周敏　王莉芳

摘  要：《计算机编码与密码学》是信息安全及相关专业的一门综合性专业核心课程，具有很强的理论性和实践性，课程内容复杂、难度高，涉及多门学科的知识，在我国该课程开设时间较短，普遍采用传统课堂授课方式，使得目前国内大多开课院校的教学效果受到限制，达不到“新工科”专业培养目标和要求。本研究将《计算机编码与密码学》课程教学内容和特点，与国内外MOOC和翻转课堂的成功教学经验相结合，通过近几年的摸索与实践，提出融合MOOC和翻转课堂的校本《计算机编码与密码学》课程教学模式改革新方案，符合“新工科”培养多层次、多规格、且具备多学科知识和复合型技术的信息安全人才的专业培养目标和要求。通过教学实践，表明所提出的教学模式改革新方案能够显著提高教学质量，可为高等教育教学的改革与创新提供借鉴。

关键词：“新工科”;MOOC;翻转课堂;信息安全;教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）01-0001-06

Abstract： "Computer Coding and Cryptography" is a core course for information security and related majors. With strong theoretical and practical nature， the course content is complex and difficult， involving knowledge of multiple subjects. In China， this course has been offered for a short time， and the traditional classroom teaching method is widely adopted. As a result， the teaching effect of most courses opening colleges and universities in China is limited， which fails to meet the training objectives and requirements of "new engineering". This study combines the teaching content and characteristics of computer coding and cryptography with the successful teaching experience of MOOC and flipped classroom at home and abroad. Through the exploration and practice in recent years， this paper puts forward a new teaching mode reform plan of the school-based computer coding and cryptography which integrates MOOC and flipped classroom， which is in line with the objectives and requirements of cultivating multi-level， multi-specification information security talents with multi-disciplinary knowledge and complex technology. The two semesters of teaching practice shows that the proposed new teaching mode reform scheme can significantly improve the teaching quality and provide reference for the reform and innovation of higher education teaching.

Keywords： "New Engineering"; MOOC; flipped classroom; information security; model of teaching

隨着互联网、人工智能、大数据、云计算等技术的发展，网络安全已经上升为国家安全战略，2014年2月，习近平总书记强调“没有网络安全，就没有国家安全”[1]。2015 年6月，教育部和国务院学位委员会决定在“工学”门类下增设“网络空间安全”一级学科来应对这一局面[2]。2017年2月，教育部在复旦大学召开高等工程教育发展战略研讨会，发布《新工科建设复旦公示》，“新工科”强调学科的实用、创新、交叉与融合，注重信息通讯、软件设计、电子控制等学科与传统学科的结合[3]。如何培养多元化、创新型且具备多学科知识的信息安全人才是教学改革的重点之一[4]。计算机编码与密码学是信息安全领域的核心内容，涉及数学、计算机科学、通信、信息系统和电子技术等交叉学科的综合性专业课程，具有知识体系和内容广泛、难度大、更新速度快、理论性和实践性强等特点。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《计算机编码与密码学》课程，然而该课程属于新兴学科，开设时间较短，教师尚未积累足够的教学经验，如何在“新工科”背景下进行合理化课程教学具有重要意义。近年来MOOC（Massive Open Online Course，大规模在线开放课程）风暴席卷全球高等教育，MOOC打破原有的教育体系和组织结构，拥有优质课程资源和媒体工具，促进了世界范围内的知识分享，为不同学科的教和学创造了大量的机会[5]。翻转课堂（Flipped Classroom）颠倒了传统“知识传授”与“知识内化”的阶段，体现“以学生为中心”的教育理念，被称为大势所趋的“课堂革命”[6]。MOOC与翻转课堂的兴起，为高等教育教学的改革与创新提供了机遇。针对《计算机编码与密码学》课程特点及教学现状，结合国内外MOOC和翻转课堂的成功教学经验，本研究探索出融合MOOC和翻转课堂的校本《计算机编码与密码学》课程教学模式改革新方案，该教学模式符合“新工科”教育理念、目标和要求，可以为高等院校课程教学改革提供借鉴。

