黃達明

摘要 區(qū)塊鏈本質(zhì)上的去中心化和安全特性，使得其很適合于解決目前教育領域面臨的困難.本文首先介紹了區(qū)塊鏈的基本技術原理，包括區(qū)塊的結(jié)構(gòu)和區(qū)塊鏈的構(gòu)成、區(qū)塊鏈技術平臺的體系結(jié)構(gòu)、區(qū)塊鏈的分類、共識算法、智能合約.接著分析了目前教育領域發(fā)展的終身教育和跨地區(qū)教育的新形勢，以及傳統(tǒng)數(shù)字化教育系統(tǒng)面臨的主要問題.然后從教育相關信息的多方共享和驗證、學習過程跟蹤、激勵和學習路徑塑造、學習評估、教育管理與決策輔助等幾個方面對區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用現(xiàn)狀進行了介紹和分析.最后總結(jié)了目前區(qū)塊鏈技術應用到教育領域的主要問題，并展望了未來的發(fā)展方向.

關鍵詞 區(qū)塊鏈技術;教育領域;共識算法;智能合約

中圖分類號 TP13

文獻標志碼 A

0 引言

區(qū)塊鏈技術的基本思想最早由中本聰在其有關比特幣的論文中提出[1].在沒有可靠的第三方干預的情況下，因特網(wǎng)應用中的各個網(wǎng)絡節(jié)點之間很難建立起信任.區(qū)塊鏈技術通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點之間基于共識機制的互相合作，在不需要互相信任的條件下，通過使用分布式的P2P網(wǎng)絡協(xié)議進行通信，能夠提供一種去中心化、透明的數(shù)據(jù)存儲模式，存儲在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)被打包進區(qū)塊構(gòu)成鏈式結(jié)構(gòu)，并復制到各個節(jié)點上，被稱為分布式公共賬簿，通過密碼學、哈希技術、共識算法和智能合約等技術的共同配合，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)容易被驗證，但是卻很難被惡意修改和完全摧毀[2-3].目前區(qū)塊鏈技術已經(jīng)被廣泛研究并應用于商業(yè)、財務、醫(yī)療、政府等很多領域，但是在教育領域還很少有成熟的例子，近幾年已經(jīng)有越來越多的工作開始投向區(qū)塊鏈技術在教育教學領域的應用.例如阿聯(lián)酋大學（UAE University）的研究者對區(qū)塊鏈技術進行比較，并測試了區(qū)塊鏈技術在阿聯(lián)酋大學部署的性能參數(shù)，證實大規(guī)模部署區(qū)塊鏈網(wǎng)絡是可行的[4].

文獻[5]從宏觀技術層面對區(qū)塊鏈技術應用到教育領域的需求和過程進行了分析，認為需要主要關注幾個問題：1）定義運行數(shù)據(jù)的服務和參與方;2）定義加密密鑰和方法;3）關注共識算法及其執(zhí)行過程;4）構(gòu)建定義和部署智能合約的過程.

本文對區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用現(xiàn)狀進行介紹和分析，第一節(jié)介紹區(qū)塊鏈的技術原理;第二節(jié)闡述教育領域的發(fā)展趨勢和傳統(tǒng)數(shù)字化教育信息系統(tǒng)面臨的問題;第三節(jié)從多方面介紹和分析區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用及其技術細節(jié);第四節(jié)對區(qū)塊鏈技術在教育領域應用面臨的問題和未來研究方向進行了總結(jié).

1 區(qū)塊鏈技術

1.1 區(qū)塊鏈技術的基本原理

1.1.1 區(qū)塊的結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈中所有應用信息以交易數(shù)據(jù)的形式保存在區(qū)塊中.如果區(qū)塊鏈是一個分布式賬簿，則每個區(qū)塊相當于賬簿中的一頁.區(qū)塊的結(jié)構(gòu)由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體構(gòu)成，區(qū)塊頭部包含前一區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊時間戳、隨機神奇數(shù)、交易數(shù)據(jù)Merkle樹根等重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示.區(qū)塊基于哈希、時間戳、Merkle樹、數(shù)字簽名、共識協(xié)議等技術生區(qū)塊的生成節(jié)點通過在區(qū)塊頭部加入時間戳來標識區(qū)塊生成時間，從而實現(xiàn)按照時間維度的交易數(shù)據(jù)可追溯性.

區(qū)塊體中存儲著自上一區(qū)塊生成以來所完成的所有交易的數(shù)據(jù).

