融合區塊鏈技術的線上精準教學模式探索

劉樹錕，潘顯民，蔡佐威，蔣翀，宋艷

（湖南女子學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙410004）

隨著云計算、區塊鏈和大數據技術的蓬勃發展，高校線上數字教學資源建設工作總體而言取得了一定的成效。從數量上講有充足的數字化教學資源可供學習者（用戶）學習，但是從質量上來看，學習者的可用資源選擇性并不大。由于數據資源具有可復制性，在用戶訪問資源的同時數字資源的可信性、完整性、數據隱私等問題都難以保障，成為合理共享數據以及資源建設者對資源能否及時更新面臨的關鍵問題[1]。本文通過對區塊鏈技術以及線上教學資源構建特征的研究，不斷探索其在線上教學資源動態構建、實時更新優化與資源安全訪問中的應用。主要針對高校線上教學資源構建者處于激勵不足而不能及時優化更新資源的問題，提出一種基于區塊鏈技術的線上教學資源鏈結構。基于該結構設計出一種區塊鏈激勵教學模式。通過區塊鏈技術可以驗證即將上鏈的節點資源的合法性。針對特有教學資源的訪問、有效維護與實時數據更新問題展開研究[2]。有效地促進與激勵結點資源數據的更新、維護與教學資源數據共享等問題的解決。

1 高校教學資源構建與面臨的問題

1.1 資源安全訪問問題

數據存儲與訪問的過程中，目前資源存儲基本上都是基于某個數據中心進行存儲，大概率無法完全保證存儲區域的安全。所以，在分享資源過程中有可能受到網絡攻擊而導致服務器被破壞或數據丟失[2-4]。此外，在資源保護方面，部署于網絡上的數據資源，很難對版權形成有效的保護機制。這就會導致資源構建者擔心教學資源的安全問題，從而延緩了教學資源的有效利用與持續更新。

1.2 教學資源歸屬主體不統一

從目前看，高校的數字化教學資源主要由行政機構和教師進行建設和管理。很容易導致資源歸屬權不統一。例如資源建設者（教師）要行使主體管理、行政機構也要行使主體管理，導致資源的管理混亂。這有可能使得學習者進行資源訪問時無法有效快捷地得到有效的學習入口[5]。

1.3 教學資源的持續更新性差

近年來全國高校涌現出了線上教學課程建設的熱潮，開展了大量的線上課程建設項目，但是這些項目的建設目的往往都是為了完成某項特定的任務[6-7]。其根本目的不是為了建立良性的資源存儲與更新環境，不具有良好的可持續性。教學資源普遍存在重數量輕質量等問題[8]。此外，由于缺少對資源進行更新的激勵機制，不能根據信息的發展對已有的資源及時更新，導致真正適合教師和學生使用的優質資源缺乏，教學資源持續更新性較差。

2 教學資源區塊鏈節點構建與管理

線上教學資源的構建、更新、共享都需要資源提供構建者（例如，高校教師）、資源管理機構等眾多參與主體參與、協調與支撐。結合參與主體需求的不同特點，本文闡述了教學資源區塊鏈的結構，提出基于區塊鏈的線上教學資源構建與動態更新架構。該架構依據參與主體知識類型的不同以及同類型主體在教學資源構建過程中的行為特征[2]，構建基于高校師生的線上教學資源數據鏈。

2.1 問題描述

從整體考慮，高校線上教學資源的構建、更新與共享涉及多個院校之間的分工與合作，是一項跨部門、跨院校的系統化工程[2]。在平臺的建設運營過程中，會受到具體信息的獲取方法、人員、資源更新流程等多方因素的影響[9-10]。從個體學校的局部性考慮，即使暫時不涉及線上教學資源在高校之間共享，僅僅在某一所高校內為保證平臺的長效運行，如果缺少有效的認證機制來有效協調各方面的關系、處理復雜的校內部門利益分配問題，仍然需要耗費巨大的時間成本，從而不利于線上教學資源的高效率構建與更新，同時信息與資源不對稱等一系列問題仍然存在。因此，從線上教學資源管理的角度來看，需要最大化地對線上資源進行統籌與管理。資源提供者對于資源質量的把握應該是最為準確的，資源管理機構僅僅對于資源具有一定的管理權限，但是對于內容往往在質量上不能把握。所以目前資源質量的關鍵在于資源的提供結點。對于某門課程或者知識點來講，視頻講解對于學習者掌握知識具有很好的作用，從這個角度而言教學資源視頻質量起到至關重要的作用。資源講解者也就是資源提供者需要定期對于知識點的內涵和外延進行適當及時更新，從而可以在網絡結點上進行訪問。

