高校虛擬共享空間研究

佘欣媛

[哈爾濱工業大學（威海）圖書館，山東威海 264209]

一、背景

當前，社會對人才的要求越來越高，學生不但要有充足的理論知識儲備，而且要具備較強的動手能力。因此，高校要不斷調整人才培養方向及培養方式，不但要為學生提供完整的數據資源平臺，而且要為學生提供培養科研能力和實踐能力的平臺。美國加州大學伯克利分校的蘇塔佳創業和技術中心（SCET）為學生開設了18門創業類課程，涵蓋了創業意識、科技創業知識、科技創業實踐等內容。創業類課程的教師通過講座、演講、課堂授課等形式向學生傳授創業與技術的基礎理論知識，并輔之以項目導向的實踐活動[1]。我國70%以上的大學建設了創新創業實驗室，如清華大學的iCenter創客空間、北京大學的極客實驗室、浙江大學的硅谷創業實驗室[3]。國內外實踐教育多以線下為主，線上平臺較少，有學者提出改進型MOOC平臺，增加分組、成績等評價體系[3-4]，還有學者針對學生的圖書借閱、信息咨詢、在線瀏覽等行為提出用戶特征建模理論模型[5]，但少有針對學生實踐教育的信息管理平臺實施案例。綜上所述，當前，擁有線上實踐教學空間的國內高校較少，且相關研究多以理論研究為主[6]，供學生使用的在線實踐學習平臺還比較少。高校應加大對學生實踐教育的支持力度，出臺更貼合學生需求的教育輔導政策。針對學生習慣在網絡上尋找學習資料進行在線學習這一特點，高校可以將實踐教育、雙創等活動搬到線上來，提升學生的參與積極性。

筆者旨在搭建融合社會技能、科研信息的虛擬共享空間，為學生提供交流、共享的渠道，并擴大學生的信息面，促成潛在的團隊合作或者課題發現。同時，筆者旨在為師生提供個人信息空間，方便師生將個人的科研資料、成果、實踐項目等信息存儲在虛擬空間服務器上。這樣不僅打破了實踐活動在物理空間上的限制，而且保證了個人數據的安全性，避免了個人因中毒、掉線等原因造成的信息丟失或泄露。

二、虛擬共享空間設計

（一）前端設計

虛擬共享空間前端功能模塊主要分為兩大子模塊：虛擬學習空間和個人信息空間。

虛擬學習空間主要推送前沿科研資訊，為個人或團隊提供交流技術、分享經驗的平臺，給項目團隊及興趣小組提供發布招募合作伙伴或團隊合作信息的空間。虛擬學習空間能分類匯總多學科視頻類、文本類、項目類、實驗類學習資源，為學生提供多元化的學習資源，特別是實踐類資源。虛擬學習空間允許個人或團隊上傳分享審核后的實驗數據、代碼、結果等，為其他用戶所共享。

個人信息空間設有存儲服務器，采用區塊鏈技術保證私密數據的存儲安全及傳輸安全，供個人或團隊在線存儲科研及項目資料，用戶可選擇信息是否對其他用戶開放。在線數據存儲服務不僅能方便學科團隊間共享數據信息，而且可以為團隊提供專業的安全保護，防止數據丟失或泄露，實現個人或團隊隨時隨地接入網絡獲取數據，打破實驗、研討在物理空間上的限制。虛擬教學共享空間功能劃分如圖1所示。

圖1 虛擬教學共享空間功能模塊劃分

1.虛擬學習空間

虛擬學習空間是供學生交流信息、在線學習、下載數據的專業共享平臺，包括7個功能模塊：信息推送、合作交流、技術交流、成果展示、資源共享、學習資源、常用工具下載。

（1）前沿信息推送

前沿信息推送模塊能從權威的科研信息平臺、技術交流論壇、技術交易網站、社會主流招聘網站定期搜集前沿科研信息和企業技術發展動態，為每條信息劃分詳細的學科分類和方向，并將信息推送給不同專業、不同需求的學生。有科研需求的學生可以重點關注國內外新技術的發展信息，實踐類學生可以把主要精力放在企業需求、競賽、興趣小組上。前沿信息推送模塊在節省學生信息篩查時間的同時，可以提高學生對信息吸收質量。

