基于區塊鏈技術的在線學習評價模型研究

周羽鑫，張剛要

（南京郵電大學教育科學與技術學院，江蘇南京 210023）

0 引言

2020 年初，受新冠疫情影響，學生居家學習成為常態。為了滿足疫情防控需要、響應教育部“停課不停學”的號召，各地學校推出不同在線學習課程，以保證學生學習進度。然而，在線學習評價尚未形成規范，學生學習數據真實性和有效性、評價主體與主動性等因素對評價結果存在不同程度的影響。2019 年4 月，美國高等教育信息化協會（EDUCAUSE）頒布的《地平線報告》（2019 高等教育版）提出，區塊鏈是推動教育變革的六大技術之一［1］。2008 年中本聰［2］最早提出區塊鏈的概念，最初它屬于比特幣應用的底層技術，而后逐漸脫離比特幣，開始在金融、征信、產品溯源、版權交易等領域嶄露頭角。區塊鏈技術具有去中心化、開放透明、支持智能合約、數據不可篡改且可追溯等特征，可為解決在線學習評價中存在的問題提供新思路與技術支持。

1 相關研究工作

1.1 在線學習評價研究

國內外學者對在線學習評價進行了持續探索，大致發展出3 種典型的研究框架。

（1）觀察學生在線學習狀態，采集數據進行評析。Hummel 等［3］認為無線通信移動設備可采集較為完整的信息，可從學習內容、學習狀態和自我評價等方面綜合考量，學習者的學習行為和學習狀態可在第一時間得到反映；鄭勤華等［4］認為理論應與實踐結合，建立以理論為磐石的五維度綜合評價模型，由投入程度、完成程度、主動性層面、調控度、聯通程度共同構成，強調需掌握學習行為聚合特征，并建構了初具雛形的計算模型。

（2）對學生在線學習行為的評價進行研究，如沈欣憶等［5］充分利用學習者在MOOCAP 中的在線學習行為數據，采用德爾菲法、專家排序法、專家工作坊等多種研究方法，構建MOOCAP 在線學習行為和學習評價模型；Morris 等［6］通過訪問計算機日志獲取學生參與頻率、參與時間等8 個變量，探討學習者在完全異步的網絡課程中的參與情況及其與持久性和成就感的關系，并提出采用多元回歸分析方法評估學生參與程度與預測成績的好壞。

（3）在線學習者在學習內容和形式上各有不同，有學者對此進行了深入研究。Outtaj 等［7］發現學習者、學習平臺自身和相互之間存在穩定的交互聯系，學習者在學習過程中角色不同，通過劃分角色，可設計出較穩定的學習行為評價標準，從而更加具有代表性；馬玉慧等［8］在前人研究理論成果上，提出同伴評價是學習行為評價的重要組成部分。從學習者產生影響角度出發，確定同伴評價真實性可從網絡身份標識、反饋完整和成體系的評價規定等方面著手，并通過實證研究的方法，驗證這些關鍵因素對在線同伴評價的重要作用。

綜上所述，國內外學者針對在線學習評價的研究已取得一定成果，但還是存在以下不足：①目前對于在線學習行為評價方面的研究，大多通過收集在線學習平臺上學生的各種學習數據，經過數據處理和分析后進行研究，但學習行為數據龐大復雜，需耗費大量人力物力進行梳理；②在線學習平臺沒有實時監控功能，學生可能通過作弊手段完成學習步驟，在線學習數據真實性無法得到有效保障，在線學習評價結果信度不高；③目前，在線學習評價結果基本由任課老師決定，針對同伴評價的研究雖已引起研究者關注，但學生在整個評價過程中還是處于被動狀態。

1.2 基于區塊鏈技術的在線教育評價研究

目前關于區塊鏈技術如何與教育行業實現深度對接已積累了基礎性研究成果，理論上證明了“區域鏈+教育”模式可行性，但未有大規模實證研究。

在線教育評價應用方面的研究主要集中于應用區塊鏈技術跟蹤學生的操作數據，保證數據透明性等方面。如Li 等［9］開發了基于區塊鏈的數字操作技能評價系統，教師可利用數字教育操作系統檢查學生學習成績和教育質量，區塊鏈技術可簡化系統流程，提高效率，避免信息不透明和偽造等問題；Zhao 等［10］構建了一個基于區塊鏈技術的學生能力評價系統平臺，通過區塊鏈技術實現系統平臺對學生能力評價全方位無死角的的監管，并實現24 小時完全監控追蹤，對學生在課程、培訓、競賽、實習等活動中的學習成績進行分析，客觀評價學生專業能力，以期為學生就業提供合理的建議。該研究證明區塊鏈技術可為教育評價過程安全性和可信度提供強有力的技術支持。

