Проектирование и разработка элективного курса криптографии с использованием технологии вебинаров

Полный текст

Постановка проблемы. С введением ФГОС среднего общего образования у школьников старшей ступени появилась возможность выбирать профиль образования. Профиль выбирается из интересов учащегося, а также исходя из его индивидуальных возможностей и склонностей. Для введения профильного обучения назрела необходимость, связанная с потребностью в квалифицированных кадрах и хороших специалистах, которую удовлетворит индивидуализированное и эффективное образование. Переход к профильному образованию может занять некоторое время, так как обусловлен целым рядом трудностей. В качестве основных проблем выделяют: - многообразие форм организации профильного обучения; - соответствие педагогических кадров для профильного обучения; - предпрофильная подготовка учащихся средней ступени; - проблема выбора старшеклассниками профиля обучения. Одной из форм реализации профильного обучения в старших классах могут выступать элективные курсы. Анализируя содержание элективных курсов для различных профилей, легко заметить, что информатика тесно связана со всеми учебными предметами. Включение элективных курсов по информатике для различных профилей показывает разносторонность предмета, разнообразность методов и средств. Но при разработке элективных курсов важную роль должны играть интересы и потребности школьников, в содержание элективов должны входить задачи по информатике, учебные проекты, практическая деятельность. Раздел защиты информации является довольно большим и включает в себя подраздел «Криптографические методы обеспечения безопасности данных» [1-3]. Именно этот раздел формирует у учащихся умения и навыки в области защиты информации, которые так необходимы человеку, живущему в информационном обществе. Таким образом, проблема исследования заключается в теоретическом и практическом обосновании эффективности применения элективного курса по обучению криптографии, основанного на технологии вебинаров. Цель исследования - разработка и экспериментальная проверка эффективности элективного курса по обучению криптографии, содержащего специальным образом спроектированные практико-ориентированные задачи, основанные на технологии вебинаров. Объект исследования - элективные курсы по информатике. Предмет исследования - система обучения криптографии, ориентированная на решении специальным образом спроектированных практико-ориентированных задач, построенная на основе использования технологии вебинаров в организации элективного курса. Гипотеза исследования: если в курс информатики старшей школы добавить специальным образом разработанное содержание элективного курса криптографии, основанное на решении практико-ориентированных задач, изучение которого построено с использованием технологии вебинаров, то: - повысится эффективность обучения защите информации; - с позиции включения современного и востребованного содержания по криптографии курс информатики будет расширен; - учащиеся будут лучше подготовлены к жизни и работе в информационном обществе. Указанные цель, объект, предмет и гипотеза обуславливают необходимость решения следующих основных задач исследования: - изучить теоретические и методологические аспекты обучения криптографии в рамках школьного курса информатики, обосновать целесообразность использования технологии вебинаров; - рассмотреть средства реализации технологии вебинаров, применяемые при обучении школьников; - создать модель элективного курса для учащихся 10-11 классов по обучению криптографии, основанного на использовании технологии вебинаров; - разработать и описать технологию и этапы организации вебинаров для обучения школьников 10-11 классов криптографии; - сформировать систему учебно-познавательных задач для обучения криптографии в старшей школе для проведения серии вебинаров в рамках созданного элективного курса; - провести экспериментальную проверку эффективности элективного курса по криптографии для старшеклассников, основанного на использовании технологии вебинаров [4-8]. Для решения поставленных задач использовались общенаучные методы теоретического исследования (анализ, синтез, формализация, моделирование, классификация, обобщение, изучение литературы); методы эмпирического исследования (изучение педагогического опыта, наблюдение, анкетирование, тестирование); педагогический эксперимент и статистические методы. Жизнь в современном информационном обществе зачастую требует высокого уровня компетентности человека в сфере защиты информации и данных от посторонних воздействий. Поэтому уже на этапе школьного образования изучение правовых и технических основ защиты информации, а также методов и алгоритмов криптографии становится необходимым [9-15]. Элективный курс по криптографии является межпредметным, так как предполагает выход за рамки традиционных учебных предметов. Содержание элективного курса нацелено на то, что учащиеся будут постепенно знакомиться с основными понятиями криптографии и шифрования, а также научатся решать нестандартные и практико-ориентированные задачи. Опираясь на современные теоретические и практические исследования, можно утверждать, что программа элективного курса должна быть ориентирована на учеников, которые заинтересованы в изучении основ криптографии и возможностей ее применения в сфере информационной безопасности. Данный курс может быть реализован как курс по выбору в 9 классе, а также как элективный курс в 10-11 классах. Методы исследования. Элективный курс по криптографии, с одной стороны, будет способствовать развитию знаний и навыков учеников, которые были получены ими на предыдущих этапах обучения - в рамках изучения информатики и математики, а с другой стороны - обеспечит формирование у обучающихся устойчивых навыков в сфере информационной безопасности, компетентности в области