汪云路 吳震東 王 慧（杭州電子科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于對(duì)戰(zhàn)模式的信息隱藏技術(shù)課程教學(xué)改革

汪云路 吳震東 王 慧
（杭州電子科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對(duì)信息隱藏技術(shù)課程交叉性極強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)熱情等教學(xué)實(shí)際問題，分析目前開設(shè)的信息隱藏課程的現(xiàn)狀和癥狀，提出優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、啟發(fā)式教學(xué)方式以及以學(xué)生為中心，創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式的課堂教學(xué)改革模式，力求激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，最終達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。

信息隱藏；對(duì)戰(zhàn)模式；課程教學(xué)；信息安全

1 引言

當(dāng)今社會(huì)在經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化之后，進(jìn)入了一個(gè)嶄新的信息化時(shí)代，信息稱為一種重要的戰(zhàn)略資源，信息安全已成為影響國家安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定性因素之一。發(fā)展信息安全技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，人才是關(guān)鍵，人才培養(yǎng)、教育是關(guān)鍵。

信息隱藏技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的信息安全技術(shù)，與密碼學(xué)不同，信息隱藏技術(shù)是將秘密信息隱藏在不重要的公開信息中，然后通過公開信息的公開傳輸來傳遞秘密信息[1]。公開信息一般稱為載體，可以是文本、音頻、圖像、視頻或者其他的二進(jìn)制碼流[2]。

杭州電子科技大學(xué)自 2010年開始開設(shè)“信息隱藏技術(shù)”課程，剛開始作為信息安全專業(yè)高年級(jí)學(xué)生的選修課程，是對(duì)信息安全課程體系的一個(gè)重要的完善和補(bǔ)充。隨著信息隱藏技術(shù)的發(fā)展，該課程也逐漸延伸到保密管理等專業(yè)高年級(jí)學(xué)生。與其他課程相比，“信息隱藏技術(shù)”課程有它自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)年的教學(xué)實(shí)施，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)效果較差，學(xué)習(xí)熱情不高。因此，在多年的教學(xué)實(shí)踐中，本文提出以學(xué)生為中心，基于對(duì)戰(zhàn)模式的課堂教學(xué)改革模式，進(jìn)行課堂教學(xué)改革。

2 課程簡(jiǎn)介

“信息隱藏技術(shù)”是高等院校信息安全專業(yè)、密碼學(xué)專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)、保密等專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。該課程一方面以信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理及語音信號(hào)處理等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又需具備密碼學(xué)和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)課程儲(chǔ)備，在教學(xué)環(huán)節(jié)中適宜高年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)化多媒體信息的安全傳遞等重要概念的理解和分析解決問題的能力[3]。因此，有效地提高該課程的課堂教學(xué)質(zhì)量，對(duì)提高杭州電子科技大學(xué)信息安全等專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生專業(yè)素質(zhì)有著重要意義。

“信息隱藏技術(shù)”課程的難點(diǎn)在于，是一門交叉性極強(qiáng)的理論課程，學(xué)生需同時(shí)具備大量信息安全和信號(hào)處理等前期課程知識(shí)，并在此課程中將之融會(huì)貫通，總體學(xué)習(xí)難度較大。杭州電子科技大學(xué)“信息隱藏技術(shù)”課程一直采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，形式單一，以多媒體方式展示課程內(nèi)容，以板書形式進(jìn)行大量的公式推導(dǎo)，學(xué)生僅依靠做習(xí)題來鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，對(duì)課程中大量的應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容不能通過實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析，使學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)，普遍感到“信息隱藏技術(shù)”的概念抽象，對(duì)其中的分析方法和基本理論不能很好地理解和掌握，嚴(yán)重影響和制約了教學(xué)效果。因此，如何幫助學(xué)生理解和掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，是“信息隱藏技術(shù)”課程教學(xué)所要解決的實(shí)際問題。

