区块链+教育的需求分析与技术框架

金义富

摘要：《“十三五”国家信息化规划》提出加强区块链等新技术基础研发和前沿布局，作为去中心化的网络技术框架，区块链已在金融、公证与数字资产管理等领域获得应用并出现颠覆式设想。该文通过总结区块链去中心、真数据、自信任、可编程、共维护、准匿名六大特点，以实现“以学生为中心”教育理念为目的，从教育资源建设、教学过程评价和教育投入产出等方面分析对区块链的需求，在教育大数据和云计算基础上构建“区块链+教育”体系框架，提出一种通用教育经历区块链系统，以角色与教育资源的互动为事务原型设计数据区块，参照以太坊架构，提出以燃料和“教育币”为激励机制，用角色的“教力”和“学力”、教育资源的“难度”和“适应度”等变量表征事务状态，研究状态变量与教育投入产出的智能合约更新。该系统支持师生自主定制与维护教育区块链资源，充分激发一线师生积极性，每个人都既是教师也是学生，甚至一个人就是一间学校，充分实现个性化教学和分享式学习。

关键词：区块链+教育；通用教育经历区块链；教育事务与状态；教育智能合约；需求与框架

中图分类号：G434 文献标识码：A

近年来，教育发展沿着“以学生为中心”的理念不断进步，技术对教育的支撑也在不断增强，以互联网为代表的各种技術不断渗透到教学过程和教育管理中，大力促进信息技术与教育教学深度融合，教育信息化成果累累，“三通两平台”、数字校园、智慧校园建设不断取得新成果，对扩大资源覆盖面、促进教育公平和提高教育教学质量的引领作用日益凸显。然而，与商务、金融和社交相比，信息技术对教育领域的渗透尚不深入，信息化与教育教学“两张皮”现象仍然存在。技术会独立于教育一如既往地飞速进步，因此，如何彰显信息技术对教育发展的革命性影响，实现教育信息化支撑教育综合改革、提升资源优质均衡、促进学生全面发展，关键还是在教育领域本身。根据近年来的发展路径和现状看，教育信息化深度应用程度不够、融合创新水平不高的关键影响因素之一在于未能充分调动一线教师和学生参与的积极性和能动性。一方面，正在向教育领域渗透的物联网、云计算、大数据、人工智能和虚拟现实等技术，对各级各类学校包括大学的大多数师生来说都是全新的概念，理解这些概念含义的难度较大，更不太可能轻松地在教学活动中使用，因此师生参与热情不高；另一方面，这些技术本身也存在一些与教育实践不“适应”的地方。以在实际应用中取得显著成效的教育云和教育大数据为例进行分析。首先，提供教育云建设、服务、管理与维护的一般为一个较大型的中心化机构，用户期待从云平台廉价地获得“按需服务”，由此，用户必须严格依附于这个机构，完全信任这个机构是能持续存在的，且提供的服务是实时的、内容是正确的、数据是安全的，还包括教育云的构建昂贵、信息双向性不对称、按需服务的实用性不强、未充分体现以学生为中心的教育理念、集中持续更新维护困难、相关的数字资源知识产权保护等一系列难题；其次，教育大数据基于云技术而构建，除上述不足以外，最大难题在于不可避免地存在个人隐私和信息安全问题。

根据区块链架构的特点，引入区块链于教育领域，在教育大数据和云计算基础上构建“区块链+教育”体系结构。大数据是总的推动力，云计算是中心化的架构，教育区块链是对等网络架构，二者互为依托，优质资源云化，分享资源区块链化，集中维护和集体维护互相补充。区块链的对等网络与开源编程可充分体现“以学生为中心”的教育理念，实现本地化数据管理，通过准匿名实现隐私保护，做到“我的数据我做主”，从技术本身去激发一线师生参与的积极性。

