信息安全專業中密碼學課程的教學研究論文

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信息安全專業中密碼學課程的教學研究論文

　　摘要：密碼學作為一門數學、計算機科學與通信的交叉學科，是信息安全專業的核心課程，也是數學在信息科學中的重要應用。該文從密碼學的特點出發，對密碼學課程目前所存在的問題進行分析，并從教材選擇、理論教學和實驗教學的角度給出自己的幾點建議。

信息安全專業中密碼學課程的教學研究論文

　　關鍵詞：密碼學；信息安全；理論教學；實驗教學；教學方法

　　中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2017）26-0138-02

　　隨著計算機網絡的廣泛應用和深入發展，電子商務和電子政務以及網絡銀行和各種移動支付已經成為人們生活的一部分。在方便人們生活的同時，也帶來越來越多的信息安全問題。因此，信息安全受到社會各界的高度重視，已成為信息社會急需解決的問題。密碼技術作為信息安全的核心技術，獲得越來越多的關注。密碼學已成為各類高校信息安全專業的核心課程。目前，我國有80多所高校開設信息安全專業，100多所高校開設密碼學課程[1]。由于密碼學是一門集數學，計算機科學與通信科學等于一身的交叉學科，不同專業、不同學科，在教材的選擇、教學內容以及教學方法等諸多方面的認識很難統一，給密碼學課程的教學造成諸多困難，同時也是密碼學課程教學中值得關注和探討的問題。

　　1密碼學課程的特點

　　1）密碼學所涉及的知識面廣，數學基礎要求高。密碼學課程前期需要學習信息論、計算復雜度和一些數學知識[2]。其中數學除高等數學和線性代數以外，還包括數論、抽象代數、代數編碼、概率論、有限域等相關內容，這些數學知識的難度也相對較大。

　　2）理論教學和實驗教學的側重點難以把握。由于密碼學是一門交叉學科，對于不同專業的學生，學習的側重點也是不一樣的。例如數學科學學院應用數學專業的學生，大多數側重理論教學，主要講授密碼算法的理論計算，對數學基礎要求比較高。而對于計算機學院信息安全專業的學生，又是以實驗教學為主，對編程語言和計算復雜度要求較高。

　　3）密碼學課程本身所涉及的內容較多，學習難度大。密碼學的主要內容包括古典密碼、對稱密碼、公鑰密碼、哈希函數、數字簽名、密鑰管理、密碼協議等。古典密碼與對稱密碼要求學生對置換、代換、有限域方面要深入理解與掌握；公鑰密碼、數字簽名對數論、概率論方面要求又比較高。對于其他的內容，主要是一些密碼應用等，則要求靈活使用公鑰密碼、數字簽名、哈希函數等。

　　4）密碼學知識更新速度快。自從1978年麻省理工學院的Rivest、Shamir和Adleman三人提出RSA公鑰密碼算法以來，密碼學家又提出Rabin、Elgamal、ECC、NTRU等經典的公鑰密碼體制。近年來，由于其他學科的進步與發展，又出現一些新的密碼技術，如量子密碼、混沌密碼、DNA密碼等。

　　2密碼學課程所存在的問題以及解決方法

　　2.1教材選擇

　　密碼學教材種類繁多，而作者編寫教材的側重點也不相同，有的側重于密碼算法的介紹，有的側重于密碼技術的應用。不同學科專業學生的基礎不同，在選擇教材方面也有所差異，并且前置基礎課程與培養目標也存在差異，所以選擇教材的時候要充分考慮前置課程的安排和培養目標的設置。對于理科專業，如數學專業，應該選用理論性較強的教材，而對于工科專業，如通信專業，信息安全專業，應該選擇實踐性較強的教材。

