融入課程質量的在線學習成果認證區塊鏈模型及實現機理研究

梁青青 張剛要

[摘? ?要] 推進在線學習成果認證平臺建設有助于構建終身教育體系，加快學習型社會建設。文章通過對比國內外相關研究工作的優缺點，基于區塊鏈技術設計了一種融入課程質量的在線學習成果認證模型，即基于課程質量和在線學習成果的雙向考核標準的區塊鏈模型。該模型使用“主從多鏈”的架構實現數據的分類存儲，減少區塊信息的冗余量，促進在線學習成果與課程質量的雙向評價，解決了課程質量評價缺席而導致認證結果公平性和可信度不高的問題。同時，基于變色龍哈希技術實現區塊鏈網絡中部分信息的可更改性，消除了數據不可篡改而帶來的系統靈活性不佳的弊端，進一步拓展了區塊鏈技術在學習成果認證方面的應用深度。

[關鍵詞] 區塊鏈; 學習成果認證; 智能合約; 實現機理

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 梁青青（1995—），男，江蘇海門人。碩士研究生，主要從事數字媒體技術研究。E-mail：1091512229@qq.com。張剛要為通訊作者，E-mail：zhanggy@njupt.edu.cn。

一、引? ?言

2019年2月，中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》進一步強調“建立健全國家學分銀行制度和學習成果認證制度”[1]。近年來，在線教育、社區教育等非正規學習成果認證制度（學分銀行）日益為國內外學者所關注，取得了一定的成效，但在線學習成果認證的可靠性、及時性、可信性和公平性并未得到令人滿意的改善。制約在線學習成果認證成效的原因何在，如何改善在線學習成果認證的信度和效度，更好地滿足構建終身教育體系、推進學習型社會建設的需要？區塊鏈因其具有集體維護、不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明等特征，奠定了堅實的“信任”基礎，創造了可靠的“合作”機制，具有廣闊的應用前景。2019年10月24日，習近平總書記在中共中央政治局第十八次集體學習時強調，“要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展”[2]。因此，推動區塊鏈在教育教學中的應用無疑有著積極的現實意義[3]。我們期待，區塊鏈技術能夠為在線學習成果認證拓展富有創見的思路與方法。

二、區塊鏈的基本概念和核心機制

本質上，區塊鏈就是一個基于P2P網絡的分布式數據庫系統，它沒有單一的、中心化的數據庫或服務器，區塊鏈網絡中的所有節點共同構成了一個龐大的、不可篡改的數據庫系統。區塊鏈隨著比特幣而進入公眾視野，隨后受到前所未有的關注，被認為是“未來世界發展的關鍵性技術”，其核心機制和特征主要有：

（一）去中心化的共識機制

區塊鏈網絡中沒有一個中心進行集中的管理，所有網絡節點權限對等，整個網絡系統中的數據由所有節點共同更新和維護。當有新的區塊加入網絡鏈中，需要得到所有節點的共識，即使某個節點受到攻擊和篡改也不會影響整個網絡的正常運行。

（二）智能合約機制

智能合約的概念最早由尼克·薩博于1995年提出，他認為“智能合約是一套數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議”[4]。從形式上來說，智能合約就是數字化的智能合同，智能合約會對區塊鏈網絡中的各個參與方的行為進行響應，自動執行提前編輯好的協議。

（三）可追溯機制

區塊鏈是一種鏈狀的數據結構，它以線性的方式將區塊順序相連。同時所有的操作都需要網絡中的所有節點的認可，保證了區塊不能被篡改、偽造和刪除。所有的信息數據都被區塊鏈所記錄，形成了一條完整的數據歷史鏈條，這就意味著通過區塊鏈能夠進行溯源查詢。

（四）安全機制

區塊鏈的安全性主要體現在兩個方面：一是從技術層面上看，區塊鏈利用了大量關于密碼學和信息安全的知識，包括Hash算法和摘要、非對稱加密、數字簽名和證書、Merkle樹等，從而保證了信息的安全;二是從整個網絡系統來看，區塊鏈不再依靠中央機構背書，它依靠去中心化的共識機制將信任轉移到了區塊鏈自身，轉移到了各個網絡節點上，保證了信任的安全性。