一、区块链概述

（一）区块链简介

1.区块链系统

区块链（Blockchain）即由区块组成的链，区块是一个结构数据单元，把数据区块按时间顺序连接组成的链式数据结构。英国政府在2016年1月发布的《区块链：分布式账本技术》对区块链是这样阐述的：区块链是数据库的一种，它包含的记录很多，这些记录不是存放在一页纸或一个表内而是存储在区块内，每个区块通过数字签名链接到上一个区块，人们可以像使用账本一样使用区块链，可以共享和授权查阅。

2008年，中本聪《比特币：一种点对点的电子现金系统》创造了比特币（Bitcoin），它不是由特定货币机构发行，而是基于区块链对等网络（Peer to Peer，P2P）经过计算产生的数据货币，作为比特币底层技术的区块链技术随着比特币的热炒、挖矿而逐渐浮现世界，2015年10月美国著名杂志《经济学人》以封面文章发表《信任的机器》（The Trust Machine），强调区块链是一种可以在无第三方监督的状态下建立彼此信任的技术手段，从而可作为第二代互联网“价值互联网”的基础协议，其地位可比目前的HTTP协议。一个简化的数据区块及区块链结构如图1所示。

数据区块长度不超过1M字节，分区块头和区块体两部分。区块体存储用Merkle树结构封装的数个实际交易事务数据。区块头固定为80字节，包含32字节的前一区块哈希（Hash）地址、32字节的事务集Merkle树根哈希值以及各4字节的时间戳、随机数、难度值和版本号。数据区块存储于P2P网络的每个客户端节点，组成健壮的分布式数据系统，通过工作量证明（Proof of Work，PoW）、权益证明（Proof of Stake，PoS）、实用拜占庭容错系统（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）、Raft一致性协议等共识机制以及可编程的智能合约直接建立点对点信任。区块链的这种去中心化信用机制是其得以重视的主要创新，以此可重构全新的信用体系、降低欺诈风险、优化组织结构和业务流程、提升资源品质和共享效率。

2.区块链分类

根据区块链运维的公开程度可分为公共链（Public Blockchain）、私有链（Private Blckchain）和联盟链（Consortium Blockchain）三类，其主要标志如下表所示。

一条区块链不可以出现分叉，但可以设计与之交互的子链或称侧链（Side Chain），作为对主链某些规则的灵活变更，已经出现了如“闪电网络”这样的侧链产品，它把比特币的绝大多数交易放在侧链瞬间完成，保证具有与主链同等的可证性和安全性，只在集中清算时才写入主区块链。

根据区块链应用范围的不断扩展，Melanie Swan在《区块链：新经济蓝图及导读》中把区块链分成三个发展阶段。以比特币为典型应用的为区块链1.0架构，主要是建立了支持虚拟货币的去中心化数字支付系统。为进一步提升共识效率、拓宽应用场景，随后出现了以以太坊（Ethereum）应用为代表的区块链2.0架构，通过扩展区块链功能，把区块链作为一个不只适用于数字货币的通用去中心化平台，提供一个可编程的语言环境，可创建智能合约以代替传统合同，增加了账户概念用以记录合约对象，可进行更复杂的查询和校验需求。区块链3.0架构的成熟应用尚未出现，它超越货币和金融范围应用，可能主要以联盟链和私有链结构进行部署，采用部分去中心的混合分布式架构，具备企业级管理属性，支持政府、工业、医疗以及教育等行业应用，Linux基金会2015年12月启动的“超级账本”（Hyperledger）项目具有支持多领域应用前景。

随着区块链应用领域的增加，不同类型的区块链自然也会不断增加，不同的区块链可以通过相应的协议实现互联，形成互联链（Interchain），在不同鏈路、不同物理层上的系统之间实现应用层面的互联互通。若干年后，各种公共链、联盟链、私有链相互连接，多个领域多条主链互通、多个侧链作为补充相连，形成类似于今天互联网一样覆盖全领域的价值区块链网，随着物联网、人工智能和大数据等技术的发展，所有人和机器都连接到一个统一的全球区块链网络中。

