面向信息安全專業的信息隱藏技術課程混合式教學研究與實踐

鄭淑麗，羅 珣，胡東輝，2

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

信息隱藏技術是面向信息安全專業本科生開設的專業課程，主要研究如何將信息隱藏到各種載體中進行傳輸，實現隱蔽通信。隨著多媒體技術網絡的迅速發展，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、深度學習模型版權標識等，信息隱藏技術與大數據、人工智能等領域的交叉融合，在實際應用中發揮著越來越重要的作用。

信息隱藏是一門典型的多學科交叉融合課程，重理論與實踐，需要學生具備數字信號處理、多媒體技術、機器學習、通信原理、密碼學、信息論等基礎知識。作為緊跟時代發展的課程，信息隱藏應與當前研究熱點緊密結合［1-2］。為了使學生學以致用，必須要求其掌握大量相關領域知識，但受限于學時和學分設置，傳統教學模式（課堂講授，課下學練）存在師生互動交流較少，無法充分發揮學生主觀能動性，教學效果難以有效提升等問題。因此，必須探索新的教學模式提升學生課外自學時間與力度，突出“兩性一度”的特色，提高教學質量［3］。

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

傳統課堂存在課程創新實現難、分層次教學實施難、學習效果提升難等問題，混合式教學可進行課程內涵化、內容可視化、網絡課堂差異化及實體課堂互動化［9-10］解決所遇問題。該方式相較于大規模在線開放課程（Massive Open Online Course，MOOC）、小規模限制性教學（Small Private Online Course，SPOC）在實現網絡課堂差異化方面具有顯著優勢［11］，MOOC學習群體的大規模性忽視了學習對象的個性化需求，SPOC具有小規模、限制準入、根據授課對象定制在線資源等特點，非常適合專業課小班教學。

相較于信息安全專業的其他課程［12］，信息隱藏課程的講授內容與教學方式具有其自身特點：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、課程目標與專業教師的科研能力不同，課程教學大綱與教學內容差異較大，因此并未形成統一的教學內容體系；
信息隱藏技術的課程目標與課程大綱體現了合肥工業大學專業特色，教學內容緊跟該領域最新研究成果，并與密碼學相輔相成，在課程群綜合設計的實踐環節，融合了加密技術、信息隱藏技術與隱私保護技術，設置了綜合性課設題目及任務要求，教學形式采取小班教學授課方式，在傳統教學模式下已開展了翻轉課堂研討。

綜上，本文研究SPOC+翻轉課堂的混合教學模式，采用SPOC平臺定制教學內容，從課程教學整體思路、教學活動實施、教學方法、評價方法等方面，探索模式在信息隱藏課程講授中應用的成效，以拓展課外學習資源，博取眾家之所長，提升學生自主學習力度，提高課程創新性與挑戰。

依據合肥工業大學信息安全專業的定位與培養目標，遵循制定具有專業特色的課程整體建設思路，以創新創業+競賽為導向，將教學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、數字信號處理、數字圖像處理、密碼學等。然而，有限的課堂學時無法涵蓋大量基礎知識回顧，故該部分內容以線上教學為主，線下課堂為輔。

學生通過定制的MOOC視頻復習回顧相關基礎知識，線下課堂則聚焦信息隱藏的發展推動力（融入課程思政）、信息隱藏的理論模型及評價指標進行講授和討論，以解決課時少、教學廣度難以覆蓋的問題。

2.2 算法設計模塊

信息隱藏是一門對抗發展的學科，隱寫與隱寫分析一直在對抗博弈中共同發展，特別在深度學習、對抗生成模型等技術出現后，該領域研究方向及研究成果急速更新，內容較多。

因此，部分內容以線下課堂為主，線上學習為輔。線上發布與相關課堂相關的最新會議期刊論文，拓寬學生視野。線下側重引導式、研討式教學，圍繞算法設計、性能指標，通過對抗發展及可證明安全性進行學習討論，以激發學生的批判性與創新性思維。

2.3 案例研討模塊

信息隱藏的實際應用領域在不斷擴大，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。該部分教學通過選取針對性的案例，將思政教育貫穿課堂教學中，培養學生保衛國家網絡及信息安全的意識和決心，采取線上線下并重的方式，線上發布相關案例的學習資料，線下則由學生進行案例講解和研討，對學有余力的學生提供實際項目課題進行分析、設計與實現，培養學生解決復雜問題的綜合能力與高級思維。

2.4 創新創業+競賽

信息隱藏已逐漸成為一門獨立的學科，與密碼學并列成為信息安全領域兩大核心基礎安全技術，算法設計模塊、案例綜合模塊的教學大綱均以創新創業+競賽為導向，持續跟蹤創新創業+競賽方面的相關領域案例，并及時反饋到下一學年教學中調整模塊教學內容，優化知識點結構與能力培養方案。