защиты данных путем изучения как теоретических основ курса, так и с помощью практико-ориентированных заданий. Методическая модель организации элективного курса по криптографии представлена на рис. 1. Результат Учащиеся приобрели практические навыки в области защиты информации Реализованы межпредметные связи Расширено представление школьников об информационной картине мира Формирование знаний в области защиты информации и криптографии Психологопедагогические особенности учащихся 10-11 классов Содержание элективного курса по криптографии Защита информации и криптографии Требования Задачи Цель Программа элективного курса по криптографии Рис. 1. Методическая модель организации элективного курса по криптографии Elective course program in cryptography Objective Tasks Requirements Information security and cryptography Content of an elective course in cryptography Psychological and pedagogical features of students in grades 10-11 Formation of knowledge in the field of information security and cryptography Expanded the idea of schoolchildren about the information picture of the world Implemented interdisciplinary connections Students acquired practical information security skills Result Figure 1. Methodical model of organizing an elective course in cryptography Таким образом, целью элективного курса по криптографии является знакомство учащихся с основными понятиями криптографии и методами шифрования, направленное на формирование компетентности учащихся в области защиты данных. В соответствии с поставленной целью могут быть предложены следующие задачи курса: - получение учащимися общих представлений о криптографии как науке; - знакомство с основными понятиями и историей криптографии; - получение учащимися практических навыков использования некоторых алгоритмов шифрования с закрытым и открытым ключом; - приобретение практических навыков расшифровки информации; - развитие навыков анализа криптостойкости шифров; - обобщение и систематизация знаний учащихся о криптографической защите информации. Важно отметить, что внедрение элективного курса ставит перед педагогом задачу подготовить его программу, которая должна содержать: титульный лист, пояснительную записку (включает в себя цели, задачи, формы, методы и средства), содержание элективного курса и примерное планирование учебного материала, список рекомендуемой литературы. Факультативной частью программы являются методические рекомендации. Итак, реализация курса по криптографии позволит расширить представления школьников об информационной картине мира, реализовать межпредметные связи, познакомить учащихся с методами, используемыми при создании шифров и расшифровке, областями их применения и перспективами развития, приобрести практические навыки в области защиты информации. Результаты и обсуждение. Качественный дистанционный учебный процесс обязательно предполагает общение - асинхронное (почта, форум) и синхронное (чат, скайп). Адекватному решению этих задач призваны служить вебинары - групповая работа в Интернете с использованием современных средств общения - видео, флеш-чата и т. п. Созданные методические рекомендации по организации вебинаров помогут повысить эффективность обучения защите информации. Рассмотрим один из примеров организации проведения вебинара. Вебинар 1. Решение практико-ориентированных заданий по криптографии. Содержание: практическое занятие на решение практико-ориентированных заданий по криптографии. Учащиеся должны знать: - основные термины криптографии; - алгоритмы шифрования; Учащиеся должны уметь: - использовать терминологию; - применять различные алгоритмы шифрования на практике; - логически мыслить и придумывать новые способы решения проблемных ситуаций. Примеры практико-ориентированных заданий представлены на рис. 2 и 3. Одной из значимых характеристик результатов обучения является формирование компетентности учащихся в области защиты информации. В ходе эксперимента учащиеся были разделены на две группы: контрольную, учащиеся которой обучались по традиционной методике, и экспериментальную, учащиеся которой обучались с использованием технологии вебинаров. Численность двух групп была одинаковой и состояла из двадцати человек. Рабочая программа элективных курсов по криптографии была одинакова. Для определения эффективности предложенного элективного курса по криптографии с использованием технологии вебинаров в контрольной и экспериментальной группах учащихся были проведены следующие этапы экспериментально-исследовательской работы: 1) входное тестирование; 2) внедрение предложенной системы элективных курсов по криптографии; 3) итоговое тестирование; 4) анализ и представление результатов экспериментально-педагогического исследования. Результаты входного тестирования для контрольной группы представлены в табл. 1 и на рис. 4. Поручик Лукаш со своим верным денщиком Швейком попали в штаб в самое горячее время. Только что был пойман лазутчик с письмом следующего содержания: «ЮЯЙЪО Г НЫХЭЭШЪ ДОАУИ ЭЪШСАЛЖЦ ЩФЯЁАМХ. Дорогой, я не решаюсь прямо сказать о своих чувствах. Чтобы понять их силу, повторяй моё имя. Твоя ЭЛИОНА». Совместный мозговой штурм шифровки усилиями штаба, поручика Лукаша и Швейка успеха не принес. Помогите им. Онлайнконференция Чат + конференция между участниками вебинара Онлайнконференция, чат Приветствуют учителя. Готовятся к уроку Деятельность учеников Организационный момент Рис. 2. Пример практико-ориентированного задания на декодирование информации From the adventures of the good soldier Švejk Figure 2. Example of a practice-oriented task for decoding information Результаты входного тестирования для экспериментальной группы представлены в табл. 2 и на рис. 5. По результатам входного тестирования был сделан вывод, что у учащихся недостаточно знаний в области защиты информации. В ходе эксперимента учащиеся из экспериментальной