（二）区块链特点

区块链架构将点对点安全分享的概念提升到一个全新的水平，具有去中心、真数据、自信任、可编程、共维护、准匿名等六大特点。

1.去中心

区块链以P2P网络为支撑，每个节点既是服务的请求者也是服务的响应者，不再依赖中心服务器和机构，各个节点彼此信任而直接交换数据资源，使得节点间的交互和共享变得更容易，去除第三方参与。

2.真数据

数据区块的时间戳具备数据溯源功能，有效保障原始数据不被伪造；数据采用分布式存储方式，每个节点都能复制一份完整的数据库拷贝，少数节点故障不会发生数据失效，同时除非能操控系统中51%以上的算力，否则在节点上对数据的篡改是无效的。

3.自信任

区块链系统利用哈希算法生成Merkle树交易事务集以及区块连接地址，采用一套非对称密码学算法对交易进行数字签名，借助工作量证明PoW等共识机制构建节点间的价值信任，使系统中各参与节点能自动安全交换数据而勿需人为干预。

4.可编程

区块链系统具有对公共开放透明的信息，任何人都可以通过公开的接口查询系统中的数据和代码信息，通过脚本语言实现可编程应用，定义数据区块交易类型、编写相关的去中心化程序、创建高级的智能合约。

5.共维护

系统中的数据区块由所有具有维护功能的参与节点集体维护，且维护是开源的，任何人都可以参与，同时，维护行为与区块数据一样是可信任的，维护方式简单，任一节点的过失也不会影响整个系统的运作。

6.准匿名

区块链系统信任和交易均建立在哈希非对称密码机制下，交易无需第三方认证和委托，因此无需公开真实身份，只需要用户的公钥即用户的公开哈希地址，即可实现节点间的信息传递，使个人隐私得到充分保护。

二、区块链+教育的需求分析

从美国人本主义心理学家罗杰斯于20世纪50年代提出“以学生为中心”的教育理念至今，特别是近年来，随着信息技术、教育和心理科学的发展，学校教育一直在努力实现这种理念，但“以学生为中心”必然要求“个性化教学”“自主学习”“定制教育”，这与目前实际存在的班级教学制和工业化背景不完全相容，所以至今尚未出现可大规模复制的“以学生为中心”的完美案例。根据区块链架构的特点，构建“区块链+教育”体系结构，升级以教师为中心的教育系统，使老师、学生和教育管理者角色平行化，建立“以人为中心”的对等网络架构，可以从技术上实现教育资源、教学过程、教育评价以及教育支持等领域的模块化系统，有望重塑教育生态，真正实现“以学生为中心”的教育。

（一）教学与研究资源建设需求

教育资源回答“学什么”，每个学习者的基础、兴趣和学习方法不同，所需求的“学什么”应该不是一个可统一“批发”的计划性资源系统，需要创建定制化、模块化的教学与研究资源。区块链的去中心和共维护等特点可以实现教学与研究资源定制和共享，把包括课程资源、案例库、教研成果等所有资源按数据区块逻辑进行组织，教师和学生每个人都可参与资源的更新，所谓“三人行必有我师”，让学生自己生成学习资源，通过集体智慧可使资源得到最大程度优化；同时，区块链可充分保证资源的信任度和知识产权。结合云计算技术，承载教育区块链资源的不仅只有教育云数据中心，也同时在各客户端节点有全部或部分拷贝，甚至可以由一个以物联网技术支撑的教育机器人作为资源节点。

可以利用数据分布式查询、分类与聚类实现资源定制，实现教学内容的动态性、非计划性和不确定性，从而学生可进行分享式自主学习，每个人都可以成为一间“微学校”，这种分享式学习是在奉献中的学习、在教授别人过程中的学习，可能学习效果更好，而教师也在此过程中实现自身教学与科研水平提升。这种教育区块链资源运维由全体参与师生集体实现，不再依赖专门的资源中心，充分调动一线师生的积极性。

