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【关键词】信息隐藏;信息安全技术课程;教学内容和实验设置
【Abstract】This paper analyses the teaching and experiment contents of information security lesson in computer applied technology, explores the teaching and experiment arrangement of stegnagraphy according to the development of information hiding and its important degree in information security technology.
【Key words】Stegnagraphy; Information security lesson; Teaching and experiment contents
0 前言
信息安全技术是计算机领域的一门涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术等多种学科和技术的综合性学科,课程的理论性强,涉及的知识面宽,对学生的理论与实践两方面的要求均较高。
目前,信息安全技术是计算机学科中发展最快的专业之一[1]。经典的信息安全技术[2]包括:密码技术、防火墙技术、防入侵技术、病毒技术、黑客攻防技术、数据库安全技术、安全管理等,这些内容都在信息安全技术的教学和实验中设置了相应的章节,既给学生奠定信息安全理论基础,又强化动手能力,树立理论联系实际的观念。随着计算机网络的发展、相关基础学科的发展、现代社会信息化的发展,信息安全技术也在不断的发展和丰富。
信息隐藏技术作为信息安全中的一项重要技术,近十年来引起了国内外学术界的重视,出于对保护多媒体产品知识产权的需求,出于密码技术的局限性而又必须进行隐密通信的特殊需求,信息隐藏中的数字水印技术和数字密写技术得到了迅速发展。因此,鉴于当前本科信息安全技术课程中缺乏讲授信息隐藏内容的不足,本文针对信息隐藏技术的发展及其在信息安全技术中所占地位的重要程度,从教学内容与实验内容两个方面探讨信息隐藏在信息安全技术本科课程中的设置安排,以期丰富和完善信息安全技术在本科阶段的教学和实践。
1 信息隐藏的发展和特点
信息隐藏技术是利用公开、有实际意义的多媒体数据,将某一机密信息秘密地隐藏于另一公开信息中,通过对公开信息的传输来传送秘密信息,拦截者难以从公开信息中判断秘密信息的存在性,从而保证秘密信息的安全性。随着多媒体技术的发展,信息隐藏技术作为信息安全和管理及知识产权保护等领域的主要手段,正得到广泛的研究与应用[3]。
20世纪90年代以来,信息隐藏技术已经成为信息安全领域的一大研究热点。这种技术的一个重要应用领域就是数字水印(Digital Watermarking),它着眼于在多媒体数据中嵌入标记,以保护数字媒体知识版权或进行多媒体认证,主要包括易损水印和稳健水印二个分支。随着版权保护的重要性和紧迫性日益突出,数字水印日益受到重视而得到快速发展。
除了用于版权保护的数字水印外,信息隐藏的另一重要分支是数字密写(Steganography)和密写分析(Steganalysis)。数字密写是将秘密信息隐藏在公开载体信息中,使得在传递公开载体的同时传递秘密信息并且不被人察觉。与数字水印不同的是,数字密写着眼于隐藏信息本身的隐秘性,以达到秘密通信的目的,其基本要求是隐藏信息具有足够的嵌入容量和极高的安全性,但对稳健性要求不高。目前,文本、三维模型、图像、音频、视频都已经成为数字密写技术的载体,除了用于军事目的外,数字密写技术正向着视音频产品、远程教学、医学信号处理、移动多媒体通信等广泛的民用和商业领域发展。而密写分析是一种与密写相对抗的技术,其目的在于分析、提取、还原/破坏隐藏的秘密信息,其重要性体现在二个方面:一方面,以各种手段分析检测密写信息的存在,可以寻找敌对隐蔽信息的信源,阻断隐蔽通信的通道;另一方面,密写分析研究可以反过来促进密写技术的发展,增强隐蔽通信的安全性;如研究针对常规的信号处理和攻击方法,可以提高密写算法的鲁棒性;研究相关的分析检测理论模型可以评估、改进信息隐藏算法性能;研究针对性地选取载体信号可以提高密写算法不可感知性,进一步增强算法的安全性等。
从以上信息隐藏的内容可知,信息隐藏的特点在于:
1)涉及计算机科学、通信理论、计算机图形学、计算机图形图像处理、信息编码、信号处理、数理统计、视听觉特性等领域的知识和技术,是一个跨越多个学科的领域,因此教学内容涉及面广,对学生的先修课程和基础知识要求较高。
2)信息隐藏技术在不断的攻防过程中不断发展,其知识内容更新快,实践性强,必须要安排实验实训,让学生自己去应用,才能真正地掌握、理解和应用。
