密码学课程SPOC教学模式的实践探究
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作者:张姗姗
摘要：针对密码学能够保障信息安全的专业特色及疫情期间线上教学的需求，结合SPOC模式的专属性、重组性等特点，提出密码学课程SPOC教学模式的总体规划，首先分析了该教学模式的特色，接着阐述了具体的实施策略，并通过设计RSA加密方案的SPOC模式教学过程，体现多角度促进混合式教学的教学成效。
关键词：密码学；SPOC；教学模式；密码方案；教学成效
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）12-0150-03
1 引言
MOOC（Massive Open Online Courses），简称为慕课[1-2]，是具有分享协作精神的个人或组织发布在互联网上的大规模免费开放课程，倡导的是一种全新的知识传播模式和学习方式，其理念的核心在于“以学生为中心”，具有大规模、开放访问等特点。国内外高校在2013年陆续推出自己的MOOC平台，但因其制作成本高及学习管理方面存在较大挑战，故可将MOOC优质资源与面对面的课堂教学有机结合起来，即采用SPOC （ Small Private Online Courses ） 模式[3]。针对在校注册学生，在本地自制或借助已有MOOC资源，按照课程大纲要求来重新组合设计，重组教学资源，促进混合式教学，为疫情期间的“停课不停学”保驾护航，也为后续的线下教学提供新的教学方式。
随着计算机和通信网络的迅速发展，信息的安全性已受到人们的普遍重视。信息安全不仅仅局限于政治和军事外交等领域，已与人们的生活息息相关，没有信息安全就没有国家安全，而密码学能够为信息安全提供强有力技术保障[4-6]。
密码学作为安全类专业的基础课[7-10]，目前大多仍是传统授课模式，教学内容偏理论，缺少实践案例教学设置，没能发挥学生的专业特长；教学方法满堂灌，“PPT+粉笔”式教学缺少新意，学生主观能动性没有得以充分调动；考核形式单一化，一考定输赢已经不适合素质教育的要求，且学生自我要求有待重塑。而在SPOC的新型教学模式推动下，密码学课程的教学应在冲击中求发展，在发展中见成效。
2 SPOC课程的创建及其特色
在MOOC平台，由学校教务部门创建SPOC课程，学生需注册后进入班级，从公告栏可以看到课程的近期要求。一般SPOC课程由公告、评分标准、课件、测验与作业、考试以及讨论区组成，可以借助已有MOOC资源进行先整合再优化。
传统课堂主要以教材内容为主线，很少关注学科发展前沿，现有教材本身都偏重理论的介绍，脱离实际背景，导致知识结构急需更新，学生专业素养无处施展。而SPOC模式的密码学课程可以在结合国内外密码学学科优秀教材和线上教学资源前提下，逐步丰富教学内容，让密码应用与密码理论接轨，挖掘学生的编程能力，实现密码算法，巩固知识，拓展应用场景。具体地，SPOC课程的特色如下：
（1） 教学方式灵活化，调动学生主观能动性
结合多媒体的教学方式已经不能满足网络时代的教学需求，而基于MOOC的开放式教学体系是现有教学方式的灵活补充，创建专属SPOC，利用慕课堂在线答题，实时互动，激发学生的参与感，调动学生的内在驱动力。
（2） 教学评价合理化，展现学生全方位技能
利用SPOC教学可以建立更合理、更灵活的考核机制，终结一考见分晓的局面。关注学生平时学习动态，搜集整理SPOC中学生在线学习的时长、次数、作业及测验成绩、讨论区的互动数据等，全方位综合评价学生。
3 密码学课程SPOC模式的实施策略
密码学课程的学习需要学生具备抽象代数、概率论、有限域、高等代数等基础数学理论知识，在了解学生的实际数学理论层次的基础上，适当补充底层储备。科普密码相关法律法规及国家商用密码标准，关注密码最新发展动态，做到跳出课本，丰富教学内容，紧追前沿走向。教学内容多样化，挖掘学生潜在专业素养。密码学SPOC课程的实施策略如下：
