區(qū)塊鏈技術在高校教學管理中的應用

李康樂 張玉芬 張瑞雪

（哈爾濱金融學院 黑龍江省哈爾濱市 150030）

2008年，區(qū)塊鏈技術作為數(shù)字貨幣的底層支撐協(xié)議首次出現(xiàn)于“中本聰”的論文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[1]中，隨著比特幣創(chuàng)世區(qū)塊的誕生，區(qū)塊鏈技術從理論走向應用[2]。

1 概念

近年來區(qū)塊鏈（Blockchain）的應用場景逐漸被擴充到金融領域之外的諸多行業(yè)，但由于技術不夠完善及相應變體較多，目前并沒有一個確切的定義[3]。

“中本聰”在論文中把區(qū)塊鏈技術描述成一種去中心化、可信任、不可篡改、安全可靠的分布式存儲系統(tǒng)；Swan[4]在《Blockchain:blueprint for a new economy》中將區(qū)塊鏈定義為去中心、公開透明的分布式數(shù)據(jù)庫；袁勇等[5]認為區(qū)塊鏈是數(shù)字加密貨幣體系的核心支撐技術，是以時序將區(qū)塊以鏈條的方式連接，并采用加密技術保證數(shù)據(jù)無法修改的一種去中心化的記賬方式；姚國章等[6]認為區(qū)塊鏈是指通過去中心化和去信任的方式，由所有節(jié)點共同維護的一個特定數(shù)據(jù)庫的集成方案；黃奇帆[7]指出區(qū)塊鏈實質上就是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫。

以上關于區(qū)塊鏈的論述，無論是中本聰?shù)淖畛醵x，還是國內學者的闡述，區(qū)塊鏈本質上都是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，它的安全性由純數(shù)學算法的安全性來保障，具有可信、時序、可靠的特點。

2 區(qū)塊鏈在教育領域的研究現(xiàn)狀

隨著區(qū)塊鏈技術研究與應用的增多，2013年開始出現(xiàn)區(qū)塊鏈技術與教育行業(yè)的融合。

2.1 “區(qū)塊鏈+教育”研究現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈與教育領域的結合已逐步成為區(qū)塊鏈技術的重要研究方向之一?！吨袊逃F(xiàn)代化2035》提出要建立數(shù)字教育資源共建共享機制，完善利益分配機制、知識產權保護制度和新型教育服務監(jiān)管制度[8]；文獻[9]提出了區(qū)塊鏈在教育領域的幾種應用模式，包括教育資源共享、個體學信數(shù)據(jù)、畢業(yè)證書管理、自組織學習等；文獻[10]認為，可以利用區(qū)塊鏈的可信性和安全性，記錄學生的在校信息；文獻[11]認為“區(qū)塊鏈+教育”可以重塑高等教育，推進資源共享和強化教學管理；文獻[12]設計了基于區(qū)塊鏈技術的教育公共服務平臺，能夠實現(xiàn)互信下的資源共享與版權保護。

另外，文獻[13-15]認為區(qū)塊鏈可以在高教評估、產教融合及科研經費管理等方面發(fā)揮積極作用。

2.2 區(qū)塊鏈在高校教學管理中的研究現(xiàn)狀

基于區(qū)塊鏈的教學管理最具代表性的是伍爾夫大學（Woolf University）。2018年成立的伍爾夫大學是世界上第一所基于區(qū)塊鏈技術進行學校教學管理的大學，學生、教師和教育機構之間的關系由智能合約自動管理[16]。

文獻[17]針對區(qū)塊鏈技術與高校教學管理融合的可行性進行了分析，認為高校應當融合區(qū)塊鏈技術，設計更為完善的綜合性教學管理系統(tǒng)，將學生的學籍、成績、獲獎、證書等基本信息經過時間戳標注，存儲在區(qū)塊鏈中；文獻[18]討論了區(qū)塊鏈技術在高校教學管理中成績管理、學位學歷認證和學習檔案3 個細分場景的應用；文獻[19]認為基于區(qū)塊鏈的技術優(yōu)勢，可以將之應用于高校教學管理中，并具體分析了在學生成績管理、學習檔案管理及畢業(yè)證書認證等方面的優(yōu)勢；文獻[20]提出在高校教學管理中部署教學管理區(qū)塊鏈系統(tǒng)，建議全面錄入學生信息，包括學生的各類考評信息，以及在校期間的表現(xiàn)、社交、特長等個人信息，并運用智能合約功能，自動完成學生期末綜合評價考核；針對成績管理，文獻[21]指出目前國內高校成績管理系統(tǒng)大多采用B/S 架構，屬于中心化的系統(tǒng)結構，存在單點故障、中心節(jié)點不誠實等問題，利用區(qū)塊鏈技術的特性能夠實現(xiàn)成績系統(tǒng)的準確性與可信性。