鉴于以上信息隐藏的内容和特点,鉴于信息隐藏的研究有着现实的意义和广阔的应用前景,非常有必要在信息安全课程中添加信息隐藏领域的教学和实验内容。
2 信息隐藏教学内容设置
信息隐藏教学的目的是:使学生全面掌握信息安全技术领域的专业知识,培养学生的专业技能和创新素质。为此,需按照知识―能力―素质结构的要求,有针对性的设计信息隐藏教学内容,合理的制定教学计划。
在信息隐藏教学内容的设置上,应该遵循下述基本理念:
1)信息隐藏领域包括两大分支:数字水印和数字密写,分别有着不同的应用领域,因此在教学内容的设置上,应该二者并重。
2)由于信息隐藏的载体多种多样,包括文本、三维模型、图像、音频、视频等,而教学课时有限,不可能兼顾所有类型载体的信息隐藏技术,因此在教学内容的设置上,应该选择发展最早、最快、应用范围最广的图像信息隐藏作为教学主线。
3)鉴于信息隐藏仅仅是信息安全技术将教学中的一个方面,因此综合考虑教学内容和教学量的占比,分配10个学时的总教学时间,其中理论教学6个学时,实验教学4个学时。
按信息安全技术应用型人才的培养要求,信息隐藏教学可包含以下内容:
1)2个学时的数字水印技术及其应用。
教学内容包括:数字水印的一般性框架和模型;数字水印的分类;数字水印的经典算法;数字水印的经典应用;数字水印攻击及性能评价;数字版权保护系统及其组成。
由于数字水印主要包含空域算法和变换域算法,因此选取Patchwork算法作为空域经典算法和基于离散余弦变换的数字水印算法作为变换域经典算法作为教学内容,使学生掌握数字水印的基本原理及其应用方法。
2)2个学时的数字密写技术及其应用。
教学内容包括:数字密写的一般性框架和模型;数字密写的分类;数字密写的经典算法;数字密写的经典应用;数字密写的性能评价。
由于数字密写主要包含空域算法和变换域算法,因此选取LSB算法作为空域经典算法和基于离散余弦变换的F5算法作为变换域经典算法作为教学内容,使学生掌握数字密写的基本原理及其应用方法。
3)2个学时的密写分析技术。
教学内容包括:密写分析的一般性框架和模型;密写分析分类;密写分析的经典算法;针对密写分析的改进密写技术。
由于密写分析主要分为专用密写分析和盲密写分析,因此选取LSB密写分析作为专用密写分析算法和针对F5算法的JPEG密写分析作为变换域密写分析算法作为教学内容,使学生掌握密写分析原理和思路。
3 信息隐藏实验内容设置
信息安全技术实验教学的目的[4]是更好的将理论教学的知识点有机的融入到具体的实践中去,使学生不仅能够通过实验理解和掌握理论教学的内容,还能培养和锻炼学生的分析能力、综合解决问题能力和实际动手能力。
配合教学内容中的重要知识点,信息隐藏实验的设置采用技能性、设计性实践教学相结合的方式,共设置4个学时,包含2个实验,其中1个为验证性实验,1个为设计性实验。
1)验证性实验
采用独立实验的形式进行模拟实验,共包含2个验证性实验:第一个实验是W-SVD数字水印算法的验证实验,掌握水印生成、水印嵌入、水印检测三个步骤;通过算法参数取值的不同,验证水印的不可见性特性;通过图像压缩、图像模糊化、中值滤波、马赛克处理等攻击手段,验证水印的鲁棒性特性。通过实验使学生对水印原理和应用有感性认识,促进学生掌握数字水印的相关知识点;第二个实验是基于离散余弦变换的F5图像密写算法的验证实验,掌握待嵌入密写信息的预处理、原始图像的JPEG压缩处理、密写信息嵌入、密写图像生成四个步骤;通过算法参数取值的不同,验证密写信息对图像的不可感知性的影响。通过实验使学生对密写原理和应用有感性认识,促进学生掌握数字密写的相关知识点。
2)设计性实验
采用分组的形式进行模拟实验,每组2人,学生可从明确实验任务、工作分工、遇到问题及时确定解决方案、认真撰写实验报告等几个方面来进行有组织、有计划的实验。具体的实验项目是:应用matlab编程实现可视化LSB密写及其密写分析,包括可视化界面设计、待嵌入密写信息的预处理、LSB密写嵌入、密写信息的提取验证、LSB密写分析算法及其结果显示等模块,使学生通过实验掌握数字密写的实现过程和功能,掌握密写分析的原理及测试密写分析算法的检测性能。这样,通过设计性实验,培养和锻炼了学生的分析能力、综合解决问题能力和实际动手能力。
4 结束语
信息隐藏是现代信息安全技术中的一项重要内容。通过近二年在实际教学中的实践证明,在信息安全技术课程中加入信息隐藏的教学和实验内容,使学生更为全面的掌握了信息安全技术,一定程度上激发了学生的学习积极性,也锻炼了学生的实践技能和综合能力。从学生提交的实验报告可以看出,学生通过实验已基本掌握了信息隐藏的主要知识点,基本掌握了信息隐藏的设计和实现方法,达到了信息隐藏理论和实验教学的目的。
【参考文献】
[1]闻宏生.计算机网络安全与防护[M].北京:北京电子工业出版社,2007.
