密码学课程中的说课实践成果

“说课”在密码学课程中的应用实践

张恩彪

(信息工程大学电子技术学院二系，河南郑州450004)

摘　要　“说课”是进行教学研究、教学交流与探讨的一种教学研究形式，能有效调动教员投身教学改革、钻研教学方法的积极性。本文以密码学课程的教学作为核心研究内容，通过分析授课对象专业特点和教学大纲，以探究式教学模式组织教学，采用“任务驱动”为主的多种教学方法进行的一次说课实践。

关键词　说课;密码学;教学方法;课程设计

“说课”作为一种教学、教研改革的手段，最早是由河南省新乡市红旗区教研室于1987年提出来的，是指说课教员运用口头语言向其他教员述说在课堂教学中如何以教育教学理论为指导，根据教学大纲要求进行教学设计的一种教研活动形式，是教员在充分备课的基础上，把教员的教案转化为“教学活动”的一种授课实战演练。近年来，随着教育制度的更新，教学技术、教学手段的进步发展，“说课”越来越受到关注，并逐渐成为各学科衡量一节课好坏的重要标尺，甚至成为各级各类学校招聘、选拔人才的重要手段之一。同时“说课”也是加强课堂教学研讨、提高课堂教学质量的重要措施之一，是每位教员提高自身素质的有效途径之一。

“任务驱动”教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学方法，建构主义教学设计原则强调学员的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学员获取知识和技能的能力。“任务驱动”教学方法符合探究式教学模式，适用于培养学员的多种能力。本文的说课设计是在探究式教学模式下，以“任务驱动”为主的多种教学方法在密码学教学中的应用实践。主要从六个方面进行阐述:

一、学情分析

“密码学”课程是电子商务专业的一门专业必修课程，开课学期为第六学期。这一学期，学员已经学习了“高等数学”、“计算机网络”等课程，基本具备了学习密码学的理论基础，但数学基础知识薄弱。因此，本课程的教学淡化理论教学，注重突出趣味性、基础性和应用性等特点，力图通过实例演示和情景对比，来激发学员的学习热情，帮助学员对重点、难点内容的理解和掌握，并通过即时练习和课后作业，使学员达到对知识的深化理解，从而达到巩固提高的效果。

二、教材分析

“密码学”课程的教材是由胡向东、魏琴芳编著，电子工业出版社出版的高等教育“十一五”国家级规划教材《应用密码学》。该教材的特点是通俗易懂、适合数学基础薄弱的本科生学习，注重从学员易于接受的方式来介绍密码学的要领，不拘泥于细腻的理论证明和形式上的严谨，具有应用性、典型性、易学性、有趣性等特点，与学情相符合，是适合本课程授课对象的一本好的教材。

本次说课的内容是教材第5章第2节的“数据加密标准”。本节内容不仅是本章的一个重点，也是本课程学习的基础。这部分内容是学员在学习了密码学基础知识、古典加密方法以及分组密码原理等知识以后开始学习的第一个现代分组密码算法，它是对分组密码设计准则的具体运用实例，又是后面学习其他分组密码知识的基础。本节课的学习不仅让学员掌握DES算法，而且可以让学员了解密码编码的基本环节和密码设计的基本思想，为学员今后从事信息安全工作打下理论基础。

三、教学目标

本节课要求学员掌握DES分组密码的设计思想和工作流程;掌握DES分组密码的密钥生成过程以及了解DES分组密码的安全性。因此，将DES分组密码的设计思想和工作流程、圈函数和密钥的生成过程作为本节的重点。再根据学员的认知水平，将圈函数作为本节教学的难点。

本节课的教学目标如下:

(1)知识目标。掌握DES分组密码的设计思想和工作流程;掌握DES分组密码的密钥生成过程;了解DES分组密码的安全性。

(2)能力目标。通过学员的提问、讨论和总结将着重①分析问题和解决问题的能力、逻辑推理能力;②理解密码编码基本技巧、明晰密码设计基本思想、建立密码分析能力;③培养合作学习的能力以及总结归纳的能力，使学员养成科学思维的习惯。

(3)情感目标。结合本节的教学，向学员渗透尊重科学，热爱科学和运用科学的意识。逐步培养出勇于探索未知世界，积极主动学习的意识，献身科学的思想，使学员对本学科更加热爱。

