區塊鏈技術在高等教育中的應用研究

葉潤欣，徐水晶

（南京郵電大學教育科學與技術學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

2020 年初由于受新冠疫情的影響，全國的教育教學工作無法在學校中順利開展。為了保障各級各類學生在疫情中也能夠接受教育，教育部發出了“停課不停學”號召，以保障學生在家也能夠學習。“釘釘”“騰訊會議”等互聯網平臺為保障教育教學工作的正常進行發揮了巨大作用，同時這也是“互聯網+教育”的重要成果展示，表明我國教育信息化和智能化水平邁上了新的臺階。但是，這些互聯網平臺在應用過程中也出現了一些問題，如：各學習平臺資源不能共享、平臺間學習成果難以互認、在線學習視頻的版權糾紛、個人隱私數據容易泄露等，這些問題都是進一步推進我國教育現代化和信息化的阻力，但是區塊鏈技術將為上述問題的解決提供一個新的穩定可靠的路徑。

區塊鏈技術作為一項被認為是“有望像互聯網一樣徹底重塑人類社會活動形態，并實現從目前的信息互聯網向價值互聯網轉變”［1］的核心技術，對我國高等教育的影響巨大。2016 年10 月，工信部頒布《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書》，指出“區塊鏈系統的透明化、數據不可篡改等特征，完全適用于學生征信管理、升學就業、學術、資質證明、產學合作等方面，對教育就業的健康發展具有重要價值”［2］。2020 年，教育部印發的《2020 年教育信息化和網絡安全工作要點》提到“探索區塊鏈技術在學生在線學習、教師在線授課行為記錄和認定等方面的應用，建立可擴展、具有公信力的在線教學評價新模式”［3］。從國家發布的一系列政策文件中可以發現，區塊鏈在教育領域中的應用將會越來越廣泛。

1 區塊鏈內涵及特點

1.1 區塊鏈概念

區塊鏈技術起源于2008 年化名為中本聰的學者所發表的論文《比特幣：一種點對點的電子現金系統》（Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System）［4］，在 這 篇 論 文 中“區塊鏈”的概念首次被提出。區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊用類似鏈表的方式組成的數據結構，并以密碼學方式保證不可篡改和不可偽造的分布式去中心化賬本，能夠安全存儲簡單、有先后關系、能在系統內進行驗證的數據［5］。其在2019 年中國信通院發布的《區塊鏈白皮書》中被定義為一種由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術，也稱為分布式賬本技術（Distributed Ledger Technology）［6］。從技術角度看，區塊鏈是技術的集成創新，包括共識機制、分散式賬本、點對點交易等新興技術，從這項技術背后所蘊含的意義來看，它是智能革命時代的技術跨越，意味著一個新的信用時代的開啟，新型的信任關系將被建立，為未來技術發展提供了重要支撐。

1.2 區塊鏈特點

區塊鏈作為比特幣的底層核心技術具有去中心化、開放性、可回溯性、匿名性、安全性的特征。

（1）去中心化。區塊鏈技術以P2P 網絡作為支撐，各節點以點對點的方式進行數據傳輸和交換，而不再依賴于中心服務器和第三方機構，使得資源的交互和共享更為便捷和透明，有效提高資源交換和傳輸效率。

（2）開放性。除被加密處理過的私有信息外，系統中所有數據信息都公開透明，任何人都可以通過公開的接口查詢系統內的數據和信息，保證了系統的開放性。

（3）可追溯性。簡單而言，區塊鏈技術是將各區塊采用鏈式方式聯結在一起形成一條長鏈。區塊中包含交易記錄、時間戳、父哈希值和本區塊的哈希值等，上一個區塊的哈希值和本區塊的哈希值連在一起，使得區塊與區塊間環環相扣，再結合時間戳就有助于追溯數據信息的形成順序，以防止數據信息被篡改和偽造。

（4）安全性。區塊鏈技術利用哈希算法等，借助非對稱數字加密技術對交易進行數字簽名，通過工作量證明（Proof of Work，PoW）、拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）等共識協議減少偽造交易、篡改數據等事件，保障了區塊鏈的安全。

