基于任务驱动的现代密码学课程教学模式改革

      0 引言 
　　在信息技術飞速发展和世界全球化的趋势下，创造能力和创新意识是知识经济和社会发展的需要。高校是传承文化和培养人才的重要阵地，担负着为国家培养德才兼备、国际一流、适应社会经济发展需要的创新型人才的重任。如何使大学生的创新意识和创新能力得到良好的培养和训练，从而适应社会经济发展的需要，成为创新型人才，成为世界范围内高等教育研究的重要课题[1]。 
　　现代密码学课程实践性要求很高，不仅需要掌握理论知识和前沿知识，还需要把所学的知识用到实践中去，并在应用中不断地发现问题，思考问题，解决问题[2]。传统的教学过程中，学生自始至终处于被灌输的地位，缺乏主动探索、主动发现的学习环境与空间，无法满足现代信息社会对人才的需求[3]。“任务驱动式”教学模式，即引导学生在特定的任务驱动下进行自主地探究，建构起属于自己的知识与能力。借助现代信息技术、网络技术和多媒体技术所具有的超文本特性和网络特性，基于任务驱动的教学模式改革有利于实现探究性和发现式学习，为学生发散性思维、创造性思维的发展和创新能力的培养提供了广阔的空间和便利的条件。 
　　1 现代密码学课程特点分析 
　　⑴ 学科面广，知识点多 
　　现代密码学是一门交叉学科，涵盖内容广泛，涉及到数学、情报学、图象学、计算机、通信、物理、生物等多个学科[4-5]。现代密码学的理论基础是计算数论、抽象代数、概率论等基础学科，是数学理论知识在信息学科中的应用。同时，现代密码学又与计算机和通信学科紧密相联，用于保证信息在计算机和通信中的安全性。另外，现代密码学领域的一些新兴技术又与图形学、生物学等学科密切相关，比如数字水印是对图象、视频等载体信息的数据格式进行处理，DNA密码利用生物技术对DNA分子进行计算研究。如何恰当地编排学科知识内容学习，又能合理地贯穿这些知识点是现代密码学课程需要考虑的问题之一。 
　　⑵ 教材内容陈旧，教学内容不够前沿 
　　目前大多数现代密码学教材理论知识都采用经典算法，如DES、AES、RSA、MD5等比较有代表性的算法。虽然这些算法对学生了解相关密码体制有着巨大的帮助，但无法使学生了解到最新的研究成果。比如公钥密码体制，通常书中对RSA、ELGamal、椭圆曲线、背包密码等经典算法有详细的算法描述和安全性分析，而对于基于身份的密码体制、基于属性的密码体制这些新的研究热点，却很少有教材介绍，即使有，也是简单介绍其概念和原理，缺少具体对算法的研究。学生无法从书中了解到前沿知识，学到的知识永远落后于实际应用中的技术，容易产生所学知识无用的想法。 
　　⑶ 实践性强，教学模式单一 
　　现代密码学是一门实践性很强的课程，但是大多数院校安排课时是以理论课时为主，实践课时较少。以本校为例，现代密码学理论课时40个学时，实践课程仅有8学时。学生缺乏自己动手实践的机会，普遍反映学习算法时比较吃力，比如RSA，DES，AES，ELGamal等算法原理在课堂上都能听懂，但真正上机编写却无从下手，在实际中不知如何应用。 
　　因此，针对现代密码学的课程特点，以任务驱动引导学生自主探究学习，强调学生的主体作用，有助于提高学生的学习兴趣。把理论与实践课程相结合，注重实践环节，加强学生实践能力的培养，可以让学生更好地了解所学内容的实用价值。培养学生主动学习、独立思考以及团队合作的能力，从而提高教学质量。

   2 教学内容任务设计 
　　现代密码学包括古典密码、序列密码、分组密码、公钥密码、杂凑函数、数字签名及密钥管理等基础内容，涉及内容比较多。将现代密码学整个知识结构理清，认清各个章节的内在联系，将大大提高效率。整体上以理论教学为引导，注重任务和实践，将知识设计在一个或几个任务之中，并且各个任务之间能有一定的联系，帮助学生理清整体知识结构。基于任务驱动的教学模式目标在于充分体现“教师主导作用，学生主体作用”的教学理念，引导学生发现问题、分析问题、解决问题。 
　　任务设计是实践性教学关键的一步，每一节课都应该提前思考并设计好教什么、怎么教，通过什么样的方式调动学生的学习积极性，设计什么样的任务培养学生的逻辑思维能力等等。任务设计难度不能过大，使学生无法完成，也不能设计过于简单，无法达到教学目标。因此，任务设计时不但要依据教学目标，还需要满足學生的层次需求，更重要的是，任务要具有趣味性、知识性、实用性、挑战性。①趣味性。该特性主要是借助Flash、视频、PPT等多媒体引发学生的学习兴趣，如任务一通过网购安全、手机隐私安全等问题作为切入点，使学生了解现代密码学与信息安全的关系，掌握现代密码学课程的内容，突出学习密码学知识的必要性和重要性。②知识性。任务设计时要符合教学目标要求，能够将需要学生掌握的知识涵盖在任务中。通过任务，学生不但加深了对知识点的理解，而且更加清楚不同算法的优缺点及其之间的联系。③实用性。通过将任务与理论相结合，通过将理论知识转变为解决实际应用中的问题，使学生能够运用所学的知识和自己的经验提出解决方案，激发学生积极的学习态度，培养学生解决问题的能力。④挑战性。每个班级中的学生学习程度都是有层次的，设计任务时应该考虑不同程度的学生，给每个学生多种选择。对一些学有余力的学生，可设计具有挑战性的任务，充分挖掘此类学生的潜力。 