（2）學習資源

學習資源模塊能利用高校圖書館現有的資源優勢匯總各專業數據庫、視頻、文本、影音、電子文檔類學習資源，并分類分學科顯示。

（3）成果展示

成果展示模塊能匯總學校團隊參與歷屆競賽、活動情況及獲獎情況，實驗成果、產品以圖片、動畫、視頻、聲音等方式展示在平臺頁面上。

（4）合作交流

合作交流模塊能為用戶提供平等的無障礙溝通平臺。系統采用區塊鏈數據鏈式存儲、點對點交易、編寫交易規則等手段保證用戶數據的安全性、交易的可靠性以及去中心化。按照用戶交流目的，合作交流模塊的功能可細分為三個主題：①技術交流：類似于知乎等在線交流論壇，用戶可以就某項技術或者問題發起提問，其他用戶參與討論；②數據共享：用戶可以上傳、下載數據，空間劃分不同的學科分區，用戶按照分區尋找所需要的項目資料、實驗文件、實驗數據、實驗結果等數據；③招募合作：學生或團隊可以通過平臺發布合作信息和實驗需求，例如，對某專業人才的需求、對硬件設備的需求、對某項技術的需求等。

（5）常用工具下載

常用工具下載模塊提供常用軟件、平臺、工具、操作系統下載。例如，3D建模常用的建模軟件123Design、SolidWorks，工程制圖軟件AutoCAD，數學制圖類軟件MatLab，論文格式類軟件Latex等。

2.個人信息空間

平臺能為用戶提供個人存儲空間，用戶可在存儲空間上傳個人信息、科研文獻、實驗數據、實驗環境配置、項目工程文件、數據集、項目成果等。信息密級分為兩級，一級為公開共享數據，其他用戶通過平臺認證后可瀏覽、下載；另一級為保密數據，只允許上傳用戶做增、刪、改、查操作，對其他用戶透明。一方面，個人信息空間能實現用戶隨時接入異地存取數據；另一方面，個人信息空間能為用戶提供建立個人學術社交賬號的平臺，其他用戶可以根據上傳者的日常分享、項目資料等信息了解彼此的研究方向。

（二）后臺設計

1.系統結構設計

虛擬教學共享空間模型物理架構分物理層、網絡層、應用層三個層次，如圖2所示。物理層包括供存取用戶數據的存儲模塊及其管理服務器、提供虛擬空間前臺應用服務的網站群服務器。數據存儲模塊負責存儲用戶的個人信息（如科研信息、項目信息、實驗數據等）。存儲管理模塊負責管理數據格式、存取方式、安全策略、空間分配、文件格式等信息，并對存儲模塊的性能進行監控。網絡層指為平臺提供網絡交互環境及數據安全保障的硬件設備及系統。應用層指面向用戶的功能界面。

圖2 虛擬教學共享空間物理架構

2.系統安全性及去中心化

為了保證個人非公開數據的安全性，本文采用區塊鏈部分機制、原理存儲數據及管理傳輸。區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算方式，包括數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層五層，如圖3所示。

圖3 區塊鏈層級架構

本系統將用戶數據以塊的形式存儲在數據庫中，每個數據塊包括數據本身、前后區塊哈希值以及密鑰。哈希值可以簡單地看成鏈接地址，使數據塊形成鏈式結構，這種鏈式結構一旦更改，其中一個數據節點也勢必會造成前后節點信息的不一致性，從而在一定程度上防止了數據被篡改。網絡層采用P2P網絡傳輸架構，系統服務器及用戶個人的電腦均作為節點接入網絡，節點之間完全對等，不存在核心節點。節點間傳輸數據不需要第三方驗證，一定程度上防止了數據被篡改。共識層采用POS（ProofofStake）權益證明機制：當整個網絡出現因延遲或節點故障造成的錯誤數據等問題時，由主服務器驗證裁決數據有效性。共識層機制可以讓節點就惡意節點攻擊行為或者網絡故障等原因引發的數據分歧如何仲裁彼此達成共識，減少錯誤處理時間。平臺允許用戶間進行有償的數據共享交易。為保障交易雙方的權益及交易的安全性，系統合約層嵌入了人為編寫的交易規則代碼，交易雙方需按照規則完成交易。合約層的規則代碼自動執行，不需要第三方監督或者人工參與，具有獨立性。如果交易中斷或遭惡意破壞，合約規則將保護交易方的權益，安全性提高。本平臺的其中一個目的是希望能夠激發學生的創造熱情，為學生提供激發靈感、無障礙溝通的全互聯平臺。以往的線上社交平臺多依靠管理方進行信息推送等資訊推薦，雖然這樣可以讓大部分用戶及時接觸新的信息，但是由于看到的都是類似的內容，這在一定程度上不利于創意的產生。