學籍是高校教學管理系統(tǒng)的重要組成部分，也是用人單位確認畢業(yè)生學歷和學習經歷的檔案材料，當前學生的學籍認證可以在“學信網(wǎng)”的學籍管理系統(tǒng)上實現(xiàn)。但是文獻[22]指出，區(qū)塊鏈技術能夠改變“學信網(wǎng)”過于中心化的安全隱患，能夠有效保障學籍信息的真實性，因此，基于Fabric 框架開發(fā)了基于區(qū)塊鏈技術的高校學籍管理系統(tǒng)原型；文獻[23]基于區(qū)塊鏈技術設計了高校學籍管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Hyperledger fabric 框架搭建底層區(qū)塊鏈運行環(huán)境，以智能和約實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢與更新操作。

文獻[24]認為區(qū)塊鏈和教育教學相融合，可以對教育資源建設、教學過程評價等發(fā)揮積極作用，可以實現(xiàn)“以學為中心”的教育理念；文獻[25]認為區(qū)塊鏈技術特性使得其在學習成績記錄與追溯方面具有很好的應用價值，從而在教學管理的評價體系上具備很好的科學性與實踐性；文獻[26]認為區(qū)塊鏈技術可以和高校教學過程相結合，建設參與度高、資源廣泛的教學課程系統(tǒng)；文獻[27]指出基于區(qū)塊鏈技術構建的教育教學資源平臺，有利于實現(xiàn)教學資源的自增長，使教師能夠主動分享課件、視頻、大綱等教學材料；文獻[28]認為結合區(qū)塊鏈技術、云文件技術，提升上傳文件質量，可以有效解決區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲空間的問題。

高校教學管理督導檔案包括周教學檢查、教學計劃和開課教案、學期教學檔案檢查、聽評課、教學異常處理、教學反饋、評教等材料。文獻[29]建議在高校教學督導檔案管理中嵌入?yún)^(qū)塊鏈技術，利用區(qū)塊信息不能被篡改的特性保障教學督導檔案真實性的需求。

2.3 “區(qū)塊鏈+教育”應用場景

從現(xiàn)有研究文獻分析，國內外均已有“區(qū)塊鏈+教育”項目正式運行。

尼科西亞大學于2014年頒發(fā)了數(shù)字貨幣碩士學位證書；麻省理工學院運用區(qū)塊鏈技術開發(fā)了證書平臺；索尼公司建設了基于區(qū)塊鏈的學習和認證平臺；霍伯頓軟件工程學院使用區(qū)塊鏈記錄畢業(yè)證書；巴塞羅那大學教育區(qū)塊鏈平臺記錄了學生學習過程。

國內一些基于區(qū)塊鏈的教育應用場景也已應用。國內首個校園區(qū)塊鏈項目在中央財經大學成功運行；北京航空航天大學與北京大學聯(lián)合實現(xiàn)了北航鏈；清華大學聯(lián)合全國多所高校共建了青藤鏈。

綜上，區(qū)塊鏈技術由于其結構去中心化，數(shù)據(jù)具有可信、無法篡改、時序等特點，在高校教學管理中具有較強的現(xiàn)實應用意義，尤其是在頒發(fā)可信的學歷證書方面，不僅有眾多的理論研究，類似的應用項目也在國內外實際場景中得以運行。在高校教學管理中融合區(qū)塊鏈技術的研究，目前包含了成績管理、學業(yè)證書、學籍檔案、教學資源以及針對教學管理的督導檢查等方面，這些研究文獻對區(qū)塊鏈技術與教學管理的結合進行了探究，指出了這種結合具有的前景和實踐意義，但是在數(shù)據(jù)交易形式、網(wǎng)絡結構、共識機制、激勵機制以及數(shù)據(jù)存儲等細節(jié)方面較少涉及，而這些研究又恰恰是建設一個完整的系統(tǒng)所不可或缺的內容。因此，本文試圖在這些微觀方面進行探究。

3 基于區(qū)塊鏈實現(xiàn)可信的高校教學管理系統(tǒng)

