基于OBE理念的应用密码学课程教学改革.pdf

99计 算 机 教 育Computer Education第 11 期2023 年 11 月 10 日中图分类号：G642基于 OBE 理念的应用密码学课程教学改革徐伟光1，王保华2，曹铁勇1，王金双1，申海霞1，杨兰娟1，潘 林1（1.陆军工程大学 指挥控制工程学院，江苏 南京 210007；2.陆军工程大学 教务处，江苏 南京 210007）摘 要：针对应用密码学课程教学目标不够精准、教学内容多且难的问题，以 OBE 教育理念为指引，从校准课程教学目标、精设教学内容、优化教学策略、革新考核方式方面介绍具体课程教学改革过程，最后说明教学效果。关键词：OBE；应用密码学；教学改革；BBF文章编号：1672-5913(2023)11-099-05基金项目：全国教育科学国防军事教育学科规划课题；军队重点课题“军队院校智慧教学及应用模式研究”（JYKYC2021011）。第一作者简介：徐伟光，男，副教授，研究方向为网络空间安全、密码学，。0引 言密码学是信息安全的核心技术，是维护国家和军队网络空间安全的基石1。目前国内很多高等院校的计算与信息科学类、应用数学类、计算机类、电子通讯类等专业开设了密码学相关课程2。据不完全统计，全国至少有 42 所院校开设了密码学相关课程，其中8所院校开设了线上慕课3。密码技术和装备是军事电子网络信息系统的核心，是保护军事信息免受窃听、篡改和伪造等攻击威胁的关键。在军队院校信息安全专业开设密码学课程的意义，不仅在于培养学员掌握密码学相关知识体系，更重要的是培养学员自主学习的能力和独立发现并解决安全问题的能力4。应用密码学教学内容数量多、门类杂、理论抽象复杂4，实践应用与实际结合紧密5，但同时学时较短2。要承载如此庞大的知识体系，如果要面面俱到，只能浅尝辄止2。如何建设应用密码学精品课程，为信息安全专业人才培养提供有力支撑，是广大密码学教师长期面临的课题和挑战6。1对标“一品四力”，校准课程教学目标依照 OBE 教育理念，科学准确的课程教学目标是保证课程教学设计质量的前提。密码学课程依托的学科专业差异大1，不同院校、不同学科专业理应在课程教学目标上有所不同。课程教学目标要从岗位需求开始，深刻分析军官胜任部队任职能力的标准、结合院校办学追求和学员发展诉求，倒推人才培养目标和能力素质标准，进而设计课程体系、课程目标和课堂教学7。以军官品质、领导管理能力、作战指挥能力、专业业务能力和创新发展能力为重点的“一品四力”是准确分解、刻画专业人才培养目标的一种综合评价标准体系7。1.1注重高阶能力，明确课程教学总目标对标信息安全专业“一品四力”标准体系明确的课程教学总目标见表 1。其中，知识目标是信息安全专业人才知识体系不可缺少的组成部分，是学习后续专业课程的基础；能力目标是他们正确运用密码学知识遂行相关任务能力必须具备的能力和素质；情感态度与价值观目标是新时期军队使命任务对当代革命军人的必然要求。1.2注重精准量化，分层解构目标为更准确地指导教学内容、教学策略和考核方式的设计，我们将课程总目标细化分解为课堂目标，按照布鲁姆认知目标分类学的方式，使2023100计 算 机 教 育Computer Education用 6 个层次的认知动词和 4 个层次知识组成动宾短语，精准可测量地刻画课堂具体目标，注重高阶能力、细化精准的教学目标以更加清晰的指向性，直接支撑专业人才培养目标，并能精准、有效地统领课程教学内容、教学策略和考核方式的设计。2以有效支撑课程教学目标为导向，精设教学内容2.1紧密围绕目标，精选教学内容在数学基础方面，精选初等数论和抽象代数中对学习理解密码算法基本原理有直接支撑作用的数学基本理论作为教学内容。在密码学原理方面，精选各模块的代表性算法作为教学内容，强调密码算法的外部特性和对信息安全目标的支撑作用，使学员在面对具体安全需求问题时，能够正确选择和组合使用密码算法。在密码分析学方面，对只在理论上有密码破译意义的密码攻击方法进行精减，强调针对密码学部件在军事背景下误用导致的脆弱点分析方法，使学员能快速准确发现网络信息系统中的密码技术漏洞缺陷。在密码学实践方面，只要求学员了解密码算法的实现途径，强调使用 OpenSSL 和 PyCryptoDome 等密码学工具和函数库实现对密码学部件误用脆弱点的分析能力。所有教学内容紧密围绕教学目标，更加注重在理解密码学知识的基础上，综合运用知识解决实际安全需求问题，分析密码部件误用漏洞缺陷的能力素质，从而更有效地支撑学员培养目标的达成。2.2厘清主线，串联教学内容体系在精选教学内容的基础上，用两条主线串联和架构起 3 个层次、4 个模块的教学内容体系，如图 1 所示。