在每個區(qū)塊的頭部包含前一區(qū)塊的哈希值，通過前一區(qū)塊的哈希值，可以使得所有區(qū)塊構(gòu)成鏈式結(jié)構(gòu)，而新的區(qū)塊按照時間順序被加入鏈中，構(gòu)成區(qū)塊鏈，最初的區(qū)塊被稱為創(chuàng)世區(qū)塊.而在區(qū)塊體中，每筆交易數(shù)據(jù)都會被計算哈希值，然后將所有交易數(shù)據(jù)的哈希值作為葉子節(jié)點構(gòu)造Merkle樹，Merkle樹的樹根作為整棵Merkle樹的哈希值被記錄到區(qū)塊頭部.通過這兩種哈希技術的應用，對區(qū)塊的篡改，包括對區(qū)塊內(nèi)任何一筆交易的篡改，都容易被檢測到，從而保證了區(qū)塊中記錄的賬簿數(shù)據(jù)以及區(qū)塊數(shù)據(jù)本身的不可篡改性.

1.1.2 區(qū)塊鏈技術平臺體系結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈技術平臺體系結(jié)構(gòu)綜合看可以由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、智能合約層、應用層5層構(gòu)成，如圖2所示.

1）數(shù)據(jù)層采用哈希、Merkle樹等合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對交易、區(qū)塊進行表示、組織和管理，并落實相關數(shù)據(jù)在具體節(jié)點上的存儲.

2）網(wǎng)絡層基于P2P對等網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)區(qū)塊鏈節(jié)點之間的通信，完成交易和區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸以及節(jié)點間其他信息的傳輸任務.

3）共識層基于共識算法和激勵措施，解決分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)的一致性問題.

4）智能合約層提供構(gòu)建智能合約的語言和編譯服務，以及運行智能合約腳本的虛擬機和沙箱環(huán)境.

5）應用層通過提供各種可編程接口搭建基于區(qū)塊鏈技術的各種應用，包括電子貨幣、商業(yè)應用、政府應用、物聯(lián)網(wǎng)應用等，用戶不必了解區(qū)塊鏈技術的底層細節(jié).

1.2 區(qū)塊鏈的分類

按照區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的構(gòu)建和管理、節(jié)點準入條件、去中心化程度以及區(qū)塊鏈技術的應用模式，可以將區(qū)塊鏈分為公有鏈（Public Blockchain）、私有鏈（Private Blockchain）和聯(lián)盟鏈（Consortium Blockchain）3類[2-3，6].

以比特幣[1]和以太坊[7]為代表的公有鏈，無官方管理組織機構(gòu)和中心服務器，節(jié)點可以按照區(qū)塊鏈的系統(tǒng)規(guī)則自由加入或退出網(wǎng)絡，各節(jié)點具有平等的存取數(shù)據(jù)和競爭記賬的權限，節(jié)點之間不需要互相信任，基于共識機制維持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡展開工作，去中心化的程度最高.

以Quorum為代表的私有鏈，通常由某個組織或機構(gòu)（例如企業(yè)、政府等）構(gòu)建和管理，節(jié)點需要管理方授權才能加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡，且每個節(jié)點的數(shù)據(jù)讀寫和記賬權限不完全平等，還有少數(shù)高性能的節(jié)點負責全局管理，系統(tǒng)的運行規(guī)則可以由構(gòu)建組織自己決定并更改.在具有區(qū)塊鏈技術不可篡改和安全性等優(yōu)點的同時，只能做到部分去中心化.

以Hyperledger/Hyperledger Fabric為代表的聯(lián)盟鏈，通常由多個機構(gòu)和組織協(xié)商共同構(gòu)建和管理，節(jié)點分屬于不同的管理方，通過準入機制加入和退出區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，兼具公有鏈和私有鏈的特點，具有多中心的特征，去中心化程度高于私有鏈而低于公有鏈.在聯(lián)盟鏈中，由預先選出的授權節(jié)點負責共識過程和區(qū)塊驗證.

聯(lián)盟鏈和私有鏈又可以歸為許可鏈.

公有鏈支持匿名化，而聯(lián)盟鏈/私有鏈由于節(jié)點受管理，因此使用過程可以不匿名化，從而更容易被監(jiān)管.

1.3 共識算法

區(qū)塊鏈是存在于P2P網(wǎng)絡上的分布式賬簿式的數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都具有確認后的賬簿狀態(tài)和一系列等待打包進區(qū)塊并添加到賬簿的未確認的數(shù)據(jù).為了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡能夠保持功能，節(jié)點需要在賬簿的某個狀態(tài)和將數(shù)據(jù)打包進區(qū)塊的方式上取得一致意見.這是通過分布式共識算法來實現(xiàn)的.分布式共識算法保證足夠數(shù)量的節(jié)點在分布式賬簿的精確狀態(tài)以及新的區(qū)塊被添加到賬簿的次序上達成一致，從而保證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的一致性和真實性[8-10].