區(qū)塊鏈技術與高校教學管理系統(tǒng)相融合，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可信的教學管理平臺，將在證書頒發(fā)、成績查詢等方面具有權威性。

3.1 系統(tǒng)架構

高校教學管理系統(tǒng)屬于高校內網(wǎng)運行的軟件平臺，數(shù)據(jù)的上鏈、存儲主要由位于校園內網(wǎng)的節(jié)點完成。同時，結合畢業(yè)生及用人單位對證書、成績等信息的查詢需求，在設計系統(tǒng)架構時需要考慮到外網(wǎng)或者公網(wǎng)設備的訪問請求。

3.1.1 網(wǎng)絡架構

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是基于現(xiàn)有校園網(wǎng)、通過軟件以P2P 協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N虛擬的網(wǎng)絡架構，屬于內網(wǎng)教育鏈。高校內部運行的軟件系統(tǒng)，選用校園內教學管理部門、教學院系、教師及學生的計算機或移動設備作為區(qū)塊鏈節(jié)點運行，組成內部的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。教學管理部門、教學院系的計算機作為區(qū)塊鏈的全節(jié)點（Full Node，F(xiàn)N）存儲全部區(qū)塊數(shù)據(jù)，教師及學生的計算機或移動終端可以是全節(jié)點也可以作為輕量級節(jié)點（Light Node, LN），輕量級節(jié)點僅存儲數(shù)據(jù)的哈希值。

內網(wǎng)教育鏈的結構比較簡單，教育鏈全部由內網(wǎng)節(jié)點構成。鏈上數(shù)據(jù)除了可由內網(wǎng)節(jié)點訪問外，從應用的角度，還應考慮存在外網(wǎng)節(jié)點訪問的需求，比如基于證書管理的應用，學生畢業(yè)后，畢業(yè)證書上鏈，學生或用人單位需要時，可以直接通過公網(wǎng)查詢，這就涉及到外網(wǎng)節(jié)點的訪問功能。網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1：可信高校教學管理鏈網(wǎng)絡結構

在圖1 的網(wǎng)絡結構中，內部網(wǎng)絡由FN 和LN 兩種節(jié)點組成。FN 由教學管理部門以及教學院系的管理人員的計算機設備承擔，也可以包括部分愿意擔當FN 的教師設備，F(xiàn)N 設備的特點是24 小時在線、存儲空間大；LN 是教師設備和學生設備，只在需要時上線，僅存儲數(shù)據(jù)的哈希值，存儲空間不需要很大。為了實現(xiàn)公網(wǎng)節(jié)點在需要時訪問教學管理區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)需求，需要在內網(wǎng)選擇1-2個FN 作為邊界節(jié)點，通過IP 地址映射實現(xiàn)公網(wǎng)到內網(wǎng)的訪問。這種方法是把校園網(wǎng)內部節(jié)點的私有IP 地址在防火墻上映射成公網(wǎng)IP 地址，公網(wǎng)設備訪問的是經過映射后的公網(wǎng)IP。

3.1.2 體系架構

可信教學管理系統(tǒng)是基于區(qū)塊鏈技術的應用，其底層架構是區(qū)塊鏈技術，如圖2所示。

圖2：可信教學管理系統(tǒng)體系結構

圖2 的體系結構由提供技術支撐的底層區(qū)塊鏈技術、實現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈存儲的觸發(fā)機制、教學管理中的應用場景及完成應用數(shù)據(jù)互聯(lián)的接口層4 部分組成。

（1）應用層。應用層包括了高校教學管理的8 個基本功能，分別是：成績管理、證書頒發(fā)與查詢、學籍檔案管理、共享教學資源、學生在校期間的獎懲信息、教學過程評價、課程管理以及教師的教學成果管理。

成績管理：記錄學生上學期間的考試成績。當學生需要查詢成績單時，可以通過移動終端直接查詢。

證書管理：記載學生在上學期間獲得的畢業(yè)證書、學位證書以及各種培訓證書。當用人單位需要驗證證書時，基于區(qū)塊鏈的平臺可以提供有公信力的證書查詢。

教學資源：教師教學過程中形成的優(yōu)質教學資源，包括MOOC、教學課件、教學案例、學習資料等。

龍血樹(Dracaena cambodian)屬于百合科龍血樹屬，樹葉為線狀披針形，簇生于枝條頂端，樹形極具特點，可塑性強，可以根據(jù)人的意愿塑造出不同形狀，樹干古樸滄桑，同時還能在頂部萌發(fā)新枝，給人一種沉穩(wěn)而不失朝氣的感覺，且十分耐陰，可在室內盆栽多年仍然綠意盎然，是園林綠化及家庭盆栽的名貴樹種，具有很好的觀賞價值。同時藥用價值極高，具有止血、生肌、行氣等功效。

