基于區(qū)塊鏈技術的分布式學分銀行系統(tǒng)構建與應用研究

摘要：在當前的教育體系中，學生跨校、跨專業(yè)、跨領域學習的需求日益增長，而傳統(tǒng)的學分管理方式由于信息不對稱、數(shù)據(jù)孤島等問題，難以實現(xiàn)學分的有效認定和轉換，不能滿足學生多樣化、個性化的學習需求。區(qū)塊鏈技術以其去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改和透明性的特點，為學分管理帶來了新的可能性。通過構建基于區(qū)塊鏈的分布式學分銀行系統(tǒng)，可以實現(xiàn)學分的高效、安全和透明管理，促進學生學習的多樣性和靈活性。文章旨在探討基于區(qū)塊鏈技術的分布式學分銀行系統(tǒng)的構建與應用。

關鍵詞：區(qū)塊鏈；學分銀行；分布式

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）24-0094-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著教育信息化的快速發(fā)展，學分制已成為高等教育改革的重要方向。分布式學分銀行是一種新型的信用管理體系，它以區(qū)塊鏈技術為基礎，實現(xiàn)對學分的安全存儲、轉移、驗證及兌換。然而，傳統(tǒng)的學分銀行制度在實踐中存在一些問題，如學分認定標準不統(tǒng)一、學分轉換困難、數(shù)據(jù)安全管理不到位等。這些問題在一定程度上制約了學分銀行制度的發(fā)展。而區(qū)塊鏈技術的出現(xiàn)，為學分銀行制度的改革和創(chuàng)新提供了新的契機[1]。

1 區(qū)塊鏈技術與分布式學分銀行概念

1.1 區(qū)塊鏈技術概念

區(qū)塊鏈技術是一種去中心化、安全、可靠的數(shù)據(jù)存儲和傳輸技術。其核心特點是去中心化，通過加密算法和網絡共識機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性和完整性[2]。區(qū)塊鏈技術已廣泛應用于金融、供應鏈、物聯(lián)網等領域，并逐漸滲透到教育行業(yè)。利用區(qū)塊鏈技術構建分布式學分銀行，可以實現(xiàn)學分的安全存儲、透明傳遞和可信認證，為學習者提供終身學習檔案，推動教育公平與質量的提升[3]。

1.2 分布式學分銀行概念

分布式學分銀行是一種新型的學分管理體系，它借鑒了區(qū)塊鏈技術的去中心化、安全可靠等特點，將學分數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈上，實現(xiàn)學分的全球流通與終身可追溯。相較于傳統(tǒng)學分銀行，分布式學分銀行具有更高的安全性、透明度和可追溯性，有助于解決學分認證過程中的信任問題。此外，分布式學分銀行還可以實現(xiàn)學分與技能、就業(yè)等多方面的有機結合，為學習者提供更加豐富多樣的學習機會，推動教育創(chuàng)新發(fā)展[4]。

分布式學分銀行借鑒了區(qū)塊鏈技術的去中心化、安全可靠等特點，將學分數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈上，實現(xiàn)學分的全球流通與終身可追溯。相較于傳統(tǒng)學分銀行，基于區(qū)塊鏈技術的分布式學分銀行具有更高的安全性、透明度和可追溯性，有助于解決學分認證過程中的信任問題。此外，分布式學分銀行還可以實現(xiàn)學分與技能、就業(yè)等多方面的有機結合，為學習者提供更加豐富多樣的學習機會，推動教育創(chuàng)新發(fā)展。

2 學分銀行發(fā)展存在的瓶頸

2.1 學分認定標準不一

傳統(tǒng)學分銀行面臨的首要問題是學分認定標準的不統(tǒng)一。由于缺乏統(tǒng)一的國家標準和行業(yè)規(guī)范，各個教育機構和課程之間的學分認定存在很大的差異。這種差異導致了學習者在不同機構之間學習成果的互認變得困難重重，嚴重影響了學分銀行的運作效率和學習者的積極性。