共識算法的主要過程由4部分構(gòu)成，即選擇記賬節(jié)點、排序造塊、驗證和新區(qū)塊添加到鏈.選擇記賬節(jié)點又稱選主，是共識算法的核心，是根據(jù)一定的策略從所有礦工節(jié)點中選出具有記賬權的節(jié)點.具有記賬權的節(jié)點會將網(wǎng)絡中當前時間段內(nèi)的交易依據(jù)區(qū)塊容量、交易費用、交易等待時間等因素排序后打包生成新區(qū)塊，并將新區(qū)快廣播給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的其他礦工節(jié)點或代表節(jié)點.其他節(jié)點收到新區(qū)塊后將獨立驗證其正確性.只有獲得大多數(shù)參與驗證的節(jié)點的確認后，記賬節(jié)點才能根據(jù)規(guī)則，將新的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈的主鏈上.

以具有代表性的工作量證明算法PoW（Proof of Work）算法為例，規(guī)定每個礦工節(jié)點需要通過共同挖礦（求解SHA256數(shù)學難題），以最快者勝出的規(guī)則來確定具有記賬權的節(jié)點，因此其本質(zhì)是通過分布式節(jié)點的工作量或者說計算能力來競爭記賬權.PoW算法是最早也是目前為止最安全可靠的公有鏈共識算法，但是對節(jié)點的計算能力要求較高且會造成電力等資源的浪費.因此權益證明算法PoS（Proof of Stake）中提出將節(jié)點對特定數(shù)量貨幣所有權定義為權益，以權益的競爭而非計算能力的競爭來確定記賬權歸屬.

可以從容錯類型、部署方式和一致性程度等不同角度出發(fā)對共識算法進行分類，綜合文獻[8-10]，可以根據(jù)選主策略將共識算法分為證明類共識算法（例如PoW算法和PoS算法）、直接廣播選舉類共識算法（例如VR算法、Paxos算法和Raft算法）、輪流類共識算法（例如BFT算法）、聯(lián)盟類代表共識算法（例如DPoS算法）、隨機類共識算法（例如Algorand算法和PoET算法）、混合類共識算法（例如PoW+Pos混合共識算法、Pos+BFT混合共識算法）等6類.

1.4 智能合約

智能合約是可以執(zhí)行合約條款的計算機化的交易協(xié)議，能夠?qū)⒎蓞f(xié)議、應用邏輯和網(wǎng)絡中的復雜關系程序化.智能合約應該由具備專業(yè)知識的人制定和審核，具有法律效應.在區(qū)塊鏈上下文中，智能合約的形式是具有唯一地址的存儲在區(qū)塊鏈中的程序，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點的沙箱環(huán)境中執(zhí)行[11].

智能合約作為共享的資源被部署在區(qū)塊鏈上，可以被外部事件觸發(fā)自動執(zhí)行.通過數(shù)字簽名和時間戳技術，可以保證智能合約內(nèi)容的不可篡改性和可追溯性，而且智能合約的所有條款和執(zhí)行過程都是預先確定的，節(jié)點需要驗證合約的有效性，通過共識后才能執(zhí)行，合約中任何一方都不能擅自修改合約內(nèi)容和干預合約的執(zhí)行.

智能合約通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的封裝和共識，隱藏了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中各個節(jié)點以及節(jié)點之間復雜的行為，通過提供區(qū)塊鏈應用層的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)通用目的的計算，可以形成基于區(qū)塊鏈的服務，從而能夠構(gòu)建各類可編程的智能資產(chǎn)、系統(tǒng)，令區(qū)塊鏈技術具有更廣闊的應用前景.

2 傳統(tǒng)數(shù)字化教育系統(tǒng)面臨的主要問題

很長時間以來教育機構(gòu)都壟斷了學習認證的功能，而學習者、教師卻對于學習過程和結(jié)構(gòu)無法自治.雖然技術在發(fā)展，但是傳統(tǒng)的以學校為中心的教室學習改變很慢.另一方面，終身學習、在線學習、移動學習和基于項目以及實際問題的分布式學習變得越來越普及.近些年，隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，學習環(huán)境逐漸數(shù)字化和全球化，傳統(tǒng)的教育機構(gòu)缺乏必要的方法、資源和能力去驗證學習者的知識、技能和成果，也很難管理、認證學習者的學習活動、過程和結(jié)果[5，12-23].

傳統(tǒng)的數(shù)字化教育系統(tǒng)通常采用中心化的結(jié)構(gòu)，所有的教育相關數(shù)據(jù)以及處理代碼通常都存儲在中心化的服務器上，用戶通?？梢酝ㄟ^瀏覽器或移動APP與中心服務器通信，而數(shù)字化教育系統(tǒng)通常由某個教育機構(gòu)例如學校、某個公司、某個組織或者某個國家/地區(qū)的政府教育部門來建設和管理.