學籍檔案：記錄學生的學籍信息。

教學評價：針對教學過程中的評價情況，包括教師對學生的評價、學生對教師的評價以及督導的教學評價上鏈存儲。

獎懲信息：學生在上學期間的任何獎懲信息均存儲在教學管理鏈上，任何時刻均可提供具有公信力的學生誠信查詢。

課程管理：記錄學生課表及授課教師。

教學成果：教師的教學成果均可上傳至教學管理鏈，基于時間戳的記錄可有效保護成果版權。

（2）接口層。接口層是不同應用間數(shù)據(jù)交互的訪問點，可以提供查詢、數(shù)據(jù)采集等功能。

（3）合約層。智能合約是可按照約定條件自動運行的軟件，通過在程序中提前設置運行條件，觸發(fā)約定操作。合約層通過智能合約的自執(zhí)行能力觸發(fā)數(shù)據(jù)上鏈或數(shù)據(jù)交易行為。

（4）區(qū)塊鏈技術層區(qū)塊鏈技術層包括P2P 網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)傳播機制、數(shù)據(jù)的處理和存儲子層、節(jié)點間達成共識選舉記賬節(jié)點的共識機制以及激勵節(jié)點積極參與的激勵機制。

3.2 共識機制

共識機制是區(qū)塊鏈的核心創(chuàng)意之一。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，共識機制解決了分布式節(jié)點間的一致性問題。所謂共識，是指在分布式組網(wǎng)結構中，彼此互不信任的多方節(jié)點通過信息交互，達成一致的過程[30]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的共識就是多數(shù)節(jié)點認可某節(jié)點的記賬權利，實質就是通過共識機制選舉記錄節(jié)點的過程。

1999年，Castro 等人提出了實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT）[31]共識算法，該算法將拜占庭容錯（Byzantine Fault Tolerance, BFT）的計算復雜度由指數(shù)級降到了多項式級，使其能夠應用在實際系統(tǒng)中，當系統(tǒng)故障節(jié)點數(shù)小于節(jié)點總數(shù)的1/3，PBFT 都可以正常運行[32][33]。區(qū)塊鏈的內部組網(wǎng)形式或聯(lián)盟形式多采用技術成熟的PBFT共識機制或其相應的變種實現(xiàn)共識。

3.2.2 PBFT共識過程

PBFT共識過程包括五個階段，分別是請求（request）、預準備（pre-prepare）、準備（prepare）、提交（commit）、回復（reply），如圖3所示。在系統(tǒng)中，預設教學管理部門節(jié)點、院系節(jié)點及成為FN 的教師節(jié)點可以參與成為主節(jié)點的選舉。

圖3：PBFT共識過程

PBFT共識機制的特點是收斂速度快，能夠較短時間內達成共識。但其需要在一個封閉的節(jié)點集合中兩兩節(jié)點進行通信，比較適用于聯(lián)盟鏈或私有鏈，是在聯(lián)盟鏈或內部鏈中使用最多的共識機制。

3.3 區(qū)塊結構

可信教學管理鏈的區(qū)塊包含區(qū)塊頭（Block Header）和區(qū)塊體（Block Body）兩部分。區(qū)塊體由一定時限內每個節(jié)點上鏈的數(shù)據(jù)以交易的形式組成。區(qū)塊頭由所有交易的Merkel 根、父區(qū)塊哈希（每一區(qū)塊只有一個父區(qū)塊）、本區(qū)塊哈希、時間戳、賬戶信息以及版本號等基本信息構成，如圖4所示。

圖4：區(qū)塊的基本結構

3.4 數(shù)據(jù)模型

可信教學管理鏈的數(shù)據(jù)模型采用賬戶形式實現(xiàn)。賬戶類型包括：班級賬戶、學生賬戶及教師賬戶。其中，教學管理部門及院系均采用教師賬戶形式。

采用賬戶形式存儲數(shù)據(jù)的原因是賬戶的形式與教學管理的數(shù)據(jù)分類有較強的匹配性。在高校教學管理中，課程、學生的組織形式是以班級為單位體現(xiàn)的，所以設置班級賬戶，而無論教師還是學生在學習或教學過程中，數(shù)據(jù)的記載是以個體形式存在的，所以分別設置了學生及教師賬戶。

