融合區(qū)塊鏈技術(shù)的線上精準教學(xué)模式探索

劉樹錕，潘顯民，蔡佐威，蔣翀，宋艷

（湖南女子學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410004）

隨著云計算、區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高校線上數(shù)字教學(xué)資源建設(shè)工作總體而言取得了一定的成效。從數(shù)量上講有充足的數(shù)字化教學(xué)資源可供學(xué)習(xí)者（用戶）學(xué)習(xí)，但是從質(zhì)量上來看，學(xué)習(xí)者的可用資源選擇性并不大。由于數(shù)據(jù)資源具有可復(fù)制性，在用戶訪問資源的同時數(shù)字資源的可信性、完整性、數(shù)據(jù)隱私等問題都難以保障，成為合理共享數(shù)據(jù)以及資源建設(shè)者對資源能否及時更新面臨的關(guān)鍵問題[1]。本文通過對區(qū)塊鏈技術(shù)以及線上教學(xué)資源構(gòu)建特征的研究，不斷探索其在線上教學(xué)資源動態(tài)構(gòu)建、實時更新優(yōu)化與資源安全訪問中的應(yīng)用。主要針對高校線上教學(xué)資源構(gòu)建者處于激勵不足而不能及時優(yōu)化更新資源的問題，提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的線上教學(xué)資源鏈結(jié)構(gòu)?；谠摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計出一種區(qū)塊鏈激勵教學(xué)模式。通過區(qū)塊鏈技術(shù)可以驗證即將上鏈的節(jié)點資源的合法性。針對特有教學(xué)資源的訪問、有效維護與實時數(shù)據(jù)更新問題展開研究[2]。有效地促進與激勵結(jié)點資源數(shù)據(jù)的更新、維護與教學(xué)資源數(shù)據(jù)共享等問題的解決。

1 高校教學(xué)資源構(gòu)建與面臨的問題

1.1 資源安全訪問問題

數(shù)據(jù)存儲與訪問的過程中，目前資源存儲基本上都是基于某個數(shù)據(jù)中心進行存儲，大概率無法完全保證存儲區(qū)域的安全。所以，在分享資源過程中有可能受到網(wǎng)絡(luò)攻擊而導(dǎo)致服務(wù)器被破壞或數(shù)據(jù)丟失[2-4]。此外，在資源保護方面，部署于網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)資源，很難對版權(quán)形成有效的保護機制。這就會導(dǎo)致資源構(gòu)建者擔心教學(xué)資源的安全問題，從而延緩了教學(xué)資源的有效利用與持續(xù)更新。

1.2 教學(xué)資源歸屬主體不統(tǒng)一

從目前看，高校的數(shù)字化教學(xué)資源主要由行政機構(gòu)和教師進行建設(shè)和管理。很容易導(dǎo)致資源歸屬權(quán)不統(tǒng)一。例如資源建設(shè)者（教師）要行使主體管理、行政機構(gòu)也要行使主體管理，導(dǎo)致資源的管理混亂。這有可能使得學(xué)習(xí)者進行資源訪問時無法有效快捷地得到有效的學(xué)習(xí)入口[5]。

1.3 教學(xué)資源的持續(xù)更新性差

近年來全國高校涌現(xiàn)出了線上教學(xué)課程建設(shè)的熱潮，開展了大量的線上課程建設(shè)項目，但是這些項目的建設(shè)目的往往都是為了完成某項特定的任務(wù)[6-7]。其根本目的不是為了建立良性的資源存儲與更新環(huán)境，不具有良好的可持續(xù)性。教學(xué)資源普遍存在重數(shù)量輕質(zhì)量等問題[8]。此外，由于缺少對資源進行更新的激勵機制，不能根據(jù)信息的發(fā)展對已有的資源及時更新，導(dǎo)致真正適合教師和學(xué)生使用的優(yōu)質(zhì)資源缺乏，教學(xué)資源持續(xù)更新性較差。

2 教學(xué)資源區(qū)塊鏈節(jié)點構(gòu)建與管理

線上教學(xué)資源的構(gòu)建、更新、共享都需要資源提供構(gòu)建者（例如，高校教師）、資源管理機構(gòu)等眾多參與主體參與、協(xié)調(diào)與支撐。結(jié)合參與主體需求的不同特點，本文闡述了教學(xué)資源區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)，提出基于區(qū)塊鏈的線上教學(xué)資源構(gòu)建與動態(tài)更新架構(gòu)。該架構(gòu)依據(jù)參與主體知識類型的不同以及同類型主體在教學(xué)資源構(gòu)建過程中的行為特征[2]，構(gòu)建基于高校師生的線上教學(xué)資源數(shù)據(jù)鏈。