三、相關研究工作

（一）對相關研究框架的描述

圍繞區塊鏈技術與在線學習成果認證的關系構成與運作機理，國內外研究者進行了持續的探索，相應地發展出三種研究框架。

一是側重于“經驗外推”的案例研究。例如：Alexander & Camilleri在JRC科學政策報告中，對比分析了英國開放大學、尼科西亞大學、麻省理工學院、馬耳他大學等歐洲教育領域機構的區塊鏈學分管理與認證的案例[5];黃慶平從數據存儲、學習評估、學信數據等多個角度出發，列舉了國內外學分銀行系統主要業務模式和案例[6];Jirgensons & Kapenieks描述了麻省理工學院媒體實驗室開發的區塊鏈教育認證系統[7]。這類研究旨在通過對區塊鏈學分管理與認證案例進行深度描述與分析，回答區塊鏈技術如何助力學習成果認證的問題。

二是聚焦于整體性的模型構建研究。較為典型的例子有：黃宇翔等提出了一種面向學分銀行的區塊鏈學習成果管控模型[8];Srivastava etc.構建了一個由大學、公司和其他同意合作的高等教育機構組成的全球區塊鏈可信教育框架[9];Grather etc.圍繞認證機構、學習者和雇主三方，提出了一個區塊鏈教育平臺模型，提供了頒發、驗證和分享證書的實際解決方案[10];Sharples & Domingue基于區塊鏈技術提出了一個永久性分布式的學習信息、榮譽和獎勵的教育記錄系統[11]。這類研究側重于從整體的視角，注重學習成果的量化與非量化記錄，以及記錄的學分轉化，并構建出具體的區塊鏈模型。

三是面向局部功能實現的開發研究。這部分研究往往基于工程（技術）的視角，針對在線學習成果認證系統的某一局部功能的實現進行深入研究，致力于解決當前成果認證過程中存在的突出問題。例如：李鳳英等針對在MOOC學習過程中學習者冒名頂替和抄襲等問題，提出了基于雙因子模糊認證和區塊鏈技術的身份識別模式和解決方案[12];楊兵等為了解決數據的存儲和隱私安全問題，提出一種基于聯盟鏈的學習數據存儲方案[13]。

（二）對現有框架的檢討

總體來看，上述三種研究框架具有相同的技術共性，都是利用區塊鏈的底層技術保證存儲數據的不可篡改性和安全性，實現高度可信的學習過程和學習成果記錄，進而在如何保證認證結果的真實性和不可篡改，如何進行跨機構、跨區域、跨國家的高效學分轉換與認證等方面提供了富有啟發性的建議。但是，有些問題依然懸而未決，存在著繼續“言說”的空間，這突出地表現在以下兩個方面：

一是忽略了課程質量評價，導致認證結果可信度不高。目前，在線教育相關的監管體系尚未建立，在線教育平臺幾乎沒有準入門檻，平臺中課程的質量也存在良莠之別，而已有的研究都按照統一的標準進行課程認證以及學分轉換，這就影響了在線學習成果認證結果的公平性和可信性。

二是在系統的靈活性方面缺少進一步的思考。現有的研究框架幾乎都在恪守區塊鏈數據不可篡改的基礎上，保證在線學習成果認證結果的安全性和可信性。但是我們也應該注意到，在一些特殊情況下（如系統漏洞、記錄出錯、學習者出現不當行為等），區塊鏈的不可篡改性就會帶來很多不便，不利于及時止損。

有鑒于此，本文嘗試構建“主從多鏈”的數據鏈架構，將課程質量作為一條單獨的數據鏈，在在線學習成果認證的過程中充分考慮課程質量這一因素。同時，我們在保證數據安全、可信的前提下，利用變色龍哈希（Chameleon Hash）技術[14]實現區塊鏈數據的可編輯性，提高在線學習成果認證的靈活性。

