區塊鏈技術在高校教學管理中的應用

李康樂 張玉芬 張瑞雪

（哈爾濱金融學院 黑龍江省哈爾濱市 150030）

2008年，區塊鏈技術作為數字貨幣的底層支撐協議首次出現于“中本聰”的論文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[1]中，隨著比特幣創世區塊的誕生，區塊鏈技術從理論走向應用[2]。

1 概念

近年來區塊鏈（Blockchain）的應用場景逐漸被擴充到金融領域之外的諸多行業，但由于技術不夠完善及相應變體較多，目前并沒有一個確切的定義[3]。

“中本聰”在論文中把區塊鏈技術描述成一種去中心化、可信任、不可篡改、安全可靠的分布式存儲系統；Swan[4]在《Blockchain:blueprint for a new economy》中將區塊鏈定義為去中心、公開透明的分布式數據庫；袁勇等[5]認為區塊鏈是數字加密貨幣體系的核心支撐技術，是以時序將區塊以鏈條的方式連接，并采用加密技術保證數據無法修改的一種去中心化的記賬方式；姚國章等[6]認為區塊鏈是指通過去中心化和去信任的方式，由所有節點共同維護的一個特定數據庫的集成方案；黃奇帆[7]指出區塊鏈實質上就是一種去中心化的分布式數據庫。

以上關于區塊鏈的論述，無論是中本聰的最初定義，還是國內學者的闡述，區塊鏈本質上都是一種去中心化的分布式數據庫，它的安全性由純數學算法的安全性來保障，具有可信、時序、可靠的特點。

2 區塊鏈在教育領域的研究現狀

隨著區塊鏈技術研究與應用的增多，2013年開始出現區塊鏈技術與教育行業的融合。

2.1 “區塊鏈+教育”研究現狀

區塊鏈與教育領域的結合已逐步成為區塊鏈技術的重要研究方向之一。《中國教育現代化2035》提出要建立數字教育資源共建共享機制，完善利益分配機制、知識產權保護制度和新型教育服務監管制度[8]；文獻[9]提出了區塊鏈在教育領域的幾種應用模式，包括教育資源共享、個體學信數據、畢業證書管理、自組織學習等；文獻[10]認為，可以利用區塊鏈的可信性和安全性，記錄學生的在校信息；文獻[11]認為“區塊鏈+教育”可以重塑高等教育，推進資源共享和強化教學管理；文獻[12]設計了基于區塊鏈技術的教育公共服務平臺，能夠實現互信下的資源共享與版權保護。

另外，文獻[13-15]認為區塊鏈可以在高教評估、產教融合及科研經費管理等方面發揮積極作用。

2.2 區塊鏈在高校教學管理中的研究現狀

基于區塊鏈的教學管理最具代表性的是伍爾夫大學（Woolf University）。2018年成立的伍爾夫大學是世界上第一所基于區塊鏈技術進行學校教學管理的大學，學生、教師和教育機構之間的關系由智能合約自動管理[16]。

文獻[17]針對區塊鏈技術與高校教學管理融合的可行性進行了分析，認為高校應當融合區塊鏈技術，設計更為完善的綜合性教學管理系統，將學生的學籍、成績、獲獎、證書等基本信息經過時間戳標注，存儲在區塊鏈中；文獻[18]討論了區塊鏈技術在高校教學管理中成績管理、學位學歷認證和學習檔案3 個細分場景的應用；文獻[19]認為基于區塊鏈的技術優勢，可以將之應用于高校教學管理中，并具體分析了在學生成績管理、學習檔案管理及畢業證書認證等方面的優勢；文獻[20]提出在高校教學管理中部署教學管理區塊鏈系統，建議全面錄入學生信息，包括學生的各類考評信息，以及在校期間的表現、社交、特長等個人信息，并運用智能合約功能，自動完成學生期末綜合評價考核；針對成績管理，文獻[21]指出目前國內高校成績管理系統大多采用B/S 架構，屬于中心化的系統結構，存在單點故障、中心節點不誠實等問題，利用區塊鏈技術的特性能夠實現成績系統的準確性與可信性。

學籍是高校教學管理系統的重要組成部分，也是用人單位確認畢業生學歷和學習經歷的檔案材料，當前學生的學籍認證可以在“學信網”的學籍管理系統上實現。但是文獻[22]指出，區塊鏈技術能夠改變“學信網”過于中心化的安全隱患，能夠有效保障學籍信息的真實性，因此，基于Fabric 框架開發了基于區塊鏈技術的高校學籍管理系統原型；文獻[23]基于區塊鏈技術設計了高校學籍管理系統，系統采用Hyperledger fabric 框架搭建底層區塊鏈運行環境，以智能和約實現對數據的查詢與更新操作。

