基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源共享建模及分析*

尹婷婷 曾憲玉

（1. 西北工業(yè)大學教務處，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學圖書館，西安 710072）

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術的快速發(fā)展和教育信息化2.0時代的到來，數(shù)字資源在教育教學中的應用越來越多，如何挖掘高質量的數(shù)字教育資源，實現(xiàn)數(shù)字教育資源的可持續(xù)發(fā)展與共享是促進現(xiàn)代教育教學快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)與關鍵舉措[1]。為進一步加快教育現(xiàn)代化，推進新時代教育信息化發(fā)展，教育部于2018年初印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號），明確提出實施教育資源共享計劃，以進一步促進開放教育資源的建設與共享，消除數(shù)字教育資源共享發(fā)展的障礙與壁壘，滿足學習者、教學者和管理者關于數(shù)字教育資源的需求。因此，構建一種新的、能夠滿足相應需求的數(shù)字教育資源共享模式已成為目前亟待解決的問題。

區(qū)塊鏈（block chain）技術被視為繼互聯(lián)網(wǎng)之后又一項完全顛覆人類社會變革的創(chuàng)新技術，一經(jīng)提出就受到金融機構、計算機科學等領域專家的高度重視與關注[2]。2017年初，摩根士丹利銀行、匯豐銀行、高盛等40多家全球大型金融機構共同組建R3聯(lián)盟，用于研究區(qū)塊鏈技術的發(fā)展與應用；2018年冬季達沃斯論壇上，基于區(qū)塊鏈技術的快速發(fā)展與應用成果數(shù)量的迅速增長，有專家建議將2018年作為區(qū)塊鏈技術應用的元年[3]。本文借鑒在金融、商業(yè)、服務業(yè)和信息技術等眾多領域取得廣泛研究成果的區(qū)塊鏈技術的實踐經(jīng)驗，利用區(qū)塊鏈的獨特技術優(yōu)勢重新構建數(shù)字教育資源共享模式，對進一步推動區(qū)塊鏈在教育教學中的應用有著積極的現(xiàn)實意義。

1 基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源研究現(xiàn)狀

2016年12月，國務院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》文件，將區(qū)塊鏈技術列入我國國家信息化規(guī)劃，并將其定為戰(zhàn)略性前沿技術之一。作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)應用技術，區(qū)塊鏈在服務業(yè)和信息技術等眾多領域均有著廣泛的實踐成果[3]，但就區(qū)塊鏈技術在教育領域中的應用而言，目前的研究成果還不夠豐富，國內外只有少數(shù)學者對區(qū)塊鏈在教育領域中的應用開展了初步研究工作[4]。金義富[5]基于教育資源建設、教育投入及教育產(chǎn)出等方面的具體分析，從“區(qū)塊鏈+教育”角度構建了通用區(qū)塊鏈教育系統(tǒng)；楊現(xiàn)民等[6]基于區(qū)塊鏈在金融行業(yè)的應用實踐，對區(qū)塊鏈技術在教育行業(yè)的發(fā)展前景進行了可行性探討分析；沈丹丹[7]依據(jù)區(qū)塊鏈的特點及其在教育領域的研究現(xiàn)狀，探索并分析了區(qū)塊鏈技術對數(shù)字教育資源共享模式變革的啟示與應用；全立新等[8]將區(qū)塊鏈技術的應用模型進行擴展，設計了基于雙區(qū)塊鏈理念的數(shù)字教育資源流通模式；李新等[9]基于區(qū)塊鏈技術構建了分布式教育資源的管理與應用平臺。

2 基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源共享模型的構建

2.1 區(qū)塊鏈的概念及特點

2008年11月，日本學者Nakamoto在Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System中提出了區(qū)塊鏈的概念與定義[10]：區(qū)塊鏈采用的是分布式數(shù)據(jù)存儲模式，由一定的加密關聯(lián)規(guī)則生成的一系列包含關于網(wǎng)絡交易的特定記錄的數(shù)據(jù)塊序列，以驗證信息的正確性及有效性并生成下一個數(shù)據(jù)區(qū)塊。總體而言，區(qū)塊鏈是基于Internet技術的分布式數(shù)據(jù)儲存及共識機制、加密算法等的創(chuàng)新應用[11]，具有去中心化、安全可靠及開放性等特點。其中，區(qū)塊鏈使用分布式的計算和存儲模式，沒有集中管理的硬件組織或機構，任何節(jié)點的權利和義務都是相同的，去中心化結構使得節(jié)點之間的交互和共享更加自主與簡化，如果同時進行大量交易，將節(jié)省大量時間并提高效率；在區(qū)塊鏈中，任一節(jié)點均具有發(fā)起基于信息計算結果進行表決的權利，當某一信息計算結果得到確認的比重超過50%，這一信息的計算結果將通過安全性驗證并被添加至區(qū)塊鏈結構中，因此，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)結構具有極高的穩(wěn)定性和可靠性；在區(qū)塊鏈拓撲網(wǎng)絡結構中，除了個別得到授權的節(jié)點不需要公布節(jié)點的私有數(shù)據(jù)信息外，系統(tǒng)內的其余節(jié)點都可以對系統(tǒng)內的其他節(jié)點用戶進行公開發(fā)布數(shù)據(jù)信息，因此，整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有開放性。