總體上區塊鏈應用于在線教育評價的研究還處于初步探索階段。主要因為：①區塊鏈在教育領域的實際應用較少，技術發展還不成熟；②相關政策還不完善；③現有研究多為宏觀視角，關于區塊鏈在教育中的應用研究較少。本文以在線學習評價模式存在的問題為著眼點，從學習者身份認證、學習者日常學習行為記錄、學習者階段與期末測試及第三方評價等不同角度探索區塊鏈技術融入在線學習評價的方法，促進區塊鏈技術在教育領域進一步發展與相關法律法規的完善。

2 模型實施方案

在線學習評價模型多個環節涉及學習者數據存儲，包括學習者身份認證時的個人信息存儲、學習者日常學習中的學習數據分布式存儲、學習者在階段測試和期末測試中的考試成績存儲及在線學習評價結果存儲。本文評價模型結構設計分為學習者應用交互層和區塊鏈層，如圖1 所示。

Fig.1 Online learning evaluation model based on the blockchain圖1 基于區塊鏈的在線學習評價模型

2.1 模型結構

2.1.1 學習者應用交互層

縱觀整個系統，最上層的結構由學習者應用交互層占據，這是一種與學習者進行直接交互的層次，能夠通過用戶操作接收和反饋信息。此外，它還負責將學習者數據（即與學習者學習評價數據相關的信息）封裝成“事務”提交到每個節點，然后傳輸到區塊鏈。

2.1.2 P2P 網絡節點

塊鏈層包括P2P 網絡節點和底層塊鏈，P2P 網絡節點用于接收來自學習者數據應用層的封裝“事務”，并驗證“事務”，最后所有節點都將支持新的塊。區塊鏈用于存儲所有“事務”，即學習者在線學習評價數據。塊鏈層的上層是P2P 網絡節點，區塊鏈中的數據在P2P 網絡中傳輸，為了提高在線學習評價可信度，節點設置可包括各院校和相關教育部門。各院校和監督教育部門可隨時查看系統發布的信息，從而增強在線學習評價系統可信度。

2.1.3 區塊鏈創建

在塊生成之前，接收“事務”的節點需驗證事務是否合法。從區塊鏈技術的角度，整個評價過程可以被視為“交易”，驗證成功之后新區塊迎來“交易”。新區塊哈希值由節點計算確定，哈希值具有唯一性。節點負責新區塊運送，新區塊在節點之中轉移，層層驗證，能夠確保“交易”安全性。如果新區塊被批準，它將被添加到鏈中。隨著合法交易數量的增加，區塊鏈規模將越來越大。

2.2 模型實現機理

2.2.1 公鑰與私鑰的使用

區塊鏈在線評價模式要求公鑰和私鑰必須承擔驗證條件的任務，不論是“事務”的接收和發送均需經過檢驗。在這個系統中，所有參與者都會得到一對秘密鑰匙。私鑰是個人身份證明，在寫入“交易”時，私鑰作為數字簽名寫入交易，以確認“交易”發送者身份。公鑰相當于1 個帳戶，在向另1 個節點發送“事務”時，接收地址寫入收件人的公鑰，收件人必須使用自己的公鑰解鎖事務。每個學習者都有1 個公鑰，學習者在線學習評價結果可以通過公鑰查詢。如果公鑰可以用來查詢學生信息，這表明學習者在線學習評價結果已成功存儲在區塊鏈上。

2.2.2 “交易”機制

在線學習評價系統傳達的信息被封裝成1 個虛擬資產，用于“交易”，學習者、教師、學校和教育局都是“交易者”。學習者創建虛擬資產，如學生姓名、學號和專業，將上述信息封裝成“交易”，用私鑰生成數字簽名，并將“交易”發送給教師，“交易”接收方帳戶是用于解鎖接收到的“交易”的教師公鑰。在驗證學生身份后提取學生姓名、學號、專業3 個核心字段，并對學習者姓名、學號、所學專業、課程成績等信息進行創建，并作為“交易”發送至學校，學校收到老師的“交易”，用自己的公鑰解鎖學習者在線學習評價結果后，學校將學生姓名、人數、專業和在線學習評價結果作為“交易”提交教育監管部門。因此，在這個系統中，教育部門不僅是網絡中的節點，也是“交易”主體。

