网络空间安全基础理论课研究型教学方法初探

Major Construction & Course Construction网络空间安全基础理论课 研究型教学方法初探

姚燕青1，刘建伟1，李舟军2

（1.北京航空航天大学网络空间安全学院，北京 100191； 

2.北京航空航天大学计算机学院，北京 100191）

【摘要】 针对“信息安全数学基础”“密码学”等网络空间安全基础理论课，将课程特点与研究型大学人才培养的需

求结合，对课程的研究型（如互动式、探究型等）教学方法展开研究。力求激发学生探索未知的兴趣和热情，提高学生的思辨能力和创新水平，为培养创新型网络空间安全人才奠定坚实的理论基础。

【关键词】 网络空间安全基础理论课；信息安全数学基础；密码学；研究型教学方法；互动式【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2019）04-0036-06

0 引言

当今世界各国之间的竞争日趋激烈。从某种意义上讲，这种竞争是培养创新型人才的竞

争。大学生承载着国家、社会、学生本人和家人的厚望，承载着建设科技强国的历史使命和时代责任；高等科研院校则担负着培养创新型人才的 重任。

德里克•博克（哈佛大学前校长）曾指出：学生记住的知识和形成的思维习惯，更多取决于学生是被怎么教的及他们被教得有多好，而与学生选修哪些课程关系不大[3]。这说明教学方法比教学内容更为重要。我国近年来已颁布一系列教学方法改革方案[6,7]。教学方法的改革与创新对提高教学质量，培养创新型人才，加快创新型国家建设具有十分重要的现实意义。

随着互联网的广泛普及和社会信息化的不断加深，各种信息安全问题伴随而生。例如，美国“棱镜门”窃密计划曝光，云计算服务商EverNote的大量用户信息泄露，Facebook 现安全漏洞600万用户信息外泄等。随着全球网络安全威胁的不断加大，世界各国对网络空间和信息安全

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收稿日期：2019-1-26

作者简介：姚燕青（1983—），女，河北石家庄人，博士，助理教授，硕士生导师，研究方向为密码学；

刘建伟（1964—），男，山东烟台人，博士，教授，博士生导师，北京市教学名师，研究方向为通信网络安全、密码学、密码协议等；

李舟军（1963—），男，湖南湘潭人，博士，教授，博士生导师，研究方向为信息安全、数据挖掘等。

基金项目：2019年北京航空航天大学教育教改项目 “面向一流网络安全学院建设示范的卓越人才培养模式探索”（项目编号：SHJG391901）；2019年北京航空航天大学教改项目“建设学科交叉融合的网络空间安全卓越人才培养综合平台”（项目编号：BHJG391902）；2018年北京航空航天大学教改项目“网络空间安全基础理论课研究型教学方法探索”（项目编号：暂无）。

工业和信息化教育Industry and Information Technology Education的关注度明显上升，均将网络安全战略政策的制定与落实作为国家安全的重要任务之一。

2015年6月，我国教育部增设网络空间安全一级学科。北京航空航天大学（以下简称“北航”）将“信息安全数学基础”“密码学”两门基础理论课作为网络空间安全学科的重要基础课程。其授课质量的好坏，直接影响网络空间安全学科其他课程的教学，并影响网络空间安全人才培养的质量。因此，对教学方法改革具有深远的影响。

近年来，高等院校日益重视教学改革，对教师进行教学培训，并设立教学改革项目，从理论与实践上开展相关研究，已初见成效。但灌输式的教学方法在高等院校普遍存在。课堂气氛沉闷，教学单调死板，课上教师一讲到底。所谓知识好、信息好，是一个从教师到学生的单向流动。这种教学方法容易造成教与学的脱节，教师没有鼓励学生主动参与教学，没有激发学生学的活动，学生没有回应教师教的活动[2]。这与建构主义的思想是相悖的[5]。教师应该探求互动式、探究型的教学方法，使学生提高学习的乐趣，变被动学习为主动学习。