（5）匿名性。基于哈希非對稱密碼機制，在使用區塊鏈技術進行交易時用戶無需委托第三方，也不需要將用戶個人的真實信息存儲在中心服務器中，僅需使用私鑰標識其虛擬地址，因此在使用時可以在極大程度上保護用戶隱私安全。

2 “區塊鏈+高等教育”應用困境

區塊鏈在我國教育領域的應用起步較晚，我國的“區塊鏈+教育”尚處于萌芽階段。2016 年7 月，中央財經大學和世紀互聯共同啟動區塊鏈合作項目，設立了國內第一個基于區塊鏈的校企實驗室，同時作為國內第一所大學開設區塊鏈相關課程［7］；2018 年，中國建立了第一個大數據教育區塊鏈測試區——京津冀大數據教育區塊鏈測試區［8］。與此同時，雖然在實踐中已經產生了運用區塊鏈解決問題的案例，但是區塊鏈技術目前并沒有達到高度成熟。區塊鏈技術在教育領域面臨著變革動力缺乏、教育數據存儲遭遇瓶頸、隱私安全存在隱患、虛擬教育數據產權尚未明確等問題。

2.1 變革動力缺乏

與其他領域相比，信息技術與教育的融合尚不深入，大多數教師、學生、家長等教育參與者對區塊鏈的概念還不太熟悉，更不用說區塊鏈技術的具體操作應用。他們是否準備好了去接受并將這項先進的技術運用于教學活動中不得而知，區塊鏈技術能否提高教育績效沒有能夠被證實，人們是否需要借助不可輕易篡改和永久保存的技術記錄自己的成長過程等問題還有沒有明確的答案。此外，如果在教育領域廣泛使用區塊鏈技術，區塊鏈技術中的去中心化特點很有可能取代教育中傳統第三方機構的位置，對其產生強烈的沖擊并令其蒙受利益損失。因此，各方都對區塊鏈在教育領域中的應用保持著謹慎態度，缺乏變革的推進動力。

為了促進區塊鏈在高等教育領域中的順利應用，本文提出以下幾點建議：①構筑先發優勢，依托“新工科”建設工程在高校開設區塊鏈課程，高校和企業加強校企合作以培養符合市場導向的新興科技人才，為我國今后對區塊鏈的深入研究、核心技術突破打好堅實基礎；②政府部門出臺相應的法律法規，根據實際情況制定區塊鏈技術在教育領域的應用標準與規則，對各利益相關者制定切實可行的利益劃分方案，合理處理好各方利益問題；③加強引導公眾對區塊鏈技術的了解，以減小區塊鏈推廣運營阻力。

2.2 教育數據存儲遭遇瓶頸

盡管區塊鏈技術在高等教育領域中有著廣闊的應用前景，但是技術的不成熟限制了前進的步伐。區塊鏈運用鏈式累加的方式記錄數據信息，因此要想在區塊鏈中存儲數據信息，就需要下載并存儲記錄了區塊創建以來所有的交易信息“創世塊”（Creation Block）。然而，在信息化時代，各級各類學校的學生所產生的教育數據體量龐大，區塊鏈中存儲的信息越多，對區塊鏈的存儲空間要求就越高。因此，要保障所有師生和相關部門的數據信息能夠順利存儲，并達到實時上傳、更新的效果，則需要具有高擴展能力和高吞吐量的系統。而目前的數據存儲空間還未達到相應要求，在實踐中難以滿足用戶實時上傳、共享、更新等現實需求。

積極探索擴容途徑，使區塊鏈與其他存儲技術形成互補的協同效應是解決區塊鏈容量受限問題的有效途徑。例如，為了實現動態的可擴展性，以太坊采用分片方法將整個區塊鏈網絡劃分成為許多個大小相同的分片以解決容量不足問題；Hyperledger Fabric 采用多通道技術將整個區塊鏈網絡劃分為多個邏輯上的通道，每個節點根據自己的實際需要選擇加入相應通道；McConaghy 提出巨鏈數據庫（BigchainDB）的概念，即去中心化數據庫，數據信息可以達到每秒百萬次寫入，數據存儲量以PB 計算［9］。這些技術方法可以使全網處理信息的能力突破單個節點的限制，提升系統處理數據的能力，擴大存儲空間，滿足師生用戶實時查詢、管理數據信息的需求。