隨著教育全球化和個人成長學習的終身化趨勢，每個人在人生的不同階段可能會在不同類型、不同地區(qū)乃至不同國家的教育機構(gòu)接受教育.因此，不同的教育機構(gòu)之間需要交換和共享學習者的相關學習數(shù)據(jù)，例如課程學分、學歷證書、學習能力證書等等;利益相關第三方例如企業(yè)或政府部門需要查詢和驗證學習者的學習記錄、成績和結(jié)業(yè)證書等，未來雇主甚至還可能查詢與應聘者所申請職位相關的課程的學習過程和課程作品等信息.而目前由某個教育機構(gòu)擁有的中心化數(shù)字化教育系統(tǒng)在解決以上場景的問題時將會遇到很大困難.

這樣的困難無法通過構(gòu)建一個更大的包括相關教育機構(gòu)的中心化的數(shù)字教育系統(tǒng)來解決.首先，從管理角度看，這些教育結(jié)構(gòu)很可能來自不同的地區(qū)乃至國家的學校，也可能是不同的商業(yè)化教育機構(gòu)，從管理權來說不可能歸屬到一個所謂更高級的教育機構(gòu)中來.其次，從技術角度看，這些教育機構(gòu)原先構(gòu)建的數(shù)字化教育系統(tǒng)可能采用了不同的技術架構(gòu)和產(chǎn)品，要實現(xiàn)這些系統(tǒng)的替換，或者連通和互操作，其代價是非常高昂甚至無法接受的.最后，從安全角度出發(fā)，建立這樣一個所有教育機構(gòu)都能夠信任，并且能夠防止未獲授權的對數(shù)據(jù)篡改的中心化數(shù)字教育系統(tǒng)是很難的.

此外，傳統(tǒng)的教育信息系統(tǒng)還面臨著存儲的數(shù)據(jù)維度有限、歷史記錄不完善等問題.

區(qū)塊鏈本質(zhì)上的安全和去中心化使得其可以成為教育領域中某些急需改進和創(chuàng)新的方向的完美技術解決方案.基于區(qū)塊鏈的數(shù)字化教育系統(tǒng)用戶包括學習者、教育機構(gòu)的教師、管理者以及其他的利益相關方，例如公司、雇主等，其主要作用包括以下幾點：

1）存儲學習者學習資質(zhì)和證書;

2）存儲學習者課程成績、學分和課程修習結(jié)果;

3）存儲學習者的學習過程日志;

4）存儲學習者的學習獎勵;

5）提供對學習者學習結(jié)果、資質(zhì)和證書的共享和驗證;

6）存儲課程相關信息;

7）支持對學習效果的評估以改進課程/課程體系;

8）存儲教師相關信息;

9）提供對教師/課程的評估;

10）存儲學校資產(chǎn)和設置信息;

11）完成教育部門高層次的決策分析，例如對學校、學生、教師群體特點的分析，以幫助制定教育政策;

12）為其他利益相關方提供接口，例如工業(yè)界、潛在的雇主公司、合作教育機構(gòu)、后續(xù)教育機構(gòu)等;

13）提供用戶交互.

3 區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用

3.1 學習者教育相關信息的多方共享和驗證

區(qū)塊鏈技術在教育領域的最重要的應用是解決學習者教育相關信息的多方共享和驗證.如第2節(jié)所述，在終身學習的趨勢下，每個人可能會跨機構(gòu)、跨城市、跨管理域甚至跨國家接受不同形式的教育，并需要在學習者個人、學校、雇主、政府部門之間共享和驗證學習者所取得的教育成果、資質(zhì)和證書等教育相關信息，因此需要在多個利益相關方之間架設透明和高效率的橋梁，從而無縫連接教育界內(nèi)部和教育界與外部世界（例如工業(yè)界）.

這里區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的構(gòu)建基于不同的應用需求可能會有不同的選擇.早期的區(qū)塊鏈教育網(wǎng)應用主要集中于對證書和學位的認證，并且大多基于比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡.這些工作包括美國麻省理工學院的“數(shù)字證書項目”[24]、阿根廷CESYT學院的學位認證項目[25]等.

