泛普及，开设相关课程是具有现实意义的。目前隐私安全理论课程主要存在以下问题：课程内容授课形式相对单一，缺乏与学生间的有效互动；课程仍采用传统授课模式，授课以教师讲授内容为核心，缺乏对学生掌握知识的有效评估，因此也难以形成有效的反向教学设计，以持续改进教学评估；课程内容仅包含主流隐私保护技术以及相关的实际应用，但是并未包括以上算法的核心实现原理，因此也难以形成对算法的调优。教育与教学研究第 10 期1272基于OBE的隐私安全理论课程教学设计思路当前已有部分院校基于 OBE 理念展开信息安全课程的教学改革，其中文献 3 结合区块链前沿热点，以区块链钱包实验项目为例，提出将OBE 教育理念深入贯彻到教学实践中，并最终通过评价问卷的方式验证了教学效果；文献 4提出了一种针对信息安全基础课程的混合教学设计方案，基于 OBE 理念提出以学习成果为导向，并分别针对线上和线下展开教学实践；文献5 以物联网安全技术课程为例，提出以 OBE 为引导的新教学模式，强调线上教学应以学生为中心，以当前实际教学成果作为反思，并不断优化教学设计，形成有效的动态反馈；文献 6 针对计算机网络课程提出以培养学生思维能力为导向的教学设计，结果表明基于 OBE 理念的教学研究确实提高了学生的学习效果；文献 7 针对传统信息安全技术课程存在的局限性，提出以任务驱动融合翻转课堂的新实践教学模式，并以多维度的混合考核评价教学过程的有效性。基于 OBE 理念的隐私安全理论课程教学设计打破了传统的教师知识灌输为主导的教学体系，转而重点评价学生的综合学习能力，通过合理设置相应的教学目标，以此形成相应的达成度评价，并不断持续改进；以学生的个性化发展为中心，充分考虑学生的需求和特点，有望解决当前隐私安全理论课程教学形式单一、教学内容枯燥乏味等问题。另外，教师应充分利用自身专业领域知识，以科研反哺教学，以科研训练的思维来培养学生的创新实践能力。具体教学设计思路如图 1 所示，拟把隐私安全理论课程的教学设计分为教学目标与方案设计、教学实施手段、教学成果评价 3 个主要阶段：教学目标的制订和教学方案的设计应紧跟行业需求，围绕当前最新的核心技术手段展开，积极培养学生创新性思维能力，探索相应的创新性应用场景；教学实施过程应采用问题驱动的方式，以此激发学生的学习兴趣，并尝试融合交叉学科知识，以此来提高学生解决复杂实际问题的综合能力；教学成果评价应兼顾过程性考核和结果性考核。3基于OBE的隐私安全理论课程教学设计与实施过程3.1教学目标与方案设计教学目标的制订应首先符合学校对学生毕业要求的指标，其次还应结合学生及课程的实际情况，紧扣行业前沿需求个性化教学，启发学生创新性思维的能力。从毕业要求指标点来看，制订的课程目标应使学生能够利用流程图或自然语言描述，使用隐私保护技术解决数据共享的工程学问题，其次学生应能够使用基础的编程语言（例如 C 语言、Python 等）实现几种主流隐私保护算法（例如联邦学习、差分隐私等），最后学生应能从多角度分析几种算法的优缺点，并尝试给出图 1 基于 OBE 的隐私安全理论课程教学设计思路2023128计 算 机 教 育Computer Education可能的改进思路。另外，还应结合不同专业的生源情况，个性化制订不同的课程目标。例如针对具有较好学习基础的信息安全专业的学生，可进一步结合行业需求，制订培养创新性思维能力的目标，还应进一步围绕如何实现跨行业数据纵向联邦、跨行业联盟组建等当前业界难题展开深入探究，由此培养学生利用最新隐私保护技术解决前沿应用难题的创新实践能力。南京邮电大学当前与众多知名企业（例如中兴、华为等）保持着长期良好合作的关系，因此也可紧密合作，细化行业实际需求，帮助制订实际可行的课程目标。为了实现隐私安全理论课程的培养目标，设计的教学方案理应深入贯彻 OBE 教学理念，以培养学生创新性思维的能力。因此在设计教学方案时，不仅应该包含传统的隐私保护方法，还应引入当前学术界与工业界最新的隐私保护技术，并且通过实际案例介绍最新技术的解决思路，以及相应的优缺点。