美国大学中的教学理念特别重视激发学生的内在学习动机，调动学生参与教学的积极性和主动性。1987年美国高等教育协会在题为“改进本科生教学方法的七条原则”的报告中指出：只是坐在教室里被动地听教师讲课，并不能使学生学到多少东西。美国的课堂教学中，学生自由发言和讨论非常普遍，学生占用课堂时间较多。在教学中，教师特别鼓励学生大胆地独立思考，大胆提问、质疑，甚至挑战教授。使学生自己去解决学生以前从来没有遇到过的问题，去分析某一个观点的正、反方面，而不是盲目接受导师的观 点[8]

。通过激发学生主动参与教学，鼓励学生独立思考，培养学生的创新思维能力。

目前，我国已对研究型教学方法进行了一系列探索，并初见成效。例如，2011年，李勇等人借鉴美国一流大学经验，结合我国高校实际，提37

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出我国大学教学方法改革应遵循的基本原则（教学方法的多样化原则、教学的参与性和主动性原则、教学活动的探究性原则）及改革所需的制度环境[7]；2014年，王琪等人对力学类课程探究型教学模式进行探究和实践，效果良好[10]；2018年，刘健西对课堂讨论、小组课题探究、文献研读和课堂讲授这几种主要的探究式课堂教学方法进行分析和探讨[11]。互动式、探究型教学方法已成为教学发展趋势之一。

1 实践设想

教育不在于传授本领，而在于唤醒与鼓舞，使学生在思考、辩论中加深对问题的理解，体验知识再创造的过程。在网络空间安全基础理论课的教学中，采用研究型教学方法，包括互动式学习和探究式学习。① 互动式学习：教师课堂引导，课外单独交流，激励学生主动思考、参与教学；② 探究式学习：教师基于问题、创设情境，使课程成为知识的再创造，使学生在探索中学习，在学习中实践，在实践的基础上创新。采取课堂讲授、课后指导与学生自主探索相结合的方法推演，体验经典理论的再发现，探寻更好的解决方案。主客观评价和多种激励相结合，提升学生积极性。

在研究型教学改革中，教师要借鉴科研的要素，即提出问题、分析问题、凝练问题，给出问题的数学描述、求解问题，追问结果的物理意义，进一步优化，探求应用推广的可能性。运用案例方式分组讨论、基于问题的探究方式等重构教学。

课上，教学内容应将经典和前沿融合、宽度和深度相结合，讲解适度粗化，给学生留有思考余地，使学生参与知识的创造，初步认识知识再创造；课后，教师预留探究性问题，师生、生生互动讨论，面对面与互联网方式相结合，突破时

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空限制，使学生以小组为单位自主体验、完成知识的创造。另外，在教学中，教师不但传授学生知识，而且要培养学生的人文精神和科学精神，使学生领略到无法用语言描述的、从内心感受到的、引导个人精神前行的知识。

2 互动式教学方法

在师生互动的活动中，会遇到“师动生不动”的现象，主要原因是教师没有注重师生情感互动——创设一种和谐的课堂气氛。上课前，很多名师非常注重与学生进行几分钟课堂互动，建立和谐的学习氛围。这种和谐的氛围能为课堂互动教学奠定基础。为较好地实现情感互动，教师应创设宽松的课堂气氛，融洽师生关系，如果学生的思维被激活，则可以取得良好的教学效果。

因此，教师工作的对象不是知识，而是学生。教师应通过提出学科难点、重点和疑点问题，启迪学生的心智，与学生共同思考。只有当学生的课堂热情被唤起，师生之间才会形成良性互动，教学效果才会呈现[1]

。2.1 互动形式

课堂师生互动一般有两种形式：师生互动；生生互动。教师是课堂互动环节的设计者、组织者和实施者。因此，课堂互动成功与否取决于教师的教学设计是否新颖、是否有启发性或挑战性。2.2 互动选材

