面向信息安全專(zhuān)業(yè)的信息隱藏技術(shù)課程混合式教學(xué)研究與實(shí)踐

鄭淑麗，羅 珣，胡東輝，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息、人工智能學(xué)院，安徽 合肥 230601；
2.合肥工業(yè)大學(xué) 信息化建設與發(fā)展中心，安徽 合肥 230009）

信息隱藏技術(shù)是面向信息安全專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設的專(zhuān)業(yè)課程，主要研究如何將信息隱藏到各種載體中進(jìn)行傳輸，實(shí)現隱蔽通信。隨著(zhù)多媒體技術(shù)網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展，信息隱藏的研究范圍不斷擴大，從保密通信到多媒體版權保護、多媒體認證、大數據版權標識、深度學(xué)習模型版權標識等，信息隱藏技術(shù)與大數據、人工智能等領(lǐng)域的交叉融合，在實(shí)際應用中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。

信息隱藏是一門(mén)典型的多學(xué)科交叉融合課程，重理論與實(shí)踐，需要學(xué)生具備數字信號處理、多媒體技術(shù)、機器學(xué)習、通信原理、密碼學(xué)、信息論等基礎知識。作為緊跟時(shí)代發(fā)展的課程，信息隱藏應與當前研究熱點(diǎn)緊密結合［1-2］。為了使學(xué)生學(xué)以致用，必須要求其掌握大量相關(guān)領(lǐng)域知識，但受限于學(xué)時(shí)和學(xué)分設置，傳統教學(xué)模式（課堂講授，課下學(xué)練）存在師生互動(dòng)交流較少，無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性，教學(xué)效果難以有效提升等問(wèn)題。因此，必須探索新的教學(xué)模式提升學(xué)生課外自學(xué)時(shí)間與力度，突出“兩性一度”的特色，提高教學(xué)質(zhì)量［3］。

MOOC與翻轉課堂的興起，為高等教育教學(xué)改革與創(chuàng )新提供了機遇［4-5］。針對傳統教學(xué)中存在的痛點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題，線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)已逐步在高校應用，成為高校教學(xué)模式改革所關(guān)注的重要方向［6-7］。線(xiàn)上線(xiàn)下混合課程是圍繞同一批學(xué)生，將線(xiàn)上課程（MOOC或SPOC）與線(xiàn)下課程（實(shí)體課堂課程）相結合，既有視頻/線(xiàn)上課程支持，又有實(shí)體課堂?；旌鲜浇虒W(xué)具有線(xiàn)上+線(xiàn)下、翻轉課堂、師生高效互動(dòng)及交流三大特征［8］，其目的在于推動(dòng)課堂與學(xué)習革命，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習向主動(dòng)學(xué)習轉變。

傳統課堂存在課程創(chuàng )新實(shí)現難、分層次教學(xué)實(shí)施難、學(xué)習效果提升難等問(wèn)題，混合式教學(xué)可進(jìn)行課程內涵化、內容可視化、網(wǎng)絡(luò )課堂差異化及實(shí)體課堂互動(dòng)化［9-10］解決所遇問(wèn)題。該方式相較于大規模在線(xiàn)開(kāi)放課程（Massive Open Online Course，MOOC）、小規模限制性教學(xué)（Small Private Online Course，SPOC）在實(shí)現網(wǎng)絡(luò )課堂差異化方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢［11］，MOOC學(xué)習群體的大規模性忽視了學(xué)習對象的個(gè)性化需求，SPOC具有小規模、限制準入、根據授課對象定制在線(xiàn)資源等特點(diǎn)，非常適合專(zhuān)業(yè)課小班教學(xué)。

相較于信息安全專(zhuān)業(yè)的其他課程［12］，信息隱藏課程的講授內容與教學(xué)方式具有其自身特點(diǎn)：目前信息隱藏自身基礎理論模型尚未成熟，算法設計及應用也在不斷更新迭代中，缺少成熟穩定的教材，各大MOOC平臺上的課程資源非常少，而且由于各校培養目標、課程目標與專(zhuān)業(yè)教師的科研能力不同，課程教學(xué)大綱與教學(xué)內容差異較大，因此并未形成統一的教學(xué)內容體系；
信息隱藏技術(shù)的課程目標與課程大綱體現了合肥工業(yè)大學(xué)專(zhuān)業(yè)特色，教學(xué)內容緊跟該領(lǐng)域最新研究成果，并與密碼學(xué)相輔相成，在課程群綜合設計的實(shí)踐環(huán)節，融合了加密技術(shù)、信息隱藏技術(shù)與隱私保護技術(shù)，設置了綜合性課設題目及任務(wù)要求，教學(xué)形式采取小班教學(xué)授課方式，在傳統教學(xué)模式下已開(kāi)展了翻轉課堂研討。

