車(chē)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(zhǎng)的趨勢(shì)，教育平臺(tái)或機(jī)構(gòu)憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(jià)值削弱、侵權(quán)以及教育成果剽竊等問(wèn)題。區(qū)塊鏈技術(shù)為這些問(wèn)題的解決提供了可能，文中設(shè)計(jì)的教育系統(tǒng)將區(qū)塊鏈技術(shù)接入，利用分布式存儲(chǔ)、加密算法等技術(shù)為版權(quán)歸屬、教育成果提供保護(hù)，同時(shí)利用區(qū)塊鏈的自身特點(diǎn)保證教育平臺(tái)中的交易真實(shí)性，為交易雙方提供完善的服務(wù)體系，彌補(bǔ)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(hù); 教育成果保護(hù); 平臺(tái)交易; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34; TP302.1? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(dòng)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(guó)在線教育的發(fā)展注入了源源不斷的動(dòng)力。從需求端角度來(lái)看，無(wú)論是應(yīng)試教育、興趣教育還是業(yè)余愛(ài)好教育，全民線上教育的數(shù)量在將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步提高。從供給端角度來(lái)看，目前最主流的方式是在線教育機(jī)構(gòu)或平臺(tái)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(tái)所擁有的技術(shù)、運(yùn)營(yíng)和推廣能力依舊吸引了無(wú)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(tái)在整個(gè)線上教育體系中扮演著重要的角色，其自身存在的問(wèn)題也有很多。在實(shí)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(qiáng)占，知識(shí)產(chǎn)權(quán)得不到保護(hù)。大多數(shù)的平臺(tái)作為第三方以中間人的方式存在，對(duì)教師僅支付定量的薪酬，對(duì)學(xué)員按實(shí)際購(gòu)買(mǎi)數(shù)量收費(fèi)，差額全部歸于平臺(tái)，造成了教師對(duì)自己課程是否受歡迎的不透明性，進(jìn)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(tái)的中心化帶來(lái)的問(wèn)題。此外，某些不法分子利用偽造網(wǎng)站和各大網(wǎng)盤(pán)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(shí)錄、教學(xué)課件等資源在平臺(tái)上無(wú)法得到有效的保護(hù)和流通。雖然新型的數(shù)字版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)[1]和數(shù)字水印技術(shù)[2]可以解決版權(quán)歸屬問(wèn)題，但是應(yīng)用到大規(guī)模的教育系統(tǒng)上的成本會(huì)很高，同時(shí)中心化的問(wèn)題仍然存在。

1? 區(qū)塊鏈與教育系統(tǒng)的結(jié)合

針對(duì)我國(guó)目前氣象觀測(cè)站點(diǎn)分散不均勻?qū)е聦?shí)時(shí)得到的空氣質(zhì)量的信息不準(zhǔn)確的問(wèn)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(guò)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(guò)氣象觀測(cè)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(guò)圖片來(lái)定性判定其空氣質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提空氣質(zhì)量判定方法的整體識(shí)別率為83.72%，優(yōu)類(lèi)和良類(lèi)識(shí)別率達(dá)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(kāi)透明的特點(diǎn)，任何資源創(chuàng)建信息都可以被使用者查詢(xún)、追蹤、獲取，而且可靠度、真實(shí)性更強(qiáng)[3]。教師通過(guò)基于區(qū)塊鏈的教育平臺(tái)首發(fā)其作品，作品在交易和流動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息都是透明的、不可篡改的，學(xué)生的購(gòu)課記錄、學(xué)習(xí)記錄、轉(zhuǎn)發(fā)記錄等都能真實(shí)地通過(guò)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(dá)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(gè)原創(chuàng)教學(xué)資源包括課件、素材、教學(xué)設(shè)計(jì)、題目、課程等發(fā)布于“教育鏈”平臺(tái)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(guò)程中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，即可迅速追溯、取證。

同時(shí)，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(shí)有效的憑證。同時(shí)，這種數(shù)字化證明可以與已有的應(yīng)用無(wú)縫整合，為每段文字、圖片、音頻、視頻加蓋唯一的時(shí)間戳身份證明，結(jié)合其他方式交叉驗(yàn)證，從根本上保障了數(shù)據(jù)的完整性、一致性，保護(hù)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

此外，“教育鏈”平臺(tái)可以形成授課方和學(xué)生方雙方的客觀評(píng)價(jià)體系，教師可以在區(qū)塊鏈教育平臺(tái)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?yàn)閰^(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無(wú)法篡改性，無(wú)論是教師的個(gè)人信息，還是學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)都能夠保持客觀公正，也就是說(shuō)，教師提供的信息是絕對(duì)真實(shí)的，授課記錄和評(píng)價(jià)也無(wú)法通過(guò)刷單獲得。

1.2? 區(qū)塊鏈教育系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǔ)的載體與教育平臺(tái)進(jìn)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(tái)[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(hù)進(jìn)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(hù)提供學(xué)習(xí)與服務(wù)。

