"Cryptography" ist ein Wahlpflichtfach im Katalog "Information Security", der in mehreren Informatik-nahen Masterstudien an der TU Graz wählbar ist.

Als relativ Mathematik-lastiges Fach mit vielen komplexen, oft unintuitiven Konzepten wird Kryptographie an Hochschulen international oft als schwierig und trocken wahrgenommen.

Mit unserem Konzept aus reichhaltigen Unterlagen und Videos, vielen interaktiven Elementen und kleinen motivierenden Aufgaben, klaren Erklärungen, und Einbindung von hochaktuellen Themen aus der Forschung wird das Fach aber von Studierenden sehr positiv aufgenommen:

Die Vorlesung wird regelmäßig äußerst positiv evaluiert und von vielen Studierenden als (durchaus aufwändiges) Freifach belegt.

Aufbau und Inhalt

Die Lehrveranstaltung (LV) vermittelt die Methoden der zwei Hauptbereiche der Kryptographie (symmetrisch/asymmetrisch) jeweils in einem Bottom-Up-Approach, von einem Grundlagen-Verständnis der Primitive hin zu darauf aufbauenden Systemen in verschiedenen Anwendungsbereichen. Den Abschluss bilden Protokolle, die beide Hauptbereiche verbinden. Die Kontextualisierung der aktuellen Einheit innerhalb dieser Struktur wird zu Beginn jeder LV-Einheit aufgegriffen. Jede LV-Einheit hat einen klaren Fokus und ist in sich abgeschlossen. Diese klare Struktur sowohl übers Semester als auch innerhalb jeder LV wird in Evaluierungen oft positiv hervorgehoben.

Die dazugehörige Konstruktionsübung (KU) ist thematisch eng an die Vorlesung (VO) gekoppelt und behandelt jede Woche die Inhalte der vorhergehenden VO-Einheit mit mehreren Aufgabenstellungen, um die Inhalte zu vertiefen, praktisch begreifbar zu machen, und anspruchsvolle weiterführende Fragestellungen zu diskutieren (typisches Übungsblatt: zwei Basisbeispiele zum Grundverständnis, zwei anspruchsvollere vertiefende Beispiele, ein komplexeres Praxisbeispiel). Die beiden thematischen Hauptblöcke werden in der KU jeweils durch eine Teilklausur abgeschlossen.

Lernziele: Ziel der LV ist, dass Studierende ein klares mentales Modell von verschiedenen kryptographischen Algorithmen und ihren Sicherheitseigenschaften entwickeln; Analysemethoden anwenden und somit grundlegende kryptographische Sicherheitslücken aufdecken können, sowie in der Lage sind, für eine Anwendung geeignete kryptographische Algorithmen auszuwählen und dies auf Basis der gewünschten Sicherheitseigenschaften zu begründen.

Um die LV trotz der komplexen Inhalte gut verständlich zu halten, arbeiten wir ständig an Verbesserungen - beispielsweise durch Zurverfügungstellen zusätzlicher (unterschiedlich aufbereiteter) Quellen zu schwierigen Inhalten, Verfügbarkeit der Aufzeichnungen, aktives Eingehen auf Missverständnisse, die wir in Vorjahren beobachtet haben, kurze Wiederholung von essentiellen Vorkenntnissen, usw.

Durchführung

Die Vorlesung ist entlang eines Folienvortrags strukturiert, wobei Kern-Erkenntnisse im gemeinsamen Dialog erarbeitet werden.

Diese Dialog-Phasen dienen als Aktivierung sowie Selbst-Test der Studierenden, aber auch als Tempo-Anpassung und Feedback für mich, wo noch Verständnisschwierigkeiten offen sind. Die Vorlesungseinheiten wirken als Input-Sessions für die KU, wo die Studierenden selbstständig asynchron Problemstellungen bearbeiten, dann präsentieren und im Plenum diskutieren.

Dialog und Erreichbarkeit sind für mich immer wichtig - während der LV-Einheit, aber auch die restliche Woche über, während die Studierenden selbstständig arbeiten.

Zu Beginn jeder Einheit wird der Kontext innerhalb des aktuellen Themenblocks besprochen und das Thema der aktuellen Einheit darin eingebettet. Um gleich zu Beginn ein “(inter-)aktives Denken” anzuregen, starten die Einheiten oft mit einem interaktiven Quiz (Mentimeter) zur Selbstüberprüfung zu den Inhalten der Vorwoche, zusätzlich zu einer kurzen Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse daraus.

