汪云路 吴震东 王 慧（杭州电子科技大学网络空间安全学院，浙江 杭州 310018）

基于对战模式的信息隐藏技术课程教学改革

汪云路 吴震东 王 慧
（杭州电子科技大学网络空间安全学院，浙江 杭州 310018）

针对信息隐藏技术课程交叉性极强，学习难度大、学生缺乏学习热情等教学实际问题，分析目前开设的信息隐藏课程的现状和症状，提出优化教学内容、启发式教学方式以及以学生为中心，创建对战模式的课堂教学改革模式，力求激发学生的学习兴趣，全面提升学生的动手能力和创新能力，最终达到最优的教学效果。

信息隐藏；对战模式；课程教学；信息安全

1 引言

当今社会在经历了机械化、电气化之后，进入了一个崭新的信息化时代，信息称为一种重要的战略资源，信息安全已成为影响国家安全、社会稳定和经济发展的决定性因素之一。发展信息安全技术与产业，人才是关键，人才培养、教育是关键。

信息隐藏技术是20世纪90年代兴起的信息安全技术，与密码学不同，信息隐藏技术是将秘密信息隐藏在不重要的公开信息中，然后通过公开信息的公开传输来传递秘密信息[1]。公开信息一般称为载体，可以是文本、音频、图像、视频或者其他的二进制码流[2]。

杭州电子科技大学自 2010年开始开设“信息隐藏技术”课程，刚开始作为信息安全专业高年级学生的选修课程，是对信息安全课程体系的一个重要的完善和补充。随着信息隐藏技术的发展，该课程也逐渐延伸到保密管理等专业高年级学生。与其他课程相比，“信息隐藏技术”课程有它自身的特点和难点，经过数年的教学实施，笔者发现，学生普遍反映学习难度大，学习效果较差，学习热情不高。因此，在多年的教学实践中，本文提出以学生为中心，基于对战模式的课堂教学改革模式，进行课堂教学改革。

2 课程简介

“信息隐藏技术”是高等院校信息安全专业、密码学专业、计算机专业、保密等专业的一门重要的专业课。该课程一方面以信号与系统、数字信号处理、数字图像处理及语音信号处理等课程为基础，同时又需具备密码学和计算机、网络等相关课程储备，在教学环节中适宜高年级学生学习，其教学质量的好坏直接关系到学生对网络化多媒体信息的安全传递等重要概念的理解和分析解决问题的能力[3]。因此，有效地提高该课程的课堂教学质量，对提高杭州电子科技大学信息安全等专业的教学质量和学生专业素质有着重要意义。

“信息隐藏技术”课程的难点在于，是一门交叉性极强的理论课程，学生需同时具备大量信息安全和信号处理等前期课程知识，并在此课程中将之融会贯通，总体学习难度较大。杭州电子科技大学“信息隐藏技术”课程一直采用传统教学方式，形式单一，以多媒体方式展示课程内容，以板书形式进行大量的公式推导，学生仅依靠做习题来巩固和理解教学内容，对课程中大量的应用性较强的内容不能通过实际动手设计、调试和分析，使学生在学习这门课程时，普遍感到“信息隐藏技术”的概念抽象，对其中的分析方法和基本理论不能很好地理解和掌握，严重影响和制约了教学效果。因此，如何帮助学生理解和掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是“信息隐藏技术”课程教学所要解决的实际问题。

随着杭州电子科技大学教学改革的深入，作为本课程的任职教师，立足于创新型人才培养的思考，对该课程进行启发式教学改革的研究，转变教学思想，除了采用传统的教学手段之外，还应借助计算机辅助教学，更新教学方法和提高教学质量，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，紧紧围绕以学生为中心这一关键点，创建对战模式，引导学生主动参与、独立思考，着力培养学生的自主学习、钻研问题、探究创新的兴趣和能力，不断提高学院的本科教学水平和人才培养质量。

3 基于对战模式的课堂教学改革

针对信息隐藏技术课程交叉性极强，学习难度大、学生缺乏学习热情等教学实际问题，分析目前开设的信息隐藏课程的现状和症状[4，5]，提出优化教学内容、启发式教学方式以及以学生为中心，创建对战模式的课堂教学改革模式，力求激发学生的学习兴趣，全面提升学生的动手能力和创新能力，最终达到最优的教学效果。