對于某個結構的資源建設過程可以由多人對于某個知識點進行供給和維護，但是在資源網絡上針對這個知識點僅僅允許一個資源質量最好且資源完成最快的結點才能把自己的資源放入訪問資源庫。進入資源鏈上的資源需要多個供給者進行合理競爭，最終得到鏈上所有結點的認可，才能使得自己的資源上鏈。而資源需求者（學習者）根據資源鏈上的ID 進行資源訪問，學習資源存儲與每個資源節點的局部本地，并不直接存儲在鏈上，資源鏈上僅僅提供某個資源的唯一地址也就是ID 號。對于資源供給方，實時根據資源的發展進行維護，維護過程得到鏈上結點認可后給予一定的資源激勵，例如通過資源激勵幣的形式給予獎勵。形成如下的資源私有鏈和訪問公有鏈。本文從小范圍（一所高校內）進行資源的上鏈與訪問實踐。教學機構內鏈式結構如圖1 所示。

圖1 教學機構內鏈式結構圖

2.2 鏈上資源約束關系描述

以本校雙一流學科建設過程中構建線上教學資源為例，進行資源約束關系描述。每一個雙一流學科建設都需要一流課程的支撐。每門課程都需要建立線上教學資源，每一個教學團隊可以構成一條私有鏈，團隊成員之間建立私有鏈形成建設課程資源知識點上鏈的競爭關系。而對于學生而言他們學習的是多門課程，因此，每一門課程建立的私有鏈必須和學生的公有學習鏈進行鏈接。針對特定資源的鏈上約束應該滿足一定的約束關系。例如，以軟件工程教學視頻資源為例，每一個知識點在私有鏈中僅僅存在一個結點ID。與此同時針對每一個知識點的上鏈都需要得到鏈上結點的認可。假設初期構建n 門課程的動態資源鏈。具體建構過程中的資源約束關系可以滿足下面條件：

（1）任意兩門課程之間的交集為空集；

（2）鏈上所以資源節點數量不多于某一門課程所要求的講解的知識點的數量；

（3）每個知識點的并集應該等于知識點的全集；

（4）任意知識之間的交集都應該為空集。

2.3 資源區塊結構與資源區塊上鏈過程

隨著云計算的發展，一般情況下通常要求教學資源本地數據上傳存儲到云端，以一種中心化存儲的方式存在，這種方式使得數據更容易受到整體性破壞。因為區塊鏈以密碼學技術為基礎，通過分布式多節點共識機制，可以完整、不可篡改地記錄價值轉移的全過程，具有去中心化、不可篡改、規則透明等的特性，所以本文基于區塊鏈智能合約技術來建立安全、可信、可靠的非中心化教學資源鏈條，提高資源的使用效率和安全性。一個智能合約由合約生成、合約發布和合約執行三個階段構成。在合約生成階段，一般是通過多方用戶共同參與來完成合約的制定，對合約的功能進行明確的標注、確定最終合約文本，并完成程序化設計。但是合約的根本取決于區塊鏈結點結構和結點的上鏈過程。多方參與者為了保證合約的有效性，需要嚴格按照本身的私鑰進行簽名。合約內的所有事務都執行完成后，狀態得到變更，合約被移出區塊。整個過程由系統自動完成，公開透明、不可篡改。賬本采用分塊的形式存儲，并以哈希散列值為索引構成鏈狀結構，形成區塊鏈[10,12]。本文設計的每個區塊分為區塊的頭部和區塊的主體兩部分[12-14]。區塊鏈節點的上鏈生成過程如圖2 所示。

圖2 資源區塊上鏈過程

2.4 基于激勵的教學資源鏈構建過程

在區塊鏈激勵機制的驅動下，知識構建者之間具有了明顯的競爭關系。促使知識點構建過程的優化與資源的動態更新。通過資源的激勵共享機制，利用率高的教學資源節點，針對使用的頻次，資源構建者可以得到對應的激勵幣。從而進一步促進資源建設者的資源持續優化動力的提升，形成動態的優化資源循環體系。優化循環過程如圖3 所示。

圖3 資源構建循環優化

3 教學效果

教學實施過程中在結合超星平臺的基礎上，基于我院計算機科學與技術專業2017 級（傳統教學模式）與2018 級（基于教學資源區塊鏈模式）的課程教學來完成。針對這兩屆學生期末課程成績進行課程期末成績分析對比，得到優秀率、不及格率的對比數據（各個分數段，以20 分為一分數段統計）。圖4 中表示的是2017 級學生的教學資源中各類資源的布置情況，以及學生線下教學對應的分段成績分布情況。圖5 中表示的基于區塊鏈理念建立的線上教學資源中各類資源的布置情況，以及學生線上教學對應的分段成績分布情況。從班級總體學習成績效果分析（結合圖4 和圖5 數據圖形結果），可以發現學生學習成績有了不同程度地提高。說明基于區塊鏈智能合約技術構建的教學框架，具有一定的積極作用。

圖5 學習資源任務點布置與綜合成績分布

4 結論

在傳統的教學過程中原有線下教學資源的教學組織較分散，線上學習者無法根據自己的偏好選擇針對性較強的數據資源。基于區塊鏈的線上教學資源每個結點都根據資源特征進行資源的標注與存儲，完成了數據資源的特征化訪問。但是基于教學資源區塊鏈的教學實施，首先需要按照上述方式完成教學資源的存儲與管理，形成教學資源區塊鏈。本文以軟件工程課程為例進行了教學實施，結果表明在教學知識點的資源訪問率、知識點掌握情況和學習成績方面都有不同程度的提升。