面向信息安全专业的信息隐藏技术课程混合式教学研究与实践

郑淑丽，罗 珣，胡东辉，2

（1.合肥工业大学 计算机与信息、人工智能学院，安徽 合肥 230601；
2.合肥工业大学 信息化建设与发展中心，安徽 合肥 230009）

信息隐藏技术是面向信息安全专业本科生开设的专业课程，主要研究如何将信息隐藏到各种载体中进行传输，实现隐蔽通信。随着多媒体技术网络的迅速发展，信息隐藏的研究范围不断扩大，从保密通信到多媒体版权保护、多媒体认证、大数据版权标识、深度学习模型版权标识等，信息隐藏技术与大数据、人工智能等领域的交叉融合，在实际应用中发挥着越来越重要的作用。

信息隐藏是一门典型的多学科交叉融合课程，重理论与实践，需要学生具备数字信号处理、多媒体技术、机器学习、通信原理、密码学、信息论等基础知识。作为紧跟时代发展的课程，信息隐藏应与当前研究热点紧密结合［1-2］。为了使学生学以致用，必须要求其掌握大量相关领域知识，但受限于学时和学分设置，传统教学模式（课堂讲授，课下学练）存在师生互动交流较少，无法充分发挥学生主观能动性，教学效果难以有效提升等问题。因此，必须探索新的教学模式提升学生课外自学时间与力度，突出“两性一度”的特色，提高教学质量［3］。

MOOC与翻转课堂的兴起，为高等教育教学改革与创新提供了机遇［4-5］。针对传统教学中存在的痛点与难点问题，线上线下混合式教学已逐步在高校应用，成为高校教学模式改革所关注的重要方向［6-7］。线上线下混合课程是围绕同一批学生，将线上课程（MOOC或SPOC）与线下课程（实体课堂课程）相结合，既有视频/线上课程支持，又有实体课堂。混合式教学具有线上+线下、翻转课堂、师生高效互动及交流三大特征［8］，其目的在于推动课堂与学习革命，使学生由被动学习向主动学习转变。

传统课堂存在课程创新实现难、分层次教学实施难、学习效果提升难等问题，混合式教学可进行课程内涵化、内容可视化、网络课堂差异化及实体课堂互动化［9-10］解决所遇问题。该方式相较于大规模在线开放课程（Massive Open Online Course，MOOC）、小规模限制性教学（Small Private Online Course，SPOC）在实现网络课堂差异化方面具有显著优势［11］，MOOC学习群体的大规模性忽视了学习对象的个性化需求，SPOC具有小规模、限制准入、根据授课对象定制在线资源等特点，非常适合专业课小班教学。

相较于信息安全专业的其他课程［12］，信息隐藏课程的讲授内容与教学方式具有其自身特点：目前信息隐藏自身基础理论模型尚未成熟，算法设计及应用也在不断更新迭代中，缺少成熟稳定的教材，各大MOOC平台上的课程资源非常少，而且由于各校培养目标、课程目标与专业教师的科研能力不同，课程教学大纲与教学内容差异较大，因此并未形成统一的教学内容体系；
信息隐藏技术的课程目标与课程大纲体现了合肥工业大学专业特色，教学内容紧跟该领域最新研究成果，并与密码学相辅相成，在课程群综合设计的实践环节，融合了加密技术、信息隐藏技术与隐私保护技术，设置了综合性课设题目及任务要求，教学形式采取小班教学授课方式，在传统教学模式下已开展了翻转课堂研讨。

综上，本文研究SPOC+翻转课堂的混合教学模式，采用SPOC平台定制教学内容，从课程教学整体思路、教学活动实施、教学方法、评价方法等方面，探索模式在信息隐藏课程讲授中应用的成效，以拓展课外学习资源，博取众家之所长，提升学生自主学习力度，提高课程创新性与挑战。