（二）教学过程与评价需求

学校教学过程典型模式可简单概括为“六同”：同一时间、同一地点、同一教师、同一教材、同一教学方法和同一评价标准。教师根据教学计划和教学大纲标准要求备课，学生领到指定的教材，之前学生可能有也可能没有对教材内容进行初步了解，然后师生都走进教室，教师按事先备好课的内容进行讲解，学生听课，课毕，教师可能有（也可能没有）布置一些作业，在一个固定时间间隔后，教师再以同样的方式讲解下一个已安排好的教学内容，如此，完成固定的几十节课后，至学期末教师用一张试卷若干个测试题对该门课程的学习情况进行考试评价。这种延续数百年的模式自然有其存在的合理性，但每个人的学习需求和成长路径是不同的，如果把“六同”更新为“六不同”，即不同时间、不同地点、不同教师、不同教材、不同教学方法和不同评价标准，当可实现教育的真正目的即人的成长。

区块链的真数据和自信任等特点可以实现教学过程和评价“六不同”，实现“以人为中心”的个性化教学，回答“如何学”的问题。建立学习者学习记录区块链，正式学习部分的记录以一节课为一个数据区块，来源于参与课堂讨论与测试的大数据系统，非正式学习部分的记录以项目组建数据区块，自主选择来源于多个教师和教材的教育资源，在任意合适时间，不论学习者是在学校课外、在家上学、在异地游学还是通过教育机器人的学习，根据适合自己的学习方式，项目完成细节与测试评价大数据系统实现区块链接。这样建立的过程与评价区块链系统因其固有的数据可靠性和极高的可信度，可以直接作为招生、晋级等人才选拔和学历认证的个人评价依据。

（三）教育管理、培训与支持系统需求

教育投入产出分析是教育管理、培训与支持系统建设的主要依据，对“区块链+教育”体系结构有十分迫切的需求。

以公用链和私有链相结合构建全国教育管理区块链系统，在继续教育、职业培训和教育扶贫等方面建立教育投入产出区块链系统；利用区块链的准匿名和可编程等特点，实现各级各类学校、各种资助情况信息公开透明并完美保护用户隐私；通过可编程接口创建智能合约程序，自动检测约定的学校办学目标、项目阶段成果、被培训者或教育扶贫受助者学习成绩是否实现，根据智能合约规定，将自动触发后續投入计划，实现教育经费和约定目标的良性循环。

学校内部管理私有链可以整合学校已有办公自动化系统、人事档案管理系统及财务管理系统，如建立财务经费收支区块链，由项目经费来源单位与经费负责人直接相互信任，往来账目记入交易区块，由Raft一致性协议等共识机制确认数据安全合法性，可望突破现有财务报销流程，弱化财务管理和审计中心的大量工作。

在未来，学校管理支持系统与教育资源、教学过程区块链相互连接形成互联链智慧校园，实现教学信息互用与师生价值互联。

三、区块链+教育的技术框架

（一）总体架构

教育知识与经验、理念与品牌、资产与设施、制度与方法等一切有形或无形的均是教育资源，所有参与教育活动的人其实都是在与教育资源发生不同类型的关系：教师在贡献教育资源、学生在学习教育资源、教育管理者在管理教育资源，在对教育资源的贡献、学习或管理等事务中学生学习得以实现、教师和教育管理者职能得以发挥。因此，可统一教师、学生、教育管理者以及所有教育活动参与者为同一种角色，把教育活动抽象为人与教育资源的互动。根据以上“区块链+教育”需求分析，本文提出构建一种通用教育经历区块链系统（Universal Education Experience Blockchain System，UEEB），它建立于“以人为中心”的P2P对等网络，以人的成长和教育资源的变化作为基本事务构建区块链，可在教育资源建设、学习过程与评价、教育管理与教育投入产出等方面实现教育区块链服务，实现教育资源模块化定制和教学过程“六不同”等。同时，“区块链+教育”以云计算、物联网、大数据和人工智能等技术为基础，除非随着区块链技术的发展逐步把云计算演变为“区块链云”，学校教育应该将会持续支撑作为优质资源共享的教育云中心化平台建设，因此，“区块链+教育”总体架构应是一种部分去中心化的混合部署模式（如图2所示）。

