區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于教育系統(tǒng)的研究與設(shè)計

車吉鑫 衛(wèi)文學(xué) 張洪瑞 劉恒泉

摘? 要： 互聯(lián)網(wǎng)線上教育的發(fā)展一直呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，教育平臺或機構(gòu)憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢在教育者和受教育者之間搭建橋梁，這種中心化的模式存在教育成果泄露，數(shù)字版權(quán)作品價值削弱、侵權(quán)以及教育成果剽竊等問題。區(qū)塊鏈技術(shù)為這些問題的解決提供了可能，文中設(shè)計的教育系統(tǒng)將區(qū)塊鏈技術(shù)接入，利用分布式存儲、加密算法等技術(shù)為版權(quán)歸屬、教育成果提供保護，同時利用區(qū)塊鏈的自身特點保證教育平臺中的交易真實性，為交易雙方提供完善的服務(wù)體系，彌補線上教育的不足。

關(guān)鍵詞： 區(qū)塊鏈技術(shù); 教育系統(tǒng); 版權(quán)保護; 教育成果保護; 平臺交易; 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN911?34; TP302.1? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0092?05

Research and design of blockchain technology applied to education system

CHE Jixin， WEI Wenxue， ZHANG Hongrui， LIU Hengquan

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： The development of online education on the Internet has been showing a growing trend. The educational platforms or institutions build bridges between educators and educatees by virtue of their own technological advantages. This centralized mode has such problems as disclosure of educational achievements， weakening of value of digital copyright works， infringement and plagiarism of educational achievements. The blockchain technology makes it possible to solve these problems. The blockchain technology is accessed in the designed education system to provide protection for the copyright ownership and educational achievements by means of the distributed storage， encryption algorithm and other technologies. The authenticity of transaction on the education platform is ensured by using the blockchain′s own characteristics. It provides a perfect service system for both sides of the transaction， and makes up for the shortages of online education.

Keywords： blockchain technology; educational system; copyright protection; educational achievement protection; platform transaction; system design

0? 引 言

隨著人們移動化和網(wǎng)絡(luò)化的生活習(xí)慣的養(yǎng)成，教育需求的上升以及技術(shù)的更新迭代為中國在線教育的發(fā)展注入了源源不斷的動力。從需求端角度來看，無論是應(yīng)試教育、興趣教育還是業(yè)余愛好教育，全民線上教育的數(shù)量在將來還會進一步提高。從供給端角度來看，目前最主流的方式是在線教育機構(gòu)或平臺上以第三方的身份將教育者的教育盈余輸出。即使目前自媒體足夠盛行，第三方教育平臺所擁有的技術(shù)、運營和推廣能力依舊吸引了無數(shù)的自媒體教育者將自己的教育成果投放其中。

在線教育平臺在整個線上教育體系中扮演著重要的角色，其自身存在的問題也有很多。在實際的教學(xué)、教科研工作中，教師上傳的教科研成果很容易被剽竊、強占，知識產(chǎn)權(quán)得不到保護。大多數(shù)的平臺作為第三方以中間人的方式存在，對教師僅支付定量的薪酬，對學(xué)員按實際購買數(shù)量收費，差額全部歸于平臺，造成了教師對自己課程是否受歡迎的不透明性，進而造成薪資的不匹配性，這嚴(yán)重打擊了教師的教研、科研以及創(chuàng)新的積極性。這是在線教育平臺的中心化帶來的問題。此外，某些不法分子利用偽造網(wǎng)站和各大網(wǎng)盤出售盜版資源，成本低廉、難以追溯、監(jiān)管工作也很難做。教育工作者尤其是老師辛苦創(chuàng)作的課件、分享的教學(xué)思路、課堂實錄、教學(xué)課件等資源在平臺上無法得到有效的保護和流通。雖然新型的數(shù)字版權(quán)保護系統(tǒng)[1]和數(shù)字水印技術(shù)[2]可以解決版權(quán)歸屬問題，但是應(yīng)用到大規(guī)模的教育系統(tǒng)上的成本會很高，同時中心化的問題仍然存在。

1? 區(qū)塊鏈與教育系統(tǒng)的結(jié)合

針對我國目前氣象觀測站點分散不均勻?qū)е聦崟r得到的空氣質(zhì)量的信息不準(zhǔn)確的問題，文中提出一種基于光學(xué)成像的空氣質(zhì)量定期性制定方法。該文結(jié)合通過數(shù)字圖像去霧領(lǐng)域中基于光學(xué)成像原理去霧得到的大氣透射率和通過氣象觀測領(lǐng)域中得到的空氣質(zhì)量與散射系數(shù)間的相關(guān)性，并考量同一景深下大氣透射率和散射系數(shù)之間的指數(shù)關(guān)系，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)空氣質(zhì)量和圖片透射率間的隱性聯(lián)系，做到通過圖片來定性判定其空氣質(zhì)量。實驗結(jié)果顯示，所提空氣質(zhì)量判定方法的整體識別率為83.72%，優(yōu)類和良類識別率達到了90%以上。