綜上，本文研究SPOC+翻轉課堂的混合教學(xué)模式，采用SPOC平臺定制教學(xué)內容，從課程教學(xué)整體思路、教學(xué)活動(dòng)實(shí)施、教學(xué)方法、評價(jià)方法等方面，探索模式在信息隱藏課程講授中應用的成效，以拓展課外學(xué)習資源，博取眾家之所長(cháng)，提升學(xué)生自主學(xué)習力度，提高課程創(chuàng )新性與挑戰。

依據合肥工業(yè)大學(xué)信息安全專(zhuān)業(yè)的定位與培養目標，遵循制定具有專(zhuān)業(yè)特色的課程整體建設思路，以創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)+競賽為導向，將教學(xué)內容劃分為基礎知識模塊、算法設計模塊與案例研討模塊，如圖1所示。

Fig.1 Construction system of information hiding course圖1 信息隱藏技術(shù)課程建設體系

2.1 基礎知識模塊

講授課程前期基礎知識，包含多媒體技術(shù)、數字信號處理、數字圖像處理、密碼學(xué)等。然而，有限的課堂學(xué)時(shí)無(wú)法涵蓋大量基礎知識回顧，故該部分內容以線(xiàn)上教學(xué)為主，線(xiàn)下課堂為輔。

學(xué)生通過(guò)定制的MOOC視頻復習回顧相關(guān)基礎知識，線(xiàn)下課堂則聚焦信息隱藏的發(fā)展推動(dòng)力（融入課程思政）、信息隱藏的理論模型及評價(jià)指標進(jìn)行講授和討論，以解決課時(shí)少、教學(xué)廣度難以覆蓋的問(wèn)題。

2.2 算法設計模塊

信息隱藏是一門(mén)對抗發(fā)展的學(xué)科，隱寫(xiě)與隱寫(xiě)分析一直在對抗博弈中共同發(fā)展，特別在深度學(xué)習、對抗生成模型等技術(shù)出現后，該領(lǐng)域研究方向及研究成果急速更新，內容較多。

因此，部分內容以線(xiàn)下課堂為主，線(xiàn)上學(xué)習為輔。線(xiàn)上發(fā)布與相關(guān)課堂相關(guān)的最新會(huì )議期刊論文，拓寬學(xué)生視野。線(xiàn)下側重引導式、研討式教學(xué)，圍繞算法設計、性能指標，通過(guò)對抗發(fā)展及可證明安全性進(jìn)行學(xué)習討論，以激發(fā)學(xué)生的批判性與創(chuàng )新性思維。

2.3 案例研討模塊

信息隱藏的實(shí)際應用領(lǐng)域在不斷擴大，從最初的隱秘通信到大數據和短視頻版權保護、數據泄密追蹤等。該部分教學(xué)通過(guò)選取針對性的案例，將思政教育貫穿課堂教學(xué)中，培養學(xué)生保衛國家網(wǎng)絡(luò )及信息安全的意識和決心，采取線(xiàn)上線(xiàn)下并重的方式，線(xiàn)上發(fā)布相關(guān)案例的學(xué)習資料，線(xiàn)下則由學(xué)生進(jìn)行案例講解和研討，對學(xué)有余力的學(xué)生提供實(shí)際項目課題進(jìn)行分析、設計與實(shí)現，培養學(xué)生解決復雜問(wèn)題的綜合能力與高級思維。

2.4 創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)+競賽

信息隱藏已逐漸成為一門(mén)獨立的學(xué)科，與密碼學(xué)并列成為信息安全領(lǐng)域兩大核心基礎安全技術(shù)，算法設計模塊、案例綜合模塊的教學(xué)大綱均以創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)+競賽為導向，持續跟蹤創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)+競賽方面的相關(guān)領(lǐng)域案例，并及時(shí)反饋到下一學(xué)年教學(xué)中調整模塊教學(xué)內容，優(yōu)化知識點(diǎn)結構與能力培養方案。