　　2.2理論教學

　　目前大多數高校的密碼學教學是以理論講授為主，配合多媒體演示。理論教學是密碼教學的主要手段。而密碼學是一門交叉性很強的學科，課程所涉及的內容很多，各個知識點之間既相互獨立又聯系緊密。面對信息安全專業密碼學課程這些特點，如何轉變教學理念、創新教學思路、找準教學放方法，是密碼學課程理論教學關鍵。

　　2.2.1教學理念

　　密碼學課程內容多，算法的邏輯推理性強，學生難以掌握所有的算法。密碼學課程的教學理念不應該是讓學生記住密碼算法，而是培養學生正確的密碼學思維方式，使學生理解密碼學的設計思想。如：分組密碼算法的設計思路是使用置換密碼與代換密碼的組合，利用迭代的方式產生，在設計的過程中要滿足混淆與擴散原則；公鑰密碼體制的設計則是按照形式化的定義、精確的安全假設與嚴格的安全性證明三個原則來設計。為實現這個教學目標，需要在各章節詳細介紹少量經典的密碼算法，使學生了解每一步算法的來龍去脈與密碼學家設計密碼算法的思路，這就要求老師對密碼學所涉及的內容融會貫通，并且深刻理解密碼學的設計思路與精髓。

　　2.2.2教學思路

　　對于主流的密碼學教材，主要內容一般包括古典密碼、對稱密碼、公鑰密碼、哈希函數、數字簽名、密鑰管理、密碼協議等[3]。這些內容表面上看起來是松散的，實際上是緊密相連的要使學生能夠清晰地理解并掌握這些內容，首先要有明確的教學思路。密碼技術是信息安全的核心技術，能夠實現消息的保密性、完整性、認證性、不可否認性等安全屬性，這些安全屬性是整個密碼學知識體系發展的出發點和歸宿。可以按照這個思路建立密碼學知識結構的基本框架模型，然后進行講授。

　　2.2.3教學方法

　　傳統的教學方式是老師在講臺上講，學生在下面聽、記筆記。這種方式只能讓學生記住所講授的密碼算法，而無法使學生理解密碼學的思想。對于不同的教學內容應該采用不同的教學方法，如互動啟發式、小組討論式等方法，這些方法可以讓學生主動參與到教學活動中[4]。還要留給學生充分的思考空間和時間，讓學生在思考的過程中形成主動探索、分析問題和尋求解決問題方法的習慣。

　　1）互動啟發式教學。互動教學方法是大多數課程所討論并采用的教學方法，可以讓學生參與到問題的解決過程中。孔子曰：不憤不啟，不悱不發，強調的就是學習的啟發式教學。啟發式教學的關鍵是調動學生的學習積極性，激發學生的學習興趣。很好地運用互動啟發式教學方法，可以培養學生分析問題、解決問題的能力，通過經歷問題的解決過程，激發學生的自主學習熱情，提高學習興趣。例如，在講授序列密碼時，講到序列密碼的安全性是由種子密鑰所產生密鑰序列的性質決定的，可以通過互動啟發式方法，讓學生思考：密鑰序列具有何種性質才能保證安全性？是否滿足隨機性和不可預測性就安全了？密鑰序列和種子密鑰之間有什么關系？通過解決問題，使學生理解序列密碼的設計思想。

　　2）小組討論式教學。小組討論式教學方法可以開拓學生的思維，提高學生的創新能力，使學生嘗試從不同的角度與觀點來解決問題，而且還可以培養團隊合作能力。密碼學對學生而言是陌生的，而密碼思想更是學生所欠缺的。通過小組討論，能夠使學生從自身角度思考密碼算法滿足安全性的條件，以及明文、密文與密鑰之間的關系，密文統計特性應滿足的概率分布等問題。通過小組討論并不一定能達到完全解決問題的目的，但是這種方法極大的開拓學生的思維，提高學生的創新能力，并且可以使學生深刻理解密碼學的設計思想。