一、MOOC和翻转课堂的含义及优势

1. MOOC。MOOC起源于2007年美国犹他州立大学教授David Wiley创建的一门网络开放课程[7]。2008年，加拿大教授George Siemens和Stephen Downes设计了第一门真正意义上的MOOC课程。2012年斯坦福大学、麻省理工学院和哈佛大学创办Coursera、Udacity和edX美国三个典型的MOOC平台，华盛顿大学、普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学等外国高校纷纷发布MOOC课程，2012年被《纽约时报》称为“慕课元年”[8]。2013年香港科技大学教授Naubahar Sharif开设亚洲首门MOOC课程。2013年以来，清华大学、北京大学、复旦大学、上海交通大学等国内知名高校相继加入MOOC的行列。近年来，中国大学 MOOC、学堂在线、网易云课堂等国内知名MOOC平台被创建。目前，MOOC热潮风靡全球。

MOOC具有大规模、网络化、开放性的教学特点，以平台为基础，以课程为单元，提供优质教学资源、交互学习社区、有效评价机制[9]。MOOC使全球高等教育理念发生重大变革，教学过程由“教”为中心转向“学”为中心，教学形式由单一课堂授课转向借助多种教学资源的多种学习形式[10-12]，强调学生的兴趣和能力培养[13]。

2. 翻转课堂。翻转课堂起源于2007年美国科罗拉多州林地公园高中的教师Jonathan Bergmann和Aaron Sams，他们对传统课堂进行了颠覆性尝试[14]。2011年，被称为“传统教育的颠覆者”的学者Salman khan在国际Technology Entertainment Design大会介绍了翻转课堂的概念[15]，这种新型教学形式开始引起全球教育界的广泛关注。翻转课堂以网络平台为基础，突破传统课程教学时空的限制，变革了传统课堂的教学结构，实现了“知识传授”与“知识内化”的翻转教学，将“先教后学”颠倒为“先学后教”，将“知识传授”转变为“问题探索和研究”。比尔·盖茨称，翻转课堂预见教育的未来，引領了一场教育革命[16]。

二、《计算机编码与密码学》课程特点及现状

《计算机编码与密码学》课程在我国开设时间较短，普遍采用传统课堂授课方式，使得目前国内大多开课院校的教学效果受到限制，达不到“新工科”专业培养目标和要求[17-19]，主要体现在以下几个方面：1. 知识点多、跨度大、课程时数有限。课程内容涉及数学、计算机科学、通信、信息系统和电子技术等课程的知识，需要对相关知识综合运用。学生在先修课程中多是针对各知识点的单独训练，没有综合运用的实践，因此在本课程的学习中经常会因为没有掌握一个小知识点而影响后续知识点的学习。另外课程授课时数有限，既要讲授理论，又要完成实验，导致很多知识点的讲授缺乏深度和广度。2. 知识体系与内容更新速度快。纵观计算机编码与密码学发展史，编码与密码技术从古典密码、对称密码到公钥密码，不断在发展更新，特别是近十年来随着互联网、人工智能、大数据等新一代技术的不断推进，新的安全问题也随之而来，为了解决这些安全问题，相关的编码与密码理论和技术应运而生，因此课程的知识体系和内容需要同步发展、随时更新，这对传统课堂教学无疑是非常大的挑战。3. 重理论，轻实践。由于受课堂教学的限制，目前国内高校该课程以理论教学为主，忽视实践能力的培养。例如，在学习DES、IDEA、RSA、Rabin、MD5、SHA等加密解密算法时，突出算法的工作原理，而缺乏算法的实现和应用。《计算机编码与密码学》是一门理论和实践相结合的课程，应通过改革教学模式来加强理论知识的应用能力。4. 授课方式单一。在传统课堂教学模式下，以教师为中心，学生被动接受知识，缺乏师生互动。由于本课程涉及许多艰深晦涩的理论知识和证明方法，学生不易理解和掌握，不能激发学生学习的兴趣和主动性，不利于对学生思维能力、创新能力的培养。5. 考核方式单一。课程考核是检验学生学习效果的主要手段，有效的考核机制能大大提高教学质量。本课程涉及理论知识多、实践应用强，而传统课堂教学模式下的考核方式以试卷考试为主，主要考查的是对所学内容的理解，不能客观地体现实际应用综合能力，实验环节是常规的验证性实验，缺乏开放性、创新性和综合性。另外传统的考核方式，是一个静态学习成绩分析结果，不能体现学生在整个课程学习过程中的动态变化，不便于教师对学生的学习进程进行及时了解、干预和控制，持续改进课程教学方法。从以上《计算机编码与密码学》课程特点及现状可以看到，传统的教学模式急需改进，而目前国内外兴起的MOOC和翻转课堂的教学模式，为以上问题的解决提供了有效、可行的思路。