具有跨國家不同管理域全球化需求的教育網(wǎng)區(qū)塊鏈應用，往往采用聯(lián)盟鏈類型的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，這是因為全球化情況下，不可能建立由一個機構(gòu)管理的私有鏈網(wǎng)絡，而教育網(wǎng)應用背景下，教育機構(gòu)和學習者、雇主等其他用戶地位并不相同，因此聯(lián)盟鏈比較合適.歐洲學分轉(zhuǎn)換和累積系統(tǒng)EDUCTX平臺[12-13]是這方面目前最為典型和成功的案例，最早是基于ARK[26]區(qū)塊鏈平臺實現(xiàn)，后來的新版本基于以太坊平臺.印度的研究者提出的學分轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[14]是EDUCTX之后的又一個工作，其原型也是基于ARK區(qū)塊鏈平臺實現(xiàn)的.文獻[15]是基于Hyperledger Fabric的一個工作，實現(xiàn)了一個教育界-工業(yè)界信息共享的合作系統(tǒng).約旦的研究者們所做的使用區(qū)塊鏈技術構(gòu)建智能教育認證的工作[27]目前主要用于約旦的Al-Zaytoonah大學.美國幾所大學合作構(gòu)建的一個教育區(qū)塊鏈系統(tǒng)[16]可以連接大學和企業(yè)，并支持企業(yè)雇員的在職繼續(xù)教育.

本文按照區(qū)塊鏈網(wǎng)絡類型和體系結(jié)構(gòu)，以EDUCTX平臺為主進行介紹、對比與分析，EDUCTX平臺的概念體系結(jié)構(gòu)如圖3所示.

在網(wǎng)絡層，系統(tǒng)利用分布于全球的P2P網(wǎng)絡構(gòu)建，一般而言經(jīng)過驗證的授權高等教育機構(gòu)會作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的主要網(wǎng)絡成員節(jié)點參與分布式共識過程，而其他用戶可以匿名方式有限使用公開存儲于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的賬簿信息.在數(shù)據(jù)層，在EDUCTX中，當學生在一個高等教育機構(gòu)注冊時，高等教育機構(gòu)節(jié)點會為該學生產(chǎn)生一個學生ID、一個新的區(qū)塊鏈地址以及一個公鑰私鑰對，同時，高等教育機構(gòu)還會使用自己的公鑰以及剛產(chǎn)生的學生公鑰來生成一個新的2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址，并將此2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址和學生ID存儲到高等教育機構(gòu)自己的數(shù)據(jù)庫中.學生將使用2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址來構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈錢包.當學生完成一門課程的學習后，事先規(guī)定好的課程相應的ECTX代幣將從高等教育機構(gòu)傳輸?shù)綄W生的2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址錢包.當雇主或其他高等教育機構(gòu)要驗證一個學生的學分記錄時，學生將自己的區(qū)塊鏈地址、公鑰以及和高等教育機構(gòu)相應的2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址發(fā)送給驗證方，驗證方可以以此驗證學生的學分等信息，并通過一個私有信道，驗證方根據(jù)學生的區(qū)塊鏈地址發(fā)送信息給學生，要求學生使用自己的私鑰來簽收，以驗證學生身份的合法性.從安全考慮，學生無法獨自傳輸所獲得的學分代幣，因為學分代幣是存儲在2-2多重簽名區(qū)塊鏈地址錢包中的，需要學生和高等教育機構(gòu)的共同同意才可以傳輸.而在印度的學分轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作中，使用的擴展的M-B多重簽名地址，作用也是在M個節(jié)點中，需要B個節(jié)點共同確認才能保證交易的合法性，該系統(tǒng)相較于EDUCTX的一個改進是可以為一個學生在同一個導師下注冊多門課程.

在區(qū)塊結(jié)構(gòu)中，交易信息中除了包含收發(fā)雙方的信息以及代表學分的代幣外，還可以包含外鏈指向更加細節(jié)的學分和證書信息，這些信息保存在相應高等教育機構(gòu)自己的服務器上，每個高等教育機構(gòu)可以選擇是否在交易信息中包含可選的細節(jié)信息外鏈.

在共識層，EDUCTX使用DPoS共識協(xié)議，因此不需要耗費額外的計算資源，因為只有授權的高等教育機構(gòu)構(gòu)建的節(jié)點才能參與共識過程，所有節(jié)點可以使用選舉投票的方式依次決定“記賬員”的產(chǎn)生.

在智能合約層，EDUCTX擴展了以太坊的ERC20，在智能合約中增加新的結(jié)構(gòu)，維護一個驗證過的授權機構(gòu)列表，從而可以在學分傳輸時檢驗學分傳輸方是否獲得了相關的授權，并且通過使用定制的商業(yè)邏輯標準化“傳輸”函數(shù)從而能夠存儲所傳輸?shù)奶囟▽W分代幣相關的更加細節(jié)的信息.文獻[16]中可以通過智能合約來自動地為企業(yè)提供其員工所接受的在職繼續(xù)教育所獲得的最新教育成果，包括學術成果或其他任何項目經(jīng)驗等.

在應用層，EDUCTX平臺上所有利益相關方都是通過用戶接口友好地去中心化WEB接口以及一個P2P的超媒體協(xié)議IPFS來使用EDUCTX平臺，這是目前應用層接口最友好的一個實現(xiàn)工作.

