高校虛擬共享空間研究

佘欣媛

[哈爾濱工業(yè)大學（威海）圖書館，山東威海 264209]

一、背景

當前，社會對人才的要求越來越高，學生不但要有充足的理論知識儲備，而且要具備較強的動手能力。因此，高校要不斷調(diào)整人才培養(yǎng)方向及培養(yǎng)方式，不但要為學生提供完整的數(shù)據(jù)資源平臺，而且要為學生提供培養(yǎng)科研能力和實踐能力的平臺。美國加州大學伯克利分校的蘇塔佳創(chuàng)業(yè)和技術中心（SCET）為學生開設了18門創(chuàng)業(yè)類課程，涵蓋了創(chuàng)業(yè)意識、科技創(chuàng)業(yè)知識、科技創(chuàng)業(yè)實踐等內(nèi)容。創(chuàng)業(yè)類課程的教師通過講座、演講、課堂授課等形式向?qū)W生傳授創(chuàng)業(yè)與技術的基礎理論知識，并輔之以項目導向的實踐活動[1]。我國70%以上的大學建設了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室，如清華大學的iCenter創(chuàng)客空間、北京大學的極客實驗室、浙江大學的硅谷創(chuàng)業(yè)實驗室[3]。國內(nèi)外實踐教育多以線下為主，線上平臺較少，有學者提出改進型MOOC平臺，增加分組、成績等評價體系[3-4]，還有學者針對學生的圖書借閱、信息咨詢、在線瀏覽等行為提出用戶特征建模理論模型[5]，但少有針對學生實踐教育的信息管理平臺實施案例。綜上所述，當前，擁有線上實踐教學空間的國內(nèi)高校較少，且相關研究多以理論研究為主[6]，供學生使用的在線實踐學習平臺還比較少。高校應加大對學生實踐教育的支持力度，出臺更貼合學生需求的教育輔導政策。針對學生習慣在網(wǎng)絡上尋找學習資料進行在線學習這一特點，高校可以將實踐教育、雙創(chuàng)等活動搬到線上來，提升學生的參與積極性。

筆者旨在搭建融合社會技能、科研信息的虛擬共享空間，為學生提供交流、共享的渠道，并擴大學生的信息面，促成潛在的團隊合作或者課題發(fā)現(xiàn)。同時，筆者旨在為師生提供個人信息空間，方便師生將個人的科研資料、成果、實踐項目等信息存儲在虛擬空間服務器上。這樣不僅打破了實踐活動在物理空間上的限制，而且保證了個人數(shù)據(jù)的安全性，避免了個人因中毒、掉線等原因造成的信息丟失或泄露。

二、虛擬共享空間設計

（一）前端設計

虛擬共享空間前端功能模塊主要分為兩大子模塊：虛擬學習空間和個人信息空間。

虛擬學習空間主要推送前沿科研資訊，為個人或團隊提供交流技術、分享經(jīng)驗的平臺，給項目團隊及興趣小組提供發(fā)布招募合作伙伴或團隊合作信息的空間。虛擬學習空間能分類匯總多學科視頻類、文本類、項目類、實驗類學習資源，為學生提供多元化的學習資源，特別是實踐類資源。虛擬學習空間允許個人或團隊上傳分享審核后的實驗數(shù)據(jù)、代碼、結(jié)果等，為其他用戶所共享。

個人信息空間設有存儲服務器，采用區(qū)塊鏈技術保證私密數(shù)據(jù)的存儲安全及傳輸安全，供個人或團隊在線存儲科研及項目資料，用戶可選擇信息是否對其他用戶開放。在線數(shù)據(jù)存儲服務不僅能方便學科團隊間共享數(shù)據(jù)信息，而且可以為團隊提供專業(yè)的安全保護，防止數(shù)據(jù)丟失或泄露，實現(xiàn)個人或團隊隨時隨地接入網(wǎng)絡獲取數(shù)據(jù)，打破實驗、研討在物理空間上的限制。虛擬教學共享空間功能劃分如圖1所示。