2.1 問題描述

從整體考慮，高校線上教學(xué)資源的構(gòu)建、更新與共享涉及多個院校之間的分工與合作，是一項跨部門、跨院校的系統(tǒng)化工程[2]。在平臺的建設(shè)運營過程中，會受到具體信息的獲取方法、人員、資源更新流程等多方因素的影響[9-10]。從個體學(xué)校的局部性考慮，即使暫時不涉及線上教學(xué)資源在高校之間共享，僅僅在某一所高校內(nèi)為保證平臺的長效運行，如果缺少有效的認證機制來有效協(xié)調(diào)各方面的關(guān)系、處理復(fù)雜的校內(nèi)部門利益分配問題，仍然需要耗費巨大的時間成本，從而不利于線上教學(xué)資源的高效率構(gòu)建與更新，同時信息與資源不對稱等一系列問題仍然存在。因此，從線上教學(xué)資源管理的角度來看，需要最大化地對線上資源進行統(tǒng)籌與管理。資源提供者對于資源質(zhì)量的把握應(yīng)該是最為準確的，資源管理機構(gòu)僅僅對于資源具有一定的管理權(quán)限，但是對于內(nèi)容往往在質(zhì)量上不能把握。所以目前資源質(zhì)量的關(guān)鍵在于資源的提供結(jié)點。對于某門課程或者知識點來講，視頻講解對于學(xué)習(xí)者掌握知識具有很好的作用，從這個角度而言教學(xué)資源視頻質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。資源講解者也就是資源提供者需要定期對于知識點的內(nèi)涵和外延進行適當及時更新，從而可以在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點上進行訪問。

對于某個結(jié)構(gòu)的資源建設(shè)過程可以由多人對于某個知識點進行供給和維護，但是在資源網(wǎng)絡(luò)上針對這個知識點僅僅允許一個資源質(zhì)量最好且資源完成最快的結(jié)點才能把自己的資源放入訪問資源庫。進入資源鏈上的資源需要多個供給者進行合理競爭，最終得到鏈上所有結(jié)點的認可，才能使得自己的資源上鏈。而資源需求者（學(xué)習(xí)者）根據(jù)資源鏈上的ID 進行資源訪問，學(xué)習(xí)資源存儲與每個資源節(jié)點的局部本地，并不直接存儲在鏈上，資源鏈上僅僅提供某個資源的唯一地址也就是ID 號。對于資源供給方，實時根據(jù)資源的發(fā)展進行維護，維護過程得到鏈上結(jié)點認可后給予一定的資源激勵，例如通過資源激勵幣的形式給予獎勵。形成如下的資源私有鏈和訪問公有鏈。本文從小范圍（一所高校內(nèi)）進行資源的上鏈與訪問實踐。教學(xué)機構(gòu)內(nèi)鏈式結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 教學(xué)機構(gòu)內(nèi)鏈式結(jié)構(gòu)圖

2.2 鏈上資源約束關(guān)系描述

以本校雙一流學(xué)科建設(shè)過程中構(gòu)建線上教學(xué)資源為例，進行資源約束關(guān)系描述。每一個雙一流學(xué)科建設(shè)都需要一流課程的支撐。每門課程都需要建立線上教學(xué)資源，每一個教學(xué)團隊可以構(gòu)成一條私有鏈，團隊成員之間建立私有鏈形成建設(shè)課程資源知識點上鏈的競爭關(guān)系。而對于學(xué)生而言他們學(xué)習(xí)的是多門課程，因此，每一門課程建立的私有鏈必須和學(xué)生的公有學(xué)習(xí)鏈進行鏈接。針對特定資源的鏈上約束應(yīng)該滿足一定的約束關(guān)系。例如，以軟件工程教學(xué)視頻資源為例，每一個知識點在私有鏈中僅僅存在一個結(jié)點ID。與此同時針對每一個知識點的上鏈都需要得到鏈上結(jié)點的認可。假設(shè)初期構(gòu)建n 門課程的動態(tài)資源鏈。具體建構(gòu)過程中的資源約束關(guān)系可以滿足下面條件：