Während der Corona-Einschränkugen wurden die Vorlesungen virtuell abgehalten als synchrone, interaktive YouTube-Streams. Studierende konnten live via YouTube-Chat oder Mentimeter interagieren. Da Körpersprache für Verständnis und Aufmerksamkeit besonders hilfreich ist, haben wir uns entschieden, soweit technisch möglich den Vortragenden Greenscreen-artig über die Vorlesungsfolien bzw. andere interaktive Anzeigen einzublenden, so dass eine Interaktion mit den Inhalten (Gesten, Zeigen, Zusammenhänge und Trends darstellen, allgemeine Körpersprache usw.) möglichst gut erkennbar ist (s. Beispiele unter "Links: Youtube").

Da für die LV aber eine Vortragsweise mit mehr Dialoganteilen besser geeignet ist, wo ich als Vortragende Fragen interaktiver diskutieren und auf nonverbale Kommunikation aller Zuhörer reagieren kann, sind wir schnell auf den Campus zurückgekehrt. Die im virtuellen Semester entstandenen Livestream-Aufnahmen sind nach wie vor öffentlich auf YouTube verfügbar und werden dort auch von internationalen Studierenden genutzt: Regelmäßig werde ich beispielsweise auf internationalen Konferenzen von Doktorand/innen auf die Videos angesprochen.

Kontextualität

Die Bachelor- und Master-LVs unseres Instituts (IAIK) sind nach einem zentralen Konzept strukturiert. Wir erklären unser Konzept explizit auf unseren Websites (IAIK Lehre, Master Information Security) und an geeigneten Stellen im Studium (z. B. Einführungs-LV).

In der ersten und/oder letzten Einheit sowie an inhaltlich passenden Stellen verweisen wir auf relevante aufbauende LVs (auch Links zu spezifischen YouTube-Videos) sowie mögliche Abschlussarbeiten in dem Bereich. Um beispielsweise die Bachelorarbeitsthemen sichtbar zu machen, bewerben wir unseren “Bachelor@IAIK”-Event; hier werden sowohl vergangene Arbeiten, die zu veröffentlichten Papers geführt haben, prämiert, als auch neue Themen vorgestellt.

Ein wichtiger und für die Studierenden motivierender Aufhänger sind aktuelle kryptographsiche Sicherheitslücken sowie aktuelle Entwicklungen wie Standardisierungsverfahren für neue Algorithmen, die zukünftig verwendet werden sollen.

Inklusivität, Diversität, Nachhaltigkeit

Durch die Verfügbarkeit der Aufzeichnung aus der einmaligen virtuellen Durchführung ist die Vorlesung für einige Studierende (z.B. Berufstätige, Eltern) deutlich zugänglicher geworden.

Die LV wird wie alle Master-LVs (und am IAIK auch die Bachelor-LVs) komplett auf Englisch angeboten und ist damit auch für internationale Studierende attraktiv, insbesondere wegen der YouTube-Aufzeichnungen.

Alle Lehrveranstaltungsunterlagen (Folien, Videos, Übungsaufgaben) sind öffentlich und nicht auf LV-Teilnehmer:innen beschränkt. Die Videos finden auch außerhalb der LV rege Interaktion und werden von uns weiter betreut (ggf. Beantwortung von Fragen in den Kommentaren). Abgesehen von unseren eigenen Unterlagen verweisen wir auch oft auf andere offene Bildungsressourcen, beispielsweise Demos, Source Code, Erklärungen, oder auch Buchempfehlungen.

Wir benutzen in den meisten LVs dieselben Tools und Plattformen (z.B. Git-Server, Testsysteme, Discord-Server für alle IAIK-LVs usw.), um Synergien zu nutzen und die Abläufe für Studierende so klar wie möglich zu halten.

In der KU bieten wir für motivierte Studierende viele Möglichkeiten, sich über die Kernthemen und -aufgaben hinaus selbst herauszufordern, was von überraschend vielen Studierenden angenommen wird - beispielsweise durch anspruchsvolle Bonusaufgaben auf jedem Übungsblatt.