隨著杭州電子科技大學(xué)教學(xué)改革的深入，作為本課程的任職教師，立足于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的思考，對(duì)該課程進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)改革的研究，轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，除了采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段之外，還應(yīng)借助計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，更新教學(xué)方法和提高教學(xué)質(zhì)量，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，緊緊圍繞以學(xué)生為中心這一關(guān)鍵點(diǎn)，創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、獨(dú)立思考，著力培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、鉆研問題、探究創(chuàng)新的興趣和能力，不斷提高學(xué)院的本科教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3 基于對(duì)戰(zhàn)模式的課堂教學(xué)改革

針對(duì)信息隱藏技術(shù)課程交叉性極強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)熱情等教學(xué)實(shí)際問題，分析目前開設(shè)的信息隱藏課程的現(xiàn)狀和癥狀[4，5]，提出優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、啟發(fā)式教學(xué)方式以及以學(xué)生為中心，創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式的課堂教學(xué)改革模式，力求激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，最終達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。

3.1 與時(shí)俱進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

信息隱藏技術(shù)是一門涵蓋范圍非常廣的課程，在通信、信號(hào)處理、密碼學(xué)、保密科技等方向上都有著非常緊密的應(yīng)用。因此，在教學(xué)過程中，教師與時(shí)俱進(jìn)，從學(xué)生熟悉的身邊事物開始串聯(lián)，剖析其中蘊(yùn)含的信息隱藏技術(shù)原理，使得學(xué)生學(xué)以致用，不再對(duì)“信息隱藏技術(shù)”這門課程抱有距離感和疏離感，使得抽象的原理變成具象的實(shí)例，使得數(shù)學(xué)公式與物理世界一一聯(lián)系起來，加深學(xué)生的理解；在此基礎(chǔ)上，深化教學(xué)內(nèi)容，將創(chuàng)造性的科研引入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生了解和接觸到學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的最新成果或最新問題，剝離出其中包含的信息隱藏技術(shù)原理，激發(fā)學(xué)生奮進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到發(fā)展，也使他們學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)方法來思考和解決問題。

3.2 啟發(fā)式教學(xué)方式，引 MATLAB入課堂

應(yīng)用于數(shù)學(xué)分析和工程計(jì)算的軟件很多，但國際公認(rèn)最有效的工具軟件當(dāng)屬M(fèi)ATLAB。在“信息隱藏技術(shù)”的教學(xué)中充分利用MATLAB，可以提高教學(xué)的可視化和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而提高教學(xué)質(zhì)量[6]。

由于長(zhǎng)期以來一直采用黑板式的單一教學(xué)方式，“信息隱藏技術(shù)”課程中大量信息隱藏算法缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，使得學(xué)生將大量的精力和時(shí)間用于繁雜的手工公式推導(dǎo)，不能真正理解所得結(jié)果在信息隱藏中的實(shí)際應(yīng)用。通過MATLAB，我們不僅可以把學(xué)生從繁雜的手工數(shù)學(xué)運(yùn)算中解脫出來，又可以通過MATLAB 完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)信息隱藏結(jié)果的可視化。針對(duì)“信息隱藏技術(shù)”課程內(nèi)容的特點(diǎn)，利用MATLAB 的信號(hào)處理工具箱和圖形處理及數(shù)據(jù)可視化，教師可以將結(jié)論直接用圖形來演示，從而讓學(xué)生對(duì)抽象的概念和定理以及結(jié)論有直觀的認(rèn)識(shí)，并加深對(duì)一些重要概念的理解；同時(shí)學(xué)生也可以親自動(dòng)手進(jìn)行課題設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)借助計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。

3.3 以學(xué)生為中心，創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式

信息隱藏技術(shù)課程的學(xué)習(xí)有其特殊性，是一門既可以學(xué)習(xí)信息隱藏技術(shù)，又可以破解信息隱藏技術(shù)的雙面課程。因此，在學(xué)生掌握信息隱藏和隱藏檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式，將學(xué)生分為正反兩組進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)，以實(shí)戰(zhàn)的成績(jī)作為最終成績(jī)的重要參考。課程中具體的操作是這樣的：