三、《计算机编码与密码学》MOOC课程教学设计

MOOC的出现为高等教育改革提供了实现平台，为课程教学实现持续改进提供了目标和方向[6-7]。MOOC平台提供的丰富数据来源，能够客观地评价学生能力和学习效果[13，20]。2016 年6月《计算机编码与密码学》课程团队申请的在线课程建设项目获得批准并与中国大学MOOC平台签署了合作协议，2017年8月完成《计算机编码与密码学》课程PPT课件的重新制作、在线课程视频的录制，2018年3月课程简介、课程大纲、考核方式、教学视频及 PPT课件完成上传，并完成相应教学内容的作业题和测试题（选择题、填空题、主观题）、讨论题、案例素材的制作，对学生开放进入运行状态。本课程共分33讲，学习时间为10周。教学内容包括： 信息安全面临的威胁及密码学基础知识、古典密码技术、流密码、分组密码体制、公钥密码体制、密钥分配与密钥管理、消息认证、数字签字与密码协议、网络加密与认证。教学资源包括课程视频、PPT课件、课程视频、案例素材、作业题库和测试题库。2019年1月31日第一期课程结束，选课人数达到5000人，2019年7月31日第二期课程结束，选课人数达到4600人。

本课程围绕“一条主线、两个注重、三个结合、四个能够”的教学模式，在课程体系的建设、教学内容和教学方法的改革方面进行了相应的尝试。一条主线，围绕技术应用这条主线。通过基础理论的学习和项目实战，将所学专业知识应用于信息安全的实践中， 在信息的保密性、真实性、顺序性、时间性、不可否认性等方面，实现信息安全保障。两个注重，基础知识的掌握，应用能力的培养。密码技术加解密的方法、秘钥分配与管理、加密和认证技术等方面，设计数学、信息、计算机等多方面的知识，要求学生具有较为扎实的基础知识，本课程借鉴翻转课堂的教学模式，通过问题解答、作业、章节测验等方式，促进学生对知识的理解和掌握。以项目为导向，通过引入案例，培养学生对知识的应用能力。三个结合，自主学习和课程辅导相结合，理论与实际应用相结合，深度与广度相结合。以MOOC平台为基础，通过课程视频、问题解答、作业测验等方式，实现师生互动;将密码技术的相关内容通过算法实现，为实际应用提供平台;既介绍密码技术的基础知识，又通过最新研究成果，引导学生在相关领域的发展。四个能够，能够将所学专业知识应用于信息安全的实践中， 完成各种计算机安全保密任务。能够理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。能够在多学科背景下的团队中承担个体，团队成员以及负责人的角色。能够就计算机编码与密码学问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。

《计算机编码与密码学》MOOC课程教学设计主要包括四个模块：MOOC课程目标设计、MOOC课程内容设计与资源开发、MOOC课程学习活动设计、MOOC课程学习评价设计。总体设计模型如图1所示。

