基于區(qū)塊鏈的學(xué)生信息系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與研究

張怡，馬亞蕾

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，陜西西安，710000）

1 研究背景

2014年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定》，要求“加快構(gòu)建現(xiàn)代職業(yè)教育體系”，“為學(xué)生接受不同層次高等職業(yè)教育提供多種機(jī)會(huì)完善職業(yè)教育人才多樣化成長(zhǎng)渠道，建立學(xué)分積累與轉(zhuǎn)換制度，推進(jìn)學(xué)習(xí)成果互認(rèn)銜接?！?019年4月30日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過(guò)了《高職擴(kuò)招專項(xiàng)工作實(shí)施方案》。高職擴(kuò)招百萬(wàn)實(shí)施兩年來(lái)，學(xué)生群體的身份年齡構(gòu)成情況差異較大，現(xiàn)有高職學(xué)生學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)內(nèi)容和方式面臨巨大挑戰(zhàn)，如何充分記錄學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)全過(guò)程數(shù)據(jù)并展現(xiàn)過(guò)往工作經(jīng)歷信息成為高職學(xué)生評(píng)價(jià)和用人單位的共同難題。

當(dāng)前高速發(fā)展的以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G及區(qū)塊鏈為代表的技術(shù)革命，為現(xiàn)有高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄和評(píng)價(jià)體系提供了技術(shù)可能。通過(guò)區(qū)塊鏈的公開(kāi)可溯源和不可篡改等技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程信息系統(tǒng)模型，構(gòu)建職教學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)歷及實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)工作表現(xiàn)的準(zhǔn)確真實(shí)記錄體系，為用人單位提供真實(shí)可信的查詢服務(wù)，成為未來(lái)區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)體系中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)研究人員做了大量研究。文獻(xiàn)[1]利用區(qū)塊鏈Hyperledger fabric架構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制；但該文獻(xiàn)未明確學(xué)生評(píng)價(jià)的詳細(xì)指標(biāo)，也未對(duì)智能合約詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]研究了基于區(qū)塊鏈的教育資源共享平臺(tái)在學(xué)分銀行建設(shè)中的應(yīng)用，旨在解決數(shù)字教育資源共享和終端用戶學(xué)分記錄的難題；但該文獻(xiàn)未對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程記錄的區(qū)塊鏈詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行介紹。文獻(xiàn)[3]提出基于區(qū)塊鏈的職業(yè)教育信用模型，以虛擬貨幣構(gòu)建職業(yè)教育鏈的各節(jié)點(diǎn)的信用評(píng)價(jià)；但該文獻(xiàn)缺少對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和過(guò)程的存儲(chǔ)記錄研究。

綜上所述，本文依托IBM Hyperledger fabric開(kāi)源區(qū)塊鏈框架，進(jìn)行高職院校學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程記錄信息系統(tǒng)模型的研究。主要貢獻(xiàn)有：

(1)構(gòu)建一組高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)；

(2)提出一種適用于高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程記錄的信息系統(tǒng)模型，研究其區(qū)塊鏈運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)學(xué)生、學(xué)校、企業(yè)等盟員學(xué)習(xí)過(guò)程的記錄存儲(chǔ)與可信查詢。

2 采集指標(biāo)

高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)模式中，使用聯(lián)盟鏈進(jìn)行成績(jī)記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享，建立成績(jī)管理鏈和過(guò)程評(píng)估鏈。其中成績(jī)管理鏈用于存儲(chǔ)學(xué)習(xí)結(jié)果類型記錄，包括學(xué)歷證書、成績(jī)單、論文、專利、技能等級(jí)證書、職業(yè)資格證書等；過(guò)程評(píng)估鏈用于存儲(chǔ)學(xué)習(xí)過(guò)程類型記錄，包括課內(nèi)學(xué)習(xí)過(guò)程記錄、校內(nèi)外實(shí)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)、社會(huì)服務(wù)過(guò)程評(píng)價(jià)等。從而建立校企社會(huì)機(jī)構(gòu)間盟友關(guān)系，達(dá)到各領(lǐng)域?qū)W習(xí)記錄統(tǒng)籌共享的局面。