2.2 學分轉換機制不暢

學分轉換是學分銀行制度的核心環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)學分銀行在學分轉換機制上存在著不暢的問題。由于缺乏有效的學分轉換規(guī)則和算法，不同機構之間的學分轉換往往難以實現(xiàn)，或者轉換過程煩瑣復雜，給學習者帶來了很大的不便。同時，學分轉換的不暢也制約了學分銀行在推動終身教育和學習型社會中的作用發(fā)揮。

2.3 學分銀行的管理與監(jiān)管不到位

傳統(tǒng)學分銀行在管理與監(jiān)管方面也存在不足。由于缺乏有效的管理機制和監(jiān)管手段，學分銀行在運行過程中容易出現(xiàn)混亂和不規(guī)范的現(xiàn)象。例如，學分認定的隨意性、學分轉換的不規(guī)范等都可能導致學分銀行制度的失效。同時，監(jiān)管的不到位也使得學分銀行在運行過程中難以發(fā)現(xiàn)和糾正問題，進一步加劇了問題的嚴重性。

3 基于區(qū)塊鏈技術的分布式學分銀行設計

區(qū)塊鏈技術在分布式學分銀行中發(fā)揮著至關重要的作用。首先，區(qū)塊鏈技術可以為學分提供安全的存儲和傳輸環(huán)境。通過加密算法，確保學分數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改，保障學分的安全性。其次，區(qū)塊鏈技術可以實現(xiàn)學分的高效轉移。分布式學分銀行中的節(jié)點可以實時查看學分信息，實現(xiàn)學分在不同學習者、不同學校之間的快速轉移。此外，區(qū)塊鏈技術還可以提高學分管理的透明度。所有學分交易記錄都在區(qū)塊鏈上公開，便于監(jiān)督和管理[5]。

3.1 總體架構設計

分布式學分銀行系統(tǒng)采用去中心化的架構，確保數(shù)據(jù)的安全性和可用性。系統(tǒng)包括用戶層、應用層、服務層和數(shù)據(jù)層等多個層次，以滿足不同用戶的需求。基于區(qū)塊鏈技術的分布式學分銀行總體架構包括數(shù)據(jù)層、網絡層、共識層、合約層和應用層，如圖1所示。

其中，數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈技術的基礎，封裝了區(qū)塊鏈上的原始數(shù)據(jù)，包括各個區(qū)塊的信息和鏈上的交易數(shù)據(jù)，主要負責存儲學分數(shù)據(jù)和其他相關信息，確保每個節(jié)點都擁有完整的區(qū)塊鏈副本。網絡層負責實現(xiàn)各教育機構之間的信息傳輸，它通過各種網絡協(xié)議，如P2P協(xié)議，實現(xiàn)了節(jié)點之間的去中心化通信，確保數(shù)據(jù)的實時同步和更新。

共識層是區(qū)塊鏈技術的核心，解決了在去中心化網絡中如何達成一致性的問題，主要負責確保各教育機構對學分數(shù)據(jù)的共識。激勵層負責挖礦獎勵，通過挖礦獎勵，給予節(jié)點一定的經濟激勵，確保網絡的穩(wěn)定運行和持續(xù)發(fā)展。

合約層為智能合約的執(zhí)行提供了環(huán)境，主要負責提供智能合約功能。智能合約是一種自動執(zhí)行的計算機程序，它在滿足預設條件時自動執(zhí)行相應的操作。合約層的存在使得區(qū)塊鏈技術能夠支持更為復雜的業(yè)務邏輯和應用場景。應用層是區(qū)塊鏈技術與具體應用場景的結合點，主要負責提供各種學分銀行應用服務。