3.1 与时俱进，优化教学内容

信息隐藏技术是一门涵盖范围非常广的课程，在通信、信号处理、密码学、保密科技等方向上都有着非常紧密的应用。因此，在教学过程中，教师与时俱进，从学生熟悉的身边事物开始串联，剖析其中蕴含的信息隐藏技术原理，使得学生学以致用，不再对“信息隐藏技术”这门课程抱有距离感和疏离感，使得抽象的原理变成具象的实例，使得数学公式与物理世界一一联系起来，加深学生的理解；在此基础上，深化教学内容，将创造性的科研引入教学，引导学生了解和接触到学术领域中的最新成果或最新问题，剥离出其中包含的信息隐藏技术原理，激发学生奋进，启发学生思考，使学生的创造性思维得到发展，也使他们学会运用科学方法来思考和解决问题。

3.2 启发式教学方式，引 MATLAB入课堂

应用于数学分析和工程计算的软件很多，但国际公认最有效的工具软件当属MATLAB。在“信息隐藏技术”的教学中充分利用MATLAB，可以提高教学的可视化和学生的学习积极性，从而提高教学质量[6]。

由于长期以来一直采用黑板式的单一教学方式，“信息隐藏技术”课程中大量信息隐藏算法缺乏可视化的直观表现，使得学生将大量的精力和时间用于繁杂的手工公式推导，不能真正理解所得结果在信息隐藏中的实际应用。通过MATLAB，我们不仅可以把学生从繁杂的手工数学运算中解脱出来，又可以通过MATLAB 完备的图形处理功能，实现信息隐藏结果的可视化。针对“信息隐藏技术”课程内容的特点，利用MATLAB 的信号处理工具箱和图形处理及数据可视化，教师可以将结论直接用图形来演示，从而让学生对抽象的概念和定理以及结论有直观的认识，并加深对一些重要概念的理解；同时学生也可以亲自动手进行课题设计，从而激发学习兴趣和增强借助计算机解决实际问题的能力。

3.3 以学生为中心，创建对战模式

信息隐藏技术课程的学习有其特殊性，是一门既可以学习信息隐藏技术，又可以破解信息隐藏技术的双面课程。因此，在学生掌握信息隐藏和隐藏检测技术的基础上，大胆创建对战模式，将学生分为正反两组进行实战对战，以实战的成绩作为最终成绩的重要参考。课程中具体的操作是这样的：

将学生平分为两组，一组为隐藏组，一组为破解组。

隐藏组成员可对老师提供的载体隐藏入指定信息，并将隐藏后的载体交给破解组；破解组成员对隐藏组发来的载体进行隐藏分析，判断其是否隐藏了秘密信息。

若破解组成员成功分析出一个隐藏载体，计一分；若分析失败，则提供该隐藏载体的隐藏组成员得一分。

全体同学中，分析出最多隐藏载体的破解组成员获得最高分，而能抗住最多破解组成员攻击的隐藏组成员也将获得并列的最高分。其他同学分别按照破解成绩和隐藏成绩的高低获得相应的分数。

为取得较好的成绩，隐藏组成员会对隐藏效果好的算法进行研究，而破解组成员则会更从实际出发，探讨隐藏算法对载体造成的影响，以及如何加以分析。该对战模式的实战能够最大限度激发学生进行课题设计的积极性，极大提高他们的学习热情和利用计算机进行工程实践的能力。

4 对战模式教学改革工作

与信息安全和网络空间安全的许多课程一样，“信息隐藏技术”是一门操作性和实践性很强的课程，很多理论最终要转化为实践，才能更加直观。况且，在前面的课堂教学中，已经引入MATLAB入“信息隐藏技术”课堂。MATLAB强大的图形处理功能、符号运算及计算结果可视化功能，仅需简单的几个语句就能完成，可以将信息隐藏技术课程中大量较为抽象、学生难以理解的概念和问题以图形、动态画面等展现出来，使学生易于理解和掌握。

从本科教学安排的实际情况来看，杭州电子科技大学信息安全专业高年级本科生在开设信息隐藏技术课程之前已经学习了计算机软件基础和C语言，具有了一定的计算机编程能力，可以接受 MATLAB软件的编程，并且可以为后续的MATLAB编程高阶段学习打下良好基础。

“信息隐藏技术”课程最初并没有安排上机实践，笔者在教学中发现理论教学与实践割裂感较为严重，学生学习积极性不高。因此，在教学改革中，笔者安排了共计12课时的上机实践，主要分为两个部分。前一部分是中规中矩的验证性实验，主要做两种最常见的信息隐藏算法和一种常见的信息隐藏检测算法；后一部分是综合性和设计性实验，学生需要综合前面三个实验的内容，甚至要自行学习更高深的信息隐藏知识，才能获得较好的实验结果。具体实验内容如表 1所示。