將學(xué)生平分為兩組，一組為隱藏組，一組為破解組。

隱藏組成員可對(duì)老師提供的載體隱藏入指定信息，并將隱藏后的載體交給破解組；破解組成員對(duì)隱藏組發(fā)來的載體進(jìn)行隱藏分析，判斷其是否隱藏了秘密信息。

若破解組成員成功分析出一個(gè)隱藏載體，計(jì)一分；若分析失敗，則提供該隱藏載體的隱藏組成員得一分。

全體同學(xué)中，分析出最多隱藏載體的破解組成員獲得最高分，而能抗住最多破解組成員攻擊的隱藏組成員也將獲得并列的最高分。其他同學(xué)分別按照破解成績(jī)和隱藏成績(jī)的高低獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

為取得較好的成績(jī)，隱藏組成員會(huì)對(duì)隱藏效果好的算法進(jìn)行研究，而破解組成員則會(huì)更從實(shí)際出發(fā)，探討隱藏算法對(duì)載體造成的影響，以及如何加以分析。該對(duì)戰(zhàn)模式的實(shí)戰(zhàn)能夠最大限度激發(fā)學(xué)生進(jìn)行課題設(shè)計(jì)的積極性，極大提高他們的學(xué)習(xí)熱情和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程實(shí)踐的能力。

4 對(duì)戰(zhàn)模式教學(xué)改革工作

與信息安全和網(wǎng)絡(luò)空間安全的許多課程一樣，“信息隱藏技術(shù)”是一門操作性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，很多理論最終要轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，才能更加直觀。況且，在前面的課堂教學(xué)中，已經(jīng)引入MATLAB入“信息隱藏技術(shù)”課堂。MATLAB強(qiáng)大的圖形處理功能、符號(hào)運(yùn)算及計(jì)算結(jié)果可視化功能，僅需簡(jiǎn)單的幾個(gè)語句就能完成，可以將信息隱藏技術(shù)課程中大量較為抽象、學(xué)生難以理解的概念和問題以圖形、動(dòng)態(tài)畫面等展現(xiàn)出來，使學(xué)生易于理解和掌握。

從本科教學(xué)安排的實(shí)際情況來看，杭州電子科技大學(xué)信息安全專業(yè)高年級(jí)本科生在開設(shè)信息隱藏技術(shù)課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)和C語言，具有了一定的計(jì)算機(jī)編程能力，可以接受 MATLAB軟件的編程，并且可以為后續(xù)的MATLAB編程高階段學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

“信息隱藏技術(shù)”課程最初并沒有安排上機(jī)實(shí)踐，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐割裂感較為嚴(yán)重，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。因此，在教學(xué)改革中，筆者安排了共計(jì)12課時(shí)的上機(jī)實(shí)踐，主要分為兩個(gè)部分。前一部分是中規(guī)中矩的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要做兩種最常見的信息隱藏算法和一種常見的信息隱藏檢測(cè)算法；后一部分是綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要綜合前面三個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，甚至要自行學(xué)習(xí)更高深的信息隱藏知識(shí)，才能獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表 1所示。

表1 “信息隱藏技術(shù)”課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本課程改革首先設(shè)在2014年底，在12級(jí)信息安全專業(yè)學(xué)生中開展實(shí)施，取得良好成效。在最后一次對(duì)戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中，1班和2班的學(xué)生按照班級(jí)展開攻防實(shí)驗(yàn)，負(fù)責(zé)攻擊的1班學(xué)生表現(xiàn)出色，攻擊成功率較高，其中幾組學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，對(duì) 2班所有的信息隱藏載體進(jìn)行猛烈攻擊，取得良好成果。最終這幾組學(xué)生的綜合成績(jī)?cè)u(píng)定都在90分以上。其他同學(xué)也都較好完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握也有了進(jìn)一步的深化。