两条主线分别是信息安全目标和相关数学基础；4 个模块分别是对称密码、完整性保护密码算法、非对称密码和密钥管理与分发。通过建立各模块与信息安全目标之间的支撑关系，学员知道要满足不同信息安全目标，应当选择哪一类密码技术和如何组合这些密码技术。层次是典型密码算法及其外部特性，目的是让学员知道在每一类密码技术中，有哪些具体的密码算法可以使用，以及如何使用；层次是典型密码算法的内部原理，目的是让学员在未来工作场景中，能够通过目标系统工作流程特征辨别所使用的密码算法；层次是密码算法的底层机理，目的是让学员理解错误使用密码技术可能导致的系统脆弱性，以及如何分析和发现这些脆弱性。3以高效达成教学目标为导向，优化教学策略为了高效达成教学目标，根据教学内容的衔接关系和学员能力的生成规律，要突出教学重难点，秉承进阶赋能、融合协同和铸魂为战的理念优化教学策略，将一个教学周期划分为筑牢理论基础、融通密码原理和锤炼对抗能力 3 个阶段，循序渐进地实施，利用智慧教学条件构建高效学习模式，并在全过程贯穿课程思政。3.1类比启发式教学法在筑牢理论基础阶段，主要采用类比启发式精讲的教学方法。利用生活中通俗易懂的示例类表 1 应用密码学课程教学总目标目标类别目标要求知识能说出信息安全和密码学的基本概念能阐释典型密码算法的基本原理能力能正确选择和运用密码算法进行加解密能快速发现和准确分析密码技术误用导致的漏洞缺陷提升对抗思维和工程思维情感态度与价值观强化向战为战的价值追求和甘做无名英雄的奉献精神密码学第 11 期101比（例如用烤牛排撒盐类比随机加密，用颜料或者光影的混合类比幂模与离散对数），用多媒体动画直观呈现，启发关联想象，解决数学理论抽象、难领会的教学难题1，为学习密码学原理奠定坚实基础。3.2对抗研讨教学法在融通密码原理阶段，主要采用分组对抗研讨的教学方法，将学员分为正反两个小组，针对某一个具体安全问题，围绕安全防护方案和分析利用方案开展探究研讨。学员在对抗博弈，反复交锋和迭代改进的过程中，重走密码技术演进之路，解决密码学原理公式易记、道理难明的 问题。3.3“BBF”实践教学法密码学具有显著的对抗特点8，因此在锤炼对抗能力阶段，创新设计 BBF（Build、Break、Fix）实践教学法。课前是 Build 环节，各小组秘密设计实现一个含密码技术漏洞缺陷的信息系统原型；课中是 Break 环节，小组间互相分析、发现对方系统中的密码技术漏洞缺陷，并加以利用；课后是 Fix 环节，撰写实验报告，提出修复漏洞缺陷的方案，总结漏洞缺陷产生的原因和安全应用密码技术的注意事项。3 个阶段均以学员为主体参与者，学员全身心参与设计、分析利用和运维修复，密码技术安全应用能力和动手实践能力都能得到充分锻炼，对抗意识和对抗思维亦能得到有效提升，解决了密码实践能力难生成的问题4，9和算法编程难的问题8，10。3.4智慧教学手段要依托智慧教学条件，开展高效互动和数据采集，将教学时空向课外和线上延伸。在课堂外，利用陆工在线平台建立学习目标、习题、学习资源之间的关联关系，进而为教员的内容选择、教学环节设计和教学效果评估提供数据支撑，为学员巩固知识点与进一步拓展提供个性化资源服务。在课堂上，基于智能屏和电子书包，为小组构建相对独立的研讨环境；利用多屏联动和共享操作功能，为小组间开展对抗式研讨提供便捷的交流途径；通过作业分享、随机选人等教学辅助手段，为课堂教学组织和实时学情记录提供支撑。在线上线下、课内课外深度融合的学习环境中，师生、生生高度协同，为在有限学时内达成课程教学目标提质增效。3.5课程思政密码学对于国家和军队安全至关重要，其发展史必然伴随着政治、军事和外交上的对抗活动，其课程思政元素俯拾皆是1，3。在古典密码体制教学中，穿插讲述破解密码对赢得战争胜利的巨大价值，让学员体会密码技术与军事战争的紧密联系。在现代密码体制教主线一机密性对称密码完整性真实性不可否认性非对称密码完整性保护密钥管理与分发层次：密码算法外部特性层次：密码算法内部原理层次：密码算法底层机理支撑主线二概率论数论抽象代数支撑图 1 教学内容体系组织关系2023102计 算 机 教 育Computer Education学中，应穿插讲述美国等西方国家为争夺密码技术标准霸权所采取的卑劣手段。在密码体制安全应用教学中，通过剖析利用密码技术漏洞可能造成的惊人毁伤效果，学员认识到密码技术对维护国家和军队安全的战略意义，潜移默化地提升新时代革命军人的使命责任感；在密码技术对抗教学中，通过梳理密码技术在矛盾统一中螺旋式上升的演进过程，讲解密码算法复杂度量变引起质变的基本原理，引导学员巩固辩证唯物主义世界观；在密码学数学基础教学中，引导学员体会和欣赏数学的抽象之美、对称之美，感受数学的不同之同和无用之用。