保证教学互动顺利实施，关键在于合理选材，选材须符合如下4个条件：① 选材要符合学生的接受能力；② 选材应当由易到难；③ 选材具有辩论性、启发性和思考性；④ 选材能充分调动学生的探讨热情。

教师要认真做好互动准备，针对不同的教学对象进行选材，培养学生发现问题、提出

专业与课程建设Major Construction & Course Construction问题和分析问题的能力。互动采取4种方式： ① 教师提问，学生回答；② 学生分组辩论，教师归纳总结；③ 学生自由发言，自由辩论，教师适当点评；④ 学生提问，教师回答。

总之，教师应引导学生研究性学习，帮助学生构建知识结构。教师可采取多种多样的互动形式，调动学生互动的积极性，使学生在互动中形成新知识，引导学生不仅学到知识，而且会学习，提高学生的学习能力[1]。2.3 互动方法

（1）将讲与练结合，鼓励学生发言。课上，为了增加师生互动环节，教师讲课应精讲、少讲、多练。教师根据教材内容和学生的实际情况，讲清基本概念、理论和技能，精确讲解知识重点，深入浅出讲解知识难点，引导学生提出问题和思考问题；讲解配合相应练习，不仅帮助学生掌握基本内容，而且提高学生分析问题和解决问题的能力。练习要抓重点、抓关键，将练习与精讲适当地有针对性地结合，练习后教师还要给予必要的讲解，指导学生巧练掌握知识的途径，以及将知识变为实际应用的工作能力[1]。

为激励学生互动，笔者将课堂互动情况作为一项考核成绩。除了考查学生的互动次数，还进一步细化了考核内容（如学生提问、回答情况等）。将学生课堂上主动提问、主动回答的情况，以及学生主动参与讨论的情况作为学习成绩的一部分，充分调动学生学习的积极性，当堂对主动回答问题的学生给予表扬。

（2）充分利用互联网工具，促进师生互动。在移动互联网时代，青年教师应转变传统的教学理念，充分利用多媒体、互联网和移动终端，提高教学质量。“互联网+”时代的到来，使学生学习的差异度增大，学生不喜欢传统课堂上的长篇大论，而精品资源共享课、MOOC、微课和手机视频等资源，给教师授课带来挑战的同时也带来了机遇。如何化敌为友、为我所用，是值得每一位教师思考的问题。教师可以给学生提供针对性

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工业和信息化教育Industry and Information Technology Education服务，增加师生互动，以提高教学质量。

例如，清华大学于歆杰教师利用“雨课堂”App，课前为学生推送PPT；课上实时为学生推送习题，并开启弹幕功能；课后为学生推送思考题。实现因材施教，使学生的学习兴趣、参与能力显著提高。

（3）利用翻转课堂，提高学生能力。在小班课堂讨论环节中，教师可以安排内容讨论、练习讨论和实践讨论，提高学生的动手能力、思辨能力、演讲能力和合作能力，但是可能花费师生更多的时间和精力，一般第一次实施难度大。另外，教师应该利用优质的MOOC资源，改善大班课堂的教学质量。

（4）实行考勤制度，监督学生学习。部分学生课上不认真听讲或缺勤，利用刷题应对期末考试[1]。教师应利用考勤制度对学生的学习进行监督，尽量避免学生逃课现象。

3 探究型教学方法

教师根据学生学习基础、接受能力和专业志向，实施探究性教学。学生通常缺乏细心观察的精神，习惯被动接受知识，似熟知而未真知，或不善于使用新的知识和方法等。教师应注重培养学生主动思考和探索真理的精神。

探究型教学的目的不是传授现有的知识，而是培养学生综合能力，尤其是创新能力。因此，教师的科学研究能力和创新能力是有效实施探究型教学方法的重要基础。如果教师没有经过研究实践，对学生科研和创新能力的培养仅是空谈。

探究型教学的内容是开放的，知识不局限于文本，是生成性知识。教师从知识前沿角度出发，结合经验或创新成果，不断丰富教学内容。将知识变活是将教学与科研相结合，对培养高质量的创新研究型人才尤为重要。

