区块链技术应用于教育系统的研究与设计

车吉鑫 卫文学 张洪瑞 刘恒泉

摘  要： 互联网线上教育的发展一直呈现不断增长的趋势，教育平台或机构凭借自身的技术优势在教育者和受教育者之間搭建桥梁，这种中心化的模式存在教育成果泄露，数字版权作品价值削弱、侵权以及教育成果剽窃等问题。区块链技术为这些问题的解决提供了可能，文中设计的教育系统将区块链技术接入，利用分布式存储、加密算法等技术为版权归属、教育成果提供保护，同时利用区块链的自身特点保证教育平台中的交易真实性，为交易双方提供完善的服务体系，弥补线上教育的不足。

关键词： 区块链技术; 教育系统; 版权保护; 教育成果保护; 平台交易; 系统设计

中图分类号： TN911?34; TP302.1                 文献标识码： A                     文章编号： 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

随着人们移动化和网络化的生活习惯的养成，教育需求的上升以及技术的更新迭代为中国在线教育的发展注入了源源不断的动力。从需求端角度来看，无论是应试教育、兴趣教育还是业余爱好教育，全民线上教育的数量在将来还会进一步提高。从供给端角度来看，目前最主流的方式是在线教育机构或平台上以第三方的身份将教育者的教育盈余输出。即使目前自媒体足够盛行，第三方教育平台所拥有的技术、运营和推广能力依旧吸引了无数的自媒体教育者将自己的教育成果投放其中。

在线教育平台在整个线上教育体系中扮演着重要的角色，其自身存在的问题也有很多。在实际的教学、教科研工作中，教师上传的教科研成果很容易被剽窃、强占，知识产权得不到保护。大多数的平台作为第三方以中间人的方式存在，对教师仅支付定量的薪酬，对学员按实际购买数量收费，差额全部归于平台，造成了教师对自己课程是否受欢迎的不透明性，进而造成薪资的不匹配性，这严重打击了教师的教研、科研以及创新的积极性。这是在线教育平台的中心化带来的问题。此外，某些不法分子利用伪造网站和各大网盘出售盗版资源，成本低廉、难以追溯、监管工作也很难做。教育工作者尤其是老师辛苦创作的课件、分享的教学思路、课堂实录、教学课件等资源在平台上无法得到有效的保护和流通。虽然新型的数字版权保护系统[1]和数字水印技术[2]可以解决版权归属问题，但是应用到大规模的教育系统上的成本会很高，同时中心化的问题仍然存在。

1  区块链与教育系统的结合

针对我国目前气象观测站点分散不均匀导致实时得到的空气质量的信息不准确的问题，文中提出一种基于光学成像的空气质量定期性制定方法。该文结合通过数字图像去雾领域中基于光学成像原理去雾得到的大气透射率和通过气象观测领域中得到的空气质量与散射系数间的相关性，并考量同一景深下大气透射率和散射系数之间的指数关系，利用BP神经网络模型学习空气质量和图片透射率间的隐性联系，做到通过图片来定性判定其空气质量。实验结果显示，所提空气质量判定方法的整体识别率为83.72%，优类和良类识别率达到了90%以上。

1.1  区块链在教育系统中的应用

鉴于区块链公开透明的特点，任何资源创建信息都可以被使用者查询、追踪、获取，而且可靠度、真实性更强[3]。教师通过基于区块链的教育平台首发其作品，作品在交易和流动过程中，每个节点的信息都是透明的、不可篡改的，学生的购课记录、学习记录、转发记录等都能真实地通过区块链系统反应给教师，打破教师和学生之间交易的不透明性，达到能者多劳，劳者多得，按劳分配的目的，恢复和提高教师在教科研工作中的积极性。每位教师将自己每个原创教学资源包括课件、素材、教学设计、题目、课程等发布于“教育链”平台上后，学生使用一次即发生一次“交易”，在资源传播和使用过程中的每个节点的使用数据都可追溯，分享后的教育资源可以追踪。当发现剽窃、盗版时，即可迅速追溯、取证。