3.2 學習過程跟蹤、激勵和學習路徑塑造

香港幾所大學構(gòu)建了一個基于以太坊的“Word-Learning System”區(qū)塊鏈數(shù)字化學習系統(tǒng)的概念模型，可以實現(xiàn)學習過程的跟蹤[17].為了提升學習參與度，系統(tǒng)可以通過智能合約技術基于部署于區(qū)塊鏈中的激勵策略為排行前列的學習者提供額外的虛擬貨幣獎勵，這些虛擬貨幣又可以被用于購買一些要求付費或者加密的文件，這可以避免抄襲并保護知識產(chǎn)權.作者還使用來自ISO 9126質(zhì)量模型對提出的區(qū)塊鏈數(shù)字化學習系統(tǒng)的功能改進、可用性以及可維護性進行了驗證.

英國的研究者在數(shù)據(jù)科學教育的大背景下使用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)了智能區(qū)塊鏈徽章作為學習者的動態(tài)認證記錄[18]，不僅能夠記錄學習者所獲得的學習成果和相關的學習技能，還能以此為依據(jù)為學習者提供匹配的工作機會，并提供接下來的學習建議，從而實現(xiàn)對學習者學習過程的跟蹤以及進一步學習的激勵.該工作基于以太坊平臺，所構(gòu)建的區(qū)塊鏈徽章系統(tǒng)能夠與歐洲數(shù)據(jù)科學協(xié)會（EDSA）的白板系統(tǒng)互聯(lián)，從EDSA的白板獲取數(shù)據(jù)科學方面各種數(shù)據(jù)科學技能的需求情況.該系統(tǒng)的主要貢獻是通過不同類型的智能合約來幫助學習者塑造適合自己的學習路徑，從而達到更好的職業(yè)生涯目標，其智能合約包含以下類型：

1）徽章合約：存儲在完成一門課程后所獎勵的徽章的細節(jié)信息，包括頭銜、描述、發(fā)放者、獎勵的原則等;

2）技能感知合約：存儲獲得一枚徽章所需的技能列表，以及從EDSA白板獲得的各種工作所要求的所有技能列表;

3）工作招聘合約：保存EDSA白板所獲取的特定工作的細節(jié)信息，包括職位、描述、國家、組織、地點等;

4）工作存儲合約：將工作招聘合約映射到技能，包含一個指針列表，可以將每個工作招聘合約映射到相應的工作感知合約中所持有的技能.

3.3 學習評估

在高等教育中，通過實驗、測驗、考試來評估學生的學習狀況是很重要的任務，但是存在的問題是評估可能是不透明的、不公平的，評估結(jié)果也可能被有意更改.應用區(qū)塊鏈技術進行學習評估可以有效解決這些問題.武漢科技大學給出一個基于雙層聯(lián)盟鏈的在線測驗模式[19].

為了在保證安全性的基礎上同時提高系統(tǒng)的效率和吞吐量，文獻[9]采取Ethereum 2.0 manve中的雙層聯(lián)盟鏈方法，即將區(qū)塊鏈分成一條主鏈和若干子鏈.在網(wǎng)絡中維護唯一一條主鏈，主鏈由網(wǎng)絡中的全功能節(jié)點共同維護;同時將整個網(wǎng)絡分成若干個部分，每個部分維護一條子鏈，每個普通節(jié)點可以根據(jù)自己的任務和計算及存儲能力選擇加入一個或若干個子鏈.每個測驗構(gòu)成一個小組，都由其參與的普通成員節(jié)點構(gòu)造一條子鏈.在一次測驗中，所有組成員都會對測驗結(jié)果進行驗證，并將驗證結(jié)果保存到子鏈中，然后由組管理員將測驗結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到主鏈中的全功能節(jié)點，經(jīng)過主鏈全功能節(jié)點驗證后同步到主鏈區(qū)塊中.這樣各測驗小組的子鏈可以并行操作，增加了系統(tǒng)的吞吐量.同時，在將測驗結(jié)果發(fā)送到主鏈中加入?yún)^(qū)塊后，子鏈中將不再保存測驗結(jié)果的詳細信息，而僅僅保存測驗結(jié)果信息的哈希值以及其在主鏈中存儲位置的索引，從而降低了子鏈節(jié)點的存儲壓力.最終，主鏈區(qū)塊中保存的信息將包括課程名稱、教師姓名、學生別名、測驗時間、分數(shù)、答題細節(jié)等，而子鏈區(qū)塊中保存的信息僅僅包括學生別名、分數(shù)、在主鏈中的位置索引等摘要 信息.

從安全性來說，通過區(qū)塊鏈技術可以保證匿名性，同時對每個小組使用多重簽名技術，可以保證可追溯性.在雙層鏈數(shù)據(jù)層面上，最終子鏈區(qū)塊中的信息是由主鏈信息產(chǎn)生的，因此只要保證主鏈全功能節(jié)點的誠實，對主鏈和子鏈的惡意攻擊將都不能得逞.

