基于区块链技术的学分银行构建研究*

2020-11-20 02:07寿
湖州职业技术学院学报 2020年2期
关键词:学分合约区块

徐 寿 芳

(湖州职业技术学院 商贸与经济管理学院, 浙江 湖州 313000)

在大数据、云计算、人工智能等新技术快速发展的背景下,为劳动者提供终身教育既能满足产业转型升级对劳动者技能和素质提出的外在需求,也能满足劳动者自身可持续发展的内生需求。2010年7月出台的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》早已明确提出:为学习者构建终身教育机制,试点学分银行制度,推行学习成果认证,搭建终身学习“立交桥”。学分银行作为一种终身教育平台,一方面可以对学习者正式和非正式的学习成果进行存贮、认证;另一方面可以将学习者经认证的累积学习成果转换成社会认可的学习成果证明,如学历证书、学位证书、职业证书、岗位证书等[1]52-57。由此可知,学分银行应具备三个核心功能:“立交”式学习成果的存贮、各类学习成果的认证和学分转换。截至2019年底,我国的不同机构和地区建设的学分银行已超过50家,山东、天津、湖南、四川等众多地区的学分银行建设项目已在筹备。当前,承担学分银行项目的教育机构,在存贮、认证学习者学习过程、学习活动、学习成果等方面缺乏必要的资源、手段与能力,无法较好地认证学习者的知识、技能和成果[2]66-73。以去中心化、机器识别为显著特征的区块链技术能够有效解决海量学习成果的安全存贮、正式和非正式学习成果的学分认证、不同机构认定的学分的公平转换等问题。基于区块链技术建设学分银行平台,运用技术手段使学习成果得到公平认证,并使学习成果的认证和转换为社会认可和接受[3]19-28,可以实现弹性学分管理,创新人才培养机制,为国家终身教育体系建设提供可靠的技术支撑。

一、学分银行的内涵及存在问题分析

学分银行中的学分概念最早来源于美国的学分互认机制,目的是让学习者在申请四年制大学学习时,能够将其在两年制社区学院相同课程的学习成果直接转入。学分银行的相关概念则借鉴了韩国学分银行制度,目的是在终身教育与终身学习的趋势及客观需求下,建设教育“立交桥”体系,实现学习成果的存贮和积累、转换及学分认定,支撑学习者终身学习。

(一)学分银行的含义

学分银行借鉴银行的特点和功能,将学习者接受的各类教育和学习经历进行认证,并评估为课程学分,存储在个人的学习账户中。根据特定条件,学习账户中的学分可兑换成学习证书或学历文凭。 学分银行能够实现各类学习成果(含学校学习、企业实践、企业培训、网络学习等)的认定和学分的累积与转换,是一种新型的学习机制和教育管理机制,具有弹性学籍管理、课程(实践)及评价认证管理、学分转换等功能。

学分银行作为一种终身学习教育管理机制,一方面可以让学习者自由选择学习时段,对每个学习时段的学习成果进行存储,是一种体现“时时皆能学”的良好学习机制。另一方面可以突破传统的专业限制,让不同学习途径(如学校课堂、企业岗位、网络学习平台等)的学习成果,通过权威评估和认证,转换为一定数量的学分。学分数量在达到要求后,就可以兑换相关的学历证书或职业资格证书。这种机制可以营造“处处皆可学”的良好学习氛围。

(二)学分银行的功能

1.认可非正式学习成果,实现学习成果的衔接 非正式学习成果是指除课堂学习(含学校课堂、网络课堂)之外的学习成果,包括个人的职业技能、工作经验、各类工作培训等。国家职业资格框架体系的推行为非正式学习成果提供了国家层面的制度认可。学习者可以将自己的各类非正式学习成果递交学分银行进行评估,由学分银行将其认定为定量学分,并以学分的形式存贮和累积,在学分数量达到相关学习证书或资格证书要求后,学习者就可以去兑换相应的证书或文凭。