例如，针对跨域隐私数据安全共享的应用场景，应当涵盖当前最热的隐私保护技术：以密码学为核心、融合隐私保护技术的联合建模，以及依托可信执行环境的 3 类技术方法；并且针对以上技术在当前工业界实际的应用背景，分析在安全性、通用性以及计算效率等方面的差异，总结优缺点，以此来加深学生对知识的理解与记忆；还可进一步与传统的隐私保护技术对比，例如以去标识化技术为例，讨论最新隐私保护方法相比传统技术的优势以及当前的局限，并由此启发学生思考对当前最新技术的 改进。在设计教学方案时，教师可利用自身专业领域知识，进一步探索创新性的应用场景，帮助学生培养以创新性思维解决工程问题的能力，实现以科研反哺教学。例如，在介绍使用联邦学习框架实现分布式的隐私保护时，可首先介绍当前工业界的具体应用案例，以吸引学生兴趣。例如当前微众银行为训练更精确的用户信贷模型，正探索跨行业数据纵向联邦，以获取更细粒度的用户行为数据，训练出更精确的用户行为模型。为进一步激发学生创新性思考，还可引导学生考虑在工业物联网场景下，当涉及多个终端设备感知数据的聚合时，用户的位置隐私可能面临风险。因此，思考可采用哪些现有技术实现对用户位置隐私的保护。3.2教学实践手段课程基于问题驱动的方式实施教学过程，因此教学过程不再局限于狭义的课堂，且教学也不再以传统的教师授课为主，转而以学生为主体，教师通过设置问题引导学生深度参与课内外发布的课程任务。通过问题驱动的方式，实现以科研训练的思维培养学生自主思考的能力，即先抛出问题启发学生思考研究该问题的意义与必要性，然后讨论当前解决方案的优缺点，并基于当前技术的局限性，引导学生提出潜在的算法调优方案。根据授课阶段，分为如图 2 所示的 3 个核心阶段：课前准备、课中任务提炼、课后实践。图 2 基于实际问题驱动的隐私安全理论课程教学实施方案教育与教学研究第 10 期1291）课前准备阶段。在课前准备阶段，教师通过介绍前沿热点问题吸引学生兴趣。例如在追捕逃犯时，同省不同地级市的公安机关可基于各市高铁运行轨道数据集实时联动，精准定位逃犯在哪个站点下车。通过该例讲解，向学生展示隐私保护技术在实际生活中的重要应用，并发布该课程的重难点知识。同时教师发布若干选题供学生选择，例如如何利用差分隐私技术实现社交媒体数据集的安全发布。学生在了解课程考核目标后，自由组队并首次进行项目分工讨论。更重要的是，教师应注意引导学生自发思考问题，介绍解决该工程问题的大体思路，并适当给出点评，包括启发性的思考与总结。2）课中任务提炼阶段。第 2 个重要阶段是课中阶段，教师经过课前阶段跟学生的沟通，已大致了解学生对项目分解的规划。由此，可就大多数学生提出的重难点问题，结合工业界最新应用场景展开介绍。例如简单介绍原始的隐私数据集的生成过程，这部分数据可直接通过统计用户发布推文中关键字的频率来生成，更多细节可留待学生自学相关资料。另外，基于差分隐私的数据扰动算法是学术界常用的隐私保护手段，针对该算法实现的数据有效性不足的问题，进一步引导学生思考对现有算法的调优。与此同时，指出学生组内分工中的不合理之处，例如若部分学生的组内任务仅包括前端设计与开发，不涉及任何隐私保护算法的实现，这类任务分工将不利于该学生在本课程系统的学习。另一方面，针对教师提出的建议，学生进一步分解项目核心实现模块，例如将对隐私社交媒体数据集的发布策略分为隐私保护算法设计与隐私损失量化设计。同时学生组内不断参与探讨，并进一步落实每个知识点的理解与应用，为项目最终的实施作妥善规划。3）课后实践阶段。在课后实践阶段，学生应尽快实现项目核心功能，遇到问题及时与教师反馈，增强组内沟通合作，并尽快准备现场汇报，提交最终报告。面向隐私数据共享的理论课程关注如何基于隐私保护技术实现最大限度地挖掘隐私数据的价值，已成为大数据时代学术界及工业界竞相关注的重点研究课题。因此，有限课时的学习往往不能满足学生深入了解的需要，后期教师还可发布更多在线学习资料，供感兴趣的学生进一步拓展知 识面。3.3教学成果评价课程采用过程性评价与结果性考核相结合的方式，为了计算该课程的达成度，假设两者占比分别为 a%和 b%，此时 a%+b%=1。假设本课程总共有 l 个课程目标，用集合 O=O1,O2,.,Ol 表示，有 n 个支撑毕业要求的指标点，用集合P=P1,P2,.,Pn 表示，每个课程目标可能对应多个毕业要求指标点。