2.2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)字教育資源共享模型的構建

根據(jù)教育資源傳播速度及傳播形式的不同，教育資源共享分為有中心模式和無中心模式[6-8]，其中，有中心模式的教育資源管理以實行集中監(jiān)管為主要模式，具有管理程度較高的特點；無中心模式的資源管理以分散監(jiān)管為運行模式，主要利用點對點技術實現(xiàn)共享模式，具有管理方便的特點且具有較高的數(shù)據(jù)安全性。本文在充分考慮這兩種模式各自優(yōu)點的基礎上，構建具有集中監(jiān)管、無中心結構特點的數(shù)字教育資源共享框架網(wǎng)絡結構，如圖1所示[7]。其中，區(qū)塊鏈的節(jié)點是有順序的，并且節(jié)點序號是區(qū)塊的基本屬性信息之一。在數(shù)字教育資源共享框架網(wǎng)絡結構中，各節(jié)點的主體可以是學校教師、培訓機構或者學習者，各節(jié)點之間可以實現(xiàn)互相連接。同時，在數(shù)字教育資源共享框架模型中，以區(qū)塊鏈技術為底層構架，利用技術成熟度較高的加密算法、規(guī)則驗證、數(shù)字簽名等共識機制和教育智能合約制度實現(xiàn)教育資源的自動載入、下載與更新等具體操作。因此，本文基于區(qū)塊鏈原理構建可動態(tài)擴展、可管理、可控制、開放服務的區(qū)塊鏈數(shù)字教育資源共享模型[12]，見圖2所示。區(qū)塊鏈數(shù)字教育資源共享模型主要包括4層結構。①資源存儲層。首先需要將書籍、視頻、文件等教育資源形成數(shù)字化資源并封裝為區(qū)塊的形式，發(fā)送至本地資源（服務器）。②資源連接層。已封裝完成的區(qū)塊資源通過共識機制、加密算法等形成區(qū)塊互連組，并在網(wǎng)絡資源庫中進行同步與更新。③資源交易層。資源提供者將數(shù)字資源封裝在等待驗證的區(qū)塊中（區(qū)塊中所需的基本數(shù)據(jù)如表1所示），隨后，系統(tǒng)將各個區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中前一個區(qū)塊的主鏈上，同時將各個區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)信息備份至所有節(jié)點，即每個節(jié)點均記錄整個區(qū)塊鏈上的所有數(shù)據(jù)。區(qū)塊中包含版本號、時間戳、區(qū)塊地址值等基本數(shù)據(jù)信息，這些基本數(shù)據(jù)信息明確了數(shù)字教育資源的歸屬權，一旦發(fā)生侵權糾紛，每個節(jié)點都能夠擔當“證人”的角色。④資源共享層。本地資源庫和校外資源庫采用樹狀拓撲結構保存各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，以進一步提高數(shù)據(jù)信息的查詢速度。

由圖1和圖2可以看出，本文建立的數(shù)字教育資源共享模型是各節(jié)點按照對教育資源的需求自發(fā)組成的B2B網(wǎng)絡，學習者、學校教師、培訓機構等都可以通過加密算法、規(guī)則驗證、數(shù)字簽名等一系列安全驗證后成為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)中的一個具體節(jié)點。網(wǎng)絡節(jié)點是系統(tǒng)運行的核心基礎，主要負責生成區(qū)塊以及通過哈希算法連接形成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，具體的連接過程如圖3所示[8,13]?？梢园l(fā)現(xiàn)，區(qū)塊頭和區(qū)塊體構成了區(qū)塊的基本結構。其中，區(qū)塊頭主要包括梅克爾樹根值、時間戳、難度值等具體的基本數(shù)據(jù)信息，區(qū)塊體通常包含多條發(fā)生交易的記錄信息。在數(shù)字教育資源共享過程中，若其中某一條交易記錄信息被篡改或偽造，則系統(tǒng)可以利用預先設置的計算規(guī)則，通過相應的哈希值及梅克爾樹根值進行檢測與校對，從而查找出被篡改或偽造的信息，因此在實際運行過程中，很難偽造一個區(qū)塊的信息，同時這也保證了數(shù)據(jù)教育資源的安全性與可靠性。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源共享框架網(wǎng)絡結構