文獻[24]認為區塊鏈和教育教學相融合，可以對教育資源建設、教學過程評價等發揮積極作用，可以實現“以學為中心”的教育理念；文獻[25]認為區塊鏈技術特性使得其在學習成績記錄與追溯方面具有很好的應用價值，從而在教學管理的評價體系上具備很好的科學性與實踐性；文獻[26]認為區塊鏈技術可以和高校教學過程相結合，建設參與度高、資源廣泛的教學課程系統；文獻[27]指出基于區塊鏈技術構建的教育教學資源平臺，有利于實現教學資源的自增長，使教師能夠主動分享課件、視頻、大綱等教學材料；文獻[28]認為結合區塊鏈技術、云文件技術，提升上傳文件質量，可以有效解決區塊鏈數據存儲空間的問題。

高校教學管理督導檔案包括周教學檢查、教學計劃和開課教案、學期教學檔案檢查、聽評課、教學異常處理、教學反饋、評教等材料。文獻[29]建議在高校教學督導檔案管理中嵌入區塊鏈技術，利用區塊信息不能被篡改的特性保障教學督導檔案真實性的需求。

2.3 “區塊鏈+教育”應用場景

從現有研究文獻分析，國內外均已有“區塊鏈+教育”項目正式運行。

尼科西亞大學于2014年頒發了數字貨幣碩士學位證書；麻省理工學院運用區塊鏈技術開發了證書平臺；索尼公司建設了基于區塊鏈的學習和認證平臺；霍伯頓軟件工程學院使用區塊鏈記錄畢業證書；巴塞羅那大學教育區塊鏈平臺記錄了學生學習過程。

國內一些基于區塊鏈的教育應用場景也已應用。國內首個校園區塊鏈項目在中央財經大學成功運行；北京航空航天大學與北京大學聯合實現了北航鏈；清華大學聯合全國多所高校共建了青藤鏈。

綜上，區塊鏈技術由于其結構去中心化，數據具有可信、無法篡改、時序等特點，在高校教學管理中具有較強的現實應用意義，尤其是在頒發可信的學歷證書方面，不僅有眾多的理論研究，類似的應用項目也在國內外實際場景中得以運行。在高校教學管理中融合區塊鏈技術的研究，目前包含了成績管理、學業證書、學籍檔案、教學資源以及針對教學管理的督導檢查等方面，這些研究文獻對區塊鏈技術與教學管理的結合進行了探究，指出了這種結合具有的前景和實踐意義，但是在數據交易形式、網絡結構、共識機制、激勵機制以及數據存儲等細節方面較少涉及，而這些研究又恰恰是建設一個完整的系統所不可或缺的內容。因此，本文試圖在這些微觀方面進行探究。

3 基于區塊鏈實現可信的高校教學管理系統

區塊鏈技術與高校教學管理系統相融合，可以實現數據可信的教學管理平臺，將在證書頒發、成績查詢等方面具有權威性。

3.1 系統架構

高校教學管理系統屬于高校內網運行的軟件平臺，數據的上鏈、存儲主要由位于校園內網的節點完成。同時，結合畢業生及用人單位對證書、成績等信息的查詢需求，在設計系統架構時需要考慮到外網或者公網設備的訪問請求。

3.1.1 網絡架構

區塊鏈系統是基于現有校園網、通過軟件以P2P 協議完成數據傳輸的一種虛擬的網絡架構，屬于內網教育鏈。高校內部運行的軟件系統，選用校園內教學管理部門、教學院系、教師及學生的計算機或移動設備作為區塊鏈節點運行，組成內部的區塊鏈系統。教學管理部門、教學院系的計算機作為區塊鏈的全節點（Full Node，FN）存儲全部區塊數據，教師及學生的計算機或移動終端可以是全節點也可以作為輕量級節點（Light Node, LN），輕量級節點僅存儲數據的哈希值。

內網教育鏈的結構比較簡單，教育鏈全部由內網節點構成。鏈上數據除了可由內網節點訪問外，從應用的角度，還應考慮存在外網節點訪問的需求，比如基于證書管理的應用，學生畢業后，畢業證書上鏈，學生或用人單位需要時，可以直接通過公網查詢，這就涉及到外網節點的訪問功能。網絡結構如圖1所示。