3.2 基于區(qū)塊鏈的學分銀行的關鍵技術

1）共識算法選擇。在分布式學分銀行建設中，選擇一個合適的共識算法至關重要。分布式學分銀行是一個去中心化的系統(tǒng)，用于記錄和驗證學生的學習成果和信用?？紤]到教育領域的特殊性，需要一種既能確保數(shù)據(jù)安全性，又能提高系統(tǒng)運行效率的共識算法。因此，可以采用一種基于PoS和委托權益證明（Delegated Proof of Stake，DPoS）相結合的共識算法。這種算法既能夠保證學分數(shù)據(jù)的安全性，又能夠提高系統(tǒng)的運行效率。

PoS算法能夠確保學分數(shù)據(jù)的安全性。在這種算法中，節(jié)點通過持有權益（如學分）來獲得驗證和添加新數(shù)據(jù)的權利。持有越多權益的節(jié)點，獲得驗證權的概率就越高。這使得系統(tǒng)更加安全，因為攻擊者要想篡改數(shù)據(jù)，就需要掌握足夠多的學分權益。

DPoS算法提高了系統(tǒng)的運行效率。在DPoS算法中，節(jié)點選民通過投票選擇若干個代表節(jié)點（見證人），這些見證人負責驗證交易和添加新區(qū)塊。

2）智能合約設計。智能合約是區(qū)塊鏈技術的重要組成部分，可以用于實現(xiàn)學分的自動認定和轉換。智能合約的設計應遵循簡潔、高效和可擴展的原則。在學分銀行場景中，可以設計一種基于事件觸發(fā)的智能合約，當學生滿足特定條件時（如修滿一定學分），合約自動觸發(fā)學分轉換操作。

3）加密算法。在學分銀行建設中，要充分考慮數(shù)據(jù)安全和隱私保護問題?？梢圆捎肧HA-256等加密算法對學分信息進行加密，保證數(shù)據(jù)的安全性，確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性。

4 基于區(qū)塊鏈技術學分銀行功能實現(xiàn)

本文借鑒EOS區(qū)塊鏈設計思路，EOS是一個區(qū)塊鏈底層公鏈系統(tǒng)。它采用授權權益證明機制和超級節(jié)點輪流生成區(qū)塊的方式，實現(xiàn)了區(qū)塊鏈的高效、穩(wěn)定和安全運行。同時，通過賦予持股人投票更換見證人的權利，增強了系統(tǒng)的靈活性和適應性[6]。

EOS采用21個主節(jié)點+100個備用節(jié)點的方式，為了在分布式和驗證區(qū)塊速度方面尋求一個平衡點，使TPS（每秒交易量）達到一個量級的情況下也能兼顧分布式原則。這種設計使得每秒處理百萬級交易成為可能，同時也更加節(jié)約資源。

本文在實現(xiàn)分布式的區(qū)塊鏈學分銀行時，采用與EOS相同的方式，選擇21個主節(jié)點+100個備用節(jié)點的方式。教育部、監(jiān)督機構、法律機構、大學聯(lián)盟、銀行等機構具備擔任運營主節(jié)點的潛力。引入這些機構相對于民間選舉的節(jié)點而言，它們具有公信力，且沒有作惡的動機。分布式區(qū)塊鏈學分銀行的組成部分見表1。

4.1 基礎信息管理

專業(yè)管理、專業(yè)規(guī)則管理等可以由主節(jié)點投票來決定治理規(guī)則。課程超市的建設可以充分利用區(qū)塊鏈的特性，由教育機構發(fā)起，國家機構審核，也可采取其他方式。始終堅持服務于全民終身教育理念，這樣的建設將更貼近學習需求，也符合目前發(fā)展的要求，可以提高全民學習效率。

4.2 學分存儲與累積

學分的存儲和累積可根據(jù)實際情況分為兩種設計：一是直接存儲在鏈上，學分的持有和授予均可被視為交易并存儲在鏈上?？梢酝ㄟ^學分錢包來查詢整個學分銀行鏈，實現(xiàn)學分查詢。二是存儲在由主節(jié)點提供的分布式存儲上。將學分/證書直接存儲在鏈上是一種簡單直接的方法，但選擇將學分/證書及其相關的元數(shù)據(jù)存儲在鏈下，可以獲取與學分相關的元數(shù)據(jù)。