圖2 區(qū)塊鏈數(shù)字教育資源共享模型結構示意圖

表1 區(qū)塊中的基本數(shù)據(jù)

圖3 連接系統(tǒng)區(qū)塊結構示意圖

構建數(shù)字教育資源共享分析模型，需要對數(shù)字資源信息的相關數(shù)據(jù)進行采集，分析資源配置信息的基本因素，具體的計算步驟如下。

（1）采集共享資源信息。在數(shù)字教育資源共享系統(tǒng)內，提供共享信息的用戶眾多，為保證共享數(shù)字資源信息能夠進行合理的分配，首先需要根據(jù)不同的提供者對共享信息資源進行采集與分類[14]，定義信息提供者的信息資源共享過程如公式（1）所示。

其中，vA和vB表示提供者上傳信息的共享速度，aAB和aBA分別代表信息資源共享使不同信息提供者之間的抑制作用系數(shù)，bAB和bBA分別表示信息提供者之間產(chǎn)生的促進作用系數(shù)。由于數(shù)字資源信息的重疊方式不同，數(shù)字資源信息的重疊情況如圖4所示[14]，其中a和B分別表示提供者上傳至共享平臺的數(shù)字資源信息。由圖4可以看出，不同的提供者共享的信息資源會出現(xiàn)3種情況：①不同提供者提供的信息均不重疊，如圖4（1）所示；②不同提供者提供部分相同或者重疊的信息，如圖4（2）（3）（4）所示；③不同提供者提供相同或相似的信息，如圖4（5）所示。

圖4 共享信息資源重疊情況示意圖

依照圖4的表示情況，定義SAB為提供信息a和B的信息重疊度，因此，若SAB的取值為0，則可以直接定義配置因子；若SAB的取值不為0，則需要對采集的共享數(shù)字資源信息進行降重處理，將重復的數(shù)字資源信息剔除。

（2）共享信息資源的演化配置。當不同信息提供者上傳共享信息的信息重疊度為0時，則表示信息資源共享達到平衡，信息需求者對于信息資源接收程度趨于飽和[15]，則公式（2）所示的平衡條件成立。

因此，將信息資源共享的均衡條件轉換成變量表示形式，具體如公式（3）所示。

對均衡條件進行求解可以得出滿足均衡條件的坐標，當a與B的信息資源共享水平相當時，兩者均在一定范圍內即可實現(xiàn)信息資源共享，此時，a與B的信息資源共享流程如圖5所示。

（3）分析共享數(shù)字資源的配置因子。假設均衡態(tài)演化配置完成的共享數(shù)字資源信息的樣本數(shù)為m，且配置的因子指標為n，同時定義配置信息中第i個樣本的第j個配置因素為sij，其中i的取值范圍為［1，m］，j的取值范圍為［1，n］[16]，那么共享數(shù)字資源信息全部樣本值構成的初始矩陣可以表示為公式（4）。

在計算樣本初始矩陣之前需要對矩陣中的數(shù)據(jù)進行標準化處理，通過公式（5）計算得到第j列數(shù)據(jù)的平均值。

初始矩陣中的數(shù)據(jù)經(jīng)過均值化處理后得到新的矩陣，如公式（6）所示。

然后，按公式（7）對均值化的結果進行歸一化處理。

經(jīng)過一系列處理得到的構造矩陣可以表示為公式（8）所示。

將采集到的共享數(shù)字資源信息的相關數(shù)據(jù)代入矩陣，并對相關的矩陣、矩陣的特征值和特征向量進行計算，從而得出一個對應矩陣配置特征值的單位化特征向量，其中組成特征向量的特征多項式標記為λj[17]。最后，通過共享數(shù)字資源信息的配置因子的累計貢獻率可以進一步確定配置因子的個數(shù)，前k個因子的累計因子貢獻率可以用公式（9）表示。