1.1? 區(qū)塊鏈在教育系統(tǒng)中的應(yīng)用

鑒于區(qū)塊鏈公開透明的特點，任何資源創(chuàng)建信息都可以被使用者查詢、追蹤、獲取，而且可靠度、真實性更強[3]。教師通過基于區(qū)塊鏈的教育平臺首發(fā)其作品，作品在交易和流動過程中，每個節(jié)點的信息都是透明的、不可篡改的，學(xué)生的購課記錄、學(xué)習(xí)記錄、轉(zhuǎn)發(fā)記錄等都能真實地通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)反應(yīng)給教師，打破教師和學(xué)生之間交易的不透明性，達到能者多勞，勞者多得，按勞分配的目的，恢復(fù)和提高教師在教科研工作中的積極性。每位教師將自己每個原創(chuàng)教學(xué)資源包括課件、素材、教學(xué)設(shè)計、題目、課程等發(fā)布于“教育鏈”平臺上后，學(xué)生使用一次即發(fā)生一次“交易”，在資源傳播和使用過程中的每個節(jié)點的使用數(shù)據(jù)都可追溯，分享后的教育資源可以追蹤。當(dāng)發(fā)現(xiàn)剽竊、盜版時，即可迅速追溯、取證。

同時，區(qū)塊鏈技術(shù)為教科成果提供不可篡改的數(shù)字化證明[4]，便捷的追根溯源也為版權(quán)糾紛提供了真實有效的憑證。同時，這種數(shù)字化證明可以與已有的應(yīng)用無縫整合，為每段文字、圖片、音頻、視頻加蓋唯一的時間戳身份證明，結(jié)合其他方式交叉驗證，從根本上保障了數(shù)據(jù)的完整性、一致性，保護了知識產(chǎn)權(quán)。

此外，“教育鏈”平臺可以形成授課方和學(xué)生方雙方的客觀評價體系，教師可以在區(qū)塊鏈教育平臺上發(fā)布自己的授課需求，學(xué)生可以發(fā)布自己的學(xué)習(xí)需求，因為區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無法篡改性，無論是教師的個人信息，還是學(xué)生對教師的評價都能夠保持客觀公正，也就是說，教師提供的信息是絕對真實的，授課記錄和評價也無法通過刷單獲得。

1.2? 區(qū)塊鏈教育系統(tǒng)的設(shè)計思路

首先建立教育系統(tǒng)，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)將其作為數(shù)據(jù)存儲的載體與教育平臺進行交互，這里的區(qū)塊鏈?zhǔn)菍儆谝欢ǚ秶鷥?nèi)的私有鏈，是基于以太坊平臺[5]的區(qū)塊鏈教育系統(tǒng)。

此外該系統(tǒng)還結(jié)合微信小程序與用戶進行交互，微信小程序作為輕應(yīng)用給教育系統(tǒng)中學(xué)員角色的用戶提供學(xué)習(xí)與服務(wù)。

2? 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1? 節(jié)點的加入

用戶成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點首先要經(jīng)過注冊，注冊時選擇學(xué)生或教師角色進行身份驗證。特別是教師的身份確認(rèn)，系統(tǒng)中有獨立的符合法律規(guī)定與行業(yè)規(guī)范的身份驗證要求。用戶驗證通過后，在本地生成密鑰對，密鑰對是經(jīng)橢圓曲線加密算法生成的一個公鑰和一個私鑰，公鑰發(fā)送給認(rèn)證模塊做簽名處理，私鑰需要用戶安全保存。

認(rèn)證模塊除了做用戶角色的身份驗證，還具有發(fā)放數(shù)字證書的功能，即作為CA認(rèn)證中心與節(jié)點建立信任關(guān)系。為了解決通信的保密性問題，以及對節(jié)點身份的確認(rèn)，該模塊利用自己的私鑰對用戶發(fā)送來的公鑰做數(shù)字簽名后，連同自己的公鑰作為數(shù)字證書一并頒發(fā)給用戶。用戶收到數(shù)字證書后，正式成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的合法節(jié)點。用戶成為節(jié)點的過程如圖1所示。

2.2? 數(shù)據(jù)的生成

學(xué)生和教師在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中是對等的節(jié)點，但在教育平臺中扮演不同的角色，所以兩個角色生成的數(shù)據(jù)記錄有所不同。