四、教学方法

本节课以“任务驱动”教学方法为主，采用以讲授法、演示法、提问法、练习法、对比法为辅的教学方法。意在通过教员的引导，将重知识传授的教学转变为探究式、实验式教学，以学员为中心，能充分发挥学员的自主能力和创新能力，调动学员的学习积极性，使学员变被动学习为主动而愉快地学习，更让学员多交流、多讨论，主动参与到教学活动中来，培养学员的动手能力和应用意识，提高学员的科学素养，体现了以学员为主体的探究性学习和因材施教的原则。

五、教学过程

为了将教学目标和教学过程组成一个有机的整体，以促进教学目标的实现，本节的教学程序是这样设计的:

(一)课堂导入

在本节课中，首先利用事先编制的DES小程序进行演示，通过将学员们感兴趣的文字进行加密，这种导入方法，不但让学员对加密有个直观的认识，而且还可以激发学员的兴趣。在导入的同时，布置一项任务，将学员分成若干小组，课后每个小组要提交自己编制的DES加密小程序，这项任务也是密码学课程设计的一项内容，可以作为最后考核的一项内容。通过这项任务的驱动，使得学员在接下来新课的讲解中会带着问题听讲，从而促使学员主动学习，主动参与到教学过程中。另外，通过课后的设计任务，也可以锻炼学员的动手能力和团队合作能力，实现情感目标。

(二)新课讲授

接下来是新课讲授部分，这部分主要分为五个单元进行讲解。

1.DES算法历史背景及意义

这单元内容往往容易被忽略，但它却是激发学员学习兴趣，完成情感目标主要内容。因此在讲解这部分内容的时候，不是简单的叙述教材上的几个历史阶段，而是增加了DES算法发明者Feistal作为第二次世界大战期间流亡美国的德国人，如何在美国安全局的阻挠下，坚持密码研究工作的故事。同时还告诉学员，DES算法在公布为标准的时候，美国安全局对美国研制的密码产品出口进行了限制，以保证在当时条件下美国安全局自己能破译，而其他国家或企业不能或者很难破译。通过这样的讲述、不但激发了学员的学习热情，而且，也让学员懂得了对于以后从事信息安全方面的工作，不能依赖别人的东西，要勇于探索未知世界，积极主动学习，努力在信息安全领域做出突破。而这也是这节课的情感目标之一。

2.DES算法概述

这单元内容主要包括DES的基本参数、设计思想和工作流程，这部分内容是本节课的重点内容之一。在讲解这部分内容的时候，我采用的是多媒体教学和板书结合的教学手段，为了更好地让学员记住这些基本参数，主要以板书形式呈现给学员，这样做的好处是，作为需要学员们记住的知识，写在黑板上，时刻给学员们以直观的印象，帮助学员的记忆。对于设计思想和流程的讲解，主要以幻灯片动态呈现的方法帮助学员掌握，同时还以洗牌这样的生活实例作为对比，将洗牌和DES加密的目的进行比较，从而帮助学员顺利掌握本单元重点内容。另外，还通过回顾前面的内容以及提问来帮助学员主动思考加深理解。比如让学员思考“为什么要多圈迭代?让学员比较第16圈与前15圈结构，找出它们之间的不同点。为什么设计?这样设计有什么样的好处?”等问题，以问题为驱动，让学员去思考理解整个工作流程以及设计思想。

3.圈函数(www.xing528.com)

本单元内容主要包括圈函数的结构和F函数。在讲解圈函数结构的时候，主要采用提问法。在讲解过程中，除了用幻灯片呈现结构图之外，还通过问题:“圈函数的整体结构是Feistel模型结构，找出这种结构的优缺点”，让学员们了解其优缺点，同时也了解到圈函数的加密和解密过程具有相似性，F函数不要求可逆这样一个特点。然后根据DES的工作流程，为学员们指出了另外一个知识点: DES算法具有加、解密的相似性。

F函数变换的难点内容是S盒变换和P盒变换，主要采用对比法和提问法来解决。对于S盒变换，以学院家属院的信箱来与S盒进行对比，输入作为查找信箱位置的钥匙可以打开确定信箱，并打开信箱取出信件，通过这样的对比使得学员很容易掌握整个S盒变换方法，同时也提醒学员这个变换起到了代替作用，输出代替了输入，强调S盒是DES算法中唯一的非线性变换，是在DES算法起核心作用的密码变换环节。