表1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)采集指標(biāo)

3 模型構(gòu)建

3.1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)模型整體架構(gòu)如圖1所示，自下而上依次是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)層建設(shè)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程采集數(shù)據(jù)的雙鏈，智能合約層封裝系統(tǒng)的各類腳本代碼、算法等，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)塊中的學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)的智能封裝，保證過(guò)程數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確，杜絕了對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)的篡改和刪除現(xiàn)象。

圖1 高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程信息系統(tǒng)模型

3.2 運(yùn)行流程

3.2.1 學(xué)習(xí)過(guò)程記錄信息系統(tǒng)模型區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)過(guò)程信息記錄系統(tǒng)的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)采用雙鏈結(jié)構(gòu)，即成績(jī)管理鏈、過(guò)程評(píng)估鏈，結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紤]到過(guò)程評(píng)價(jià)模型的采集指標(biāo)來(lái)源于學(xué)校、企業(yè)、社會(huì)機(jī)構(gòu)三個(gè)領(lǐng)域，具有跨地域、數(shù)量規(guī)模巨大的特點(diǎn)，區(qū)塊鏈的盟員可以是高職院校、校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地、校外合作企業(yè)、社會(huì)行政部門、社會(huì)公益機(jī)構(gòu)等。

圖2 高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程信息系統(tǒng)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

構(gòu)建不同盟員間的智能合約，需利用合約實(shí)現(xiàn)學(xué)生、學(xué)校、企業(yè)、社會(huì)之間相互交互，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)的上傳、認(rèn)證、流轉(zhuǎn)、共享等工作的自動(dòng)化執(zhí)行，打破資源間壁壘，加速資源共享速度。同時(shí)，因區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的可信度，降低了數(shù)據(jù)被篡改、刪除的風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目使用Hyperledger平臺(tái)，其智能合約功能通過(guò)chaincode鏈碼實(shí)現(xiàn)。每個(gè)chaincode程序都必須實(shí)現(xiàn)chiancode接口，接口中的方法會(huì)在響應(yīng)傳來(lái)交易時(shí)被調(diào)用。鏈碼涉及的方法包括初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢方法等。

具體實(shí)現(xiàn)中，鏈碼可分為系統(tǒng)鏈碼和用戶鏈碼。系統(tǒng)鏈碼負(fù)責(zé)Fabric節(jié)點(diǎn)自身的處理邏輯，包括系統(tǒng)配置、背書、校驗(yàn)等工作，系統(tǒng)鏈碼僅支持Go語(yǔ)言，在Peer節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)完成注冊(cè)和部署。系統(tǒng)鏈碼共有五種類型：配置系統(tǒng)鏈碼(CSCC)、背書管理系統(tǒng)鏈碼(ESCC)、生命周期系統(tǒng)鏈碼(LSCC)、查詢系統(tǒng)鏈碼(QSCC)和驗(yàn)證系統(tǒng)鏈碼(VSCC)。用戶鏈碼通過(guò)使用go語(yǔ)言編寫，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程信息采集、存儲(chǔ)上鏈和信息查詢等功能。用戶鏈碼運(yùn)行在容器中，通過(guò)Fabric提供的接口與賬本平臺(tái)進(jìn)行交互。學(xué)習(xí)過(guò)程記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，并以鍵值對(duì)(k,v)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 鏈碼功能模塊

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.2 學(xué)習(xí)過(guò)程記錄信息系統(tǒng)模型交易運(yùn)行機(jī)制