圖1：可信高校教學管理鏈網絡結構

在圖1 的網絡結構中，內部網絡由FN 和LN 兩種節點組成。FN 由教學管理部門以及教學院系的管理人員的計算機設備承擔，也可以包括部分愿意擔當FN 的教師設備，FN 設備的特點是24 小時在線、存儲空間大；LN 是教師設備和學生設備，只在需要時上線，僅存儲數據的哈希值，存儲空間不需要很大。為了實現公網節點在需要時訪問教學管理區塊鏈的數據需求，需要在內網選擇1-2個FN 作為邊界節點，通過IP 地址映射實現公網到內網的訪問。這種方法是把校園網內部節點的私有IP 地址在防火墻上映射成公網IP 地址，公網設備訪問的是經過映射后的公網IP。

3.1.2 體系架構

可信教學管理系統是基于區塊鏈技術的應用，其底層架構是區塊鏈技術，如圖2所示。

圖2：可信教學管理系統體系結構

圖2 的體系結構由提供技術支撐的底層區塊鏈技術、實現數據上鏈存儲的觸發機制、教學管理中的應用場景及完成應用數據互聯的接口層4 部分組成。

（1）應用層。應用層包括了高校教學管理的8 個基本功能，分別是：成績管理、證書頒發與查詢、學籍檔案管理、共享教學資源、學生在校期間的獎懲信息、教學過程評價、課程管理以及教師的教學成果管理。

成績管理：記錄學生上學期間的考試成績。當學生需要查詢成績單時，可以通過移動終端直接查詢。

證書管理：記載學生在上學期間獲得的畢業證書、學位證書以及各種培訓證書。當用人單位需要驗證證書時，基于區塊鏈的平臺可以提供有公信力的證書查詢。

教學資源：教師教學過程中形成的優質教學資源，包括MOOC、教學課件、教學案例、學習資料等。

龍血樹(Dracaena cambodian)屬于百合科龍血樹屬，樹葉為線狀披針形，簇生于枝條頂端，樹形極具特點，可塑性強，可以根據人的意愿塑造出不同形狀，樹干古樸滄桑，同時還能在頂部萌發新枝，給人一種沉穩而不失朝氣的感覺，且十分耐陰，可在室內盆栽多年仍然綠意盎然，是園林綠化及家庭盆栽的名貴樹種，具有很好的觀賞價值。同時藥用價值極高，具有止血、生肌、行氣等功效。

學籍檔案：記錄學生的學籍信息。

教學評價：針對教學過程中的評價情況，包括教師對學生的評價、學生對教師的評價以及督導的教學評價上鏈存儲。

獎懲信息：學生在上學期間的任何獎懲信息均存儲在教學管理鏈上，任何時刻均可提供具有公信力的學生誠信查詢。

課程管理：記錄學生課表及授課教師。

教學成果：教師的教學成果均可上傳至教學管理鏈，基于時間戳的記錄可有效保護成果版權。

（2）接口層。接口層是不同應用間數據交互的訪問點，可以提供查詢、數據采集等功能。

（3）合約層。智能合約是可按照約定條件自動運行的軟件，通過在程序中提前設置運行條件，觸發約定操作。合約層通過智能合約的自執行能力觸發數據上鏈或數據交易行為。

（4）區塊鏈技術層區塊鏈技術層包括P2P 網絡、數據傳播機制、數據的處理和存儲子層、節點間達成共識選舉記賬節點的共識機制以及激勵節點積極參與的激勵機制。

3.2 共識機制

共識機制是區塊鏈的核心創意之一。在區塊鏈系統中，共識機制解決了分布式節點間的一致性問題。所謂共識，是指在分布式組網結構中，彼此互不信任的多方節點通過信息交互，達成一致的過程[30]。區塊鏈系統的共識就是多數節點認可某節點的記賬權利，實質就是通過共識機制選舉記錄節點的過程。

1999年，Castro 等人提出了實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT）[31]共識算法，該算法將拜占庭容錯（Byzantine Fault Tolerance, BFT）的計算復雜度由指數級降到了多項式級，使其能夠應用在實際系統中，當系統故障節點數小于節點總數的1/3，PBFT 都可以正常運行[32][33]。區塊鏈的內部組網形式或聯盟形式多采用技術成熟的PBFT共識機制或其相應的變種實現共識。

3.2.2 PBFT共識過程

PBFT共識過程包括五個階段，分別是請求（request）、預準備（pre-prepare）、準備（prepare）、提交（commit）、回復（reply），如圖3所示。在系統中，預設教學管理部門節點、院系節點及成為FN 的教師節點可以參與成為主節點的選舉。