四、模型實現方案

（一）方案設計原則

針對當前在線學習成果認證實踐中存在的“課程質量評價缺席而導致認證結果公平性和可信度不高”“數據不可篡改而帶來的系統靈活性不佳”等問題，以及前文對區塊鏈基本概念與核心機制的分析，本文擬構建一個基于區塊鏈的在線學習成果認證模型。通過對比目前已有的在線學習成果認證模型中存在的問題，分析列舉出本模型應該具備的特點與對應方案（見表1）。從表1可以看出，本模型的設計原則與方案主要包括：

第一，學生信息的識別、課程的評價信息、在線學習成果與課程質量的雙向考核等環節無須可信第三方背書（與區塊鏈去中心化的共識機制高度契合），系統能夠在透明的環境下自動智能處理（與區塊鏈智能合約機制高度契合），各種記錄支持追溯、查詢和申訴（與區塊鏈去中心化的共識機制和可追溯機制契合度較高）。

第二，在線學習成果認證區塊鏈上的用戶必須是實名制，入鏈前必須經過相關部門的嚴格審核。同時，還必須設法保護用戶的隱私。因此，除了充分利用區塊鏈的安全機制外，還需要從區塊鏈的架構方面考慮數據的安全和隱私問題。

第三，區塊鏈上的數據一旦上鏈便無法更改，但是在一些特殊的情況下，區塊鏈的不可更改就會帶來很多不便，不利于及時止損。因此，當突發情況發生時，在線學習成果認證系統能夠提供安全有效的數據更改規則，提高應用的靈活性。

第四，數據存儲必須有所創新，如分布式數據庫系統能夠有效提高數據的存儲、訪問和更新速度，進而有效降低數據庫的負荷壓力。

（二）模型系統架構

模型的系統架構主要涉及的節點包括：用戶端（學習者）、資源端（高校、課程資源提供方等組織機構）和查詢端。在區塊鏈網絡環境下，所有的流程操作都在這三個端口上運作，并根據智能合約自動執行。

1. 用戶端

當學習者注冊加入系統平臺時，需要輸入相應的個人信息，并將其發送給第三方監管機構進行驗證。由于在區塊鏈網絡中，所有數據信息都是加密存儲的。因此，個人信息的存儲與傳輸難以被篡改或盜取，具有一定的安全性。當驗證通過后，學習者才能加入區塊鏈網絡，此時系統將為學習者創建唯一的區塊鏈地址以及對應的公鑰和私鑰。

在成功加入區塊鏈網絡后，學習者可以自主選擇課程進行學習，每一門課程都有其唯一的ID，并將連同學習行為數據、考試結果等信息存儲在主區塊鏈中。其中，對于學習時長、學習行為、考試結果等成果數據都將按照基于“學習的量”和“學習的成果”為雙重標準的學分轉換方式進行評價，即在評價過程中既要考察學習者學習時長、學習行為、學習課程數量等“量”的投入，又要在參考課程類型、學習要求的基礎上考察學習者考試成績等“成果”的產出。同時，由于相同學習內容的課程質量參差不齊，在計算學習成果的過程中，需要以課程的教學大綱、教學目標、學習要求、考試類型等為依據，基于學習者對課程的評價對不同課程的質量權重進行分配換算，將最終的成果記錄在主區塊鏈中，確保不同課程的學習成果具有相同的可信度。這些分析、轉換的步驟都將由智能合約依據提前設計的方法自動執行。

2. 資源端

資源端主要由教育資源（課程）提供方、證書發布方等組成，既是系統的維護者，又是系統的監管者。當新的資源端節點試圖加入區塊鏈網絡時，同樣需要一定的資質證明信息，并將信息數據發送給其他監管者進行審查。當驗證通過后，系統將會生成對應的區塊鏈地址、公鑰和私鑰。由于學習資源數據量龐大，安全性的需求不迫切，因此，學習資源存儲在區塊鏈數據庫之外。在學習資源成功上傳至服務器后，課程的相關信息（包括課程ID、課程類型、學習要求、課程大綱等）將同步上傳到區塊鏈網絡中的課程鏈中。資源端的主要作用就是提供教育資源的數據信息，保持區塊鏈的正常運行，監督區塊中數據的正確性，負責區塊的創建與數據的記錄。