通用教育经历区块链系统UEEB提供一个教育区块链基础框架，按任务层、策略层、服务层、管理层和网络层五个层次设计，任务层由客户端或编写成的API程序生成教育资源、学习方式、教育管理流程、教育投入产出等不同需求任务，策略层根据用户身份和任务性质进行智能计算和推送，在系统控制和监督下分流申请教育云或区块链服务。在教育区块链的服务层中根据不同策略实现请求与教育资源的既定关系，提供数据区块封装，在管理层进行加密、验证、签名，在对等网络中通过挖矿达成共识或满足合约实现数据区块的链接。

（二）UEEB数据区块

1.数据区块结构

UEEB系统以区块链2.0架构为基础进行构建，其数据区块结构如图3所示。

教育事务集和状态以MPT（Merkle Patricia Tree）进行组织，用哈希（Hash）算法和时间戳等方法封装于数据区块中。哈希算法可以将任意长度的输入信息快捷地转换为固定长度的Hash值输出，且具有不可逆性，即无法通过一个已知的Hash值计算出其对应的输入值，区块链系统采用美国国家标准与技术研究院发布的Sha256函数进行计算，它输出长度为32字节的Hash值，具有极强的抗碰撞性，即同一个Hash值几乎不可能由不同的输入信息计算得到。时间戳用于记录数据区块的封装时间，保证数据的不可篡改性，具备数据溯源功能，可支持教育资源的产权保护和教育评价的客观公证。

2.教育事务与状态

UEEB系统数据区块的事务集由人以不同身份角色与教育资源的互动产生。教育事务包括创建资源、更新资源和学习资源、管理资源等活动，状态是指角色或教育资源在某个时间点的静态属性。人的成长用“教力”和“学力”等属性来衡量，帐户创建时给定一个初始值，资源的变化用“难度”“适应度”和“权属”等属性来标识，其值由创建或更新者指定，创建、更新或整理资源使教力增加和资源属性发生变化，学习资源使学力增加，如图4所示。其中，教力和学力增加值应该是角色本身的状态和资源的难度、适应度的一个综合函数关系。

参考以太坊交易燃料Gas设计方法，每一个事务的发生设置都收取一定数量的费用，其值也同时代表完成事务所需的代价。区块由挖矿成功者生成，引入“教育币”对区块确认者进行奖励，只有通过规则验证的区块才能接到区块链中。

（三）教育区块链管理

1.事务的执行

教育事务的执行相当于角色和教育资源的状态转换，其一般过程为：发起者发出一个带随机数的事务并进行数字签名，系统检查事务格式是否符合规则要求、随机数是否匹配；对验证通过的事务进行燃料（Gas）比较，如果具备事务发生资格，即具备更新教育资源能力或具备学习基础，则根据角色性质计算教力、学力以及资源属性变化；如果事务成功完成，就正式生成事务、修正各种状态，启动MPT封装程序，事务进入数据区块等待挖矿确认。

教育数据区块长度的确定可以有两种模式：学校教育中以一节课设计一个数据区块，实际教学过程中以一节课为单位安排一个知识点进行学习并测试，一门课的成绩评定由若干节课的测试自动组成，这样形成的教学过程区块链和成绩区块链具有学习评价的客观性。非正式学习和其它教育活动数据区块的长度参照比特币或以太坊区块规则制定，比特币区块长度不超过1MB，包含约1500-2000笔交易，而以太坊区块大小主要由智能合约复杂性决定，每个区块最大长度未严格规定，目前未超过2K字节，最多包含约70笔交易。

