融合区块链技术的社区教育学习成果认证模型及实现机理研究

韦书令

(广西开放大学 广西现代远程教育研究中心，南宁 530022)

一、前言

随着以信息技术为基础的学习型社会不断建立完善，社区教育的学习需求持续增长,并呈现多层次、多元化和个性化的特征，为社区学习者从不同途径获得的知识、能力和技能提供等价且公正的评估，将成为社区教育改革的共识。但社区教育作为非正式学习环境下的教育形态，其学习成果来源多样且复杂，在认证过程中还存在效率低、成本高、信息不对称和监管缺失等问题，影响了社区教育学习成果的表述和认证。高志敏认为我国在构建终身教育体系、倡导终身学习与创建学习化社会进程中，有必要对学习者的学习成果确立一种多元并能够相互认可的认证支持系统。[1]亚当斯贝克尔等提出获取“可信的非正式学习”已成为目前教育与技术深度融合的巨大挑战之一，[2]主要挑战在于如何记录、测量和认证非正式学习的成果，还缺少统一的认识和有效方式。高洁等为对学习者在工作中、生活中获得的知识、经验与技能等不同类型学习成果进行认证，提出一种科学化而又具有可操作性的非正式学习成果认证标准和评价方式，从而探索一种积累学习成果的途径，具有非常重要的意义。[3]

当前社区教育呈现出利益主体、内容形式和学习场所日益多元的去中心化特征，其学习成果的认证过程应具有较好的安全性、透明性和真实性，通过区块链的密码学原理和共识机制保证学习成果的可信度，提升认证过程的质量和效率，帮助社区教育学习者更好地融入社会评价体系。李青等提出区块链可以提供去中心化的学习记录服务，降低求学、求职和人才雇佣的成本。[4]沈忠华认为区块链能有效地保证数据的可靠性，较好地应对诚信度低、监管水平弱的某些环境，任何教育机构和学习者可以跨平台和跨系统地记录学习行为和学习结果。[5]习近平在主持中共中央政治局第十八次集体学习时强调，把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，积极推动区块链技术在教育等领域的应用。[6]区块链的特性可为社区教育改革与创新赋予有力的教学动能：一是可对学习成果进行确权、认证与隐私保护，解决陌生主体之间的信任问题，创造安全可信的教学生态；二是将缺乏流通性的学习成果数据转化有价值的链上通证，可激发社区学习者的学习动力和自信；三是扩延社区教育学习成果认证的手段与路径，合理评估社区教育的价值和水平。

基于此，本文针对社区教育不同主体之间学习成果认证过程存在的问题，提出一种融合区块链技术的学习成果认证模型，通过带有时间戳的区块记录身份信息和学习成果来保证数据的不可篡改和可追溯性，引入混合共识机制以提高学习成果的可信度，在传统信用评分机制的基础上定义“信任值”的评价权值，深入探究区块链上学习成果认证各节点的运行机理。

二、国内外研究现状

1.学习成果认证

目前学习成果认证的主要对象是社区内的成人学习者，他们有着不同的社会背景、学习经历和工作经历，因此，具体实施过程中需要利益相关者的积极参与，明晰各类非正式学习成果的社会价值含量。《欧洲指南》强调，非正规与非正式学习成果认证，比正规学校教育内的认证过程复杂和成本高昂。[7]周晶晶提出学习成果认证是指权威机构根据一定的标准要求，对学习者参加一定学习过程后获得的知识、能力和技能进行评价，以确定其是否满足标准要求，并对满足要求的学习者颁发正式凭证，以证明其具备相应的知识与能力并获得社会承认的过程。[8]从终身学习的角度看，学习场景除学校之外还包括邻里社区、工作场所和居家环境；学习成果呈现形态多样，包括经验、技能、作品、设计、证书、实验、专利和论文等；学习成果获取渠道则是多元化的，包括经验学习、自我学习、课堂学习、在线学习、数字化学习等。