HyperLedger Fabric通過(guò)把工作節(jié)點(diǎn)分解為執(zhí)行交易（背書和提交）節(jié)點(diǎn)和交易排序節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能、安全性和可擴(kuò)展性。本項(xiàng)目區(qū)塊鏈交易運(yùn)行流程包括數(shù)據(jù)采集、背書、排序和上鏈4個(gè)步驟。該流程假設(shè)前期通道已建立并正常運(yùn)行。盟員已注冊(cè)并使用組織認(rèn)證授權(quán)（CA）登記，同時(shí)獲得必要的加密材料來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證。

(1)數(shù)據(jù)采集：當(dāng)學(xué)校、企業(yè)、社會(huì)機(jī)構(gòu)等盟員產(chǎn)生新的學(xué)生成績(jī)記錄或過(guò)程評(píng)估記錄時(shí)，盟員客戶端執(zhí)行本地應(yīng)用程序，應(yīng)用利用有效的SDK API來(lái)生成交易記錄sc。交易記錄完成數(shù)據(jù)到賬本的讀取和/或?qū)懭?。此時(shí)SDK還需要使用用戶的加密證書來(lái)創(chuàng)建交易提案的唯一簽名。

(2)背書：背書節(jié)點(diǎn)收到盟員提交記錄sc后執(zhí)行鏈碼，使用MSP驗(yàn)證簽名并確定盟員（校企機(jī)構(gòu)）發(fā)送的請(qǐng)求是否被合理授權(quán)。背書節(jié)點(diǎn)以交易記錄為輸入，計(jì)算輸出讀操作集rs和寫操作集ws，并將其寫入對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)過(guò)程記錄sc。同時(shí)建立記錄數(shù)數(shù)量閾值，將到達(dá)的若干個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程記錄sci寫入集合SC={sc1,sc2,…,scn}。當(dāng)達(dá)到數(shù)量閾值后，將集合SC發(fā)送給客戶端，客戶端把交易記錄提交到排序節(jié)點(diǎn)Orderer。

(3)排序：排序節(jié)點(diǎn)Orderer對(duì)集合SC按學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)生成時(shí)間進(jìn)行排序，執(zhí)行共識(shí)過(guò)程后數(shù)據(jù)封裝到區(qū)塊b，并批量發(fā)給對(duì)等的Peer節(jié)點(diǎn)。

(4)上鏈：各Peer節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊b后，使用sc的讀集rs進(jìn)行交易驗(yàn)證，以確保區(qū)塊b內(nèi)容未經(jīng)篡改，同時(shí)生成學(xué)習(xí)記錄日志logi寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并將其索引i寫入?yún)^(qū)塊b；將寫集ws中的鍵值對(duì)寫入本地狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，保證所有鍵的最新值被存儲(chǔ)在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并更新本地區(qū)塊鏈?zhǔn)澜鐮顟B(tài)完成本次上鏈。

4 結(jié)論

綜上，通過(guò)本項(xiàng)目模型的研究，可以極大程度解決原有成績(jī)記錄系統(tǒng)信息化程度不高、記錄主體權(quán)責(zé)不明、客觀公正不足、安全可靠性不高的問(wèn)題。一方面，原有分散的教育者學(xué)習(xí)成果可從區(qū)塊鏈平臺(tái)被發(fā)現(xiàn)，為求職者提供真實(shí)可靠地學(xué)習(xí)成果自證材料；另一方面，為企業(yè)準(zhǔn)確提供聘用者的學(xué)習(xí)履歷、行業(yè)實(shí)踐、社會(huì)服務(wù)信息，降低企業(yè)尋找所需人才的招聘成本。未來(lái)，基于區(qū)塊鏈的高職學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程信息系統(tǒng)模型仍需進(jìn)一步研究與發(fā)展，促使更多的學(xué)校、企業(yè)、社會(huì)機(jī)構(gòu)等盟員的加入，增加平臺(tái)的影響力和使用者，對(duì)接更多的教育評(píng)估機(jī)構(gòu)，打通教育各環(huán)節(jié)壁壘，探索建立學(xué)習(xí)型社會(huì)的新方式。