2.共识机制

现实中，教育数据由教师、教育管理者或学生根据教育规律或预定规则确认，UEEB系统中教育事务和状态数据区块由共识算法自动在网络各节点间达成共识后进入区块链，此过程即为挖矿。在云计算等中心网络架构下所有客户端只需信任服务器，共享服务器资源，各客户端之间无需建立直接关系。但与现实环境中的拜占庭（Byzantine）将军问题类似，在对等网络环境中必然存在有意或无意的破坏和不可预料的行为，共识源于分布式网络各节点之间的相互信任，常用PoW、PoS、PBFT以及Raft一致性协议等共识算法保障各节点间数据的一致性和正确性。

工作量证明PoW是比特币系统的挖矿算法，其主要思路是：进行若干次sha256函数运算寻找一个满足给定难度值的随机数，可以简单地用运算次数来理解工作量，如果找到则向全网广播，收到通知的节点判断该区块的所有交易是否都有效且与已有区块不重复，则接收此区块，填入链接地址并写入找到的随机数，获得獎励的比特币。UEEB系统作为一种公用链和私有链混合的互联链，公用链部分采用以上类似的挖矿机制，只是奖励的是另一种代币“教育币”，而在私有链部分如一个学校内部，可以用指定的节点来负责确认，或规定由超过1/2或2/3以上参与者共同确认，或二者混合使用。如教育资源初始创建者或与同门课程授课老师一起负责相关区块的确认，成绩区块由指导老师指定的相关老师、同学一起进行确认。

3.教育智能合约

智能合约是借助于密码学等安全机制而开发的一组计算机程序，在区块链网络中具有自主执行和自我验证特征。以太坊智能合约执行和数据区块更新方式如下：客户端定义规则，部署已签名的合约并转换为以太坊虚拟机位码，如果具备足够的燃料Gas，挖矿者通过运行已签名的智能合约得出一个输出结论，当一个区块产出，矿工广播这个区块，其它节点验证是否能得到相同的结果，如果相同就将合约加入已有区块链上。通过搭建以太坊Go-Enthereum私有链环境或通过安装Mist浏览器可测试智能合约执行过程。

基于区块链2.0架构的UEEB系统具有与以太坊虚拟机类似的可编程框架和合约执行方式，教育事务中角色的“教力”和“学力”、资源“难度”和“适应度”等状态的更新以及教育投入产出规则的实现均由相应的智能合约自动完成。一个在安装好以太坊和Go-Enthereum的客户端实现学力增加的合约代码如图5所示。

四、总结

在中心化结构网络中，我们无法掌控自产的数据，个人数据由银行、通信运营商、社交媒体、搜索引擎、第三方支付平台等任意获取，我们的行为喜好、收入支出甚至一举一动都可能被记录，而且随着大数据技术的不断发展，这些数据可能日益破坏我们的隐私却可能带给他们可观的红利，在教育领域亦然，教育云平台、资源中心或教育机构搜集我们的学习状态，却并未反馈和更新我们的学习策略，区块链技术的出现将逐步改变这种状况。本文分析了区块链核心概念及关键技术、总结了区块链特点，重点讨论了教育领域对区块链技术的需求，构建了“区块链+教育”体系框架，提出了一种通用教育经历区块链UEEB系统。未来，我们的每一次学习、每一次分享、每一次教育经历所产生的数据都存在于教育区块链中，自己掌控自己的数据，自主定制与维护教育区块链资源，每个人都既是教师也是学生，充分实现个性化教与学。然而，区块链技术的发展还不完善，其在教育领域中的应用还尚未起步，因此本文构建的“区块链+教育”也还只是一个框架，但教育改革对区块链的需求是迫切的，后续我们将继续测试和优化已提出的UEEB系统，由易到难逐步实现其中的各个模块。