圖5 信息資源共享均衡結構圖

當特征向量的特征根不小于1時，即可以確定配置因子的個數(shù)。

3 基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源共享模式分析

在教育信息化背景下，數(shù)字教育資源共享是推進教育信息化快速發(fā)展的基礎工程與關鍵環(huán)節(jié)，而區(qū)塊鏈的應用為實現(xiàn)數(shù)字教育資源共建、共享提供了發(fā)展方向和技術保障，因此，本文分別從數(shù)據(jù)記錄、資源交易、資源管理等具體方面，探討數(shù)字教育資源的共享模式（如圖6所示[7]），以期為數(shù)字教育資源的有效共享提供參考標準。

圖6 基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字化教育資源共享模式

3.1 基于數(shù)據(jù)記錄建立個人資源學習大數(shù)據(jù)

在基于區(qū)塊鏈技術的教育資源共享體系中，學習者學習過程中的所有記錄信息都將被保存，因此學習者個人、學校教師以及培訓機構都能夠實時記錄學習者的學習過程，從而在教育資源共享系統(tǒng)內能夠形成大量的個人學習數(shù)據(jù)信息。通過存儲的教育資源數(shù)據(jù)信息，學校教師可以了解學習者的興趣愛好、學習習慣，評估學習能力，有助于開展因材施教，施行精準教學。同時，對于培訓機構而言，培訓教師可以在獲得授權認證后，查詢受教育者的數(shù)據(jù)信息，從而快速評估培訓內容與受教育者的匹配度，個性化定制受教育者的培訓方案，施行以學生為中心的個性化教育教學。

3.2 基于資源交易實現(xiàn)教育資源交易智能化

在基于區(qū)塊鏈技術的教育資源交易體系中，各種數(shù)字教育資源交易過程由系統(tǒng)自動完成，并且交易記錄的數(shù)據(jù)信息無法被偽造，確保教育資源交易過程的安全性與智能化。在智能教育資源交易體系中，受教育者能夠根據(jù)自身興趣愛好、學習習慣等具體情況選擇適合自己的學習資源和服務資源。同時，系統(tǒng)也能夠根據(jù)受教育者的需求主動向用戶推薦與之相適應的數(shù)字教育資源的相關信息，當用戶確認需要系統(tǒng)推薦的數(shù)字教育資源時，系統(tǒng)即自動發(fā)起交易支付過程，待受教育者支付完成后即進入所購買數(shù)字教育資源的發(fā)送階段，進一步實現(xiàn)數(shù)字教育資源的交易智能化。

3.3 基于資源管理創(chuàng)建教育資源管理系統(tǒng)

隨著教育信息化進程的加快，數(shù)字教育資源數(shù)量也不斷增加，如何對教育資源進行有效監(jiān)管就顯得愈發(fā)重要。在區(qū)塊鏈視角下，基于資源管理層面的教育資源系統(tǒng)能夠科學評估和監(jiān)控資源質量，并對各類教育資源進行科學、有效的整合，進而實現(xiàn)對數(shù)字教育資源實時監(jiān)測，從而提高對教育資源有效監(jiān)管。同時，數(shù)字教育資源的評價是一個多層次、多指標的復雜系統(tǒng)，而區(qū)塊鏈技術作為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下用戶分析和服務設計的有力工具，在資源管理層面嵌入?yún)^(qū)塊鏈技術為數(shù)字教育資源的科學評價提供了新的研究思路和發(fā)展方向。

4 結論

區(qū)塊鏈的開發(fā)與應用為數(shù)字教育資源共享的實時性、可靠性和安全性提供了技術支持和發(fā)展空間，為全球教育行業(yè)提供了大量自由開放的數(shù)字教育資源，解決了傳統(tǒng)數(shù)字教育資源共享發(fā)展過程中存在的諸多難題。但是，就目前區(qū)塊鏈技術在數(shù)字教育資源共享領域的應用情況而言，仍面臨一些挑戰(zhàn)與機遇，如知識產(chǎn)權侵權問題，不能僅僅從技術層面上來保護資源的產(chǎn)權問題，還應從版權機構和原創(chuàng)角度出發(fā)，進一步完善區(qū)塊鏈技術在數(shù)字教育資源共享模型中保護知識產(chǎn)權的具體措施，并制定適當?shù)恼邅肀Ｗo資源的所有權，構建可靠、安全、可持續(xù)發(fā)展的數(shù)字教育資源共享發(fā)展模式。因此，基于區(qū)塊鏈技術的數(shù)字教育資源共享模式發(fā)展，仍需要政府部門、教育組織、社會力量等多方面的全力合作，切實加強知識產(chǎn)權保護問題，提高數(shù)字教育資源共享的范圍和質量，消除數(shù)字教育資源共享發(fā)展中的壁壘，擴大數(shù)字教育資源共享的受眾面，進一步為受教育者提供充足的個性化學習資源。