　　3 基于任务驱动的教学方法实施 
　　教学内容实施过程中，重在发挥学生的主体作用，通过启发引导、自主探究、协作交流、总结提高等具体的实施，提高学生自主学习能力。 
　　启发引导。课堂内容与任务确定后，需要教师对任务场景进行分析，向学生提出若干启发性的问题，引导学生深入思考，使学生快速找到问题的切入点，对问题进行分解、自主分析，提出解决方案。这个环节，教师的角色由传统的“授”转变为“引”，需要教师作好充分的准备工作，摸清楚学生的学习状态、认知能力、兴趣爱好等基本特点，以学生积极接受的方式引导学生。 
　　自主探究。该环节是基于任务驱动教学模式的重要环节，教师仅仅负责提供资料，由学生自主探讨、解决访问的方法，学生可以利用网络获取最新、最丰富的教育资源，结合Sakai网络教学平台中教学内容、多媒体教学课件、图片集、教学视频、学生作品等教学资源，将收集到的资料整理、消化、吸收、转化为自己的东西，找出完成任务的最佳解决方案。该环节有助于增强学生自主学习意识，培养学生的主动创新精神，挖掘学生的挑战能力。 
　　协作交流。经过自主探究学习后，协作交流可以作为学生思路交流、成果分享、观点碰撞的平台，学生之间相互交流自己的解决方案，通过互相补充与优化，进一步促进学习与合作。教师在此环节要做好组织引导工作，避免学生因争论激烈而偏离主体，对一些疑难问题，适当的给予引导，以免学生进入死胡同。该环节重点在于培养学生沟通交流、思维发散、团队合作能力，提升学生全面素质。 
　　总结提高。任务驱动的教学模式最后一个环节就是总结提高。首先，教师需要引导学生对任务进行总结，对学习过程中遇到的问题与解决方法进行总结，对学习成果进行归纳，完成学习研究报告。其次，以小组或个人的形式让学生对学习报告进行陈述，引导学生分享自己的成果，欣赏他人的成果，学会反思与总结自己成果的优点与不足。最后，教师需要对所有学生的任务完成情况进行总结，对一些共性的问题给予指导和点评。此环节重点在于激发学生获得进一步探究的兴趣与愿望，获取更深层次的学习体验。 
　　4 课程考核方式改革 
　　传统的课程考核方式通常是试卷，忽视了学生学习的过程。基于任务驱动的考核方式可以多元化，通过理论考试、实验评价、过程考核等方式，考察学生对整门课程的掌握程度。这种多元化的评价模式，避免了片面的以学习结果评价学生的能力，全方位的考察学生整体水平，促进学生整体素质的提高。 
　　理论考试，重点考察学生对课堂上的理论知识点掌握情况，包括密码算法的基本原理、应用等。实验评价，是对学生完成任务的情况进行评价，考虑是否按规定独立完成或者团队合作完成、是否提交研究报告等因素进行评价。过程考核，是对学生在整个教学活动各个环节的表现给予评价，比如能否积极的思考并提出问题，能否自主地搜索资料，能否创新的解决问题，团队合作中所表现出来的协作能力，表达能力，执行能力等等。 
　　5 总结 
　　现代密码学是一门理论与实践并重的多学科交叉的课程，其实践教学涉及领域较广，要求也相对较高。现代密码学课程教学模式的改革，将对信息安全发展、课程建设及人才培养产生积极意义。本文主要从教学内容设计、教学方法实施和考核评价三部分着手，结合现代密码学的课程特点，探索基于任务驱动的教学模式。基于任务驱动的教学模式在密码学课程实践中取得了良好的效果，提高了学生自主探究学习的能力，拓宽了学生的专业视野，提升了学生的创新能力。希望这一教学模式的改革能对同行有借鉴作用。 
　　参考文献（References）： 
　　[1] 杜红乐，张燕，辛建军.计算机网络实践课研究性教学的探讨 
　　与实践[J].微型电脑应用，2014.30（10）：32-34 
　　[2] 罗铭，卢晓勇.基于行动导向的现代密码学理论与实践课程 
　　教学改革[J].计算机教育，2014.13：39-43 
　　[3] 董理君，武进霞，康晓军.信息安全专业开放式实践教学模式 
　　探讨[J].计算机教育，2013.15：57-60 
　　[4] 张珲，王剑，刘俭.“密码学与网络安全”课程研讨式教学[J].电 
　　气电子教学学报，2013.35（6）：63-65 
　　[5] 张仕斌.应用密码学课程教学方法研究与实践[J].信息安全 
　　与通信保密，2012.7：77-80