社区教育领域的学习成果认证是一项艰巨而复杂的任务，评估过程和结果都必须客观、公平和透明，并在适当的时间和范围内实施。对社区学习成果进行评价和认证将会改变目前社会“重学历轻职业”的评价方式，为有效解决不同学历教育之间的沟通与衔接提供新的途径和方案。学习成果认证的探索和实践始于终身学习理念的推广,各国政府部门和教育组织为此制定了关于学习成果认证的政策措施、资历框架和认证指南，但由于各地区教育发展不平衡和实施主体多样，导致对学习成果认证的定义和实施各不相同，使得学习成果认证的范围和复杂性也极大增加。目前常用的办法是由政府部门、教育机构和行业专家共同参与制定和实施国家资历框架标准,比如香港特区教育局发布的“资历级别通用指标”、东盟发布的“东盟质量保证框架”(AQAF)以及欧盟发布的“欧洲学分转换制度”等等。[9—11]我国《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出，要“建立国家资历框架认证平台，建设国家学习成果转化管理网，学习成果认证服务体系等基础设施，为学习者建立终身学习成果档案；推进同层次或不同层次学校之间，学校与行业、企业、培训机构之间，区域之间实现学习成果互认”。[12]

2.区块链的教学应用

国内也有不少学者对区块链教学案例进行分析和实践，在学分认证、身份认证和技能证明等方面也取得不错的进展。如吴莎莎在区块链系统中嵌入数字徽章的认证功能，对学习者学习过程进行记录，实现以学生为中心的教学服务；[19]蔡维德等提出了账户区块链(account blockchain,简称ABC)和交易区块链(trading blockchain,简称TBC)的双链设计模型,可用于解决教育公信认证复杂等问题；[20]李凤英等提出的区块链技术应用于MOOC学习者身份认证的全过程解决方案，可确保信息传输的真实可靠，用于学习轨迹记录、学习证书颁发和学习过程验证；[21]熊维祥针对学习者学习行为进行记录广播并实现分布式存储，结合区块链特点设计P2P数据传输模型并实现运行，可记录在线教育机构的自主学习过程。[22]

由以上文献可见，区块链的教学应用多集中于学习内容和过程的存储和记录，还缺少从区块链共识机制的角度对应用场景、数据产权和利益相关方进行深入研究，缺乏区块链数据的通证化对参与主体认证行为的激励作用探究。对于如何确保区块链上的学习成果得到社会承认并具有公信力、如何有机结合区块链技术开展教学活动等问题，还有待于进一步的理论积累和实践探索。

三、基于区块链的学习成果认证模型

区块链的共识机制使得每笔学习成果认证都不依赖中心机构，而是通过参与节点的共识来实现认证一致性，但社区教育学习成果的来源多样且复杂，认证过程往往涉及双方或者多方，各利益相关方的诉求也不一致，因此，本研究提出学习成果认证模型的设计原则如下：学生节点对学习成果的真实性和有效性负责；教师节点达成学习成果质量的一致性和共识；学习成果认证过程需由利益相关方共同参与；可接受不同社区教育机构的监督。

1.模型的基本框架

本模型的基本框架由数据层、网络层、服务层和应用层组成(见图1)。其中，数据层的主要功能是通过哈希函数、共识算法和数字加密等技术将社区学习者上传的学习成果数据存储到盖有时间戳的数据区块；网络层由点对点的数据传播和认证机制来实现每个节点数据的校验和记账，并提供不同角色的节点和验证机制来实现身份权限控制；服务层负责对学习成果信息和用户身份进行签名认证，当相关节点达成共识后对区块链进行更新，并提供相应的激励机制服务；应用层则封装了用户注册、数据上传和信息查询等应用场景，直接为用户节点提供信息交互的接口。

由于社区教育的学习成果主要来源于学习者工作和生活的经历，且将学习成果认证视为个人发展和自我实现的过程，因此本模型的数据结构设计将重点关注学习者的学习过程和成果来源，并以知识、技能和能力为基础创建认证单元。学习成果认证单元的区块数据结构由区块头和区块体组成(见图2)，区块头包括成果ID、时间戳、随机数、区块的前后哈希值和Merkle根；区块体封装了学习成果认证单元，并对成果来源、识别方法、描述维度、呈现形式和应用场景等信息进行哈希函数处理。哈希函数具有输出结果长度固定的特性，且输出值难以反推输入值，可实现区块所包含数据的完整性和安全性，常用于认证过程的快速验证和数字签名的构建,区块之间通过哈希值进行链接。其中，成果ID表示每项学习成果数据的唯一标识；时间戳表示发生提交或认证的时间，每份学习成果记录都将打上时间戳，按照时间顺序对生成区块进行排序；随机数是密码学的关键部分，可帮助各方节点实现共识机制，同时可用于密钥的生成，保证区块链上数据交互的安全；Merkle根是一种哈希二叉树，主要用于对认证信息进行两两配对的分组哈希计算，并验证其存在性和完整性。