[2]钟乐海.网络安全技术[M].2版.北京:北京电子工业出版社,2007.
一、班级情况分析:
总体来看,这个班学生的知识基础处于明显的两级分化,处于中间位置的,有近十名学生基础知识不太乐观。班上的部分男生还没有形成良好的学习习惯,平时放松自己,学习上和生活上皆如此,特别是特,各方面表现要相对落后。基本情况如下:
课时善于动脑,积极发言,平时又乐于帮助同学,学习成绩优秀的占班级总人数的近30%,是这个集体的主体力量。他们学习态度端正好,团结同学,不仅能较好地完成老师布置的任务,还能和后进生结对,解决他们在学习上的困难,但自身的学习主动性还有待加强有待进一步激发。基础较差同学,他们上课能积极发言,认真完成作业,态度好,但缺乏一定的学习方法及缺在某种程度上还是不能够严格要求自己。部分同学是本学期的培养重点,希望从习惯到最终成绩都能有一个明显的提高。
二、教材分析
新人教版部编本六年级下册语文教材于2020年春期正式试行。教材继续按专题组织单元,共设计了六个专题,依
次是:民风民俗、外国名篇名著、人间真情、体会人物品质、科学精神、难忘小学生活。在六组教材之后,安排了一组“古诗词背诵”,提供了10首供学生读背的古诗词。在教材的最后,还安排了写字表和词语表。
本册教材的综合性学习安排在第六组“难忘小学生活”。这个专题采用的是任务驱动、活动贯穿始终的编排方式,包括“活动建议”和“阅读材料”两大部分。
本册教材除去第六组,共有课文17篇,其中精读课文12篇,略读课文5篇。这五组教材的编排体例与高年段前三册一致,每组由“导语”“课例”“口语交际·习作”“语文园地”四部分组成。课例包括2~4篇课文。每篇精读课文后有思考练习题,略读课文前有链接语。部分课文后面安排了
“阅读链接”。全册安排
“阅读链接”四次,未安排“资料袋”。“口语交际·习作”依然作为一个独立的栏目,在有的单元中提供多个角度供教师和学生选择。全册共安排“口语交际”三次,分别是同读一本书、即兴发言、辩论。全册共安排“语文园地”四次,其中第三单元是作文单元,未安排语文园地,第六单元是综合性学习单元,也未安排语文园地。“语文园地”由三至四个栏目组成,“交流平台”“词句段运用”“日积月累”是固定栏目,另有“书写提示”在第一、五单元各安排了一次。在第二单元语文园地后安排了一次“快乐读书吧”,主要向学生推荐世界名著。
三、教学要求:
课堂教学是教学改革中重要的也是最艰难的环节。在备、教、改、导、考、析等教学环节下功夫,加大力度,认真做好培优补差工作和学科竞赛辅导。在教学方法上,对不同课题进行不同的教学设计,分层次,分类别训练,在预习、课堂活动、课后练习、检测中,围绕趣学、乐学、学会、会学创设学生全身心参与。让学生在参与中生动活泼地发展,在发展中积极主动地参与。总之,在深知教学是一门艺术的原则下,奉行的是“教学有法,教无定法,教要得法”的理念。
本册课文共有六个单元,全册包括“导读”“课文”“读写例话”“积累运用”(读读背背、阅读、口语交际、习作、实践活动)等内容,书后还附有10篇古诗词诵读内容。本册要求学会120个字,每课要求学会的字,排在方格里。
1、知识方面
(1)借助汉语拼音识字,会写120个,了解在语言环境中的字义,并能正确书写。
(2)背诵指定的课文和自己喜欢的文段。
(3)背诵20篇以上的优秀诗文,课外阅读不少于15万字(完成课文配套课外阅读30篇)。
(4)学习浏览,能初步了解查找资料,运用资料的方法,根据需要搜集相关的信息,并按一定的标准分类。
(5)学习用钢笔和毛笔书写楷书,行款整齐,并有一
定的速度。
(6)学写简单的记事作文、想象作文、简单的读书笔记、关于自己的事。
(7)在阅读中学习一些读写方法:展开联想和想象进行表达的方法;体会关键词句在表情达意方面的作用;环境描写和心理描写;读课文时能联系实际,深入思考;理解含义深刻的句子;继续学习用较快的速度读课文。