2.3 使用安全存在隱患

區塊鏈雖然采用了共識機制、加密算法等技術降低使用區塊鏈的安全風險，但是關于區塊鏈遭受攻擊等相關的安全問題仍頻頻發生。安全問題存在隱患，主要表現為以下3 個方面：①區塊鏈存在51%的算力攻擊風險，若系統中的惡意節點控制超過50%算力并發起相應攻擊，區塊鏈上的數據就有被篡改的可能，即使目前來看，攻擊成功的可能性在公鏈上較低，但是在節點相對較少的聯盟鏈和私鏈上，攻擊成功的可能性要更高，信息數據易被篡改；②區塊鏈技術雖然有匿名性的特點，具有一定的隱私保護能力，但是針對現有區塊鏈快速發展起來的一些跟蹤和分析技術仍然會威脅到個人的隱私安全，致使信息泄露；③丟失和泄露私鑰，私鑰能夠認證區塊鏈上的交易與數據信息，目前還沒有技術能恢復丟失或泄露的私鑰，如若丟失或泄露，個人信息財產將會面臨損失。

面對區塊鏈應用在高等教育領域中產生的安全挑戰，應制定合理的機制保護數據安全：①在構建聯盟鏈和私有鏈時，在全網合理配置節點，謹防個人或機構出現51%的算力攻擊系統；②設置管理權限，通過利用非對稱加密算法對數據進行加密處理，使只有對應私鑰的用戶才能夠查看師生及教育部門的信息，以保護師生的個人隱私信息；③設計完善的私鑰備份機制，提高安全意識，以防私鑰丟失或泄露。

2.4 虛擬教育數據產權尚未明確

在傳統的高等教育模式下，教育數據資源的保管都是由相關的教育機構和部門負責，并不會發生教育信息數據的產權糾紛。但基于區塊鏈去中心化的特征，區塊鏈上的所有數據都是分布式存儲和記錄，不存在傳統意義上的某個單位或機構集中存儲管理教育數據，這使得虛擬教育數據的所有權和使用權模糊。如果這些問題不能夠妥善解決，區塊鏈技術在高等教育領域中的應用將寸步難行。

為了防止區塊鏈內所存儲教育數據因所有權、使用權等權利不清晰而產生一些問題，政府部門需制定教育虛擬數據歸屬標準體系，明確數據的歸屬權不歸屬于第三方平臺，而應該歸屬于教育管理部門、教師和學生。數據的使用應該得到所有者的授權，使用數據后所產生的收益需要制定明確的利益分配方案。只有制定好相應的規則和分配方案，才能夠減少甚至消除教育參與者及利益相關者的顧慮，促進區塊鏈在高等教育領域中的使用。

3 區塊鏈在高等教育中的應用展望

對高等教育而言，區塊鏈是一種能夠促進教育改革、重塑教育生態的新型技術。盡管目前區塊鏈技術尚未高度成熟，但是瑕不掩瑜，區塊鏈和高等教育的耦合也是高等教育未來的發展趨勢，它在教育信息管理、教育資源共享、終身學習體系、促進高等教育民主化4 個方面為高等教育帶來了新的發展契機。區塊鏈在高等教育中的應用路徑如圖1 所示。