本區(qū)塊鏈系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)記錄為兩種：一種是教師錄入課程的記錄，教師在教學(xué)過程中，需要上傳教學(xué)課件、教學(xué)視頻等教育成果，這些記錄寫入?yún)^(qū)塊鏈的目的是保證教師的知識產(chǎn)權(quán)的可追溯性;另一種是學(xué)員的購課記錄，目的是將真實的交易形成不可篡改的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。不同類型的記錄在寫入?yún)^(qū)塊鏈之前，定義為以上其中一種記錄類型。記錄的結(jié)構(gòu)與表示如圖2所示。

節(jié)點生成的一條記錄除了作類型標(biāo)識，它在一個時間段內(nèi)產(chǎn)生的活動內(nèi)容還要進行數(shù)字摘要及簽名處理。首先對于教師來說，上傳的課件、筆記和視頻等教學(xué)成果都要經(jīng)系統(tǒng)中的MD5算法處理后形成128位的數(shù)字摘要;其次學(xué)生的購課記錄、課程歸屬、課程教師及后續(xù)產(chǎn)生的課程評價都要作為數(shù)字摘要的內(nèi)容;最后系統(tǒng)將數(shù)字證書、節(jié)點信息、記錄類型連同詳細(xì)內(nèi)容和簽名后的摘要生成一條完整的區(qū)塊記錄。

2.3? 區(qū)塊的結(jié)構(gòu)

在教育平臺中，實現(xiàn)存儲交易的區(qū)塊鏈?zhǔn)怯刹煌瑫r間段形成的區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)組成的，每個區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體，如圖3所示。區(qū)塊頭封裝了前一區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊號、區(qū)塊樹根和時間戳。區(qū)塊樹是從下往上逐層計算的一種樹形結(jié)構(gòu)，即每個父節(jié)點是根據(jù)兩個子節(jié)點組合進行計算得出的，而根節(jié)點是根據(jù)第二層的兩個節(jié)點組合計算得出的，所以葉子節(jié)點是基礎(chǔ)。葉子節(jié)點存儲的是教師和學(xué)生在教育系統(tǒng)中產(chǎn)生的每條記錄。這些記錄以葉子節(jié)點表示，并且所有的組合都是進行哈希計算，所以任意一條記錄的內(nèi)容被修改，葉子節(jié)點的哈希值就會變更，最終根節(jié)點的哈希值就會改變。因此確定的根節(jié)點的哈希值在區(qū)塊中準(zhǔn)確的作為一組記錄的唯一摘要。由此，父區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊號、區(qū)塊樹根加上時間戳四者形成下一個區(qū)塊的父哈希值，接受新時間段內(nèi)產(chǎn)生的記錄，循環(huán)往復(fù)，最終形成一條可靠的、不可篡改的區(qū)塊鏈。

2.4? 簽名和驗證

數(shù)字簽名的作用是確認(rèn)節(jié)點的身份。本系統(tǒng)中用到的數(shù)字簽名主要有兩處：一個是用戶注冊為節(jié)點時，認(rèn)證模塊用自己的私鑰對用戶的公鑰簽名;另一個是節(jié)點對生成記錄后的簽名。

認(rèn)證模塊對于用戶公鑰的簽名是以頒發(fā)的數(shù)字證書體現(xiàn)的，當(dāng)節(jié)點加入到區(qū)塊鏈系統(tǒng)時，要攜帶數(shù)字證書才能正式成為區(qū)塊鏈節(jié)點，其次某條記錄廣播到區(qū)塊鏈系統(tǒng)后，所有的節(jié)點接收到的記錄是否是合法節(jié)點產(chǎn)生的，也需要通過數(shù)字證書驗證，防止非法節(jié)點偽造數(shù)據(jù)記錄。

教師的教學(xué)成果在傳遞過程中要保證不被竊取，不被偽造以及原創(chuàng)作者的歸屬確認(rèn)更需要借助數(shù)字簽名。數(shù)字簽名利用散列函數(shù)保證數(shù)據(jù)在傳播過程中的完整性，同時結(jié)合加密技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的保密性和可追溯性。每個合法節(jié)點在產(chǎn)生活動后對活動內(nèi)容生成數(shù)字摘要并用自己的私鑰簽名，最終形成完整的記錄廣播給區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的所有節(jié)點，驗證時使用該節(jié)點的公鑰提取原摘要與新摘要對比，如果相同表示驗證通過并最終由擁有錄入權(quán)的節(jié)點寫入?yún)^(qū)塊，形成無法篡改的記錄。簽名和驗證過程如圖4所示。