2.模型的共识机制

刘懿中等提出共识机制是区块链技术的基础和核心，共识机制决定参与节点以何种方式与某些特定的数据达成一致。[23]由于区块链中还存在延迟、攻击和堵塞等不可控因素，可能造成各个节点所记录事务的先后顺序不能完全一致，同时还存在互不信任的多方主体(包括大量的学习者节点)，不可避免地受不同利益驱动而产生不合作、欺骗和作恶的可能，必然会影响学习成果认证共识的效率、质量和公正性。因此，本模型将采用权益证明机制(PoS)与实用拜占庭容错算法(PBFT)相结合的混合共识机制处理以上问题，其具体流程(见图3)如下：首先，通过权益证明机制(PoS)的方式选举资质和信誉良好的教师组成初始学术委员会。然后，将学术委员会内部节点抽象为区块链节点群形成快速认证通道，通过实用拜占庭容错算法(PBFT)完成认证共识，当3/4的委员会节点同意时则认证通过，无需全网节点同意就可完成认证。学术委员会节点是创建和维护区块链的主要个体，通过密码学和共识算法对学习成果进行验证、存储及更新至区块链。最后，学术委员会将每隔一个时期选举新委员,用来防止恶意节点的欺骗和破坏。

3.模型的激励机制

在达成区块链中学习成果的共识之后，还需激励各方节点以理性和诚实的行为参与认证过程，以期完成高质量学习成果认证。区块链的通证对应现实世界的所有权凭证，而共识机制使得通证具有流通性和价值属性，因此，可对学习者的学习行为给予外在激励。本模型通过信任值T体现参与学习成果认证的有效性和积极性，由互不信任的多方主体共同维护，每当成功完成一笔学习成果认证，每个参与认证节点的信任值T就会进行重新评定,是对教师或机构的认证行为和学习者的成果提交量进行奖惩激励。在经过一定次数的认证后，每个教师节点的认证行为和学习者的提交行为获得的信任值T即趋向合理。它主要包括两个指标：教师认证质量和学习者成果提交量。由于不同教师的学习成果认证标准具有随机性，会引起学习成果的认证误差，因此我们将教师对该笔学习成果的认证质量设定为Qvalue,m，为节点在第m次认证的认证质量平均值；学习者在该节点的成果提交量则设定为C，学习者节点积极参与学习成果提交时取C=tQvalue,n，其中t为本次认证中所有参与认证的节点个数。

综上，每个参与认证节点的信任值如下：

(1)

式中x和y分别为该节点参与认证和提交的总次数，α和β为权重因子，它们的取值分别反映出对节点的认证质量评价与成果提交量的相对重要程度。

4.模型的身份认证

在认证过程中通过共识机制保证学习成果数据的一致性，保证区块链内部工作节点和外部注册用户身份的可验证性和监管性,实现过滤非法用户、阻挡恶意攻击者和用户权限管理等功能。但由于区块链模型在运行中可能存在类似拜占庭(Byzantine)将军问题，所以，学术委员会需要对不同身份权限的节点进行审核和确认。当节点收到认证同意的回复后，该节点会向整个区块链广播，然后，区块链所有节点会更新自己节点信息库，标识新节点的加入。

区块链中所有参与节点通过非对称加密程序生成属于自己的密钥对，公钥用于身份确认和学习成果信息加密，私钥用于数字签名和学习成果信息解密(见图4)。由于存在公钥被人冒用和单一私钥被暴力破解或暴露的可能性，本模型使用多重签名来保障认证过程的安全性，即每项学习成果进行认证时，使用N名教师的公钥生成多重签名地址，只需要M个教师的私钥签名则可实现认证完成(N>M)。例如，有N个认证参与方，只需N方中的任意M方签名即可完成认证，类似于一份文件需要多部门签字才能生效。