（1） 整合资源，完善课件，教学内容要深挖
梳理国内外著名高校的线上教学视频及密码学经典教材，如斯坦福大学在线教育网站Coursera上的密码学课程、经典教材《Introduction to Modern Cryptography》等教学资源，自制适合本科生能力水平的教学课件讲义。介绍密码学领域三大顶级会议上的最新研究进展，站在前沿引领课堂。在SPOC平台设置密码学的数学理论基础空间，满足不同知识层次学生的需求，以便学生夯实数学基础。围绕密码的攻防局面，全盘考虑，以效率为推手，以实用为目标，培育社会急需的优秀密码工作者。
课堂中适时插播“了不起的密码”系列小视频，从了解密码的起源发展到当今所处地位，让学生明白网络强国建设必须实现密码自主可控，鼓励学生自主创新。通过案例式教学，树立学生密码学法律法规意识，用法律武器武装自己保护自己，通过自身专业素养的提升，进一步U大科普范围。
依托教材，衔接密码学的SPOC平台，线上线下双管齐下，将网络资源筛选择优放入平台，融全网之力打造个性化、友好化界面，渗透式的让学生学会善于利用课程精心设置的每个环节，记录学习点滴，促生学习成就感。
我国自2020年1月1日起施行《密码法》，重点规范了什么是密码、谁来管密码、怎么管密码以及怎么用密码。而这些在当前的教材中尚未及时补充，密码学课堂上可以演示生活场景中的对与错，润物细无声的普及专业法律常识，做到知法守法。此外，国内外密码专家的榜样身影也会随着不同算法的推进而与同学们见面，寻找各自的力量，带领我们一起听风、看风、捕风。
（2） 课堂为主，SPOC为辅，线上线下齐步走
主抓课堂，配以专属SPOC，不但能满足线上教学的需求，更能为之后的线下课堂注入活力。如调入慕课堂，线上视频随时播放，线上线下无缝衔接，预习学习巩固一体化筹划，主辅搭配，创建高效课堂。如在分组密码的讲授过程中通过结合国际数据加密标准DES及高级数据加密标准AES每一轮的动态演示，让同学们看到加密对象的初始表达及加密后的密文形式，这样可以由抽象到具体，逐步提高对加密算法的认知。
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SPOC的创建方便学生通过观看课程视频和参与测验的形式做到随学随练，它是真实课堂的有效延伸，及时更新公告栏，做到线上线下的有机结合，引导学生合理规划时间，提高学习效率和教学效果。在讨论区可以及时设置有针对性的问题，比如有两位百万富翁想在不让对方知道自己具体财富数值的前提下，比较出谁更富有，该如何设计算法来得到准确的结论？让大家畅所欲言、发表己见，教师也可以参与讨论并对同学们的提议给出点评，还可评选出优秀评论。线上线下的结合，温故而知新，滴水成涌泉。
（3） 综合考查，注重平时，提高学习主动性
学生已习惯于“灌输式”教育，尝试能动性差，满足于“过关式”考试。变静为动，变被动为主动，变一锤定音到全面开花将是要长期考虑并落实的问题。
由于传统的灌输式教学模式，使学生时长处在似听非听的状态，缺乏主动性，缺少参与感，而SPOC课程的引入，方便学生通过公告查看任务，学习视频参与讨论，带着问题加入课堂，完成作业和实验，无形中体现自我价值。这样如此循环，加之适当引导，及时答疑解惑，能够激发学生的学习热情和主观能动性。同时自然地综合平时的学习情况及效果，ρ生做出更加准确的评判提供了过程性依据。除了对个人各方面的表现打分外，还需引入团队合作评价机制。设置若干分组作业，通过各小组代表汇报的形式，当场投票产生最强团队。这样一方面可以在班级内部形成有效的讨论团体，也有利于培养大家的合作共赢意识，不但解决了老师抛出的问题，更重要的是能够提高学习的主动性。
4 密码方案的教学实例