學習產(chǎn)出能夠衡量學生通過課程學習所獲得的能力，也相應地能夠評價課程的教學質(zhì)量.傳統(tǒng)的教育機構(gòu)由于通過人力進行評估，以及不同評估者以及所屬的管理域、地區(qū)和國家不同，從而很難客觀、自動、準確地去管理和認證學生的學習過程和結(jié)果.基于區(qū)塊鏈技術的學習產(chǎn)出評估可以實現(xiàn)將對學生學習成果的評估轉(zhuǎn)換為未來工作競爭力的評估結(jié)果，而學生競爭力評估的反饋則可以促進課程體系的不斷改進，進而影響和提升學生的學習方法.湘潭大學的研究者在使用教育區(qū)塊鏈技術進行學習產(chǎn)出評估方面進行了研究和實現(xiàn)工作[20].

區(qū)塊中存儲的數(shù)據(jù)，除了課程名、課程的權重等常規(guī)內(nèi)容外，還包括了作為評估依據(jù)的各項畢業(yè)要求能力的名字，以及作為結(jié)果的課程學習產(chǎn)出結(jié)果值，該產(chǎn)學習產(chǎn)生結(jié)果值是結(jié)合學生的成績、學習過程以及學習證據(jù)，通過定量和定性的方法綜合評估決定的.這樣，就可將傳統(tǒng)的僅僅基于學生課程結(jié)果學分的評估提升為依據(jù)畢業(yè)要求能力索引的課程學習產(chǎn)生結(jié)果評估.而共識機制被用于確保課程的評估不受限于教師的主觀意愿，從而保證評估結(jié)果的說服力.

此外，復旦大學也對區(qū)塊鏈技術用于技能競賽進行了研究工作[27]，以電子商務沙箱為案例，設計了基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的數(shù)字化教育操作技能競賽評估系統(tǒng)，可以解決不科學的競賽和非授權的評估等問題.

3.4 教育管理與決策輔助

傳統(tǒng)的教育管理需要依賴對學校信息管理系統(tǒng)搜集、錄入的數(shù)據(jù)進行處理分析，但是目前現(xiàn)有教育信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)都是由本單位搜集、錄入和維護，可能不正規(guī)或是造假的，也缺乏獨立和系統(tǒng)化的方法在相關信息的整個生命周期內(nèi)驗證其正確性，對于跨地區(qū)、跨管理機構(gòu)、跨國家的教育系統(tǒng)中的信息的分享和使用，以及上層管理部門如教育部門基于對所轄學校信息管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的分析來輔助政策制定，都缺乏可行與良好的支持.而基于區(qū)塊鏈的教育管理系統(tǒng)可以幫助解決這方面的困難，IBM公司的研究者在文獻[22]中介紹了在非洲肯尼亞所構(gòu)建的基于區(qū)塊鏈的學校信息樞紐SIH，該系統(tǒng)原型基于Hyperledger Fabric構(gòu)建，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示.

在學校信息管理系統(tǒng)中存儲著包括學生、家長、教師、學校設施和設備、學校資產(chǎn)等各種信息.這些信息對于教育政策的制定起著支撐作用，例如國家教育部門根據(jù)學校教師和學生人數(shù)進行教育撥款等.SIH結(jié)構(gòu)中通過學校數(shù)據(jù)接口SDH平臺和預處理模塊完成個體注冊、個體相關信息收集、驗證、存儲和管理等工作.個體相關信息包括生物信息如指紋、臉部數(shù)據(jù)等，數(shù)字化的文檔如出生證明等，教育相關信息如學生在校的畫像信息、學術表現(xiàn)、個人學術成就等，還有很多相關的圖像和視頻等多媒體數(shù)據(jù).

在區(qū)塊中并不存儲系統(tǒng)中個體的生物信息數(shù)據(jù)、文檔、圖像和大型的多媒體數(shù)據(jù)，而是將這些數(shù)據(jù)加密后存儲在一個本地的永久性存儲設施中，而區(qū)塊中存儲的是經(jīng)過驗證后的<數(shù)據(jù)哈希值，存儲地址，相關事件信息>的三元組數(shù)據(jù)，由此可以通過區(qū)塊鏈來控制這些“賬本外”數(shù)據(jù)，保證其機密性、授權和完整性，并在需要的時候可以對其進行驗證、分析和制作報告等.

智能合約被用于管理區(qū)塊鏈之中的學校信息系統(tǒng)，用于實際控制所有的功能和服務，例如和學生有關的功能包括學生注冊、學生轉(zhuǎn)學、學生加入一門課程、修改個人標識信息、畢業(yè)等，和教師相關的功能包括教師注冊、為課程指定教師、教師表現(xiàn)記錄等，其他還包括資產(chǎn)注冊、教學大綱上傳和修改、創(chuàng)建、開始和結(jié)束課程等.