具體實(shí)施過(guò)程中，結合信息安全專(zhuān)業(yè)的人才培養方案及課程教學(xué)大綱，定制合肥工業(yè)大學(xué)信息安全專(zhuān)業(yè)特色的教學(xué)內容，采取SPOC+翻轉課堂的混合教學(xué)模式，即線(xiàn)上/課下講教，線(xiàn)下/課堂學(xué)練［8］。授課采用常規的3段式教學(xué)如圖2所示。

Fig.2 Blending teaching mode of information hiding course圖2 信息隱藏課程的混合教學(xué)模式

由圖2可見(jiàn)，課前/線(xiàn)上、課后/線(xiàn)上專(zhuān)注教師的講和教，采用SPOC平臺導入MOOC資源包，將線(xiàn)上學(xué)習資料推送到學(xué)生端。通過(guò)QQ教學(xué)班級群、SPOC平臺互動(dòng)區實(shí)時(shí)答疑學(xué)生在預習過(guò)程中所遇問(wèn)題。課中/線(xiàn)下采用翻轉課堂模式，開(kāi)啟雨課堂教學(xué)，專(zhuān)注學(xué)生學(xué)與練。

3.1 教學(xué)方法設計

本文設置的課程中3個(gè)教學(xué)模塊由淺入深，層次遞進(jìn)，根據模塊內容不同，教學(xué)方法也存在明顯差異，如表1所示。

Table 1 Comparison of teaching method of different module表1 不同模塊的教學(xué)方法比較

由表1可知，3個(gè)模塊的核心內容分別為安全范式的轉變、對抗算法的博弈及應用案例。各模塊內容難度不同，對學(xué)生的要求也不同。具體為，模塊1難度較低以線(xiàn)上學(xué)習為主，課堂/線(xiàn)下側重討論，輔助學(xué)生理解理論基礎知識；
模塊2難度中等以線(xiàn)上學(xué)習為輔，課堂/線(xiàn)下通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，幫助學(xué)生理解算法間的博弈關(guān)系；
模塊3難度較大，結合了目前最新的研究與應用成果，因此線(xiàn)上和線(xiàn)下并重，線(xiàn)上注重熟悉案例的實(shí)際應用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)需求，線(xiàn)下采用分組辯論方式圍繞某一具體案例進(jìn)行辯論和測評。

在教學(xué)資源與工具方面，線(xiàn)上采用SPOC平臺+QQ進(jìn)行講授和交流互動(dòng)。教師通過(guò)SPOC教學(xué)平臺推送豐富的線(xiàn)上信息資源，既保證課程內容的前沿性，又為學(xué)生的自主學(xué)習提供服務(wù)，避免學(xué)生盲目搜索資料。同時(shí)，SPOC平臺提供了一個(gè)良好的線(xiàn)上互動(dòng)性氛圍，教師通過(guò)發(fā)布討論主題，組織學(xué)生進(jìn)行協(xié)作式學(xué)習，引導學(xué)生深入理解知識點(diǎn)。線(xiàn)下實(shí)體課堂采用雨課堂教學(xué)工具，通過(guò)雨課堂的交互功能開(kāi)展討論與辯論式教學(xué)，引導學(xué)生真正參與教與學(xué)的活動(dòng)中，做到學(xué)以致用。

3.2 教學(xué)評價(jià)設計

完整的教學(xué)評價(jià)體系包括學(xué)生考核方式、學(xué)生評教、教師自評3個(gè)方面。

（1）學(xué)生考核方式?；旌鲜浇虒W(xué)采用多元化的評價(jià)指標，能較為真實(shí)反應學(xué)生的學(xué)習能力與參與度。在具體實(shí)施過(guò)程中，該課程對信息安全專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的支撐指標點(diǎn)主要體現在運用專(zhuān)業(yè)理論，并采用科學(xué)方法解決復雜信息安全領(lǐng)域工程問(wèn)題，偏重學(xué)生能力方面的培養，故考核方式側重學(xué)習過(guò)程性評價(jià)，弱化了結果性考核。過(guò)程性評價(jià)主要包括SPOC作業(yè)成績(jì)、研討成績(jì)、課堂互動(dòng)成績(jì)、案例演示成績(jì)，視頻觀(guān)看時(shí)間等。線(xiàn)下課堂出勤率雖不作為考核項目，但作為督促學(xué)生線(xiàn)上學(xué)習的一個(gè)參考指標。結果性考核包括實(shí)驗報告與期末報告。