同时，区块链技术为教科成果提供不可篡改的数字化证明[4]，便捷的追根溯源也为版权纠纷提供了真实有效的凭证。同时，这种数字化证明可以与已有的应用无缝整合，为每段文字、图片、音频、视频加盖唯一的时间戳身份证明，结合其他方式交叉验证，从根本上保障了数据的完整性、一致性，保护了知识产权。

此外，“教育链”平台可以形成授课方和学生方双方的客观评价体系，教师可以在区块链教育平台上发布自己的授课需求，学生可以发布自己的学习需求，因为区块链系统数据的无法篡改性，无论是教师的个人信息，还是学生对教师的评价都能够保持客观公正，也就是说，教师提供的信息是绝对真实的，授课记录和评价也无法通过刷单获得。

1.2  区块链教育系统的设计思路

首先建立教育系统，引入区块链技术将其作为数据存储的载体与教育平台进行交互，这里的区块链是属于一定范围内的私有链，是基于以太坊平台[5]的区块链教育系统。

此外该系统还结合微信小程序与用户进行交互，微信小程序作为轻应用给教育系统中学员角色的用户提供学习与服务。

2  系统分析与设计

2.1  节点的加入

用户成为区块链系统中的节点首先要经过注册，注册时选择学生或教师角色进行身份验证。特别是教师的身份确认，系统中有独立的符合法律规定与行业规范的身份验证要求。用户验证通过后，在本地生成密钥对，密钥对是经椭圆曲线加密算法生成的一个公钥和一个私钥，公钥发送给认证模块做签名处理，私钥需要用户安全保存。

认证模块除了做用户角色的身份验证，还具有发放数字证书的功能，即作为CA认证中心与节点建立信任关系。为了解决通信的保密性问题，以及对节点身份的确认，该模块利用自己的私钥对用户发送来的公钥做数字签名后，连同自己的公钥作为数字证书一并颁发给用户。用户收到数字证书后，正式成为区块链系统中的合法节点。用户成为节点的过程如图1所示。

2.2  數据的生成

学生和教师在区块链系统中是对等的节点，但在教育平台中扮演不同的角色，所以两个角色生成的数据记录有所不同。

本区块链系统中存储的数据记录为两种：一种是教师录入课程的记录，教师在教学过程中，需要上传教学课件、教学视频等教育成果，这些记录写入区块链的目的是保证教师的知识产权的可追溯性;另一种是学员的购课记录，目的是将真实的交易形成不可篡改的区块链数据。不同类型的记录在写入区块链之前，定义为以上其中一种记录类型。记录的结构与表示如图2所示。

节点生成的一条记录除了作类型标识，它在一个时间段内产生的活动内容还要进行数字摘要及签名处理。首先对于教师来说，上传的课件、笔记和视频等教学成果都要经系统中的MD5算法处理后形成128位的数字摘要;其次学生的购课记录、课程归属、课程教师及后续产生的课程评价都要作为数字摘要的内容;最后系统将数字证书、节点信息、记录类型连同详细内容和签名后的摘要生成一条完整的区块记录。

2.3  区块的结构

在教育平台中，实现存储交易的区块链是由不同时间段形成的区块以链式结构组成的，每个区块包括区块头和区块体，如图3所示。区块头封装了前一区块的哈希值、区块号、区块树根和时间戳。区块树是从下往上逐层计算的一种树形结构，即每个父节点是根据两个子节点组合进行计算得出的，而根节点是根据第二层的两个节点组合计算得出的，所以叶子节点是基础。叶子节点存储的是教师和学生在教育系统中产生的每条记录。这些记录以叶子节点表示，并且所有的组合都是进行哈希计算，所以任意一条记录的内容被修改，叶子节点的哈希值就会变更，最终根节点的哈希值就会改变。因此确定的根节点的哈希值在区块中准确的作为一组记录的唯一摘要。由此，父区块的哈希值、区块号、区块树根加上时间戳四者形成下一个区块的父哈希值，接受新时间段内产生的记录，循环往复，最终形成一条可靠的、不可篡改的区块链。

2.4  签名和验证

数字签名的作用是确认节点的身份。本系统中用到的数字签名主要有两处：一个是用户注册为节点时，认证模块用自己的私钥对用户的公钥签名;另一个是节点对生成记录后的签名。

认证模块对于用户公钥的签名是以颁发的数字证书体现的，当节点加入到区块链系统时，要携带数字证书才能正式成为区块链节点，其次某条记录广播到区块链系统后，所有的节点接收到的记录是否是合法节点产生的，也需要通过数字证书验证，防止非法节点伪造数据记录。