在2015年的教學(xué)中，13級(jí)信息安全專業(yè)學(xué)生在課堂上分好隱藏組和破解組。大多數(shù)同學(xué)已經(jīng)表現(xiàn)出極大的學(xué)習(xí)積極性，隱藏組主動(dòng)與老師討論隨機(jī)化、加密、混沌化等課堂上沒有教過的信息隱藏內(nèi)容，以期提高信息隱藏的魯棒性和安全性；破解組則不滿足于課堂所學(xué)，積極尋找效果更好的信息隱藏攻擊算法，并在課外進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。其攻防實(shí)驗(yàn)相比上一年，更加激烈精彩。所有同學(xué)分為42組進(jìn)行比拼，其中21組為隱藏組，根據(jù)老師指定的圖像嵌入水印；然后老師將隱藏前圖像和水印圖像重新打亂，要求21組破解組成員從42幅圖像中找出嵌入水印的21幅圖像，這些圖像都是極為相似的，使得學(xué)生無法采用對(duì)照攻擊等方式進(jìn)行試探，無疑大大增加了破解組的難度。42幅圖像如圖1所示。

圖1 破解組需攻擊的圖像，其中一半隱藏水印

最后，根據(jù)破解組的成功率（包含虛警率和誤警率），給破解組打出從高到低的分?jǐn)?shù)；而隱藏組也根據(jù)他們的圖像被成功攻破的次數(shù)，給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。其中，一些同學(xué)表現(xiàn)出了極大的學(xué)習(xí)熱情，主動(dòng)要求從隱藏組更換到破解組，攻擊同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。更有隱藏組同學(xué)在提交了本組隱藏的圖像之后，不滿足實(shí)驗(yàn)就此結(jié)束，主動(dòng)要求自己也加入破解的行列，并當(dāng)場(chǎng)破解了很多圖像，成功率高達(dá)75%。

信息隱藏課程進(jìn)行教學(xué)模式改革之后，比以前單純的課堂教學(xué)，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程實(shí)踐的能力和自主解決問題的能力，并在雙方的攻防對(duì)戰(zhàn)中不斷切磋提高。

5 總結(jié)與展望

作為網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院信息安全專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，“信息安全技術(shù)”課程的開設(shè)對(duì)增強(qiáng)信息安全專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能和實(shí)際操作能力有著極為重要的意義。針對(duì)目前開設(shè)的信息隱藏課程的現(xiàn)狀和癥狀，在實(shí)際教學(xué)中，嘗試優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采用啟發(fā)式教學(xué)方式，并以學(xué)生為中心，創(chuàng)建對(duì)戰(zhàn)模式，與編程環(huán)節(jié)相輔相成，互相促進(jìn)。幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，教學(xué)改革能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的動(dòng)手能力、操作能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。目前，杭州電子科技大學(xué)信息安全專業(yè)在進(jìn)行專業(yè)調(diào)整，在以后的教學(xué)中，還將進(jìn)一步搜集學(xué)生反饋，不斷調(diào)整教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

[1] 鈕心忻.信息隱藏與數(shù)字水印[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[2] 王麗娜,張煥國.信息隱藏技術(shù)與應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[3] 杜瑞穎,張煥國,彭國軍,等.武漢大學(xué)信息安全專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的探索與研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2007(10):22-26.

[4] 董晨,劉臻,陳智罡,等.《網(wǎng)絡(luò)與信息安全》課程中信息隱藏技術(shù)的教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國信息技術(shù)教育, 2014(11):106-108.

[5] 鄭淑麗,胡東輝,侯整風(fēng),等.信息安全專業(yè)“信息隱藏”課程的教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2010(2):105-108.

[6] 張湛,瞿芳.基于 Matlab平臺(tái)的《信息隱藏》教學(xué)改革研究[J].科學(xué)時(shí)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

杭州電子科技大學(xué)高教課題“以學(xué)生為中心的啟發(fā)式信息隱藏技術(shù)課程教學(xué)模式改革研究”（YB1443）。

汪云路（1981－），女，安徽無為人，杭州電子科技大學(xué)講師，研究方向?yàn)樾畔踩?/p>