没有网络安全就没有国家安全，建设网络强国，要有自己的核心技术，而密码技术是安全的关键，强有力的技术可以防御敌手的攻击，但内部的崩盘则会轻而易举地导致堡垒的坍塌。密码学课堂除了技术，更重要的是通过真实案例，正确引导，帮助学生树立正确的人生观和价值观，顾小家才能为大家，家国一体，体现技术与情怀下的安全防护[11]。我们将通过具体密码方案的教学设计来彰显SPOC模式的张力。
下面以密码学中公钥密码的典型代表RSA加密方案的教学为例展开SPOC模式的设计，具体分为以下四个教学环节：
教学环节1：课前导引。课前在微信小程序慕课堂发布课前任务，告知学生需要做的课前准备都有哪些。具体到本节课，课前任务是在中国大学MOOC上观看山东大学、电子科技大学及西安邮电大学的密码学精品课程中的教学视频，并尝试回答发布的问题，如公钥密码体制提出的需求背景是什么？它与对称密码的区别是什么？构造公钥密码的关键环节是什么？寻找RSA在我们日常生活中的应用场景。
教学环节2：课堂讨论。线下课堂时首先让学生扫码进入慕课堂签到，通过SPOC查看大家观看视频的时长，合理分组来讨论课前导引设置的问题，小组内部讨论后，派代表与大家分享各组的想法及陈述理由，在碰撞中寻求真实答案。
教学环节3：课堂讲解。结合课堂讨论，正式进入教师主讲模式，首先对各组的回答表态并给予参与的鼓励，在讲解中逐个给出每个问题的正确答案，引出RSA加密方案的设计所需要的数学难题即大整数的分解问题，并讲解RSA算法具体的加解密步骤如下[12]：
（1）输入任意两个保密且不相同的随机大素数[p]和[q]；
（2）计算[n=pq]（公开），计算欧拉函数[φ（n）=（p-1）（q-1）]（保密）；
（3）取正整数[e]作为公开的加密密钥，满足[1<e<φ（n）]且[gcd（e，φ（n））=1]；
（4）计算保密的解密密钥[d]，满足[de=1（modφ（n））]；
（5）加密运算：[c=memodn]；
（6）解密运算：[m=cdmodn]。
通过慕课堂答题的形式再次汇总大家对公钥密码的认识，并提出思考问题，如目前大整数分解问题的算法都有哪些？最好的算法是哪个？对RSA的攻击有哪些情形？在慕课堂发布本节作业，尝试编程实现RSA算法。
教学环节4：课后提升。在SPOC讨论区发布思考题目，让学生充分利用网络资源查阅资料，对公钥密码思想的提出、发展及其典型代表RSA的安全性分析做深入总结，形成各自学习成果，并提交到MOOC平台，记录学习历程，为后期的考核提供量化依据，也变相提升学生的主观能动性。
密码学中算法的设计与分析集理论与实践于一体，密码理论也在“破”与“立”的矛盾抗衡中不断强大，纯理论的教学让知识仅停留在表层，只有动手实践才能让各个模块的知识融会贯通。打破理论知识讲解为主的局面，让学生在编程实现算法的过程中体会密码学的强大，并试图寻找其中可能隐藏的破绽。让数据跑起来动态的展现密码学可提供的机密性、认证性、不可否认性等基本特性，最终为信息安全保驾护航。
5 结束语
基于SPOC的密码学课堂崭新教学模式，是对线上线下结合教学的进一步探索与实践，其价值在于可以推广密码学及信息安全的相关课程，科普安全意识。打造密码系列课程的专属SPOC，为国家培养信息安全人才构筑强有力的理论保障和实践范例，并顺应国家重大战略方针政策的号召，填补密码与信息安全方向的人才缺口。在现有创建的密码学专属SPOC课程体系下，后续可以不断完善其中的各个环节，按需调整评分标准，丰富测验与试题题型，让讨论区融入各家见解。举全网之力，学密码算法，维护网络安全，让课堂之所学真正做到服务大众，又使得密码学SPOC课堂更具吸引力。
参考文献：
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[11] 张艳硕，刘天宁.密码学课程的渐进式教学案例化设计[J].北京电子科技学院学报，2021，29（3）：73-84.
[12] 陈鲁生，沈世镒.现代密码学[M].2版.北京：科学出版社，2008.
【通联编辑：李雅琪】
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