具體實施過程中，結合信息安全專業的人才培養方案及課程教學大綱，定制合肥工業大學信息安全專業特色的教學內容，采取SPOC+翻轉課堂的混合教學模式，即線上/課下講教，線下/課堂學練［8］。授課采用常規的3段式教學如圖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模式

由圖2可見，課前/線上、課后/線上專注教師的講和教，采用SPOC平臺導入MOOC資源包，將線上學習資料推送到學生端。通過QQ教學班級群、SPOC平臺互動區實時答疑學生在預習過程中所遇問題。課中/線下采用翻轉課堂模式，開啟雨課堂教學，專注學生學與練。

3.1 教學方法設計

本文設置的課程中3個教學模塊由淺入深，層次遞進，根據模塊內容不同，教學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 不同模塊的教學方法比較

由表1可知，3個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，對學生的要求也不同。具體為，模塊1難度較低以線上學習為主，課堂/線下側重討論，輔助學生理解理論基礎知識；
模塊2難度中等以線上學習為輔，課堂/線下通過啟發式教學，幫助學生理解算法間的博弈關系；
模塊3難度較大，結合了目前最新的研究與應用成果，因此線上和線下并重，線上注重熟悉案例的實際應用場景及業務需求，線下采用分組辯論方式圍繞某一具體案例進行辯論和測評。

在教學資源與工具方面，線上采用SPOC平臺+QQ進行講授和交流互動。教師通過SPOC教學平臺推送豐富的線上信息資源，既保證課程內容的前沿性，又為學生的自主學習提供服務，避免學生盲目搜索資料。同時，SPOC平臺提供了一個良好的線上互動性氛圍，教師通過發布討論主題，組織學生進行協作式學習，引導學生深入理解知識點。線下實體課堂采用雨課堂教學工具，通過雨課堂的交互功能開展討論與辯論式教學，引導學生真正參與教與學的活動中，做到學以致用。

3.2 教學評價設計

完整的教學評價體系包括學生考核方式、學生評教、教師自評3個方面。

（1）學生考核方式?；旌鲜浇虒W采用多元化的評價指標，能較為真實反應學生的學習能力與參與度。在具體實施過程中，該課程對信息安全專業畢業要求的支撐指標點主要體現在運用專業理論，并采用科學方法解決復雜信息安全領域工程問題，偏重學生能力方面的培養，故考核方式側重學習過程性評價，弱化了結果性考核。過程性評價主要包括SPOC作業成績、研討成績、課堂互動成績、案例演示成績，視頻觀看時間等。線下課堂出勤率雖不作為考核項目，但作為督促學生線上學習的一個參考指標。結果性考核包括實驗報告與期末報告。

（2）學生評教與教師自評。學生評教與教師自評的結果作為課程持續改進的依據，根據教務處發布的學生評教統計數據，可了解學生對課程的詳細評價，包括教學方法、課堂調控及課堂效果等。教師自評需要詳細分析線上線下每個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系，從而分析課程教學在能力培養方面存在的問題并進行改進。

3.3 教學實踐與效果分析

針對合肥工業大學信息安全專業2019、2020級本科生，開展兩個教學周期的混合式教學模式改革與實踐。線上平臺采用學堂云SPOC（https：//hfut.yuketang.cn），MOOC資源選取南開大學信息隱藏技術線上課程，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名學生參與此次學習。教學數據統計如表2所示。

Table 2 Comparison of statistic data in teaching process表2 教學過程統計數據對比

由表2可知，2020級相較于2019級學生充分利用了SPOC平臺的討論區功能，在講授期間動態發布討論題目，學生通過回帖發布自身觀點，并對其他學生的觀點進行點評，進行生生互動。雖然，采用互動討論環節會使隨機點名及提問的師生互動次數有所下降，但由于課堂上更傾向于生生互動環節，可充分發揮學生學習的積極性與主觀能動性。

兩個教學周期均設置了6個學時的翻轉課堂，圍繞大學生創新創業項目進行分組討論與匯報，采用生講生評的方式進行學習。從課堂效果可知，學生提問與發言積極性相較于傳統教學模式均有所較高，能對目前信息隱藏的發展提出自身看法與見解。從期末報告質量角度分析，報告質量具有顯著提升，通過課堂討論拓展資源學習，期末報告的主題不再局限于傳統信息隱藏成果，而聚焦于最新發展成果。學生評教方面，通過發放包含教學內容與目標匹配度等10個指標的問卷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略有提升。此外，混合教學模式在教學技術與教學方法、教學效果、知識拓展與延伸等指標的評分均高于傳統教學評分。

信息安全專業作為培養服務國家安全的特殊專門人才的新興專業，需要立足學校優勢基礎，打造專業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業本科人才的培養質量仍存在許多問題亟待研究與解決。

本文從教學模式改革角度出發，研究、探索SPOC+翻轉課堂混合教學模式，以合肥工業大學信息安全專業的專業課程信息隱藏技術為例，探討混合式教學模式的設計與實現，旨在以學生為中心培養學生的思維與創新能力，為信息安全專業其他課程的教學改革提供一個可行方案。