　　2.3實驗教學

　　密碼技術是解決信息安全問題的核心技術，密碼學的特點決定它是一門實踐性很強的課程。實驗教學環節能夠使學生在理解算法原理的基礎上進行程序設計，并根據需要進一步進行綜合設計，提高學生的綜合應用能力。目前，在密碼學課程的實驗教學方面，還存在密碼實驗工具選擇不合理與密碼實驗項目類型不明確的問題。

　　1）密碼實驗工具的選擇。密碼實驗工具一般包括密碼分析軟件、密碼實驗教學軟件、密碼設計軟件、密碼算法的代碼庫等。在密碼實驗教學之前要確定密碼實驗的工具。當前，密碼學的實驗教學中大都要求學生運用計算機語言實現一些經典的密碼算法，而密碼學實驗教學的目的是加強學生對密碼算法的理解，以及掌握密碼算法在信息安全中的應用，不是簡單地鍛煉學生的編程能力，這種做法很難提高學生的綜合素質。密碼學課程的實驗教學應根據實驗要求選擇密碼實驗工具，才能體現密碼學實驗教學的目標。比如對于古典密碼算法，這些密碼算法已經被破譯，對于學生來說只起到一個借鑒的作用，因此可以選擇具有驗證和分析作用的密碼工具。CAP4軟件就是一款合適的密碼分析軟件。對于DES，AES等對稱密碼算法，其加密流程比較復雜，學生難以理解。這時可以選擇具有可視化功能的密碼工具，CrypTool的可視化演示功能能夠使學生更好的理解加解密運算的每一個流程。對于算法設計，不能只把實驗項目給學生之后，讓學生去編寫代碼。應該引導學生使用密碼算法庫，例如OpenSSL、Miracl、Boten，NTL等[5]。

　　2）密碼實驗項目與類型的確定。實驗項目類型一般分為演示或驗證型、設計或綜合型、研究或創新型三個層次。合理安排實驗項目類型可以加深對密碼算法的理解以及提高創新能力。目前，多數高校的密碼學實驗項目類型都是簡單的驗證，老師在教師機演示，學生在學生機重新驗證一遍。或者項目類型都是設計型，老師把實驗項目發給學生，讓學生自己編程。這兩種簡單的方式都不能很好地提高學生的綜合能力。因此，密碼學的實驗類型要由實驗項目來確定。安排密碼實驗項目時，應該由淺入深，首先安排簡單的驗證項目，比如古典密碼算法，其次安排綜合型項目，如RSA的實現等，最后安排研究型項目。研究型項目由老師確定一個具有新穎性和創新性的實驗項目范圍，由學生根據興趣自主選題。研究型項目選題可以依托學科競賽來確定，比如全國大學生信息安全競賽等。

　　3結束語

　　密碼技術是信息安全的核心技術，密碼學也是信息安全專業的核心課程，研究密碼學課程的理論與實驗教學有著重要的意義。在信息安全專業密碼學理論與實驗課程，以及密碼學前置課程的多年教學實踐的基礎上，結合信息安全競賽的一些經驗，針對信息安全專業密碼學教學在教材選擇、教學理論和實驗教學方面存在的問題，從教學理念、教學思路和教學方法三個方面給出教學改進方案，教學實踐表明這些改進方案能夠取得更好教學效果。

　　參考文獻：

　　[1] 王后珍，張煥國. 密碼學課程建設及教學方法探討[J]. 高教學刊，2016（7）：79-79.

　　[2] 丁勇. 信息與計算科學專業密碼學教學研究[J].桂林電子科技大學學報，2008，28（2）：131-133.

　　[3] 李夢東. 《密碼學》課程設置與教學方法探究[J].北京電子科技學院學報，2007，15（3）：61-66.

　　[4] 賈偉峰，楊禮波. 密碼學的課程特點及教學方法探討[J]. 華北水利水電學報：社科版，2010，26（3）：169-170.

　　[5] 申麗君，王金雙，陳融，等.CrypTool在密碼學教學中的應用[J]. 計算機工程與科學，2014，36（A1）：208-211.

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