Fig.1 Blockchain application path in higher education圖1 區塊鏈在高等教育中的應用路徑

3.1 基于區塊鏈的教育信息管理系統

3.1.1 教育信息存儲

隨著信息化時代的到來，教育信息的存儲方式發生了很大改變。曾經，學生大部分數據資料都是記錄在紙上，存在保存不便、容易丟失和容易篡改等問題。當信息化的浪潮涌向教育領域后，小到院系的數據管理平臺，大到國家級別的教育信息服務平臺，網絡和硬盤中記錄存儲了海量的學生個人信息、學籍資料、考試成績、實踐經歷等，個人隱私和數據安全成為新的問題。而區塊鏈作為一個分布式賬本，能夠將教育信息存儲在全世界數以萬計的網絡節點中，并基于區塊鏈技術的智能合約、共識機制，使得教育數據不僅不能夠被輕易篡改，還能夠減少教育平臺為建立數據庫所花費的成本。學習者的學習過程也會被記錄下來，基于此可建立起完整的智能檔案，關注學生發展。國外在該方面進行過積極探索，值得借鑒。2015 年，美國舊金山的霍伯頓學校（Holberton School）已嘗試用區塊鏈存儲教育數據，并宣稱從2017 年起，有關學業證書的記錄都將以區塊鏈的方式記載下來。尼科西亞大學（University of Nicosia）將學生的學習成果儲存在區塊鏈中，以保證信息記錄的安全可靠［10］。

3.1.2 學歷學位證書認證

區塊鏈通過非對稱數字加密技術以及共識機制實現數據信息的安全防篡改，通過時間戳實現數據的可追溯和永久儲存，從而為解決教育記錄的安全性、永久性、可信性提供了最佳路徑［11］。如果越來越多的政府部門、學校、企業使用區塊鏈技術認證學生的學歷學位信息、個人檔案等相關信息，將使偽造文憑的可能性微乎其微，學生們再也不用擔心自己的信息資料丟失或遭到篡改。同時，國際間的教育記錄認定將會充滿信任，也更加高效。美國麻省理工學院于2015 年開始研究基于區塊鏈技術的電子證書，并試圖將適用范圍擴散到除學生以外的更廣泛的社會群體中，使得學生個人的學習過程和學歷證書公開透明，減少認證成本。2018 年，世界上第一所區塊鏈大學伍爾夫大學（Woolf University）在英國牛津大學誕生［12］，這所大學沒有實體校園，所有的課程都是在線上進行。在學生修完所有課程并獲得學分后，便可以獲得國家承認的學位，學歷信息將會被記錄在區塊鏈中。

3.2 基于區塊鏈的教育資源共享系統

3.2.1 教育資源全球共享

區塊鏈有著去中心化和分布式存儲的特點，與以往傳統教育資源平臺不同的是，區塊鏈技術不需要第三方提供的信用支持或者平臺支撐就能在全球范圍內實現點對點的傳播。盡管MOOCs、維基百科等互聯網教育資源平臺席卷全球，降低了人們獲取知識的門檻，成為人類分享知識、課程的主流平臺，但仍然采用傳統基于平臺的用戶訂閱模式，各平臺間的資源互不流通，整個系統間的資源利用和效益并未達到最大化。而以區塊鏈技術為基礎，能夠打造一個資源互通、開放聯動的教育資源共享體系，實現全球的教育資源流動。教師可以在全球范圍內將自己的課堂視頻、學習資料發布至全球，學生可以將自己的教育經歷、學習工具、學習成果在網絡上分享，教育機構可以根據所共享的數據完善自己的課程計劃、學分制度等，有助于防止教育資源浪費，提升資源利用效率，解決“信息孤島”問題。

3.2.2 教育資源版權保護

在高等教育中，高校教師的教學課件、科研成果等智力成果被剽竊、抄襲、改編的案例不計其數。由于網絡監管薄弱、溯源較難，用戶個人為自己智力成果的產權維權存在一定困難，嚴重影響了資源創作者的積極性和分享意愿。然而借助區塊鏈的可追溯性、安全性、透明性等優勢能夠很好地解決該問題，資料上傳者可以在區塊中寫入自己的版權信息，并且每個資源都會有獨立的時間戳，不論資源被其他用戶轉載多少次，通過時間戳可以追溯到最原始的信息資料，每個環節都公開透明。如果發生資源剽竊現象，資源所有者也能很快地通過區塊進行追溯、取證，從而保護資源的所有者權利。美國紐約Mine Labs 公司就開發了基于區塊鏈技術的元數據協議Mediachain 以實現數據資源的有效保護［13］。基于區塊鏈技術，未來全球用戶都可以更高效地實現優質資源共享。