班級賬戶存儲屆別、專業(yè)、班級、課表等信息；學生賬戶存儲學生在上學期間與個人相關的一切信息；教師賬戶除包含教師的個人信息外，還包括教師課表、教學資源、評教信息以及教學成果等。

3.5 數(shù)據(jù)存儲

3.5.1 可信教學管理涉及數(shù)據(jù)

高校教學管理所涉及數(shù)據(jù)類別較多，基本涵蓋了教師與學生兩大教學主體的大部分信息。本文設計的可信教學管理系統(tǒng)，僅選擇以下信息存儲于教學管理區(qū)塊鏈系統(tǒng)：學生的學籍信息、課程信息、成績信息、證書信息、獎懲信息、評教信息、教師的教學計劃及教學資源。

3.5.2 存儲原則

出于存儲空間的考慮，本系統(tǒng)并不把所涉數(shù)據(jù)全部上鏈存儲。數(shù)據(jù)上鏈存儲的原則是只存儲相對簡單的數(shù)據(jù)，如證書、成績、獎懲、個人基本信息等等，像教學資源等需要占用較大存儲空間的數(shù)據(jù)只計算數(shù)據(jù)的哈希（Hash）值上鏈存儲，具體數(shù)據(jù)在鏈下存儲。

出于盡量減少數(shù)據(jù)修改的原則，對可能會存在修改的數(shù)據(jù)，比如學生成績（存在誤判、核分錯誤等情況），將暫存在鏈下數(shù)據(jù)庫，延遲一段時間以滿足數(shù)據(jù)修改的需要，再將信息上鏈存儲。

3.5.3 數(shù)據(jù)操作類型

可信教學管理鏈對數(shù)據(jù)的操作可以分成讀操作和寫操作兩類（數(shù)據(jù)的修改和刪除都可以歸納為寫操作）。讀操作不建立區(qū)塊數(shù)據(jù)，主要用于對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢，如學生查詢證書或成績信息；寫操作要建立區(qū)塊交易信息，主要是對數(shù)據(jù)的寫入，如數(shù)據(jù)上鏈存儲。

對于確實需要修改的區(qū)塊數(shù)據(jù)，在鏈下數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行修改操作，加時間戳及修改標記，同時將該修改操作以一筆寫操作的形式上鏈交易。查詢數(shù)據(jù)時，先在鏈下數(shù)據(jù)庫查詢，如果數(shù)據(jù)有修改標記，上鏈查找該數(shù)據(jù)的Hash 值，查詢時要包括修改數(shù)據(jù)的最新時間戳，同時驗證時間戳和數(shù)據(jù)的Hash 相符才確定數(shù)據(jù)正確。刪除操作，先針對鏈下數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)刪除，同時上鏈此刪除操作，方式是作為寫操作建立一筆新交易，即將該數(shù)據(jù)交易記錄為刪除標記。當用戶查詢該條已被刪除的記錄時，首先會發(fā)現(xiàn)鏈下沒有數(shù)據(jù)，接著查詢鏈上，如果有刪除標記，則意味著該數(shù)據(jù)已被刪除。

由于數(shù)據(jù)的修改和刪除操作是對鏈下的數(shù)據(jù)庫進行，因此，數(shù)據(jù)查詢時，先查詢鏈下數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的狀態(tài)，然后查詢鏈上區(qū)塊的情況，通過比對驗證數(shù)據(jù)的修改和刪除以確保數(shù)據(jù)沒有被篡改。

4 結語

區(qū)塊鏈技術從2009年的比特幣開始運行至今，證明其具有極高的安全性、穩(wěn)定性，是可信、可用的。然而，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，區(qū)塊鏈的不足也十分明顯，一是系統(tǒng)并發(fā)效率較低；二是隨著應用的推移，F(xiàn)N 所需存儲空間呈現(xiàn)快速增長；三是區(qū)塊鏈的匿名性，將給監(jiān)管帶來極大挑戰(zhàn)。

本文針對現(xiàn)有研究較少涉及的問題，設計了基于區(qū)塊鏈技術的高校教學管理系統(tǒng)，在理論上拓寬了區(qū)塊鏈在教育領域的應用場景，為區(qū)塊鏈在教育領域的實際應用提供了新思路。