1. MOOC课程目标设计。为了适应专业培养目标的要求，结合“新工科”培养多元化和创新型人才的理念，《计算机编码与密码学》MOOC课程教学改革遵循的宗旨为：通过本课程教学，使学生掌握计算机编码与密码学的基本理论和相关算法，帮助学生将所学应用于信息安全的实践中，培养解决实际问题的能力，为设计、分析和改进各种加密解密数据包提供必要的软件基础，更好地完成各种计算机安全保密任务。

2. MOOC课程内容设计与资源开发。基于MOOC的教学内容与传统课堂教学相比，具有更综合、多元和开放的特点[9-12]。MOOC课程内容包括教师的工作和学生的工作，教师的工作包括课程简介、PPT课件、课程视频、案例素材、作业、测试、讨论、答疑、通知等方面，学生的工作包括作业、讨论、互动交流、提出问题等方面。MOOC课程内容设计的核心是PPT课件的重新制作、课程视频的录制。根据《计算机编码与密码学》教学目标和教学大纲，按代表性知识点全面梳理课程的知识结构，按知识点组织网上课程内容，以20分钟左右讲透一个知识点来进行课程PPT制作和视频录制。本课程按教学知识点录制了48个教学视频，视频的内容重点包括：信息安全面临的威胁及密码学基础知识、古典密码技术、流密码、分组密码体制、公钥密码体制、密钥分配与密钥管理、消息认证、数字签字与密码协议、网络加密与认证。《计算机编码与密码学》MOOC资源除了课程团队上传的PPT课件、课程视频、案例素材、作业、测试、讨论、答疑、通知等外，还包括中国大学MOOC平台的在线资源，如名师课程视频、课件、资料、电子图书等。

3. MOOC课程学习活动设计。《计算机编码与密码学》MOOC课程教学中，学习系统由教师、学生、学习环境、网络资源四部分构成。学习活动根据基于MOOC自主学习的项目活动式开展，分为线上学习活动和线下学习活动两部分，包括基于MOOC视频和在线作业的课程知识点的自主学习、协作学习、讨论和问答等。中国大学MOOC平台可为每位学生提供学习空间，包括教学视频、讨论群组、论坛、个人日志等，同时可记录每位学生的学习过程。课程学习活动中，学生为主体，教师为主导，教师要充分调动学生学习的积极性和主动性，引导学生合理利用《计算机编码与密码学》课程MOOC资源，完成线上和线下学习活动。

4. MOOC课程学习评价设计。《计算机编码与密码学》MOOC课程评价内容包括学生基于MOOC教学平台课程的访问情况、视频收看情况、作业情况、测试情况、论坛发帖次数、自我评价和互评等。学习评价贯穿于整个学习过程，MOOC平台全程记录学习过程，实时收集并分析学习过程中所产生的数据，为评价学生学习提供依据。通过数据分析可判断学生掌握课程知识点和技能情況，综合出学生课程成绩，颁发《计算机编码与密码学》MOOC课程的结业证书。

四、融合MOOC和翻转课堂的校本《计算机编码与密码学》课程教学模式设计

在《计算机编码与密码学》课程教学模式设计过程中，重点需解决以下问题：一是根据课程单元知识体系和课程目标及学生MOOC学习过程中，如何提出富有挑战性和探究性价值的问题，如何开展基于问题的讨论式课堂。二是如何设置问题情景，创设训练项目，引导学生根据自己的兴趣、爱好针对性地选择合适的训练项目，开展基于项目的探究式课堂。三是在混合教学模式设计中如何体现“新工科”教育特质和理念，激发学生学习的兴趣和主动性，发展学生的高层次思维能力和创新能力。针对信息安全类课程特点，基于已制作完成并开始运行的《计算机编码与密码学》MOOC课程，依托中国大学MOOC平台，结合国内外典型的翻转课堂模式[6，15，16]，构建了如图2所示的融合MOOC和翻转课堂的《计算机编码与密码学》课程教学模式。该模式由课前、课内和课程评价三个模块构成。