依据合肥工业大学信息安全专业的定位与培养目标，遵循制定具有专业特色的课程整体建设思路，以创新创业+竞赛为导向，将教学内容划分为基础知识模块、算法设计模块与案例研讨模块，如图1所示。

Fig.1 Construction system of information hiding course图1 信息隐藏技术课程建设体系

2.1 基础知识模块

讲授课程前期基础知识，包含多媒体技术、数字信号处理、数字图像处理、密码学等。然而，有限的课堂学时无法涵盖大量基础知识回顾，故该部分内容以线上教学为主，线下课堂为辅。

学生通过定制的MOOC视频复习回顾相关基础知识，线下课堂则聚焦信息隐藏的发展推动力（融入课程思政）、信息隐藏的理论模型及评价指标进行讲授和讨论，以解决课时少、教学广度难以覆盖的问题。

2.2 算法设计模块

信息隐藏是一门对抗发展的学科，隐写与隐写分析一直在对抗博弈中共同发展，特别在深度学习、对抗生成模型等技术出现后，该领域研究方向及研究成果急速更新，内容较多。

因此，部分内容以线下课堂为主，线上学习为辅。线上发布与相关课堂相关的最新会议期刊论文，拓宽学生视野。线下侧重引导式、研讨式教学，围绕算法设计、性能指标，通过对抗发展及可证明安全性进行学习讨论，以激发学生的批判性与创新性思维。

2.3 案例研讨模块

信息隐藏的实际应用领域在不断扩大，从最初的隐秘通信到大数据和短视频版权保护、数据泄密追踪等。该部分教学通过选取针对性的案例，将思政教育贯穿课堂教学中，培养学生保卫国家网络及信息安全的意识和决心，采取线上线下并重的方式，线上发布相关案例的学习资料，线下则由学生进行案例讲解和研讨，对学有余力的学生提供实际项目课题进行分析、设计与实现，培养学生解决复杂问题的综合能力与高级思维。

2.4 创新创业+竞赛

信息隐藏已逐渐成为一门独立的学科，与密码学并列成为信息安全领域两大核心基础安全技术，算法设计模块、案例综合模块的教学大纲均以创新创业+竞赛为导向，持续跟踪创新创业+竞赛方面的相关领域案例，并及时反馈到下一学年教学中调整模块教学内容，优化知识点结构与能力培养方案。

具体实施过程中，结合信息安全专业的人才培养方案及课程教学大纲，定制合肥工业大学信息安全专业特色的教学内容，采取SPOC+翻转课堂的混合教学模式，即线上/课下讲教，线下/课堂学练［8］。授课采用常规的3段式教学如图2所示。

Fig.2 Blending teaching mode of information hiding course图2 信息隐藏课程的混合教学模式

由图2可见，课前/线上、课后/线上专注教师的讲和教，采用SPOC平台导入MOOC资源包，将线上学习资料推送到学生端。通过QQ教学班级群、SPOC平台互动区实时答疑学生在预习过程中所遇问题。课中/线下采用翻转课堂模式，开启雨课堂教学，专注学生学与练。

3.1 教学方法设计

本文设置的课程中3个教学模块由浅入深，层次递进，根据模块内容不同，教学方法也存在明显差异，如表1所示。

Table 1 Comparison of teaching method of different module表1 不同模块的教学方法比较

由表1可知，3个模块的核心内容分别为安全范式的转变、对抗算法的博弈及应用案例。各模块内容难度不同，对学生的要求也不同。具体为，模块1难度较低以线上学习为主，课堂/线下侧重讨论，辅助学生理解理论基础知识；
模块2难度中等以线上学习为辅，课堂/线下通过启发式教学，帮助学生理解算法间的博弈关系；
模块3难度较大，结合了目前最新的研究与应用成果，因此线上和线下并重，线上注重熟悉案例的实际应用场景及业务需求，线下采用分组辩论方式围绕某一具体案例进行辩论和测评。