2.评估学习成果,建设“立交”式终身教育体系 应用国家职业资格框架体系的通用能力标准和评价指标,学分银行可以对学生在各级各类教育机构完成的学习成果进行评估,将学习成果认定为学分并存贮在学分银行系统中。这样就为不同教育机构的衔接和沟通提供了统一、连续、立交式的机制。

3.实现学分转换,跟踪和支撑终身学习 学分银行存贮了学习者详细完整的学习成果,可以提供学分转换功能,即在特定条件下将学分转换成高质量、具备公信力的学习资历(证书或文凭)。学分银行应用信息化手段,采用制度化形式,为学习者设立终身学习账户,并承担了账户的日常维护和安全保障任务,可以支持学习者实现终身学习的理想。

(三)学分银行现存问题分析

1.学习成果认定的沟通机制不完善 学分银行必须涵盖各种不同教育形式,才能进行学习成果认定。但现实的情况是:各种学习成果分散在各个教育机构和企业,实施学分银行制度后,各教育机构依据其特定评价标准对学习成果进行内部认定,并将其认定为特定量的学分。但问题在机构之间学分互认存在沟通障碍,不同教育机构和企业之间缺少有效的衔接,由此,往往导致学分互认信息不完全[4]71-75。这样,学分银行内存贮的各种学分信息就无法正常发挥学分的“通存通兑”功能,导致个人学分“零存整取”兑换相应证书或职业资格的功能缺失。如:慈溪市民学分银行,仅以数字化形式为学习者管理各类学习成果,无法和国家学分银行对接;国家开放大学的学分银行,为学习者存贮学习成果,在开放教育体系内实现了实习成果管理,但无法实现和全日制高校的学分互换。由此可见,我国的学分银行虽然对相关教育机构内的学分认定进行了实践探索,但其对不同教育形式间的学习成果认定的沟通机制还不够完善。

2.学习成果质量保障缺少公信力 当前,我国学分银行对学习成果的质量保障主要通过约束学习过程的“真实”和学分来源的“真实”来实现。学习过程的“真实”体现在学习平台(场所)的过程管理真实有效,主要包括学习时长、平时作业次数及作业量、考试次数及题量等;学分来源的“真实”体现在学习成果的结果认定真实有效,主要包括认证机构身份可信、学分认证结果具有公信力等。然而,当前的学分银行自身的公信力难以令人信服,主要体现在:(1)缺失“第三方”独立身份,易受到各种“隐形”因素的影响。(2)缺乏认证结果的“权威性”,缺少公共的监督机制,其他机构难以认同其认定结果。只有公正独立的第三方资质和高度认可的公众权威,才能让学分银行真正具有公信力。

3.学分转换缺少对学生的激励目标 学分银行的学分转换机制是从整体考虑的,即将多个课程、专业、工作经历等进行学分累计,进行学分的互认与转换,实现不同教育间的相互融通。但在现实中,学分银行中的每个学习者在进行学分转换时,更关注学分转换后的成效(相关认证证书或学历文凭证书)。当前,学分银行中学分转换的标准还不完全一致,这会造成个体学习者在转换学分时的收益不同,导致不能完全匹配学习者个人目标,削弱了学分银行对学习者的目标激励作用。

二、区块链在学分银行中应用的可行性分析

2008年,中本聪在其论文Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System中第一次提出了“区块链”的概念。文中设计的电子现金系统是一个完全点对点系统,它采用“区块”存贮特定时间内的所有元数据和交易记录,按时间顺序链接每一个区块。它支持点对点交易,实现交易双方的价值转移。

区块链系统通常采用六层架构:最底层为数据层,由数据区块、链式结构、时间戳、哈希函数、Merkle树、非对称加密技术构成;第二层为网络层,由P2P网络、传播机制和验证机制组成;第三层为共识层,由常用的POS等共识机制组成;第四层为激励层,包括发行机制和分配机制;第五层为合约层,含脚本代码、算法机制和智能合约;第六层为应用层,包括各类可编程应用[5]481-494。其中,应用时间戳验证的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识算力的经济激励、灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的特征。