2.3 模型優勢

2.3.1 學習者學習數據記錄與共享

通過總結現有研究可以發現目前在線學習評價主要是收集學生在線學習數據進行集中管理與分析。以這種方式進行在線學習評價，不僅效率低下，而且可能遭遇數據泄露和濫用的危險。區塊鏈存在眾多節點，節點層疊形成網狀節點，成熟的區塊鏈技術不依賴第三方硬件設施支持，沒有中心集中制管理，記錄形式分散，各個節點交互對信息進行刻錄和傳遞［11］。應用區塊鏈技術可將數據和計算分布到世界各地可供分享的網絡節點中，不需要中心服務器，可以通過點到點網絡通信協議建立起可信的數據交互，從而實現學習數據分布式存儲和去中心化管理［12］。因此區塊鏈作為一種賬本，對第三方存儲平臺依賴性不強。在本文在線學習評價模型中，利用區塊鏈分布式存儲技術，可以全過程記錄學習者在網絡學習空間中的學習過程、學習成績及其他評價結果，在保證學習者學習數據被高效且完整記錄的同時，避免了學習者數據被泄露的風險。學習者學習數據真實且完整的記錄為后續客觀公正的學習評價提供了具有較大參考價值的數據來源，也使最后評價結果有跡可循，使評價結果具有可信度。

2.3.2 學習數據防篡改性

本文基于區塊鏈技術的在線學習評價模型可解決在線學習數據被偽造的問題。區塊鏈技術本身具有共識機制和智能合約技術，這使學習記錄一旦生成無法被改動，數據可靠性大幅提升。區塊鏈技術允許在一定條件下大數據向小區塊拆分，小區塊利用哈希函數被更小的哈希值代替，更好地被存儲在眾多區塊的塊頭中，任一修改都會在哈希值上留下痕跡，下載時數據可從多個節點同時獲得［13］。而且，由于沒有中心服務器，節點不會受到干涉和影響，被攻擊的機會小，因而安全性和效率均比較高。同時在本文在線學習評價模型中，從學習者身份驗證、學習者學習數據到階段和期末測試均嚴格把控，從各環節保證了學習數據真實性。

2.3.3 評價數據透明性

區塊鏈技術支持分賬類查詢，權限開放給全部使用群體，并且支持按照時間順序查詢交易信息、更改信息或者對信息進行更改。因為區塊伴生時間戳，所以區塊追溯結果一般較為完整，難以遺漏［14］。在本文在線學習評價模型中，學習者在學習過程中的表現被完整記錄下來，方便學習者隨時查詢自己的學習進度，這對自我評價有積極意義。學習者能夠監督自己的學習，學習數據按照規定的時間節點被整理存儲于學習管理數據庫中，以便使用在線學習評價系統中的師生及時掌握學習或教學狀況。

為解決在線學習中學生被動性問題，本文在線學習評價模型加入第三方評價，各個評價單位共同對評價結果進行監控。在必要時，還可以加入學習者小比例的自我評價，不僅能讓學習者對自己的學習情況有所了解，而且學習者在整個學習評價中可占據主動位置。

3 基于區塊鏈技術的在線學習評價流程

基于區塊鏈技術的在線學習評價模型，在線學習評價流程為：①學習者登錄平臺并進行身份認證；②在學習者學習過程中，區塊鏈技術對學習者學習數據進行分布式管理；③學習者在學習中接受階段性測試和期末測試；④利用智能合約技術，教師和第三方評價單位形成對學習者的綜合評價；⑤利用區塊鏈技術對學習者學習成果進行認證。如圖2 所示。

Fig.2 Online learning evaluation process based on block chain technology圖2 基于區塊鏈技術的在線學習評價流程

3.1 學習者身份認證

在虛擬的網絡環境中，沒有面對面的教學和互動，教師和學生可能素未謀面，學習者身份辨認存在較大難度。密碼學是區塊鏈一重要技術組成，尤其是橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）發揮著核心作用，以此區塊鏈實現了P2P系統設計，擺脫了中心控制［15］。學習者在進入學習平臺學習之前，在平臺進行身份注冊，提交個人有效的身份證明與學習者指紋數據。這些學習者身份信息將通過區塊鏈私鑰自動存儲在系統中，當學習者進入平臺進行學習、測試和學習成果認證時，可根據這些信息對學習者身份進行認證，并且區塊鏈技術可防止學習者身份信息泄露。