考虑过程性考核总共包括 m项打分，可用集合 T=T1,T2,.,Tm 表示。每项打分可以是对项目参与度、课前准备效果、课堂学习效果、课后对知识迁移效果等的量化。对第 i项打分 Ti，用siT,riT 表示所有学生在该项打分上所获得的平均总分值以及实际平均得分，用OiTO，PiT P 表示该项打分对应的课程目标，以及所支撑的毕业要求指标点，因此可用表 1 表示过程性考核对毕业要求指标点以及课程目标的支撑。表 1 过程性考核对毕业要求指标点和课程目标的支撑打分编号打分分值实际得分毕业要求指标点课程目标T11ST1rT1PT1OTT22ST2rT2PT2OTTmSmTrmTPmTOmT过 程 性 考 核 的 总 分 为 100 分，因 此1100mSiiT=。用 TSjk和 TRjk分别表示过程性考核对第 j 个课程目标 Oj和第 k 个毕业要求指标点Pk的支撑分数和实际达成分数，因此过程性考核对 Oj和 Pk的达成度计算为 TRjk/TSjk。类似可得出结果性考核对 Oj和 Pk的达成度计算为 FRjk/FSjk，其中 FRjk表示结果性考核中对 Oj和 Pk的实际达成分数，FSjk表示对 Oj和 Pk的支撑分数。另外，考虑结果性考核包括对学生的阶段性考核评价、项目现场答辩打分、项目总结报告打分2023130计 算 机 教 育Computer Education等。最后，可得出本课程关于每个毕业要求指标点 Pk的达成情况评价值 VPk为：过程性考核和结果性考核分别在 l 个课程目标上总达成度的加权平均和8。将达成情况评价值VPk与目标值k进行比较，若 VPk k，认为该课程目标 Pk已达成；否则未达成。由于 OBE 的教学理念核心思想是持续改进，因此通过分析上一届学生关于每个课程目标的达成度完成情况，可针对性调整对下一届学生的教学实施方案。例如，针对结果性考核中项目总结报告质量偏低（低于目标值）的情况，发现根本原因可能在于学生独立思考的能力不足。因此可针对性提出相应的改进措施，例如，在课堂中，新增组内每个学生独立汇报重难点知识的时间，以此引导学生去独立思考并解决问题；针对发布给学生的开放性问题，教师介绍部分可能的解决思路，并引导学生提出创新性的解决方案。4结 语新工科背景下，教育部对高等学校培养符合国家战略需求的交叉综合性人才提出了新的需求，隐私安全类课程作为网络经济学领域人才培养的核心课程，其教学设计的不断完善有利于逐步实现国家创新驱动发展的战略目标。本研究摒弃了传统教学的不足，提出以 OBE 教学理念为核心的教学设计方案，强调以学生为中心，以学生的学习效果为导向，旨在提高学生的综合学习能力。另外，在教学实践过程中强调以问题为导向，以此极大地激发学生的学习兴趣，同时充分利用教师的专业领域知识，以科研反哺教学，用科研训练的思维去培养学生的创新实践能力，为未来投身于工业界发展做好充分准备。目前对该课程的教学设计还存在一定的不足之处，因此需要在未来实践过程中不断地改进与完善。参考文献：1 北京大学.2021年度北京大学“应用数学专题讲习班”教学内容和教学大纲EB/OL.2023-03-23.https:/ 隐语开源社区.隐私计算线上慕课MOOCEB/OL.2023-03-23.https:/ 李景涛,阚海斌,黄启轩,等.新工科背景下基于区块链的信息安全课程实验设计J.计算机教育,2022(8):176-180.4 杨建强,杭波,郑毅,等.基于OBE的混合教学模式在信息安全基础课程中的实践J.计算机教育,2021(3):143-148.5 刘庆俞,陈磊,陈宝国,等.基于OBE理念的在线教学研究与实践:以“物联网安全技术”课程为例J.无线互联科技,2021(8):149-151.6 顾军,姜秀柱,李锡渝.基于OBE的信息安全专业“计算机网络”教学研究J.科教文汇,2020(8):88-90.7 王文娟,孙奕,杨智,等.基于任务驱动和翻转课堂深度融合的信息安全技术课程实践教学模式探索J.计算机教育,2022(8):123-127.8 吴家皋,吴敏,周剑,等.基于E-R图的工程教育专业认证课程达成度评价方法研究J.计算机教育,2020(11):151-156.（编辑：孙怡铭）