(8)学习修改自己的习作。
2、技能方面
(1)会使用字典、词典进行识字,有一定独立识字的能力。
(2)能用钢笔书写楷书,行款整齐,并有一定的速度。能用毛笔书写楷书,并体会汉字的优美。
(3)能用普通话正确、流利、有感情地朗读课文。
(4)学习用较快的速度读课文,并能抓住文章的大意。
(5)能联系上下文和自己的积累,体会课文中含义深刻的句子;体会关键词句在表情达意方面的作用。
(6)在阅读中能揣摩文章的叙述顺序,体会作者的思想感情,初步领悟基本的表达方法。
(7)会读诗歌,初步掌握阅读方法,了解诗歌的语言特点。
(8)乐于参加讨论,敢于发表自己的意见,提出自己
的看法,作出自己的判断。
(9)能写简单的记事作文、作品梗概、想象作文、读后感等习作内容具体,感情真实。能修改自己的习作,书写规范、整洁。
四、提高教学质量的措施:
认真钻研教材,认真备课,准确把握教学目标,不随意拔高或降低,向课堂40分钟要质量。
扎实进行语言训练,本学期着重进行分段的训练,但仍应继续对学生的识字、写字给予重视,帮助他们积累词汇和句式,掌握基本的堂教学中保证学生有充分的朗读、默读和做其他各种练习的时间。要设计有效的方法,扩大训练面,努力让全班学生人人参与训练,够的个体活动时间。教师应严格要求,及时反馈和矫正,讲求实效。
注意听说读写的联系。要让学生通过阅读学表达,从读中学写。在作文训练中,要充分运用课文中学到的表达方法,鼓励学生写自己高他们的语言表达能力。
落实各单元训练重点,重视学习方法的指导。在阅读教学中,要以训练点为重点组织教学,从内容分析导向到训练目标上来。课文考虑怎样让学生掌握本单元训练点规定的那项阅读基本技能,避免字、词、句、篇都走一遍,平均使用力量,更不能只抓住内容分析点。在进行阅读重点训练时,要充分发挥每单元前的“学习提示”的作用,根据课文的特
点,适时地指导学生掌握学习方法。
继续做好培优补差工作,大力提高中等生。
五、教学进度安排
周次
起止日期
课时
教学内容
备注
1
2月10日—2月14日
6
开学第一课
1、北京的春节
2、腊八粥
10号开学
2
2月17日—2月21日
6
3、古诗三首
4*、藏戏
习作:家乡的风俗
3
2月24日—2月28日
6
语文园地
第一单元测试
5、鲁滨逊漂流记(节选)
4
3月2日—3月6日
6
6*骑鹅旅行记(节选)
7*汤姆.索亚历险记
口语交际:同读一本书
习作:写作品梗概
5
3月9日—3月13日
6
语文园地
快乐读书吧
第二单元测试
8、匆匆
国庆放假7天
6
3月16日—3月20
6
9、那个星期天
习作例文
日
习作:让真情自然流露
7
3月23日—3月27日
6
第三单元测试
10、古诗三首
8
3月30日—4月3日
6
11、十六年前的回忆
12、为人民服务
13*金色的鱼钩
口语交际:即兴发言
9
4月7日—4月10日(4月6日放清明节)
5
习作:心愿
语文园地
第四单元检测
清明节放假一天
10
4月13日—4月17日
6
14、文言文两则
15、表里的生物
16、真理诞生于一百个问号之后
11
4月20日—4月24日
6
17*他们那时候多有趣啊
口语交际:辩论
习作:插上科学的翅膀飞
12
4月27日—4月30日(星期五放劳动节)
5
语文园地
第五单元检测
综合性学习:难忘小学生活
劳动节放假一天
13
5月4日—5月8日
6
第六单元检测
古诗词诵读
14
5月11日—5月15日
6
古诗词诵读
综合复习
15
5月18日—5月22日
6
综合复习
16
5月25日—5月29日
6
综合复习
17
6月1日—6月5日
6
综合复习
18
6月8日—6月12日
6
综合复习
19
6月15日—6月19日