(一)区块链去中心化的组织方式符合不同学习机构平等合作的内在需求

学习者的正式和非正式学习依托于不同的学习机构,各机构内生于独立自主需求,外显为终身教育体系中的地位平等诉求,即不同机构间在学习成果认证时无“核心节点”(关键机构)。区块链系统中各存贮节点应用网状模型进行链接,每个节点的地位和功能一致。这种去中心化的学习成果数据存贮方式、各节点(机构、学习者)网状链路架构和运行其上的计算模式,避免了传统的中心化控制[6]1485-1490,充分体现了“节点平等和读取自由”的特色,以技术手段实现了终身教育体系中不同学习机构间平等合作的需求。

(二)区块链机器共识的数据更新机制能保证原始学习成果数据的真实可靠

学校承担了大部分学习任务,学习成果数据由学校认证后提供,数据真实可靠,但数据量大;其他学习任务发生的场所比较复杂,如网络学习、教育培训、企业实践等,学习成果数据则由不同的企业和教育培训机构提供,数据形式多样且数据量大,数据的可信度不高。因此,保证不同学习场所采集的学习成果数据的真实性难度较大。区块链系统采用工作量证明(PoW)等竞争方式确定记账节点,单个节点无法控制账本,而每个存贮学习成果数据的新区块必须经过节点(全部或50%以上)验证通过,才能链入区块链系统。这种数据更新机制让学习成果数据的真实性从源头得到保障,机器共识(全部或50%以上节点)让数据几乎不可能被伪造或篡改。区块链基于“节点共识和系统共治”的技术,可有效保障不同学习场所学习成果数据的原始性和真实性。

(三)区块链密码保护的公开数据读取有利于各机构间学分的共享互认

要实现不同机构间学分的共享互认,必须考虑数据的隐私保护问题。区块链将密码技术应用到数据的读写过程,其基于密码保护的公开数据读取机制让数据匿名访问成为可能。学习成果数据链入系统前,节点(全部或50%以上)参与数据真实性验证;学习成果数据链入系统后,所有节点可以随时自由查询,信任成本在系统节点间大大降低。密码保护能够从技术上有效保护不同机构学习成果的数据隐私,公开透明查询可促进不同教育培训机构间的学习成果数据、学分等的共享互认。

三、应用区块链技术的学分银行系统设计

(一)系统架构

应用区块链技术的学分银行系统采用模块化的架构设计,主要包括智能合约执行模块、网络共识模块、区块数据读写模块[7]2571-2592。智能合约执行模块实现学分认定,网络共识模块完成学分共识验证,区块数据读写模块实现学习成果、学分及状态数据的读写。各模块之间既可以相互协调, 也可以独立地横向扩展各种服务。

(二)学分银行区块链管理

1.学分认定流程 (1)学分银行区块链系统的学分认定流程如下:①新的学习成果数据在客户端签名后递交,并发送到多个申请节点。②申请节点收到客户端递交的学习成果数据,触发学分认定智能合约。合约的执行结果记入学分I/O块(input_block,output_block)。③申请节点对学分I/O块进行时间戳数字签名,将签名后的学分I/O块发送给客户端。④客户端收集签名学分I/O块,验证其真实性。通过验证的学分I/O块在全网广播到学分管理模块。⑤学分管理模块收集某段时间内由多笔学习成果认定的学分I/O块,让全部或50%以上节点进行共识验证。通过验证后,将其排序,存贮在一个新的区块内,并发送给确认节点。⑥确认节点对新区块进行数字签名验证和学分输入块(input_block)版本验证。通过验证的区块被链入区块链,同时修改状态数据库,记录学分I/O块信息。(2)学分银行区块链系统的学分认定操作流程如下图所示(参见图1)。

2.智能合约 智能合约是在特定的触发条件下自动运行的程序。一旦触发条件成立,区块链系统中的任何节点都无法阻止其自动执行。学分银行区块链系统的智能合约约定了学分认定规则,学分认定应用通过调用智能合约访问区块链学习成果数据,执行各种学分认定操作。学习成果数据存贮在区块链的节点上,合约执行结果将存贮到学分状态数据库中。