（1）任意兩門課程之間的交集為空集；

（2）鏈上所以資源節(jié)點數(shù)量不多于某一門課程所要求的講解的知識點的數(shù)量；

（3）每個知識點的并集應(yīng)該等于知識點的全集；

（4）任意知識之間的交集都應(yīng)該為空集。

2.3 資源區(qū)塊結(jié)構(gòu)與資源區(qū)塊上鏈過程

隨著云計算的發(fā)展，一般情況下通常要求教學(xué)資源本地數(shù)據(jù)上傳存儲到云端，以一種中心化存儲的方式存在，這種方式使得數(shù)據(jù)更容易受到整體性破壞。因為區(qū)塊鏈以密碼學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過分布式多節(jié)點共識機制，可以完整、不可篡改地記錄價值轉(zhuǎn)移的全過程，具有去中心化、不可篡改、規(guī)則透明等的特性，所以本文基于區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)來建立安全、可信、可靠的非中心化教學(xué)資源鏈條，提高資源的使用效率和安全性。一個智能合約由合約生成、合約發(fā)布和合約執(zhí)行三個階段構(gòu)成。在合約生成階段，一般是通過多方用戶共同參與來完成合約的制定，對合約的功能進行明確的標注、確定最終合約文本，并完成程序化設(shè)計。但是合約的根本取決于區(qū)塊鏈結(jié)點結(jié)構(gòu)和結(jié)點的上鏈過程。多方參與者為了保證合約的有效性，需要嚴格按照本身的私鑰進行簽名。合約內(nèi)的所有事務(wù)都執(zhí)行完成后，狀態(tài)得到變更，合約被移出區(qū)塊。整個過程由系統(tǒng)自動完成，公開透明、不可篡改。賬本采用分塊的形式存儲，并以哈希散列值為索引構(gòu)成鏈狀結(jié)構(gòu)，形成區(qū)塊鏈[10,12]。本文設(shè)計的每個區(qū)塊分為區(qū)塊的頭部和區(qū)塊的主體兩部分[12-14]。區(qū)塊鏈節(jié)點的上鏈生成過程如圖2 所示。

圖2 資源區(qū)塊上鏈過程

2.4 基于激勵的教學(xué)資源鏈構(gòu)建過程

在區(qū)塊鏈激勵機制的驅(qū)動下，知識構(gòu)建者之間具有了明顯的競爭關(guān)系。促使知識點構(gòu)建過程的優(yōu)化與資源的動態(tài)更新。通過資源的激勵共享機制，利用率高的教學(xué)資源節(jié)點，針對使用的頻次，資源構(gòu)建者可以得到對應(yīng)的激勵幣。從而進一步促進資源建設(shè)者的資源持續(xù)優(yōu)化動力的提升，形成動態(tài)的優(yōu)化資源循環(huán)體系。優(yōu)化循環(huán)過程如圖3 所示。

圖3 資源構(gòu)建循環(huán)優(yōu)化

3 教學(xué)效果

教學(xué)實施過程中在結(jié)合超星平臺的基礎(chǔ)上，基于我院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2017 級（傳統(tǒng)教學(xué)模式）與2018 級（基于教學(xué)資源區(qū)塊鏈模式）的課程教學(xué)來完成。針對這兩屆學(xué)生期末課程成績進行課程期末成績分析對比，得到優(yōu)秀率、不及格率的對比數(shù)據(jù)（各個分數(shù)段，以20 分為一分數(shù)段統(tǒng)計）。圖4 中表示的是2017 級學(xué)生的教學(xué)資源中各類資源的布置情況，以及學(xué)生線下教學(xué)對應(yīng)的分段成績分布情況。圖5 中表示的基于區(qū)塊鏈理念建立的線上教學(xué)資源中各類資源的布置情況，以及學(xué)生線上教學(xué)對應(yīng)的分段成績分布情況。從班級總體學(xué)習(xí)成績效果分析（結(jié)合圖4 和圖5 數(shù)據(jù)圖形結(jié)果），可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成績有了不同程度地提高。說明基于區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)構(gòu)建的教學(xué)框架，具有一定的積極作用。

圖5 學(xué)習(xí)資源任務(wù)點布置與綜合成績分布

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中原有線下教學(xué)資源的教學(xué)組織較分散，線上學(xué)習(xí)者無法根據(jù)自己的偏好選擇針對性較強的數(shù)據(jù)資源?；趨^(qū)塊鏈的線上教學(xué)資源每個結(jié)點都根據(jù)資源特征進行資源的標注與存儲，完成了數(shù)據(jù)資源的特征化訪問。但是基于教學(xué)資源區(qū)塊鏈的教學(xué)實施，首先需要按照上述方式完成教學(xué)資源的存儲與管理，形成教學(xué)資源區(qū)塊鏈。本文以軟件工程課程為例進行了教學(xué)實施，結(jié)果表明在教學(xué)知識點的資源訪問率、知識點掌握情況和學(xué)習(xí)成績方面都有不同程度的提升。