圖1 虛擬教學共享空間功能模塊劃分

1.虛擬學習空間

虛擬學習空間是供學生交流信息、在線學習、下載數(shù)據(jù)的專業(yè)共享平臺，包括7個功能模塊：信息推送、合作交流、技術交流、成果展示、資源共享、學習資源、常用工具下載。

（1）前沿信息推送

前沿信息推送模塊能從權(quán)威的科研信息平臺、技術交流論壇、技術交易網(wǎng)站、社會主流招聘網(wǎng)站定期搜集前沿科研信息和企業(yè)技術發(fā)展動態(tài)，為每條信息劃分詳細的學科分類和方向，并將信息推送給不同專業(yè)、不同需求的學生。有科研需求的學生可以重點關注國內(nèi)外新技術的發(fā)展信息，實踐類學生可以把主要精力放在企業(yè)需求、競賽、興趣小組上。前沿信息推送模塊在節(jié)省學生信息篩查時間的同時，可以提高學生對信息吸收質(zhì)量。

（2）學習資源

學習資源模塊能利用高校圖書館現(xiàn)有的資源優(yōu)勢匯總各專業(yè)數(shù)據(jù)庫、視頻、文本、影音、電子文檔類學習資源，并分類分學科顯示。

（3）成果展示

成果展示模塊能匯總學校團隊參與歷屆競賽、活動情況及獲獎情況，實驗成果、產(chǎn)品以圖片、動畫、視頻、聲音等方式展示在平臺頁面上。

（4）合作交流

合作交流模塊能為用戶提供平等的無障礙溝通平臺。系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)鏈式存儲、點對點交易、編寫交易規(guī)則等手段保證用戶數(shù)據(jù)的安全性、交易的可靠性以及去中心化。按照用戶交流目的，合作交流模塊的功能可細分為三個主題：①技術交流：類似于知乎等在線交流論壇，用戶可以就某項技術或者問題發(fā)起提問，其他用戶參與討論；②數(shù)據(jù)共享：用戶可以上傳、下載數(shù)據(jù)，空間劃分不同的學科分區(qū)，用戶按照分區(qū)尋找所需要的項目資料、實驗文件、實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果等數(shù)據(jù)；③招募合作：學生或團隊可以通過平臺發(fā)布合作信息和實驗需求，例如，對某專業(yè)人才的需求、對硬件設備的需求、對某項技術的需求等。

（5）常用工具下載

常用工具下載模塊提供常用軟件、平臺、工具、操作系統(tǒng)下載。例如，3D建模常用的建模軟件123Design、SolidWorks，工程制圖軟件AutoCAD，數(shù)學制圖類軟件MatLab，論文格式類軟件Latex等。

2.個人信息空間

平臺能為用戶提供個人存儲空間，用戶可在存儲空間上傳個人信息、科研文獻、實驗數(shù)據(jù)、實驗環(huán)境配置、項目工程文件、數(shù)據(jù)集、項目成果等。信息密級分為兩級，一級為公開共享數(shù)據(jù)，其他用戶通過平臺認證后可瀏覽、下載；另一級為保密數(shù)據(jù)，只允許上傳用戶做增、刪、改、查操作，對其他用戶透明。一方面，個人信息空間能實現(xiàn)用戶隨時接入異地存取數(shù)據(jù)；另一方面，個人信息空間能為用戶提供建立個人學術社交賬號的平臺，其他用戶可以根據(jù)上傳者的日常分享、項目資料等信息了解彼此的研究方向。

（二）后臺設計

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

虛擬教學共享空間模型物理架構(gòu)分物理層、網(wǎng)絡層、應用層三個層次，如圖2所示。物理層包括供存取用戶數(shù)據(jù)的存儲模塊及其管理服務器、提供虛擬空間前臺應用服務的網(wǎng)站群服務器。數(shù)據(jù)存儲模塊負責存儲用戶的個人信息（如科研信息、項目信息、實驗數(shù)據(jù)等）。存儲管理模塊負責管理數(shù)據(jù)格式、存取方式、安全策略、空間分配、文件格式等信息，并對存儲模塊的性能進行監(jiān)控。網(wǎng)絡層指為平臺提供網(wǎng)絡交互環(huán)境及數(shù)據(jù)安全保障的硬件設備及系統(tǒng)。應用層指面向用戶的功能界面。