決策支持模塊可以提供不同級別的和學生、教師、學校以及資源相關的分析服務.包括資源分配、預算分配、學校影響力評估、學生退學模式預警、學生擇校模式分析、轉(zhuǎn)學模式分析、學生相似性分析、欺詐預防、教師分布等.

在使用牽涉到教育系統(tǒng)中學生的數(shù)據(jù)進行評估及決策時，如何保證學生數(shù)據(jù)隱私及獲得家長的授權共識也是需要解決的一個問題.印度的研究者在此方面進行了研究[23]，基于Hyperledger系統(tǒng)，在智能合約層設計了授權、關聯(lián)和共識等算法實現(xiàn)，能夠確保學生數(shù)據(jù)被正確使用，并可以對抗吵鬧的父母、吵鬧的志愿者和黑客訪問者等不同的安全威脅.

4 總結(jié)和未來研究方向

目前區(qū)塊鏈技術已經(jīng)逐步應用到教育領域的各個方向，包括學分、證書、學歷等數(shù)據(jù)的共享和驗證，學習情況跟蹤，學習和課程評估，教育管理和決策系統(tǒng)等，并且有相應的實際教育區(qū)塊鏈網(wǎng)絡被部署，但是成熟的平臺和系統(tǒng)并不多.

在教育區(qū)塊鏈技術發(fā)展過程中，也暴露出一些需要解決的缺點和困難.在文獻[28]中，俄羅斯研究者給出了一些觀點，主要的問題可能包括：1）教育區(qū)塊鏈建設需要必要的教育立法機關政策制定，也需要統(tǒng)一所有參與方的興趣;2）區(qū)塊鏈網(wǎng)絡需要有足夠的參與者，更少的參與者會導致更大的破壞數(shù)據(jù)的可能性，如果一些參與者不想花費資源用于計算“外部”數(shù)據(jù)而僅僅希望成為網(wǎng)絡中的消費者，不對驗證和求解算法做出貢獻，會降低網(wǎng)絡的可靠性;3）如果采用公有鏈，參與者完全匿名和不用授權，由虛構(gòu)的教育機構(gòu)給出的專業(yè)證書數(shù)據(jù)可能會被寫入?yún)^(qū)塊，因此目前很多工作都是采用了聯(lián)盟鏈作為基礎.

通過現(xiàn)有的研究工作，也可以給出教育區(qū)塊鏈技術未來的一些研究方向，具體如下：

1）教育并行智能區(qū)塊鏈技術.基于并行智能理論的并行區(qū)塊鏈技術能夠提供一系列可計算、可行和可比較的建模、預測分析和制導優(yōu)化方法.中國科學院的研究者以此為基礎研究了并行完全教育區(qū)塊鏈模型[29].在這個方向上，數(shù)據(jù)層、共識層和智能合約層構(gòu)成的邏輯層以及應用層都有很多問題有待解決.

2）教育區(qū)塊鏈跨鏈和擴展技術.區(qū)塊鏈技術應用于教育領域的工作正越來越多的浮現(xiàn)，而基于不同區(qū)塊鏈技術構(gòu)建的教育區(qū)塊鏈網(wǎng)絡也會逐漸增多，因此實現(xiàn)不同教育區(qū)塊鏈之間的通信、數(shù)據(jù)共享是一個必然要面對的問題.文獻[30-31]中對區(qū)塊鏈之間的互聯(lián)互通和區(qū)塊鏈的擴展進行了研究，可以作為有益的參考.而未來教育區(qū)塊鏈跨鏈技術的研究會是區(qū)塊鏈在教育領域應用需要解決的主要問題之一.

3）教育區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析.文獻[32]對區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)分析工作進行了研究，具體到教育區(qū)塊鏈系統(tǒng)，未來有兩個主要問題需要研究.首先是隨著區(qū)塊鏈技術在教育領域的應用，越來越多的學習者、教師、課程、教育機構(gòu)等數(shù)據(jù)會上傳到鏈中，如果所有數(shù)據(jù)都上鏈的話，對于整個系統(tǒng)將是一個沉重的負擔，并且是否所有數(shù)據(jù)都上鏈就合適呢？所以研究哪些數(shù)據(jù)應該打包進教育區(qū)塊鏈系統(tǒng)，哪些數(shù)據(jù)離鏈存儲，是一個需要進一步研究的問題.其次就是如何提供合適的算法、技術、工具以及良好的人機接口來方便進行用于各種目的的教育區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)查詢和分析，也是一個需要進一步研究的方向.

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