教师的教学成果在传递过程中要保证不被窃取，不被伪造以及原创作者的归属确认更需要借助数字签名。数字签名利用散列函数保证数据在传播过程中的完整性，同时结合加密技术，保证数据的保密性和可追溯性。每个合法节点在产生活动后对活动内容生成数字摘要并用自己的私钥签名，最终形成完整的记录广播给区块链系统中的所有节点，验证时使用该节点的公钥提取原摘要与新摘要对比，如果相同表示验证通过并最终由拥有录入权的节点写入区块，形成无法篡改的记录。签名和验证过程如图4所示。

2.5  录入权的归属

当记录被广播到区块链网络中时，所有的节点对这些记录验证通过后，最终由拥有录入权的节点将记录写入区块中。定义录入权的归属实质上是重新设计共识机制，传统的区块链节点都是以消耗算力为代价争夺记账录入权的，并规定固定的时间段为一轮记账操作。

依据传统的共识机制带来的问题，在本教育系统中，设定以固定的记录生成条数划分一轮录入操作，即每生成128条记录就由获得录入权的节点录入并生成一个区块，解除以固定时间长度的限制。而新一轮的录入权由此轮内活动时间最长的那个节点获得，最终规避以算力争得录入权的传统方法。

2.6  记录的上链过程

教师或学生的记录被创建后，公布到区块链系统中，所有的节点收到记录后先提取数字证书验证节点的身份，非法节点做抛弃处理，身份验证通过后再提取记录的内容做MD5处理生成摘要，对比携带的原摘要，相同则表示此条记录验证通过。系统根据记录中的序号做计数处理，在新的一轮录入过程中，第1条记录验证通过后从0开始计数，同时对所有节点进行活动检测，当第128条记录验证通过后由这一轮活动时间最长的节点获得录入权并生成一个区块，同时计数器归0，准备下一轮的计数。记录上链过程图如图5所示。

2.7  查询记录

在本教育平台中，应用区块链作为存储系统其主要目的除了安全存储用户产生的记录外，还要为其提供真实可靠的查询功能。

每个教师和学生账户中心默认显示自身产生的历史记录，系统根据节点ID通过索引记录的生成时间，最后在前端以列表形式显示，显示内容包括记录类型、记录生成时间、记录详细概括等重要信息。除了默认的历史记录，节点还可以按条件查询。每个节点与其他节点产生的交易记录在数据库中通过外键以联表方式存储。教师如果查询哪些学生购买了自己的课程或者学生查询自己老师名下是否还有其他课程，都可以通过联表操作将查询结果返回。查询流程图如图6所示。

系统中保留超级管理员的身份，它在区块链数据库操作中仅有查询权限，负责全库的记录清查与核对。

3  系统的实现

该系统的前端主要以微信小程序体现，面向学生进行选课购课。学生可以在个人中心查询相关记录，如图7所示，学生的购课记录可以在订单中查询，学习和评价记录按时间顺序展示在历史记录中。

面向教师的后台管理设计的功能相对复杂，教师后台主要有四大模块：教务管理、账户中心、区块链中心、节点身份中心。教务管理主要包括课程发布、评价反馈和数据统计等功能，如图8所示;账户中心显示教师的收入和销售记录，如圖9所示;区块链中心和节点身份中心与区块链系统做数据交互。

4  结  语

本文将教育系统与区块链技术相结合，利用其特点实现了数据库的不可篡改性与数据的可追溯性，完成了教育平台自身的去中心化。在本系统中，教师的教育成果和版权得到了有效的保护，学生的学习记录即时地反馈给教师，区块链技术维护了真实可靠的数据，教师可以追溯作品的订阅数，学生可以根据课程评价选购课程。教育者和受教育者放心地通过此平台进行交易，交易双方的数据是一种更安全、更高级的存储方式，且真实地反映给用户，进而从技术上解决了信任问题。

注：本文通讯作者为卫文学。

参 考 文 献

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