圖2 虛擬教學共享空間物理架構(gòu)

2.系統(tǒng)安全性及去中心化

為了保證個人非公開數(shù)據(jù)的安全性，本文采用區(qū)塊鏈部分機制、原理存儲數(shù)據(jù)及管理傳輸。區(qū)塊鏈技術是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎架構(gòu)與計算方式，包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、合約層和應用層五層，如圖3所示。

圖3 區(qū)塊鏈層級架構(gòu)

本系統(tǒng)將用戶數(shù)據(jù)以塊的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，每個數(shù)據(jù)塊包括數(shù)據(jù)本身、前后區(qū)塊哈希值以及密鑰。哈希值可以簡單地看成鏈接地址，使數(shù)據(jù)塊形成鏈式結(jié)構(gòu)，這種鏈式結(jié)構(gòu)一旦更改，其中一個數(shù)據(jù)節(jié)點也勢必會造成前后節(jié)點信息的不一致性，從而在一定程度上防止了數(shù)據(jù)被篡改。網(wǎng)絡層采用P2P網(wǎng)絡傳輸架構(gòu)，系統(tǒng)服務器及用戶個人的電腦均作為節(jié)點接入網(wǎng)絡，節(jié)點之間完全對等，不存在核心節(jié)點。節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)不需要第三方驗證，一定程度上防止了數(shù)據(jù)被篡改。共識層采用POS（ProofofStake）權(quán)益證明機制：當整個網(wǎng)絡出現(xiàn)因延遲或節(jié)點故障造成的錯誤數(shù)據(jù)等問題時，由主服務器驗證裁決數(shù)據(jù)有效性。共識層機制可以讓節(jié)點就惡意節(jié)點攻擊行為或者網(wǎng)絡故障等原因引發(fā)的數(shù)據(jù)分歧如何仲裁彼此達成共識，減少錯誤處理時間。平臺允許用戶間進行有償?shù)臄?shù)據(jù)共享交易。為保障交易雙方的權(quán)益及交易的安全性，系統(tǒng)合約層嵌入了人為編寫的交易規(guī)則代碼，交易雙方需按照規(guī)則完成交易。合約層的規(guī)則代碼自動執(zhí)行，不需要第三方監(jiān)督或者人工參與，具有獨立性。如果交易中斷或遭惡意破壞，合約規(guī)則將保護交易方的權(quán)益，安全性提高。本平臺的其中一個目的是希望能夠激發(fā)學生的創(chuàng)造熱情，為學生提供激發(fā)靈感、無障礙溝通的全互聯(lián)平臺。以往的線上社交平臺多依靠管理方進行信息推送等資訊推薦，雖然這樣可以讓大部分用戶及時接觸新的信息，但是由于看到的都是類似的內(nèi)容，這在一定程度上不利于創(chuàng)意的產(chǎn)生。

在以區(qū)塊鏈為基礎的共享平臺中，每個用戶均被看為平等的節(jié)點，用戶可以使用自己的服務器創(chuàng)建屬于自己的獨立空間甚至社區(qū)，整個平臺的交流模塊由若干個用戶空間或社區(qū)組成。由于使用的是自己的服務器，緩解了用戶對數(shù)據(jù)隱私性的擔憂。去中心化的平臺使用戶減少了對官方推薦信息的依賴，每個人都有機會被其他人看到，質(zhì)量好的內(nèi)容被更多人推薦，曝光率更高。