4.3 學分認定與轉換

主節(jié)點作為擁有投票權的權威機構，負責制定學分認定與轉換的詳細規(guī)則，并將這些規(guī)則編碼成智能合約。

4.4 學分兌換

學分銀行將對學分進行嚴格的評估認定，將認定的學分轉換規(guī)則（例如學分當量，即不同學分間的轉換比率）精確無誤地寫入智能合約，并部署到分布式的區(qū)塊鏈學分銀行鏈上。這些規(guī)則不僅公開透明，而且具有不可篡改的特性，確保了學分系統(tǒng)的公正性和穩(wěn)定性。此外，學分的兌換和證書的發(fā)放過程也可以通過智能合約來實現(xiàn)，進一步提高了整個系統(tǒng)的自動化和效率。

4.5 學習者服務

對于意圖投身在線教育事業(yè)的實體，其參與門檻不高，僅需下載并安裝全節(jié)點軟件，完成同步操作，便可升級為全節(jié)點。在此基礎上，實體可以依托自主搭建的全節(jié)點，實現(xiàn)便捷接入、事務提交以及結果查詢等功能，繼而展開二次開發(fā)與個性化定制。

由于區(qū)塊鏈所具備的鮮明特質，其網絡架構內的節(jié)點構成呈現(xiàn)出多元化的特征，不僅涵蓋了政府，還囊括了監(jiān)督機構、企業(yè)實體、媒體平臺、各高等院校以及其他各類社會機構。在這樣的架構下，各方均能夠基于共同的規(guī)則與原則，攜手共建、共管、共治，形成緊密的協(xié)作關系，并共享由此帶來的收益。

同時，通過引入國家教育管理機構、國家監(jiān)督機構、國家金融機構作為主節(jié)點，由于政府帶著公權力進入?yún)^(qū)塊鏈共識體系，具有相當?shù)墓帕Γ梢源蟠筇岣吖沧R形成的效率和權威性。

5 結束語

分布式學分銀行作為一種新型的學分管理體系，基于區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)學分的全球流通與終身可追溯，具有更高的安全性、透明度和可追溯性。在我國教育改革的大背景下，分布式學分銀行有望為教育事業(yè)發(fā)展注入新的活力，推動教育公平與質量的提升。然而，從概念走向現(xiàn)實，分布式學分銀行還需克服諸多挑戰(zhàn)，如技術層面的問題、推廣和應用的政策支持、行業(yè)協(xié)同等。在政策支持、技術研發(fā)、人才培養(yǎng)、宣傳推廣等多方面的共同努力下，分布式學分銀行將逐步改變傳統(tǒng)的教育模式，為學習者提供更加靈活、多樣化的學習機會。分布式學分銀行的成功實踐，也將為其他領域的改革與發(fā)展提供有益的借鑒。在新時代背景下，分布式學分銀行將成為推動我國教育事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要力量。

參考文獻：

[1] 徐夢月.學分銀行若干元問題的再探討[J].江蘇高職教育，2021，21（4）：26-30.

[2] 劉雙印，雷墨鹥兮，王璐，等.區(qū)塊鏈關鍵技術及存在問題研究綜述[J].計算機工程與應用，2022，58（3）：66-82.

[3] 熊艾莎，盛湘君.基于終身學習的職業(yè)教育學分銀行建設[J].教育與職業(yè)，2021，994（18）：27-34.

[4] 王然，陳鳳英，安濤.基于區(qū)塊鏈技術的國家學分銀行系統(tǒng)研究與設計[J].成人教育，2024，44（1）：54-60.

[5] 陳利利.基于區(qū)塊鏈技術的終身教育學分銀行建設[J].安徽開放大學學報，2023（1）：1-6.

[6] 嘉文，周華麗.教育區(qū)塊鏈分布式學習時代的教育模式創(chuàng)新[M].北京：機械工業(yè)出版社，2020.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】