1. 课前设计——知识传递。学生访问中国大学MOOC平台，观看《计算机编码与密码学》课程相关知识点的MOOC视频、PPT课件、案例素材，完成MOOC作业、测试，参与MOOC平台上的学习讨论，检索和查阅相关资源进行自主学习。学生在学习过程中，可自主地根据自身的知识掌握情况和学习兴趣来调整学习步调，没有掌握的知识点可反复观看、训练，已掌握的知识点可快进或跳过，并将已经掌握、尚未掌握及想要深入了解的知识、学习过程中所遇到的问题进行详细的记录。任课教师登陆校本MOOC平台，浏览、参与学生MOOC学习的过程，了解学生，与学生进行交流并给予指导。

2. 课内设计——知识内化。（1）设计思想。课内是学生内化知识的过程，教师设计课堂活动，利用情景、协作、会话等要素充分发挥学生的主体性，并引导和组织学生应用知识解决问题，培养学生高层次思维能力和创造能力。首先，教师梳理强化所学课程内容的重点和难点，根据学生的MOOC学习情况的反馈，有针对性地对相关知识点进行讲解。指导学生学习中如何理论联系实际，如何把握重点，并根据课程单元知识体系和课程目标及学生MOOC学习过程中存在的问题，提出一些富有挑战性和探究性价值的问题，开展基于问题的讨论式课堂。其次，教师设置问题情景，创设训练项目，引导学生了解项目任务与目标，学生根据自己的兴趣、爱好针对性地选择合适的训练项目，开展基于项目的探究式课堂。另外，教师将学生进行分组，4-6人组成一个学习小组，每小组推选出一名组长，组长负责、成员分工协作，共同完成某一相对复杂的任务，探究某一具体问题，同时组织各组以报告、比赛、辩论等形式展示复杂任务和探究性问题的成果，教师及时跟踪各学习小组的训练情况，给予点拨和指导。最后，教师对整个教学活动进行总结、评价和归纳，反馈问题至下一次教学设计中。MOOC平台是本课程教学模式改革的基础和前提，而课堂环节的讨论和探究是本课程教学模式改革的核心，它颠覆了传统课堂的教学，课堂教学因此变得丰富而生动。（2）教学实例。以RSA公钥密码系统教学过程为例。a.重点和难点讲解。重点：RSA密码系统的数学基础：欧拉定理，密钥产生的方法，加密和解密的方法。难点：RSA算法的有效性证明和安全性条件。b.情景设计。模仿商务往来中信息的传递和密码的破译，将学生分为进行商务往来的甲乙双方和信息窃取者三个角色，教学模型如图3所示。c.训练项目。项目1：RSA密码中涉及算法演示，如计算乘幂的模，求模运算逆元。项目2：RSA密码的公钥和私钥设计的编程实现。项目3：RSA加密和解密方法的编程实现。d.分组交流。讨论1：RSA密码安全性讨论。讨论2：对RSA密码系统的攻击方法讨论。

3. 课程评价设计。为保障《计算机编码与密码学》课程教学模式的高效运行，课程评价采用多元评价机制，科学客观地对学生学习情况进行评价反馈，重视学习过程评价，弱化考试权重，强调学习效果，发展能力和激发潜力。本课程评价由校本《计算机编码与密码学》MOOC课程在线自动评价（MOOC课程的结业证书，占60%）和课堂形成性评价（占40%）两部分组成，课堂形成性评价包括课堂作业与测试、课堂讨论、课堂训练项目、课堂展示等活动的参与情况综合而成。

五、教学模式应用效果分析

2018-2019学年第二学期，针对计算与信息科学专业，开展了融合MOOC和翻转课堂的校本《计算机编码与密码学》课程教学模式改革实践，52名学生参与了该课程学习。本研究进行了问卷调查分析，同时利用MOOC平台提供的分析功能对学习者的学习行为进行了数据分析。

1. 调查问卷分析。本研究对学生进行了问卷调查，调查问卷采用五点量表，按照5分制计分，问卷结果表明，学生能自主完成课前MOOC学习（均值3.78，标准差0.862），基本掌握课程的教学内容（均值4.21，标准差0.895），对新的教学模式比较感兴趣（均值4.09，标准差0.817），认为利于启发思维（均值4.11，标准差0.813），培养自主学习能力（均值3.84，标准差0.717），比传统课堂的教学效率高（均值3.96，标准差1.064）。