3.3 基于區塊鏈的終身學習體系

3.3.1 學分互認的學分銀行

為了構建學習型社會，貫徹終身學習理念，“學分銀行”的概念被提出。“學分銀行”指突破傳統專業、學校限制，不同的教育類型通過學分的認定、儲存、累計與轉換調動學習者的學習積極性，使學習者能夠持續學習的新型教育管理制度。學分銀行遵循“以人為本”理念，管理方式靈活，充分考慮學習者的各種個性化需求，支持學習者以各種方式進行學習，給學習者帶來了大量的學習機會。但是，面對如此龐大的用戶群體，要使學分銀行能夠達到其應有的效果，除相關政策法規的支持與運行機制，還需要強有力的技術支持和信息管理平臺作為戰略支撐。將區塊鏈技術引入學分銀行建設，教育機構或者企業就可基于區塊鏈的共識機制從學分銀行獲取相應教育機構的公鑰并對學習者的學習成果進行解密，密文和公鑰對比通過就能夠獲得相應學分，實現學分認證，學習者可以修完相應學分后便可拿到相應的學歷或證書，提高了認定效率。學習成果驗證流程如圖2 所示。

Fig.2 Flow of verification of learning outcomes圖2 學習成果驗證流程

3.3.2 “代幣化”的學習機制

美國著名的智庫機構“未來研究院”（Institute for the Future）和ACT 基金會（ACT Foundation）提出了“學習及收入”（Learning is Earning）的計劃，以及“學習賬本”和“教育區塊鏈”的概念。具體而言，學生所學內容和成果會被記載在教育區塊鏈中，而教育區塊鏈可以轉讓或者贈送給其他人，學習賬本會追蹤區塊鏈內所存儲的知識和技能情況，區塊鏈中所記載的數據會由于區塊鏈自身的特性得以永久保存且難以被篡改。在這樣的環境下，學生所獲得的知識和技能可以轉化為數字貨幣，通過學習賺取一定收入，提高學生的學習積極性，還能夠通過學習賬本展示個人的學習成效與興趣愛好，分享給企業，幫助企業招聘到合適的求職者。在實踐中，坎布里亞大學、德雷珀大學、尼科西亞大學等大學已經支持用數字貨幣支付學費；首爾科學綜合研究生院（aSSIST）的在校生和畢業生均可根據學習成果獲得加密貨幣獎勵。學生畢業后也可以繼續使用加密貨幣，以聽取區塊鏈、人工智能等最新技術和經營知識的在線課程［14］。

3.4 基于區塊鏈的高校民主化管理模式

民主管理是現代大學制度的特點之一，要想促進我國高校治理體系和治理能力現代化，保障高校運行的效率與協調性，需在高校中貫徹落實民主管理，而區塊鏈技術可以作為突破僵化的科層制的著力點。一方面，區塊鏈技術可以在教師和學生之間建立許可鏈，加強溝通，針對學生存在的困難問題進行個性化指導，優化教學過程，提高教學效果與質量；另一方面，區塊鏈可以改變過去高校各管理部門信息不統一、無法實現數據實施共享的問題，整合不同部門的數據，在去中心化技術支持下，各部門能夠共享資源，從而告別“信息孤島”，并減少管理成本，提高辦事效率，增強流程的透明性，實現多元主體共同參與監督與管理，加速高等教育民主化管理進程。

4 結語

區塊鏈技術的廣闊前景帶給了人們無限的憧憬和向往，區塊鏈技術和高等教育的耦合是高等教育適應信息化時代變革的必然要求，區塊鏈也將與物聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術相互融合、共同發展。盡管目前區塊鏈技術并未成熟，仍有很多技術、制度等方面的問題有待探索和突破，但隨著工具在教育領域應用的不斷深入，需警惕技術在教育應用中產生的異化，在技術使用過程中保持冷靜和敏銳，使自身成為技術的主宰者而不是服從者。因此，在技術應用中需把握合理的尺度，既要使教育參與者在全球化背景下突破時空限制享受科學技術帶來的知識盛宴，又要關注人的個人價值的立足空間，在不斷演化的過程中實現技術與教育的動態平衡與和諧共生。