三、平臺實現(xiàn)及關鍵技術

（一）用戶界面

以哈爾濱工業(yè)大學（威海）圖書館虛擬共享空間為例，學校使用Web Plus Pro網(wǎng)站群平臺作為虛擬空間的前臺開發(fā)平臺。該平臺是一個組件式開發(fā)平臺，通過添加組件的方式即可完成個性化頁面的基本布局。平臺能夠?qū)崿F(xiàn)與校園用戶的統(tǒng)一身份認證系統(tǒng)的對接，在應用層完成了用戶合法身份的驗證，并且具備防止數(shù)據(jù)庫sql注入、防止篡改頁面腳本、防止口令破解等主流網(wǎng)絡攻擊手段的完全防護策略。虛擬教學共享空間首頁設計界面如圖4所示。

圖4 虛擬教學共享空間首頁設計界面

為了充分利用圖書館豐富的學習資源，空間作為二級子網(wǎng)站掛靠在圖書館官方網(wǎng)站下級?？臻g采用多層體系架構(gòu)設計，虛擬共享空間信息資訊界面如圖5所示。一級菜單欄與功能設計模塊相對應，分別包括信息資訊、合作交流、學習資料、成果展示、工具下載、個人空間六個菜單。其中，信息資訊模塊下又分為活動信息、競賽信息、考研資訊、公考資訊、課題、項目資訊六個細化分類。合作交流模塊包括技術交流、資源共享、招募合作三個部分。個人空間模塊包括基本信息、我發(fā)布的信息、我的數(shù)據(jù)三個子模塊。

（二）用戶數(shù)據(jù)存儲

用戶數(shù)據(jù)以區(qū)塊的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，每個區(qū)塊除了包括用戶所存數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的交易信息，還包括記錄本塊數(shù)據(jù)大小的數(shù)據(jù)量、用于唯一標識本區(qū)塊的哈希值、用于形成鏈式結(jié)構(gòu)連接前后區(qū)塊的前一區(qū)塊哈希值和后一區(qū)塊哈希值、用于零知識證明的默克爾樹根。默克爾樹根由區(qū)塊內(nèi)所有數(shù)據(jù)的哈希值拼接而成，若其中任何一部分數(shù)據(jù)被修改，會造成區(qū)塊默克爾樹根值發(fā)生變化。因此，默克爾樹根可以用來防止信息被惡意篡改或者區(qū)塊間的零知識證明。當出現(xiàn)交易糾紛或者惡意交易時，區(qū)塊間采用POS機制，即由圖書館節(jié)點對交易進行裁決。數(shù)據(jù)區(qū)塊設計見表1。

表1 數(shù)據(jù)區(qū)塊設計表

四、結(jié)束語

高校虛擬共享平臺是一個供學生在線學習、數(shù)據(jù)下載、技術交流的網(wǎng)絡實踐教學平臺，集合了前沿信息推送、合作伙伴尋找、數(shù)據(jù)共享、在線學習、技術交流等功能。學生可以在平臺上獲取不同專業(yè)學科團隊的研究成果信息、最新動態(tài)，溝通學習，也可以在平臺數(shù)據(jù)共享模塊下載數(shù)據(jù)資料供個人實驗使用。應用型學生可以通過平臺參與興趣小組、組隊課創(chuàng)，提前鍛煉企業(yè)工作所需的技能。學生在有針對性的訓練過程中提高動手能力，降低社會培養(yǎng)成本。對于科研型學生，平臺會定期推送最新的科研資訊，學生可以實時獲取最新的專業(yè)信息。同時，平臺也為學科團隊提供專業(yè)知識交換平臺，有相似研究意向的團隊可以進一步溝通合作。學生通過參與課題、項目研究，加深對科研的認識，學習科研工作方法，積累科研經(jīng)驗。實踐是高校學生配合理論課程學習必不可少的環(huán)節(jié)，學生在實踐中加深對知識的理解，培養(yǎng)科研能力和社會實踐技能。高校的虛擬共享平臺可以解決學生在尋找實踐活動、學習實踐知識等方面存在的問題，擴大了在校學生的信息面，增加了學生的實踐機會，拓寬了團隊的溝通合作渠道，讓學生有可信賴的線上知識實踐平臺。