2? 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1? 節(jié)點(diǎn)的加入

用戶(hù)成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)首先要經(jīng)過(guò)注冊(cè)，注冊(cè)時(shí)選擇學(xué)生或教師角色進(jìn)行身份驗(yàn)證。特別是教師的身份確認(rèn)，系統(tǒng)中有獨(dú)立的符合法律規(guī)定與行業(yè)規(guī)范的身份驗(yàn)證要求。用戶(hù)驗(yàn)證通過(guò)后，在本地生成密鑰對(duì)，密鑰對(duì)是經(jīng)橢圓曲線加密算法生成的一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰，公鑰發(fā)送給認(rèn)證模塊做簽名處理，私鑰需要用戶(hù)安全保存。

認(rèn)證模塊除了做用戶(hù)角色的身份驗(yàn)證，還具有發(fā)放數(shù)字證書(shū)的功能，即作為CA認(rèn)證中心與節(jié)點(diǎn)建立信任關(guān)系。為了解決通信的保密性問(wèn)題，以及對(duì)節(jié)點(diǎn)身份的確認(rèn)，該模塊利用自己的私鑰對(duì)用戶(hù)發(fā)送來(lái)的公鑰做數(shù)字簽名后，連同自己的公鑰作為數(shù)字證書(shū)一并頒發(fā)給用戶(hù)。用戶(hù)收到數(shù)字證書(shū)后，正式成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的合法節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)成為節(jié)點(diǎn)的過(guò)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(duì)等的節(jié)點(diǎn)，但在教育平臺(tái)中扮演不同的角色，所以?xún)蓚€(gè)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(chǔ)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(guò)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(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈的目的是保證教師的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可追溯性;另一種是學(xué)員的購(gòu)課記錄，目的是將真實(shí)的交易形成不可篡改的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。不同類(lèi)型的記錄在寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈之前，定義為以上其中一種記錄類(lèi)型。記錄的結(jié)構(gòu)與表示如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)生成的一條記錄除了作類(lèi)型標(biāo)識(shí)，它在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的活動(dòng)內(nèi)容還要進(jìn)行數(shù)字摘要及簽名處理。首先對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，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(gòu)課記錄、課程歸屬、課程教師及后續(xù)產(chǎn)生的課程評(píng)價(jià)都要作為數(shù)字摘要的內(nèi)容;最后系統(tǒng)將數(shù)字證書(shū)、節(jié)點(diǎn)信息、記錄類(lèi)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(tái)中，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)交易的區(qū)塊鏈?zhǔn)怯刹煌瑫r(shí)間段形成的區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)組成的，每個(gè)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(hào)、區(qū)塊樹(shù)根和時(shí)間戳。區(qū)塊樹(shù)是從下往上逐層計(jì)算的一種樹(shù)形結(jié)構(gòu)，即每個(gè)父節(jié)點(diǎn)是根據(jù)兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)組合進(jìn)行計(jì)算得出的，而根節(jié)點(diǎn)是根據(jù)第二層的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組合計(jì)算得出的，所以葉子節(jié)點(diǎn)是基礎(chǔ)。葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)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(diǎn)表示，并且所有的組合都是進(jìn)行哈希計(jì)算，所以任意一條記錄的內(nèi)容被修改，葉子節(jié)點(diǎn)的哈希值就會(huì)變更，最終根節(jié)點(diǎn)的哈希值就會(huì)改變。因此確定的根節(jié)點(diǎn)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(hào)、區(qū)塊樹(shù)根加上時(shí)間戳四者形成下一個(gè)區(qū)塊的父哈希值，接受新時(shí)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(yàn)證

數(shù)字簽名的作用是確認(rèn)節(jié)點(diǎn)的身份。本系統(tǒng)中用到的數(shù)字簽名主要有兩處：一個(gè)是用戶(hù)注冊(cè)為節(jié)點(diǎn)時(shí)，認(rèn)證模塊用自己的私鑰對(duì)用戶(hù)的公鑰簽名;另一個(gè)是節(jié)點(diǎn)對(duì)生成記錄后的簽名。

認(rèn)證模塊對(duì)于用戶(hù)公鑰的簽名是以頒發(fā)的數(shù)字證書(shū)體現(xiàn)的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入到區(qū)塊鏈系統(tǒng)時(shí)，要攜帶數(shù)字證書(shū)才能正式成為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，其次某條記錄廣播到區(qū)塊鏈系統(tǒng)后，所有的節(jié)點(diǎn)接收到的記錄是否是合法節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的，也需要通過(guò)數(shù)字證書(shū)驗(yàn)證，防止非法節(jié)點(diǎn)偽造數(shù)據(jù)記錄。

