基于區塊鏈技術的高校學分銀行學分轉換機制分析

摘要：高校學分銀行作為教育模式的創新，為學生提供了跨校甚至跨國界的靈活學分認證途徑。然而，隨著應用的深入，學分轉換過程中的安全性、透明度和效率問題逐漸顯現，亟須有效解決。區塊鏈技術以其獨特的去中心化特性、數據的不可篡改性和交易的可追溯性，為這些挑戰提供了創新的解決方案。深入分析了高校學分銀行在學分轉換中遇到的現狀和挑戰，詳細探討了區塊鏈技術在提升學分轉換安全性、增強透明度和提高效率方面的優勢，并提出了一個構建基于區塊鏈的學分轉換平臺的詳細方案，旨在通過技術創新推動教育模式的進一步發展和完善。

關鍵詞：教育信息化；高校學分銀行；區塊鏈技術；學分轉換平臺

一、前言

在終身學習理念的推動下，高校學分銀行作為一種新型的教育模式，旨在打破傳統教育體系的界限，實現學分的跨校、跨區域甚至跨國界轉換。然而，學分轉換過程中的信任問題、數據安全問題以及轉換效率問題，限制了學分銀行模式的廣泛應用。區塊鏈技術以其在數據安全、透明度和去中心化方面的優勢，為高校學分銀行提供了一種創新的解決方案[1-2]。

二、高校學分銀行學分轉換現狀和挑戰

當前高校學分銀行在學分轉換領域面臨諸多挑戰，主要包括認證過程的復雜性，由于涉及多個教育機構和認證機構的審核，導致整個流程變得冗長且效率低下。安全性和隱私保護的不足增加了學生學分信息被泄露和篡改的風險。透明度的缺失使學生難以追蹤轉換進度和結果。技術兼容性問題造成不同教育機構的信息系統可能互不兼容，阻礙了學分信息的流通。政策和法規的限制可能影響學分轉換的靈活性和適用性。這些問題不僅增加了學生和教育機構的負擔，也影響了教育質量和信任度。為了解決這些問題，需要采取包括制定統一的學分轉換標準、加強數據保護措施、提高流程透明度和追蹤能力、采用先進技術簡化流程在內的綜合性方案，以確保學分轉換的安全性、公正性和便捷性。

三、區塊鏈技術在學分轉換機制中的應用優勢

區塊鏈技術在高校學分銀行學分轉換機制中的應用帶來了一系列顯著的優勢，包括以下方面：

第一，去中心化。區塊鏈的去中心化特性消除了對單一中心化認證機構的依賴，將數據存儲和管理分散在網絡中的多個節點上。這種分布性不僅減少了系統對單一故障點的脆弱性，而且通過多節點共識提高了學分轉換的效率和響應速度。

第二，不可篡改性。區塊鏈使用加密技術，如哈希算法，確保一旦數據被寫入區塊鏈，就無法被更改或刪除。這為學分信息的真實性和完整性提供了強有力的保障，大大降低了信息被篡改的風險。

第三，可追溯性。區塊鏈的每個區塊都包含前一個區塊的哈希值，形成了一條長鏈，使得任何學分轉換記錄都可以追溯到其原始狀態。這種可追溯性增強了學分轉換過程的透明度，使學生和教育機構能夠清晰地查看轉換歷史和驗證轉換的每一步。

第四，透明性。由于區塊鏈的開放賬本特性，所有授權參與者都可以實時查看學分轉換的狀態和結果，而無需依賴于單一的第三方機構。這種透明性提高了學生對學分轉換過程的信任度。

第五，安全性。區塊鏈結合了非對稱加密和共識機制，確保了數據的安全性。即使部分節點受到攻擊或損壞，整個系統的安全性和數據完整性也不會受到影響。

第六，自動化。智能合約的使用實現了學分轉換流程的自動化，一旦條件滿足，智能合約即自動執行學分轉換，減少了人工干預，降低了錯誤和欺詐的可能性。

第七，降低成本。去除了中心化機構的中介角色，減少了交易成本和時間成本，使得學分轉換更加經濟高效。

第八，跨機構協作。區塊鏈提供了一個共享的、不可篡改的記錄系統，使得不同教育機構能夠更容易地進行協作和共享學分信息，促進了教育資源共享。

第九，數據隱私保護。通過使用先進的隱私保護技術，如零知識證明，區塊鏈可以在不泄露學生個人信息的情況下驗證學分信息，保護了學生的隱私權。

第十，全球可訪問性。區塊鏈技術的應用使得學分轉換平臺可以跨越地理界限，為全球學生提供服務，增加了教育的可及性和靈活性。

綜上，區塊鏈技術通過其獨特的性能，為高校學分銀行學分轉換機制提供了一種安全、透明、高效且成本效益高的解決方案，有望改變傳統的學分轉換流程。

四、基于區塊鏈的高校學分銀行學分轉換平臺構建方案

（一）平臺設計框架

基于區塊鏈的高校學分銀行學分轉換平臺，包括區塊鏈支撐層、服務層和應用層。區塊鏈支撐層負責實現跨鏈協同服務、分布式數字身份服務等基礎功能。服務層通過智能合約實現學分認證、轉換規則設定等核心服務。應用層則根據用戶需求提供操作界面和業務流程管理。平臺設計框架如圖1所示。

（二）平臺建設技術

1.數據加密技術

首先，本文利用非對稱加密技術，為每個學生i和教育機構j生成一對公鑰PubKey_ij和私鑰PrivKey_ij[3]。學生的學分信息C_i在提交到平臺前，使用其私鑰PrivKey_ij進行加密，確保只有持有對應公鑰的授權實體能夠解密和訪問這些信息。加密過程如下：