在教学资源与工具方面，线上采用SPOC平台+QQ进行讲授和交流互动。教师通过SPOC教学平台推送丰富的线上信息资源，既保证课程内容的前沿性，又为学生的自主学习提供服务，避免学生盲目搜索资料。同时，SPOC平台提供了一个良好的线上互动性氛围，教师通过发布讨论主题，组织学生进行协作式学习，引导学生深入理解知识点。线下实体课堂采用雨课堂教学工具，通过雨课堂的交互功能开展讨论与辩论式教学，引导学生真正参与教与学的活动中，做到学以致用。

3.2 教学评价设计

完整的教学评价体系包括学生考核方式、学生评教、教师自评3个方面。

（1）学生考核方式。混合式教学采用多元化的评价指标，能较为真实反应学生的学习能力与参与度。在具体实施过程中，该课程对信息安全专业毕业要求的支撑指标点主要体现在运用专业理论，并采用科学方法解决复杂信息安全领域工程问题，偏重学生能力方面的培养，故考核方式侧重学习过程性评价，弱化了结果性考核。过程性评价主要包括SPOC作业成绩、研讨成绩、课堂互动成绩、案例演示成绩，视频观看时间等。线下课堂出勤率虽不作为考核项目，但作为督促学生线上学习的一个参考指标。结果性考核包括实验报告与期末报告。

（2）学生评教与教师自评。学生评教与教师自评的结果作为课程持续改进的依据，根据教务处发布的学生评教统计数据，可了解学生对课程的详细评价，包括教学方法、课堂调控及课堂效果等。教师自评需要详细分析线上线下每个考核指标的分数分布，细化考核指标与能力培养间对应的关系，从而分析课程教学在能力培养方面存在的问题并进行改进。

3.3 教学实践与效果分析

针对合肥工业大学信息安全专业2019、2020级本科生，开展两个教学周期的混合式教学模式改革与实践。线上平台采用学堂云SPOC（https：//hfut.yuketang.cn），MOOC资源选取南开大学信息隐藏技术线上课程，推送扩展资源采用中科院信息工程研究所的信息隐藏课件，共计94名学生参与此次学习。教学数据统计如表2所示。

Table 2 Comparison of statistic data in teaching process表2 教学过程统计数据对比

由表2可知，2020级相较于2019级学生充分利用了SPOC平台的讨论区功能，在讲授期间动态发布讨论题目，学生通过回帖发布自身观点，并对其他学生的观点进行点评，进行生生互动。虽然，采用互动讨论环节会使随机点名及提问的师生互动次数有所下降，但由于课堂上更倾向于生生互动环节，可充分发挥学生学习的积极性与主观能动性。

两个教学周期均设置了6个学时的翻转课堂，围绕大学生创新创业项目进行分组讨论与汇报，采用生讲生评的方式进行学习。从课堂效果可知，学生提问与发言积极性相较于传统教学模式均有所较高，能对目前信息隐藏的发展提出自身看法与见解。从期末报告质量角度分析，报告质量具有显著提升，通过课堂讨论拓展资源学习，期末报告的主题不再局限于传统信息隐藏成果，而聚焦于最新发展成果。学生评教方面，通过发放包含教学内容与目标匹配度等10个指标的问卷44份，回收41份，按照百分制计分，平均分为94.44，标准差为9.92，所得结果相较于传统教学略有提升。此外，混合教学模式在教学技术与教学方法、教学效果、知识拓展与延伸等指标的评分均高于传统教学评分。

信息安全专业作为培养服务国家安全的特殊专门人才的新兴专业，需要立足学校优势基础，打造专业培养的特色方向和特殊技能。在此背景下，如何提高信息安全专业本科人才的培养质量仍存在许多问题亟待研究与解决。

本文从教学模式改革角度出发，研究、探索SPOC+翻转课堂混合教学模式，以合肥工业大学信息安全专业的专业课程信息隐藏技术为例，探讨混合式教学模式的设计与实现，旨在以学生为中心培养学生的思维与创新能力，为信息安全专业其他课程的教学改革提供一个可行方案。