3.2 學習者平時學習數據分布式管理

區塊鏈技術分布式特征使教育機構能夠追蹤學習者學習行為，這種監測不會受到空間和平臺的限制，而且無需借助中樞存儲機制即可實現，學習者考試之前的學習行為數據能夠完整全部保存下來。數據被記錄后立馬上傳云端，任何刪改行為都不被接受，學習者借助這些數據可以保證自己學習過程真實存在。在線學習評價主要從知識和互動兩個層面著手，知識維度主要是指學生作業完成程度、資料是否下載和學習時間等，該維度數據可直接說明學習者是否進行學習和學習步驟的完成程度。互動主要包括論壇發帖數、與教師的交互數據等。與教師的交互數據主要指在課堂中回答問題的頻率與課后向老師提問的頻率，互動數據主要代表學生協作學習的能力與對課程知識認真學習的程度。

3.3 階段測試與期末測試監測

傳統考試中，教師可對考場中的學習者進行統一管理和監督。但學生應對在線學習測試往往有多種作弊手段，誠信原則往往不能徹底貫徹。根據美國教育合作組織調查結果表明，接近40%的學校應用技術手段杜絕作弊手段［16］，比如，虛擬監考防止代考行為。本文在研究在線學習評價模型過程中，利用ID 及指紋認證等方式對學習者身份進行可靠驗證，使用視頻錄像全方位維護考試秩序和誠信原則。在這個過程中，使用軟件阻止考生在考試過程中打開其他軟件或網頁瀏覽器，并且教師將通過網絡攝像頭對學生進行實時遠程監考。這種虛擬監控通過模仿教室中的真實體驗，比現場監控考場的效果更佳。

3.4 第三方評價

區塊鏈技術去中心化特點使第三方主體有更大的發揮余地。區塊鏈技術獨創了智能合約技術，使在沒有人工干預的情況下，也可處理非常復雜的交易，交易效率可得到質的飛躍，也就因此，交易流程更加簡短，交易成本進一步縮減［17］。在線學習評價模型中，評價的第三方組成多元化，專家、教師、學生、家長等主體均參與在內，共同飾演第三方角色。區塊鏈機制使第三方成員成為網絡節點，節點之間并不以一定節點為先，互相平等的地位使共識可更加輕松地達成。P2P 網絡使共識之后的傳送更加便捷，這意味著第三方多元化真正具有積極作用。在這個模型中，在平臺中學習的學習者是評價對象，根據課程要求，學習者、教師、第三方評價單位、教育行政部門均可在區塊鏈中提出評價指標，在達成共識后，以代碼的形式安裝在區塊鏈中，形成智能合約。只要被評學生信息不違背智能合約標準，智能合約技術就會自動發揮作用，數據信息被寫入區塊鏈中，其中不需要任何人工操作。

3.5 學習成果認證

第三方評價由專家和家長等多個主體構成，對學習者測試分數和平時表現等進行綜合性考評，教師和第三方評價單位結果在最終評價結果中占有一定比重。學習評價結果通過區塊鏈公鑰存儲起來，學習者可以在任意時間和空間查看評價結果進行自我評價反思，并且平臺可根據各課程評價結果，給學習者頒發相應證書。區塊鏈技術可根據時間戳完整保存證書中的學習者個人信息、課程內容、頒發日期等，并可以保證證書內容真實性。學生的學習證書可作為教育記錄被永久保存，不僅可以供學習者未來的學校或雇主查看，還可為個人終身學習提供可能，促進個性化學習。

4 結語

人工智能深度學習、大數據、云計算等技術促進了在線學習方式的變革，為學習者提供從世界各地獲得知識與教育的機會。深度學習等技術有利于在線課程設計與開發，促進學生在學習過程中的交互，實現資源合理規劃。人工智能技術大幅提升了在線學習質量，而區塊鏈技術可使在線學習合法化。教育評價是學科建設與拓展的重要環節，在大數據時代，在線教育評價該從哪些方面著手，與傳統辦法之間沒有明顯區別，因此目前在線教育評價面臨著重重困難，對新技術的需求日益迫切。

本文通過對當前國內外在線學習評價模型優缺點進行對比總結，深度分析區塊鏈技術融入在線學習評價模型的相關優勢，構建了一種基于區塊鏈技術的在線學習評價模型，利用區塊鏈技術，解決目前在線評價模式中的學習數據收集困難、學習數據不真實、學習者處于被動位置等問題。從學習者身份認證、學習者日常學習行為記錄、學習者階段與期末測試和第三方評價等不同階段探索區塊鏈技術融入在線學習評價的應用細節，為區塊鏈技術融入在線學習評價模式提供新的研究視角。

區塊鏈技術融入教育領域的相關研究還處于初步發展階段，實證研究較為鮮見，需結合我國國情，深入目前區塊鏈技術發展熱點與難點問題，制定適當可行的法律法規加以規范和引導。本文從理論角度剖析了將區塊鏈技術融入在線學習評價中的方法，下一步將推進模型在實際教學中的應用。