圖3：PBFT共識過程

PBFT共識機制的特點是收斂速度快，能夠較短時間內達成共識。但其需要在一個封閉的節點集合中兩兩節點進行通信，比較適用于聯盟鏈或私有鏈，是在聯盟鏈或內部鏈中使用最多的共識機制。

3.3 區塊結構

可信教學管理鏈的區塊包含區塊頭（Block Header）和區塊體（Block Body）兩部分。區塊體由一定時限內每個節點上鏈的數據以交易的形式組成。區塊頭由所有交易的Merkel 根、父區塊哈希（每一區塊只有一個父區塊）、本區塊哈希、時間戳、賬戶信息以及版本號等基本信息構成，如圖4所示。

圖4：區塊的基本結構

3.4 數據模型

可信教學管理鏈的數據模型采用賬戶形式實現。賬戶類型包括：班級賬戶、學生賬戶及教師賬戶。其中，教學管理部門及院系均采用教師賬戶形式。

采用賬戶形式存儲數據的原因是賬戶的形式與教學管理的數據分類有較強的匹配性。在高校教學管理中，課程、學生的組織形式是以班級為單位體現的，所以設置班級賬戶，而無論教師還是學生在學習或教學過程中，數據的記載是以個體形式存在的，所以分別設置了學生及教師賬戶。

班級賬戶存儲屆別、專業、班級、課表等信息；學生賬戶存儲學生在上學期間與個人相關的一切信息；教師賬戶除包含教師的個人信息外，還包括教師課表、教學資源、評教信息以及教學成果等。

3.5 數據存儲

3.5.1 可信教學管理涉及數據

高校教學管理所涉及數據類別較多，基本涵蓋了教師與學生兩大教學主體的大部分信息。本文設計的可信教學管理系統，僅選擇以下信息存儲于教學管理區塊鏈系統：學生的學籍信息、課程信息、成績信息、證書信息、獎懲信息、評教信息、教師的教學計劃及教學資源。

3.5.2 存儲原則

出于存儲空間的考慮，本系統并不把所涉數據全部上鏈存儲。數據上鏈存儲的原則是只存儲相對簡單的數據，如證書、成績、獎懲、個人基本信息等等，像教學資源等需要占用較大存儲空間的數據只計算數據的哈希（Hash）值上鏈存儲，具體數據在鏈下存儲。

出于盡量減少數據修改的原則，對可能會存在修改的數據，比如學生成績（存在誤判、核分錯誤等情況），將暫存在鏈下數據庫，延遲一段時間以滿足數據修改的需要，再將信息上鏈存儲。

3.5.3 數據操作類型

可信教學管理鏈對數據的操作可以分成讀操作和寫操作兩類（數據的修改和刪除都可以歸納為寫操作）。讀操作不建立區塊數據，主要用于對系統數據的查詢，如學生查詢證書或成績信息；寫操作要建立區塊交易信息，主要是對數據的寫入，如數據上鏈存儲。

對于確實需要修改的區塊數據，在鏈下數據庫對數據進行修改操作，加時間戳及修改標記，同時將該修改操作以一筆寫操作的形式上鏈交易。查詢數據時，先在鏈下數據庫查詢，如果數據有修改標記，上鏈查找該數據的Hash 值，查詢時要包括修改數據的最新時間戳，同時驗證時間戳和數據的Hash 相符才確定數據正確。刪除操作，先針對鏈下數據庫數據刪除，同時上鏈此刪除操作，方式是作為寫操作建立一筆新交易，即將該數據交易記錄為刪除標記。當用戶查詢該條已被刪除的記錄時，首先會發現鏈下沒有數據，接著查詢鏈上，如果有刪除標記，則意味著該數據已被刪除。

由于數據的修改和刪除操作是對鏈下的數據庫進行，因此，數據查詢時，先查詢鏈下數據庫數據的狀態，然后查詢鏈上區塊的情況，通過比對驗證數據的修改和刪除以確保數據沒有被篡改。

4 結語

區塊鏈技術從2009年的比特幣開始運行至今，證明其具有極高的安全性、穩定性，是可信、可用的。然而，為了確保數據的可靠性，區塊鏈的不足也十分明顯，一是系統并發效率較低；二是隨著應用的推移，FN 所需存儲空間呈現快速增長；三是區塊鏈的匿名性，將給監管帶來極大挑戰。

本文針對現有研究較少涉及的問題，設計了基于區塊鏈技術的高校教學管理系統，在理論上拓寬了區塊鏈在教育領域的應用場景，為區塊鏈在教育領域的實際應用提供了新思路。