2. 平台数据分析。MOOC平台提供了多元统计功能，包括学生访问课程次数、课程视频观看情况、观看时长、视频配套作业题和章节配套作业题完成情况、单元测试情况等。这些数据可以反映和解释学生的课前自主学习行为。MOOC平台统计了52名学生观看课程48个视频的时长，本研究按照学生观看视频时长与视频自身长度之比，即平均视频反刍比，来统计观看视频人数占比，数据如表1所示。

表1 学生观看视频情况统计

图3 商务往来中信息传递和密码破译

从表1可以看出，除了个别学生在个别视频上未完成观看外，绝大部分学生（85.8%）花费了1.5倍以上的时间反复学习，说明学生的课前自主学习情况良好。以“Rabin密码系统”这节MOOC课为例，视频长度21.65分钟，统计数据表明学生平均观看时间38.28分鐘，平均视频反刍比是1.84。反刍比越高说明学生观看视频时间越长，次数越多，同时可以反映出学生认为该知识点难度较大，在翻转课堂上教师应该重点讲解，组织讨论，以便学生能更好地掌握。MOOC平台统计了52名学生完成视频配套作业题和章节配套作业情况以及单元测试情况。视频配套作业一般为5道题，形式包括选择、填空和判断对错。章节配套作业一般为3道题，主要以计算、编程和分析题为主。基本要求是视频配套作业题至少完成3道，章节配套作业题至少完成2道。统计表明视频配套作业38.2%的学生能完成3题，42.3%的学生能完成4题，17.1%的学生能完成5题。章节配套作业学生能够按要求去做，70.6%的学生能完成2题，26.3%的学生能完成3题，计算题80.5%的学生能够正确完成，分析题62.2%的学生能够正确完成，其余学生存在的问题是分析不够全面，编程题71.4%的学生能够正确完成。数据分析表明学生完成作业情况良好。每个教学单元配一套测试题，重点考核学生对本单元知识的理解、掌握和灵活运用情况，允许学生多次答题，记录最高分。由于融合MOOC和翻转课堂的教学模式注重学生课前学习时间和效果，学生课前自主学习时间比改革前有很大幅度的提升，同时通过课前与课内的师生互动，使学生能够更好地理解和掌握所学课程。《计算机编码与密码学》课程设计注重理论教学与实践教学内容紧密结合，基础理论教学内容与学科前沿紧密结合，实践教学的基础性与综合性、设计性紧密结合，考核手段多样性与激励目的紧密结合。通过本课程的学习，使学生对计算机编码与密码学当前主要研究方向和应用领域有一定的了解，培养了学习者在科学研究和事务处理上百折不挠、持之以恒的毅力和意志，促进了专业素质和专业修养的提高。

六、结束语

网络安全已经上升为国家安全战略，如何培养多层次、多规格且具备多学科知识和复合型技术的信息安全人才是“新工科”教学建设和教学改革的重点。本研究提出融合MOOC和翻转课堂的校本《计算机编码与密码学》课程教学模式改革新方案，旨在促进知识的应用、分析与评价，强调学生自主学习，强调师生之间、生生之间的互动，提升学生的高层次思维能力和创新能力，遵循应用型人才应具备的知识、能力、素质标准，符合“新工科”信息安全人才培养理念。

2019年《计算机编码与密码学》被评为陕西省精品在线开放课程。

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基金项目：陕西高等教育教学改革研究项目“新工科人才培养模式研究与探索”（编号：19BY012）;西北工业大学教育教学改革研究项目“计算机编码与密码学课程教学改革探索”（编号：2018020）

作者简介：周敏（1966-），女，汉族，浙江宁波人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：数学与信息科学;王莉芳（1965-），女，汉族，陕西西安人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向：管理科学与工程。