表1 “信息隐藏技术”课程的上机实验内容

本课程改革首先设在2014年底，在12级信息安全专业学生中开展实施，取得良好成效。在最后一次对战实验中，1班和2班的学生按照班级展开攻防实验，负责攻击的1班学生表现出色，攻击成功率较高，其中几组学生充分发挥主观能动性，对 2班所有的信息隐藏载体进行猛烈攻击，取得良好成果。最终这几组学生的综合成绩评定都在90分以上。其他同学也都较好完成了实验内容，对学习内容的掌握也有了进一步的深化。

在2015年的教学中，13级信息安全专业学生在课堂上分好隐藏组和破解组。大多数同学已经表现出极大的学习积极性，隐藏组主动与老师讨论随机化、加密、混沌化等课堂上没有教过的信息隐藏内容，以期提高信息隐藏的鲁棒性和安全性；破解组则不满足于课堂所学，积极寻找效果更好的信息隐藏攻击算法，并在课外进行编程实现。其攻防实验相比上一年，更加激烈精彩。所有同学分为42组进行比拼，其中21组为隐藏组，根据老师指定的图像嵌入水印；然后老师将隐藏前图像和水印图像重新打乱，要求21组破解组成员从42幅图像中找出嵌入水印的21幅图像，这些图像都是极为相似的，使得学生无法采用对照攻击等方式进行试探，无疑大大增加了破解组的难度。42幅图像如图1所示。

图1 破解组需攻击的图像，其中一半隐藏水印

最后，根据破解组的成功率（包含虚警率和误警率），给破解组打出从高到低的分数；而隐藏组也根据他们的图像被成功攻破的次数，给出相应分数。其中，一些同学表现出了极大的学习热情，主动要求从隐藏组更换到破解组，攻击同学的实验结果。更有隐藏组同学在提交了本组隐藏的图像之后，不满足实验就此结束，主动要求自己也加入破解的行列，并当场破解了很多图像，成功率高达75%。

信息隐藏课程进行教学模式改革之后，比以前单纯的课堂教学，极大提高学生的学习热情，增强了学生利用计算机进行工程实践的能力和自主解决问题的能力，并在双方的攻防对战中不断切磋提高。

5 总结与展望

作为网络空间安全学院信息安全专业的一门重要的专业课，“信息安全技术”课程的开设对增强信息安全专业学生的专业技能和实际操作能力有着极为重要的意义。针对目前开设的信息隐藏课程的现状和症状，在实际教学中，尝试优化教学内容，采用启发式教学方式，并以学生为中心，创建对战模式，与编程环节相辅相成，互相促进。几年的教学实践表明，教学改革能够激发学生的学习兴趣，提升学生的动手能力、操作能力和创新能力，教学效果达到预期目标。目前，杭州电子科技大学信息安全专业在进行专业调整，在以后的教学中，还将进一步搜集学生反馈，不断调整教学和实验内容。

[1] 钮心忻.信息隐藏与数字水印[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[2] 王丽娜,张焕国.信息隐藏技术与应用[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[3] 杜瑞颖,张焕国,彭国军,等.武汉大学信息安全专业实践教学体系的探索与研究[J].计算机教育,2007(10):22-26.

[4] 董晨,刘臻,陈智罡,等.《网络与信息安全》课程中信息隐藏技术的教学探索与实践[J].中国信息技术教育, 2014(11):106-108.

[5] 郑淑丽,胡东辉,侯整风,等.信息安全专业“信息隐藏”课程的教学研究[J].计算机教育,2010(2):105-108.

[6] 张湛,瞿芳.基于 Matlab平台的《信息隐藏》教学改革研究[J].科学时代,2012(3):327-330.

Curriculum teaching reform of information hiding technology based on battle mode

The present situation and symptoms of information hiding courses are analyzed aiming at the problems of information hiding technology, such as strong cross-training, difficulty in learning, lack of students' passion for learning, etc. The curriculum teaching reform mode includes optimizing teaching content, heuristic teaching method and student-centered of creating the battle mode. And strive to stimulate students' interest in learning, and comprehensively enhance the students hands-on ability and innovation, and ultimately achieve the best teaching results.

information hiding; battle mode; curriculum teaching; information security

G42

A

1008-1151(2016)12-0091-03

2016-11-11

杭州电子科技大学高教课题“以学生为中心的启发式信息隐藏技术课程教学模式改革研究”（YB1443）。

汪云路（1981－），女，安徽无为人，杭州电子科技大学讲师，研究方向为信息安全。