группы имели возможность обучаться с использованием технологии вебинаров. Трансляция велась в прямом эфире с использованием демонстрационных материалов и возможностью повторного просмотра при необходимости. Данная технология имеет несколько несомненных плюсов: обучение осуществляется в комфортное для обучающихся время, учащиеся могут находиться в любом месте, есть возможность участия в обсуждении материала и/или непонятных моментов, есть возможность повторного просмотра вебинара. Фрагмент занятия в виде вебинара представлен на рис. 6. Контрольная группа обучалась по традиционной методике: обучение проходило во второй половине дня после уроков в учебном классе школы. Рис. 3. Пример практико-ориентированного задания на кодирование информации Answer - decrypt of both messages - write in capital letters, separating the decrypted messages with @ symbol, keeping the spaces that were in the original messages. The letter is dated April 26, 1957. However, there is still interest in this problem. The problem repeatedly generalized - for example, universal algorithms have been developed for horse traversal of square boards of size n x n, rectangular boards of size n x m. detailed solution shown in the figure''. Figure 3. Example of a practice-oriented task for encoding information Таблица 1 Результаты входного тестирования в контрольной группе [Table 1. Results of input testing in the control group] Номер вопроса [Question number] 1 2 3 4 5 6 7 8 Ответ не дан [Didn’t give an answer] 10 9 8 12 2 4 9 7 Неполный ответ [Incomplete answer] 5 6 7 5 10 5 10 11 Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] 5 5 5 3 8 11 1 2 Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Рис. 4. Результаты входного тестирования в контрольной группе [Figure 4. Results of input testing in the control group] Таблица 2 Результаты входного тестирования в экспериментальной группе [Table 2. Results of input testing in the experimental group] Номер вопроса [Question number] 1 2 3 4 5 6 7 8 Ответ не дан [Didn’t give an answer] 13 2 7 6 7 10 8 7 Неполный ответ [Incomplete answer] 6 11 10 7 1 3 5 7 Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] 1 7 3 7 10 7 7 6 Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Рис. 5. Результаты входного тестирования в экспериментальной группе [Figure 5. Results of input testing in the experimental group] [Cryptography in the ancient world] [Skitala] [Atbash] Рис. 6. Фрагмент урока по теме «История криптографии» [Figure 6. Fragment of the lesson on the topic “History of cryptography”] В завершении обучения учащимся было предложено решение тех же проблемных ситуаций, что и в начале обучения. Эффективность обучения оценивалась по следующим критериям: развернутость ответа, полнота ответа, использование научной терминологии, новизна решения проблемы, оценка рисков представленного решения. После сравнительного анализа полученных данных по результатам выходного тестирования (рис. 7) можно заметить, что большинство учащихся как контрольной, так и экспериментальной групп представили решение для проблемных ситуаций, связанных с защитой информации. Это говорит о приросте знаний учащихся в области защиты информации. [Experimental group] [Control group] Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Неразвернутый ответ [Undeveloped answer] Неполный ответ [Incomplete answer] Ответ не дан [Didn’t give an answer] Рис. 7. Сравнительный анализ контрольной и экспериментальной групп [Figure 7. Comparative analysis of the control and experimental groups] Заключение. Для подтверждения выдвинутой гипотезы было решено проанализировать ответы учащихся по следующим критериям: развернутость ответа, полнота ответа, использование научной терминологии, новизна решения проблемы, оценка рисков представленного решения. По результатам сравнительного анализа (рис. 8) можно сделать вывод, что учащиеся, которые изучали элективный курс с использованием технологии вебинаров, дали более емкие ответы, использовали научную терминологию, предлагали новые пути решения проблемных ситуаций, а также оценивали риски представленных решений. Статистический анализ полученных экспериментальных данных говорит о том, что изучение элективного курса по криптографии для учащихся старшей школы с использованием технологии вебинаров влияет на эффективность обучения защите информации. Оценка рисков представленного решения Оценка рисков представленного решения Развернутость ответа Полнота ответа Использование научной терминологии Новизна решений проблемы Expansion of the answer Completeness of the answer Use of scientific terminology The novelty of solutions to the problem Risk assessment of the presented solution Использование научной терминологии Risk assessment of the presented solution The novelty of solutions to the problem Use of scientific terminology Completeness of the answer Expansion of the answer Контрольная группа [Control group] Экспериментальная группа [Experimental group] Новизна решений проблемы Развернутость ответа Полнота ответа Рис. 8. Сравнительный анализ по критериям в контрольной и экспериментальной группах [Figure 8. Comparative analysis by criteria in the control and experimental groups] Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенная стратегия, как и предполагалось, позволила расширить знания учащихся старших классов в области защиты информации. В целом полученные экспериментальные данные по всем показателям, подвергнутые статистической обработке с помощью критерия Стьюдента, подтвердили эффективность реализации построенной модели.

Об авторах

Наталия Викторовна Игнатенко

Школа № 460 имени дважды Героев Советского Союза А.А. Головачева и С.Ф. Шутова

Автор, ответственный за переписку.
Email: pok-nataliya@yandex.ru

учитель информатики

Российская Федерация, 109559, Москва, Ставропольская, 72

Список литературы