式（1）中，Ci'是加密后的學分信息，EPrivKeyi 表示使用私鑰PrivKeyij加密的過程。

其次，為了保證學分轉換過程的透明性和可追溯性，使用區塊鏈的鏈式結構B來記錄每一次學分轉換的交易Tk （k=1，2，...n）。每個交易都會被打上時間戳，并鏈接到前一個交易，形成一個不可篡改和不可逆的記錄鏈。鏈式結構B表示為：

最后，為了確保學分信息的安全性和隱私性，采用同態加密技術來允許在加密數據上進行特定的數學運算，而無需解密，這樣即使在驗證學分轉換的有效性時，學生的原始學分數據也能得到保護[4]。

為了進一步增強系統的安全性，結合零知識證明，允許學生在不泄露具體學分信息的情況下，證明其學分的合法性和滿足特定轉換條件。

2.去中心化存儲

在構建基于區塊鏈的高校學分銀行學分轉換平臺的去中心化存儲過程中，研究采用分布式存儲技術IPFS，將學分信息Ci分割成n個數據分片{Ci1，Ci2，…，Cin}，并使用糾刪碼算法進行編碼生成k個校驗塊{Pi1，Pi2，…，Pik}，以實現數據的冗余和容錯性[5]。

每個數據分片和校驗塊被分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）算法分配并復制到網絡中的多個節點上，公式如下[6]：

式（3）（4）中，Node（Cim）表示數據分片Cim （m=1，2，...n）被分配到的網絡節點，Node（PiM）表示校驗塊PiM （M=1，2，...k）被分配到的網絡節點，DHTHash表示分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）算法。

通過這種方式，即便部分節點失效，原始數據也能通過校驗塊在其他節點上快速恢復，確保了數據的持久性和完整性。同時，結合使用AES加密算法對數據分片進行加密，保障了存儲在網絡節點上的數據安全，防止未授權訪問[7]。AES加密過程如下：

式（5）中，Cim'（m=1，2，...n）是使用AES加密算法加密后的數據分片，AESkey是AES加密函數，其中，“key”表示用于加密的密鑰。去中心化存儲信息表見表1。

這種去中心化的存儲機制不僅提高了數據的可靠性，也增強了整個學分轉換平臺的抗攻擊能力和數據隱私保護。

3.智能合約

當學生的學分信息需要在不同教育機構間轉換時，通過智能合約來自動執行轉換規則[8]。智能合約在區塊鏈上以代碼形式存在，一旦部署，將根據預設的邏輯自動驗證學分的有效性，并在滿足條件時自動完成學分的轉換。學分轉換步驟如下。

步驟1智能合約規則定義：定義一個函數f，表示智能合約的轉換規則。該函數接受學生i的學分信息Ci和一系列轉換規則R作為輸入：

式（6）中，Boolean是布爾類型，表示邏輯值，真（True）或假（False）。

步驟2學分驗證：智能合約將驗證學生的學分信息是否滿足轉換條件，通過調用步驟1定義的函數f來實現：

式（7）中，IsValid是布爾變量，表示學分驗證的結果。

步驟3條件判斷：如果IsValid返回真（即學分信息滿足所有轉換條件），則智能合約將執行學分轉換操作。否則，轉換請求將被拒絕。判斷條件如下：

If IsValid then perform conversion else reject request （8）

步驟4學分轉換：定義一個轉換函數g，它根據轉換規則R將學生i的學分信息Ci轉換為學生l的學分信息Cl：

式（9）中，g是轉換函數，用于執行實際的學分轉換。

步驟5轉換記錄：智能合約將轉換操作記錄在區塊鏈上，每次轉換生成一個新的交易記錄T：

式（10）中，timestamp是時間戳，表示交易記錄的時間。

步驟6交易驗證：區塊鏈網絡中的節點將驗證交易T的有效性，并將其添加到區塊鏈中，驗證過程如下：

If VerifyTransaction（T） then append T to the blockchain（11）

步驟7狀態更新：一旦交易被驗證并添加到區塊鏈，學生的學分信息狀態將被更新，更新過程如下：

UpdateStudentRecord（l，Cl） （12）

（三）平臺實現方案

基于區塊鏈的學分轉換平臺涉及學生、教育機構和監管機構三個主要角色。學生發起學分轉換請求，教育機構審核并提供學分信息，監管機構負責監督和認證轉換過程。通過區塊鏈技術，實現學分信息的實時更新、安全存儲和透明查詢。學分轉換流程如圖2所示。

五、結論與展望

針對結合區塊鏈技術的高校學分銀行學分轉換機制，本文提出了一個創新的解決方案，以應對現有教育體系中學分轉換的低效率、安全性不足和透明度缺乏等問題。構建一個去中心化、安全、透明的學分轉換平臺不僅能提升學分認證的速度和安全性，還能增強教育互信，推動教育公平。

未來，期望通過技術優化、政策支持、用戶培訓、跨機構合作、隱私保護、國際合作以及持續監測評估，進一步發展和完善這一機制，克服實施中的挑戰，實現更廣泛的應用，為全球學生提供更優質的教育服務，推動教育模式的創新和進步。

參考文獻

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[8]劉衛春，黃海，鄭軍紅.基于智能合約的農業供應鏈溯源技術研究[J].電子技術應用，2024，50（05）：53-57.

基金項目：四川省教育廳2022－2024年職業教育人才培養和教育教學改革研究“基于國家資歷框架的職業院校‘學分銀行’研究實踐”（項目編號：GZJG2022-081）

作者單位：成都航空職業技術學院

■ 責任編輯：張津平、尚丹