教師的教學(xué)成果在傳遞過(guò)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(guò)程中的完整性，同時(shí)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(gè)合法節(jié)點(diǎn)在產(chǎn)生活動(dòng)后對(duì)活動(dòng)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(diǎn)，驗(yàn)證時(shí)使用該節(jié)點(diǎn)的公鑰提取原摘要與新摘要對(duì)比，如果相同表示驗(yàn)證通過(guò)并最終由擁有錄入權(quán)的節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入?yún)^(qū)塊，形成無(wú)法篡改的記錄。簽名和驗(yàn)證過(guò)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(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)對(duì)這些記錄驗(yàn)證通過(guò)后，最終由擁有錄入權(quán)的節(jié)點(diǎn)將記錄寫(xiě)入?yún)^(qū)塊中。定義錄入權(quán)的歸屬實(shí)質(zhì)上是重新設(shè)計(jì)共識(shí)機(jī)制，傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都是以消耗算力為代價(jià)爭(zhēng)奪記賬錄入權(quán)的，并規(guī)定固定的時(shí)間段為一輪記賬操作。

依據(jù)傳統(tǒng)的共識(shí)機(jī)制帶來(lái)的問(wèn)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(diǎn)錄入并生成一個(gè)區(qū)塊，解除以固定時(shí)間長(zhǎng)度的限制。而新一輪的錄入權(quán)由此輪內(nèi)活動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得，最終規(guī)避以算力爭(zhēng)得錄入權(quán)的傳統(tǒng)方法。

2.6? 記錄的上鏈過(guò)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(diǎn)收到記錄后先提取數(shù)字證書(shū)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的身份，非法節(jié)點(diǎn)做拋棄處理，身份驗(yàn)證通過(guò)后再提取記錄的內(nèi)容做MD5處理生成摘要，對(duì)比攜帶的原摘要，相同則表示此條記錄驗(yàn)證通過(guò)。系統(tǒng)根據(jù)記錄中的序號(hào)做計(jì)數(shù)處理，在新的一輪錄入過(guò)程中，第1條記錄驗(yàn)證通過(guò)后從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行活動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)?shù)?28條記錄驗(yàn)證通過(guò)后由這一輪活動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)獲得錄入權(quán)并生成一個(gè)區(qū)塊，同時(shí)計(jì)數(shù)器歸0，準(zhǔn)備下一輪的計(jì)數(shù)。記錄上鏈過(guò)程圖如圖5所示。

2.7? 查詢(xún)記錄

在本教育平臺(tái)中，應(yīng)用區(qū)塊鏈作為存儲(chǔ)系統(tǒng)其主要目的除了安全存儲(chǔ)用戶(hù)產(chǎn)生的記錄外，還要為其提供真實(shí)可靠的查詢(xún)功能。

每個(gè)教師和學(xué)生賬戶(hù)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(diǎn)ID通過(guò)索引記錄的生成時(shí)間，最后在前端以列表形式顯示，顯示內(nèi)容包括記錄類(lèi)型、記錄生成時(shí)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(diǎn)還可以按條件查詢(xún)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的交易記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)外鍵以聯(lián)表方式存儲(chǔ)。教師如果查詢(xún)哪些學(xué)生購(gòu)買(mǎi)了自己的課程或者學(xué)生查詢(xún)自己老師名下是否還有其他課程，都可以通過(guò)聯(lián)表操作將查詢(xún)結(jié)果返回。查詢(xún)流程圖如圖6所示。

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

3? 系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)行選課購(gòu)課。學(xué)生可以在個(gè)人中心查詢(xún)相關(guān)記錄，如圖7所示，學(xué)生的購(gòu)課記錄可以在訂單中查詢(xún)，學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)記錄按時(shí)間順序展示在歷史記錄中。

面向教師的后臺(tái)管理設(shè)計(jì)的功能相對(duì)復(fù)雜，教師后臺(tái)主要有四大模塊：教務(wù)管理、賬戶(hù)中心、區(qū)塊鏈中心、節(jié)點(diǎn)身份中心。教務(wù)管理主要包括課程發(fā)布、評(píng)價(jià)反饋和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，如圖8所示;賬戶(hù)中心顯示教師的收入和銷(xiāo)售記錄，如圖9所示;區(qū)塊鏈中心和節(jié)點(diǎn)身份中心與區(qū)塊鏈系統(tǒng)做數(shù)據(jù)交互。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

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(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的不可篡改性與數(shù)據(jù)的可追溯性，完成了教育平臺(tái)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(hù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄即時(shí)地反饋給教師，區(qū)塊鏈技術(shù)維護(hù)了真實(shí)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(píng)價(jià)選購(gòu)課程。教育者和受教育者放心地通過(guò)此平臺(tái)進(jìn)行交易，交易雙方的數(shù)據(jù)是一種更安全、更高級(jí)的存儲(chǔ)方式，且真實(shí)地反映給用戶(hù)，進(jìn)而從技術(shù)上解決了信任問(wèn)題。

注：本文通訊作者為衛(wèi)文學(xué)。

參 考 文 獻(xiàn)

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