2.5? 錄入權(quán)的歸屬

當(dāng)記錄被廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中時，所有的節(jié)點對這些記錄驗證通過后，最終由擁有錄入權(quán)的節(jié)點將記錄寫入?yún)^(qū)塊中。定義錄入權(quán)的歸屬實質(zhì)上是重新設(shè)計共識機制，傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈節(jié)點都是以消耗算力為代價爭奪記賬錄入權(quán)的，并規(guī)定固定的時間段為一輪記賬操作。

依據(jù)傳統(tǒng)的共識機制帶來的問題，在本教育系統(tǒng)中，設(shè)定以固定的記錄生成條數(shù)劃分一輪錄入操作，即每生成128條記錄就由獲得錄入權(quán)的節(jié)點錄入并生成一個區(qū)塊，解除以固定時間長度的限制。而新一輪的錄入權(quán)由此輪內(nèi)活動時間最長的那個節(jié)點獲得，最終規(guī)避以算力爭得錄入權(quán)的傳統(tǒng)方法。

2.6? 記錄的上鏈過程

教師或?qū)W生的記錄被創(chuàng)建后，公布到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，所有的節(jié)點收到記錄后先提取數(shù)字證書驗證節(jié)點的身份，非法節(jié)點做拋棄處理，身份驗證通過后再提取記錄的內(nèi)容做MD5處理生成摘要，對比攜帶的原摘要，相同則表示此條記錄驗證通過。系統(tǒng)根據(jù)記錄中的序號做計數(shù)處理，在新的一輪錄入過程中，第1條記錄驗證通過后從0開始計數(shù)，同時對所有節(jié)點進行活動檢測，當(dāng)?shù)?28條記錄驗證通過后由這一輪活動時間最長的節(jié)點獲得錄入權(quán)并生成一個區(qū)塊，同時計數(shù)器歸0，準(zhǔn)備下一輪的計數(shù)。記錄上鏈過程圖如圖5所示。

2.7? 查詢記錄

在本教育平臺中，應(yīng)用區(qū)塊鏈作為存儲系統(tǒng)其主要目的除了安全存儲用戶產(chǎn)生的記錄外，還要為其提供真實可靠的查詢功能。

每個教師和學(xué)生賬戶中心默認(rèn)顯示自身產(chǎn)生的歷史記錄，系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點ID通過索引記錄的生成時間，最后在前端以列表形式顯示，顯示內(nèi)容包括記錄類型、記錄生成時間、記錄詳細(xì)概括等重要信息。除了默認(rèn)的歷史記錄，節(jié)點還可以按條件查詢。每個節(jié)點與其他節(jié)點產(chǎn)生的交易記錄在數(shù)據(jù)庫中通過外鍵以聯(lián)表方式存儲。教師如果查詢哪些學(xué)生購買了自己的課程或者學(xué)生查詢自己老師名下是否還有其他課程，都可以通過聯(lián)表操作將查詢結(jié)果返回。查詢流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)中保留超級管理員的身份，它在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫操作中僅有查詢權(quán)限，負(fù)責(zé)全庫的記錄清查與核對。

3? 系統(tǒng)的實現(xiàn)

該系統(tǒng)的前端主要以微信小程序體現(xiàn)，面向?qū)W生進行選課購課。學(xué)生可以在個人中心查詢相關(guān)記錄，如圖7所示，學(xué)生的購課記錄可以在訂單中查詢，學(xué)習(xí)和評價記錄按時間順序展示在歷史記錄中。

面向教師的后臺管理設(shè)計的功能相對復(fù)雜，教師后臺主要有四大模塊：教務(wù)管理、賬戶中心、區(qū)塊鏈中心、節(jié)點身份中心。教務(wù)管理主要包括課程發(fā)布、評價反饋和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，如圖8所示;賬戶中心顯示教師的收入和銷售記錄，如圖9所示;區(qū)塊鏈中心和節(jié)點身份中心與區(qū)塊鏈系統(tǒng)做數(shù)據(jù)交互。

4? 結(jié)? 語

本文將教育系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，利用其特點實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的不可篡改性與數(shù)據(jù)的可追溯性，完成了教育平臺自身的去中心化。在本系統(tǒng)中，教師的教育成果和版權(quán)得到了有效的保護，學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄即時地反饋給教師，區(qū)塊鏈技術(shù)維護了真實可靠的數(shù)據(jù)，教師可以追溯作品的訂閱數(shù)，學(xué)生可以根據(jù)課程評價選購課程。教育者和受教育者放心地通過此平臺進行交易，交易雙方的數(shù)據(jù)是一種更安全、更高級的存儲方式，且真實地反映給用戶，進而從技術(shù)上解決了信任問題。

注：本文通訊作者為衛(wèi)文學(xué)。

參 考 文 獻

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