4以传导学习压力和检验能力素质为导向，革新考核方式课程考核由形成性考核和终结性考核组成，分别通过陆工在线采集学习数据（占比 30%）、实验过程观察记录（占比 35%）和闭卷考试（占比 35%），精准考查平时学习状态、知识综合应用能力、知识认知程度。4.1利用智慧教学手段有效传导学习压力动力陆工在线智慧教学平台不仅能实现习题自动评分，精准考查学员对知识点的理解和灵活运用情况，而且能结合课堂参与程度、任务完成先后顺序等信息向学员实时展示其学习目标达成情况、综合评分排序情况等，从而辅助学员准确认知其学习状态，直接感受学习压力，增强学习动力，从而及时调整学习策略。4.2依托“BBF”实验强化高阶思维能力考查“BBF”实验过程既是对学员综合应用能力、沟通表达能力、团队协作能力和高阶思维能力的全面培养锻炼，又是一场全面的考核检验。在Build 环节对各小组从团队协作、贴近实际、有所创新、难度适中、趣味性浓、标准化管理、代码质量高等 7 个维度进行教员评价和小组互评。在 Break 环节对各小组从分析速度、分析能力、编程实践能力、口头表达能力、信息素养、团队协作、创新能力 7 个维度进行综合评价。在 Fix环节，对各小组提交的实验报告从文档格式整洁美观、观点表达清晰准确、漏洞修复方案正确、态度端正情感真诚等 4 个维度进行评价。4.3精准化闭卷考试突出高阶认知目标考查针对课程认知目标，通过精准化命题开展闭卷考试。例如，本学期闭卷考试试题覆盖了课程主要内容，不仅考查须记住的事实性知识（占总分值约 9%），且注重对概念性知识（占总分值21%）和过程性知识（占总分值 21%）的理解和应用（占总分值 62%）的考核，个别题目还对学员利用已学知识分析复杂问题和创造性求解能力进行了考核（占总分值 20%）。精准化的形成性考核、“BBF”实验考核和闭卷考试，不仅能形成课程教学目标达成情况的总体态势分析（图 2），帮助教员持续和及时改进教学策略，而且能为每一位学员的学习情况形成精准画像（图 3），帮助学员全面准确认知自我，为开展个性化教学提供支撑。图 2 部分教学目标达成度态势分析密码学第 11 期1035结 语应用密码学课程的教学改革与实践始终贯彻OBE 的“产出导向，反向设计”理念，以专业人才培养标准为出发点，校准课程教学目标，反向设计教学内容、教学模式、教学方法、教学手段和考核方式，在教学设计的各个环节全面体现了铸魂性、为战性、高阶性、创新性和挑战度。在具体实践过程中，科学运用类比启发、对抗研讨和“BBF”实践教学方法，学员作为主角开展创新创造、分析批判、编程实践、领导协作、沟通交流，未来岗位任职所需要的能力在这个过程中图 3 学员综合能力素质画像学员 3学员 4得到充分锻炼与进步。充分运用线上教学平台和线下智慧教室提供的新一代信息化教学手段提质增效，有效解决了“融合式”培养模式下时间少、内容多、目标高的难题。从主观观察的教学效果来看，学员的学习态度更加端正，学习积极性明显提升，学习理论难点更加容易，动手实践能力显著提高。然而，课程真正的育人成效难以在短期内直接显露出来。学员通过本门课程学习之后的产出，需要结合其他课程并在未来走上工作岗位之后才能得以体现。如何科学评价教学改革实践措施对育人成效的作用，是下一步需要探索和研究的重要课题。参考文献：1 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):93-96.2 周敏,王莉芳.“新工科”背景下融合MOOC和翻转课堂的教学模式探索与实践:以西北工业大学“计算机编码与密码学”课程为例J.高教学刊,2021(1):1-6.3 李艳俊,欧海文.特色院校密码学优质课程建设研究J.北京电子科技学院学报,2020,28(3):74-80.4 解男男,从立钢,祁晖,等.现代密码学在线对分课堂设计J.计算机教育,2020(11):157-160.5 边胜琴,姚宣霞,崔晓龙,等.现代密码学教学实践探索与改革J.中国教育技术装备,2020(10):84-86.6 周潭平,韩益亮,杨晓元,等.公开课在密码学课程教学中的融合应用J.计算机教育,2020(3):23-25.7 周雷,王保华,李民.以“新军科”建设引领军事高等教育创新变革:试论新时代生长军官人才培养体系的重构J.信息工程大学学报,2019,20(5):629-634.8 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):107-109.9 吴旭光,韩益亮,朱率率,等.密码应用与实践课程建设探讨J.计算机教育,2020(3):8-11.10 牛淑芬,王伯彬,刘文科.本科生密码学实验课程的教学探讨J.教育教学论坛,2020(31):284-286.（编辑：孙怡铭）学员 1学员 2