（2）學(xué)生評教與教師自評。學(xué)生評教與教師自評的結果作為課程持續改進(jìn)的依據，根據教務(wù)處發(fā)布的學(xué)生評教統計數據，可了解學(xué)生對課程的詳細評價(jià)，包括教學(xué)方法、課堂調控及課堂效果等。教師自評需要詳細分析線(xiàn)上線(xiàn)下每個(gè)考核指標的分數分布，細化考核指標與能力培養間對應的關(guān)系，從而分析課程教學(xué)在能力培養方面存在的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 教學(xué)實(shí)踐與效果分析

針對合肥工業(yè)大學(xué)信息安全專(zhuān)業(yè)2019、2020級本科生，開(kāi)展兩個(gè)教學(xué)周期的混合式教學(xué)模式改革與實(shí)踐。線(xiàn)上平臺采用學(xué)堂云SPOC（https：//hfut.yuketang.cn），MOOC資源選取南開(kāi)大學(xué)信息隱藏技術(shù)線(xiàn)上課程，推送擴展資源采用中科院信息工程研究所的信息隱藏課件，共計94名學(xué)生參與此次學(xué)習。教學(xué)數據統計如表2所示。

Table 2 Comparison of statistic data in teaching process表2 教學(xué)過(guò)程統計數據對比

由表2可知，2020級相較于2019級學(xué)生充分利用了SPOC平臺的討論區功能，在講授期間動(dòng)態(tài)發(fā)布討論題目，學(xué)生通過(guò)回帖發(fā)布自身觀(guān)點(diǎn)，并對其他學(xué)生的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)評，進(jìn)行生生互動(dòng)。雖然，采用互動(dòng)討論環(huán)節會(huì )使隨機點(diǎn)名及提問(wèn)的師生互動(dòng)次數有所下降，但由于課堂上更傾向于生生互動(dòng)環(huán)節，可充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習的積極性與主觀(guān)能動(dòng)性。

兩個(gè)教學(xué)周期均設置了6個(gè)學(xué)時(shí)的翻轉課堂，圍繞大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)項目進(jìn)行分組討論與匯報，采用生講生評的方式進(jìn)行學(xué)習。從課堂效果可知，學(xué)生提問(wèn)與發(fā)言積極性相較于傳統教學(xué)模式均有所較高，能對目前信息隱藏的發(fā)展提出自身看法與見(jiàn)解。從期末報告質(zhì)量角度分析，報告質(zhì)量具有顯著(zhù)提升，通過(guò)課堂討論拓展資源學(xué)習，期末報告的主題不再局限于傳統信息隱藏成果，而聚焦于最新發(fā)展成果。學(xué)生評教方面，通過(guò)發(fā)放包含教學(xué)內容與目標匹配度等10個(gè)指標的問(wèn)卷44份，回收41份，按照百分制計分，平均分為94.44，標準差為9.92，所得結果相較于傳統教學(xué)略有提升。此外，混合教學(xué)模式在教學(xué)技術(shù)與教學(xué)方法、教學(xué)效果、知識拓展與延伸等指標的評分均高于傳統教學(xué)評分。

信息安全專(zhuān)業(yè)作為培養服務(wù)國家安全的特殊專(zhuān)門(mén)人才的新興專(zhuān)業(yè)，需要立足學(xué)校優(yōu)勢基礎，打造專(zhuān)業(yè)培養的特色方向和特殊技能。在此背景下，如何提高信息安全專(zhuān)業(yè)本科人才的培養質(zhì)量仍存在許多問(wèn)題亟待研究與解決。

本文從教學(xué)模式改革角度出發(fā)，研究、探索SPOC+翻轉課堂混合教學(xué)模式，以合肥工業(yè)大學(xué)信息安全專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程信息隱藏技術(shù)為例，探討混合式教學(xué)模式的設計與實(shí)現，旨在以學(xué)生為中心培養學(xué)生的思維與創(chuàng )新能力，為信息安全專(zhuān)業(yè)其他課程的教學(xué)改革提供一個(gè)可行方案。