在以區塊鏈為基礎的共享平臺中，每個用戶均被看為平等的節點，用戶可以使用自己的服務器創建屬于自己的獨立空間甚至社區，整個平臺的交流模塊由若干個用戶空間或社區組成。由于使用的是自己的服務器，緩解了用戶對數據隱私性的擔憂。去中心化的平臺使用戶減少了對官方推薦信息的依賴，每個人都有機會被其他人看到，質量好的內容被更多人推薦，曝光率更高。

三、平臺實現及關鍵技術

（一）用戶界面

以哈爾濱工業大學（威海）圖書館虛擬共享空間為例，學校使用Web Plus Pro網站群平臺作為虛擬空間的前臺開發平臺。該平臺是一個組件式開發平臺，通過添加組件的方式即可完成個性化頁面的基本布局。平臺能夠實現與校園用戶的統一身份認證系統的對接，在應用層完成了用戶合法身份的驗證，并且具備防止數據庫sql注入、防止篡改頁面腳本、防止口令破解等主流網絡攻擊手段的完全防護策略。虛擬教學共享空間首頁設計界面如圖4所示。

圖4 虛擬教學共享空間首頁設計界面

為了充分利用圖書館豐富的學習資源，空間作為二級子網站掛靠在圖書館官方網站下級。空間采用多層體系架構設計，虛擬共享空間信息資訊界面如圖5所示。一級菜單欄與功能設計模塊相對應，分別包括信息資訊、合作交流、學習資料、成果展示、工具下載、個人空間六個菜單。其中，信息資訊模塊下又分為活動信息、競賽信息、考研資訊、公考資訊、課題、項目資訊六個細化分類。合作交流模塊包括技術交流、資源共享、招募合作三個部分。個人空間模塊包括基本信息、我發布的信息、我的數據三個子模塊。

（二）用戶數據存儲

用戶數據以區塊的形式存儲在數據庫中，每個區塊除了包括用戶所存數據以及對數據的交易信息，還包括記錄本塊數據大小的數據量、用于唯一標識本區塊的哈希值、用于形成鏈式結構連接前后區塊的前一區塊哈希值和后一區塊哈希值、用于零知識證明的默克爾樹根。默克爾樹根由區塊內所有數據的哈希值拼接而成，若其中任何一部分數據被修改，會造成區塊默克爾樹根值發生變化。因此，默克爾樹根可以用來防止信息被惡意篡改或者區塊間的零知識證明。當出現交易糾紛或者惡意交易時，區塊間采用POS機制，即由圖書館節點對交易進行裁決。數據區塊設計見表1。

表1 數據區塊設計表

四、結束語

高校虛擬共享平臺是一個供學生在線學習、數據下載、技術交流的網絡實踐教學平臺，集合了前沿信息推送、合作伙伴尋找、數據共享、在線學習、技術交流等功能。學生可以在平臺上獲取不同專業學科團隊的研究成果信息、最新動態，溝通學習，也可以在平臺數據共享模塊下載數據資料供個人實驗使用。應用型學生可以通過平臺參與興趣小組、組隊課創，提前鍛煉企業工作所需的技能。學生在有針對性的訓練過程中提高動手能力，降低社會培養成本。對于科研型學生，平臺會定期推送最新的科研資訊，學生可以實時獲取最新的專業信息。同時，平臺也為學科團隊提供專業知識交換平臺，有相似研究意向的團隊可以進一步溝通合作。學生通過參與課題、項目研究，加深對科研的認識，學習科研工作方法，積累科研經驗。實踐是高校學生配合理論課程學習必不可少的環節，學生在實踐中加深對知識的理解，培養科研能力和社會實踐技能。高校的虛擬共享平臺可以解決學生在尋找實踐活動、學習實踐知識等方面存在的問題，擴大了在校學生的信息面，增加了學生的實踐機會，拓寬了團隊的溝通合作渠道，讓學生有可信賴的線上知識實踐平臺。