在讲到P盒变换的时候，学员容易与S盒变换发生混淆，为了解决这个问题，我以课堂上学员们的位置作为对比，让学员清晰地意识到P盒变换中的数字代表的是位置，整个变换过程如同学员每周调换座位一样。这样对比的效果就比较明显了，而且让学员感到亲切有趣，顺利突破难点。通过以上两个对比，也让学员们了解到，DES加密过程中，那些因素起到了扩散和混乱作用。

最后通过即时练习:“求DES算法用全0密钥对第一圈的输入11000001161681681816(16进制表示)加密结果”，达到巩固前面教授内容的作用。

4.DES圈密钥生成过程

本单元也是重点内容之一，为了让学员们顺利掌握该知识点，首先用幻灯片动态呈现整个流程，然后采用即时练习和学员参与的方法，通过这个练习学员能很清楚地了解整个生成过程，帮助学员理解的同时，顺利掌握难点，达到了很好的效果。练习题目:设DES的初始密钥k为0123456789ABCDEF(16进制数)，求前两圈的子密钥k1，k2。

5.DES的安全性分析

根据教学大纲和学员的认知特点，本单元内容不作为重点内容。因此本单元内容的教授以“够用”为度，主要讲解了DES在应用中需要注意的问题，比如在密钥的选择上，要避免选择影响安全性的密钥; DES在实际的使用上具有一定的局限性，主要表现在密钥过短、设计过程不透明等方面上，如何解决这个问题，主要采用方法有哪些，也为下节课做个铺垫。

(三)归纳总结、布置作业

小结重在把本课知识纳入已有的知识系统中，加强知识之间的联系，还可提出一些带思考性的问题，承上启下。我充分体现了学员的主体地位，引导学员从知识、方法、思想三个方面总结，这样，既强化了所学的知识，又培养了学员用精练的语言进行归纳和概括的能力，同时也注意了教学中学员易出现的问题。

本节的作业除了开篇留下的任务，还留了一个思考题: DES算法利用哪些环节来完成算法必要扩散和混乱的?通过学员的课后总结思考，可以更加熟练地掌握本节课的重点内容，也为下节课的学习做了铺垫。

(四)板书设计

根据本节课的特点，采用多媒体为主板书为辅的教学手段。板书主要是对关键问题和重要概念进行直观的、示意性的解释和说明，是整个教学过程的脉络。这样的好处是:(1)提醒学员哪些是重点内容，方便学员了解整个教学进程;(2)方便课后总结归纳。

下面是整个板书设计:

六、教学总结

本节课的设计采用“任务驱动”为主的多种教学方法，可以启发、诱导学员参与教学过程。并通过提出问题、分析问题、解决问题，使得学员顺利掌握重点、难点内容。整个课程设计是一个循序渐进的学习过程，可以将传授知识、培养兴趣和能力有机地结合到一起，具有以下优点:

(1)能够激发和保持学员的学习兴趣。

学员在完成任务的过程中，通过亲自操作实践，有了感性认识，教员再适时地帮助他们分析、归纳完成任务的基本方法，使他们获得清晰的思路、方法，实现从现象到本质的过渡，形成规律性的知识，不断地获得成就感。这样，可以更大地激发他们的求知欲望，逐步形成一个感知心智活动的良性循环，从而保护他们的学习兴趣。

(2)能够培养学员提出问题、分析问题、解决问题的能力以及自主探索创新的能力和意识，达到学以致用。

“任务驱动”是一种问题推进式的教学模式，学员只有学会发现问题、提出要解决的问题、设想解决问题的各种方案，然后探究解决问题才能完成任务。

(3)能够充分体现“学员为主体，教员为主导”的教学策略。

传统教学模式的主体是教员，教学时往往是教员讲学员听，学员被动地接受学习，这非常不利于调动学员的积极性。在“任务驱动”教学法中，以学员完成信息处理任务为中心，教员在教学中仅仅起组织、引导、促进、控制、咨询的作用。

总之，“教学有法，教无定法，贵在得法”，如何上好这门课，仍然需要我们更加努力的投身教学改革，不断钻研教学方法，才能不断提高教学能力和教学水平。

参考文献

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