(1)合约模型。学分银行系统的智能合约为CreditConfirm,合约的主要操作有:学分认定、存取学分状态数据。合约编写主要包括配置学分认定初始环境Config()函数和学分认定Confirm()函数。Confirm()函数调用学分认定规则,将符合认定规则的学习成果认定为含认定机构、学分项目、学分量、认定时间等学分信息并返回,若不符合认定规则返回认定不成功信息。

CreditConfirm运行在部分申请节点上。在设计CreditConfirm时,先设计申请规则。申请规则规定执行CreditConfirm的申请节点数量及节点组合(如m个申请节点中至少有i个节点执行才可以执行一个智能合约并签名)。在节点身份已知的环境下,也可以根据申请规则指定特定代言节点运行CreditConfirm。执行CreditConfirm的申请节点总数越小,占用的系统资源就越少,执行结果就被收集全越快,多个CreditConfirm并发执行成为可能。学分银行区块链中的节点都有接入审核身份环节,学分认定CreditConfirm的并行执行成为可能。这种仅在指定可信节点上运行智能合约的规则,大大降低了学习成果数据及合约规则被不可信节点随意传播的可能性,减少了数据泄露的风险。

(2)沙箱环境。学分银行区块链系统的智能合约不能直接运行在区块链节点上,其原因是:①保证合约执行结果不受节点的软硬件环境影响,始终保持一致。②保证在恶意破坏情况下合约仍能独立执行,保证节点安全。因此,为了能够安全稳妥地运行智能合约必须构建沙箱环境,从而限制和隔离合约使用的资源。

目前,沙箱主要分为虚拟机和容器两类。虚拟机将硬件虚拟化。它用软件部署一个让应用程序安全稳定执行的虚拟硬件环境,其常见的应用有虚拟光驱、虚拟硬盘等。它需要增加虚拟机操作系统,并对虚拟机进行管理,占用存贮空间多,启动运行慢。容器是在软件层面虚拟化。它在本地主机的操作系统上部署小规模虚拟环境,能够实现应用的高效运行和快速迁移,管理上非常简单。学分银行区块链系统使用轻量级的Container容器作为沙箱。CreditConfirm可用Java、Go、Node.js等编程语言来开发。为提高可扩展性,不对编程语言中一些非确定性的特性进行限制。因此,必须比对多个申请节点的合约执行结果,以保证提交数据的一致性。

3.隐私保护 公有链的每个节点都存储着全部交易数据的账本,每个节点都参与所有交易信息。它保证了数据的可靠性,但增加了系统负载,降低了数据的隐私性。学分银行区块链的节点包括学校、培训机构、企业、学员等,它的存贮数据为学员的学习成果。要实现公平公正的学分认定,隐私保护是必要的保障。

学分银行区块链系统用通道(channel)来保障数据的隐私性。通道可以由多个参与者自发组建,是一种基于多链的数据分区。通道内的所有学习成果数据存贮在内部链上,通道内的节点可以访问,通道外的节点无访问权限。学分银行区块链系统将学分存贮、认定、转换用相互隔离的多个通道来实现,如前面图1中的学分认定就是在一个通道内完成的。多通道让平行执行多个应用成为可能,提高了系统的整体效率,也实现了数据的隐私保护。

总之,区块链集成了链式区块结构、分布式数据存贮、时间戳数字签名、公私密钥、智能合约等多种技术,让多个互不信任的机构利用机器共识实现一致性记账,使对账周期大大缩短,跨机构业务摩擦减少,低成本高效率成为可能。基于区块链技术的学分银行信息平台能够实现平台上各节点的互联互通,实现学习者学习成果的可信存贮,不同机构之间学分的可信互认,让弹性学制、终身教育成为可能。目前,教育机构、关注教育与未来社会发展的机构以及有识之士已开展积极行动,通过开发和应用基于区块链技术的教学管理平台,积极迎接“互联网+”时代的加速到来。

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