（1）教师批判性地对待教材，调整教学内容顺序，补充研究进展。教师要根据学生反映，合39

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理调整教学内容。在理论教学方面，教师尝试对定义、定理和应用进行逆转，从问题出发，引导学生自己分析问题，解决问题，概括概念。教师尽量避免照本宣科，要批判性地对待教材，补充少部分与课程知识点密切相关的内容。从学生的理解能力和接受能力出发，对教材进行讲解。

（2）随着密码学领域前沿不断发展，教师应对传统教材做实时更新。例如，2009年 Gentry C提出的基于格的全同态加密算法，使基于格的密码学和全同态算法获得发展；然而，教材中一般只提及RSA算法中加密算法关于乘法满足同态性质，不提及同态算法的进展情况。这就需要教师进行主动更新。

（3）教师需要紧跟前沿进展，对教学内容做相应的补充。例如，“密码学”课程中，教师可以深入浅出地介绍密码学在全同态加密、区块链、物联网安全、程序混淆和云计算安全等领域的最新进展（见图1），使学生既能脚踏实地掌握基本知识，又能关注新科技的发展，培养学生的创新意识。

区块链

全同态

物联网加密

安全

密码学

程序云计算混淆安全

图1 密码学的相关进展

3.1 重点讲解知识产生的机理

讲课时不要对已有的PPT照本宣科地接受，要有选择地讲解，并将知识点的机理解释清楚。例如，第一节课教师不必将密码学相关课程都列出，有些前期课程学生并没有学过。学生最好学习过“信息安全数学基础”（如初等数论、抽象

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代数等）“信息论”“通信技术”“计算机网络”课程，再学习“密码学”课程；否则，涉及相关知识点时教师需要为学生做大量的知识点 补充。

另外，现有的专业教材主要将知识点讲述给学生（“是什么”），欠缺对算法机理的解释（“为什么”）。例如，公钥密码体制中的 RSA算法、ElGamal密码体制等，大多教材只将体制的内容介绍给学生，而没有讲为什么要这样设计。在教学中，教师要采用探究式教学方法，将知识产生的机理解释清楚。3.2 穿插讲故事和播视频

教师通过故事引出概念。如：“密码学”课程中，公钥密码学的诞生；“信息安全数学基础”课程中，群论的产生。教师以密码的奥秘[19]、古今密码学趣谈[26]和密码故事[27]为题材，将密码故事贯穿到“密码学”课程中，使学生了解新理论产生的来龙去脉，提高学生的学习兴趣。

教师播放密码学相关视频。例如，中国科学院院士王小云的“开讲啦”（见图2）和“百战经典”视频（见图3）等。教师将视频播放给学生，调动学生的积极性和学习热情，使学生认识到密码的重要价值。

图2 “开讲啦”视频

王琪教师的“探究型教学模式的实施与思考报告”

[10]

，实例丰富生动，启发教师留意搜集周

围的与讲课相关的素材信息，不断地充实改进教学内容。

专业与课程建设Major Construction & Course Construction图3 “百战经典”视频

4 结语

研究型教学注重培养学生问题意识，帮助学生用科学研究方法获取新知识，应用新知识解决实际问题，培养学生的思辨能力和创新意识，提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。研究型教学是一种开放式教学，形式多样。教师根据网络空间安全基础理论课程性质、教学内容和学生特点，合理利用“互联网+”时代新型教学方法，创造性地完成教学设计；尝试通过分组研讨，向学生设定前瞻性研究课题、创设情景或设计问题，将教师的最新科研成果融入相关教学环节，恰当地运用现代教育技术手段和信息资源，引导学生参与，利用互动式、探究型教学法实现研究型教学，使学生体会学习的乐趣，变被动学习为主动学习。本文通过对网络空间安全基础理论课教学方法进行改进，提高学生的成绩及综合素质，培养学生好奇心、求知欲、想象力、批判

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