5.模型的应用流程

区块链技术加快了数据在学习者、教师和机构等多主体节点之间的流通，同时带有教师签名的评价信息会伴随着学习成果一起上链，整个认证过程包括数据上链、认证和查询等环节，学习者、教师和机构等各方节点地位对等且以扁平式结构互通互联(见图5)。

学习成果认证与查询的具体流程：

步骤1：学习者、教师和机构在参与学习成果认证前，需要获取自身的密钥对。

步骤2：使用权益证明机制(PoS)选举出认证教师，利用他们的公钥生成多重签名地址。

步骤3：当学习者提交学习成果L时，使用认证教师的公钥对学习成果L进行加密处理得到L1，通过哈希函数对学习成果L计算生成摘要A1，用学习者的私钥对摘要A1加密得到数字签名S1，完成加密处理后，学习者将学习成果L1附上数字签名S1后分别发送给教师。

步骤4：教师收到信息后，用学习者的公钥解密数字签名S1，得到学习成果摘要A2，然后使用教师自己的私钥对已加密的学习成果L1进行解密，得到学习成果L，然后对学习成果L进行哈希函数计算，得到的结果与摘要A2比对，相同则证明此信息未被修改过。

步骤5；此时教师对学习成果进行评价，并运行实用拜占庭容错算法(PBFT)达成共识，得到附有评价信息的学习成果L2，对L2用哈希函数生成摘要A3，用教师的私钥对摘要A3加密并生成数字签名S2，然后将学习成果L2附上数字签名S2后一起返回给学习者。

步骤6：当学习者收到认证生效所需要教师签名数量后即完成此次学习成果的认证，模型将对认证后的学习成果打上生效时间戳，同时向学习者和教师发放信任值通证，机构此时可在区块链上发起对学习成果的查询。

步骤7：机构向学习者发送请求查询信息，学习者收到信息后，如果同意查询请求则对查询信息进行加密授权：首先原文经过哈希函数计算得到摘要D，然后利用学习者的私钥对摘要D进行加密得到签名S3，最后再利用机构的公钥加密，并将(原文+签名S3)返回给机构节点。

步骤8：机构收到信息后，先用机构的私钥解密(原文+签名S3)，然后对原文哈希函数计算得到摘要D1，再用学习者的公钥解密签名S3得到摘要D，比对D和D1是否相同，相同则对学习成果的内容进行查询，不相同则中止查询过程。

从以上步骤可以看出，每次学习成果数据权限的传播都需要数据所有者的授权，并且数据在流通或者存储的过程中都是被加密的，学习成果数据在链上转化成有价值的通证后，将激励学习者、教师或机构等进行学习成果数据的流通。

四、讨论

1.学习成果的通证化有助于克服认证效率低下的困难

学习成果通证化是把学习成果与区块链的通证进行映射，通过区块链模型将学习成果的确权、认证和共享等环节组织起来。由于学习成果转化成具有高度流动性和安全性的数字通证，将促进数据的快速认证和流通，并在个人与机构之间实现高效查询、认证和共享。可解决学习成果来源多样、标准不一和缺乏验证机制等问题，提升学习成果的价值转化率,帮助教育机构或组织简化认证流程；可帮助学习者获得信任背书，减少同一学习成果的重复认证次数；可有效配置人力和教学资源，节省学习新知识或技能的时间和精力成本。

2.区块链的可追溯性有助于对学习成果认证进行全过程“溯源”

区块链上每笔学习成果数据都标注数字签名和时间戳，对学习成果认证过程的上传、确认、审核和认证等各个环节的参与节点都可以进行全过程“溯源”，教师审核的每一步骤均能备案可查，学习者每次学习成果的提交和更新都可进行实时监管。从技术上杜绝伪造学习信用记录，帮助用人单位获得完整而可信的学习过程信息。基于此，一是可以有效地在技术层面杜绝伪造学习信用记录，导致用人单位无法获得完整的学习信息的情况，保障学习成果的公信力；二是所有认证记录可追溯、可查询且学习成果信息不可被篡改；三是认证能够接受相关职能部门的监督和审查，完成对学习过程的评估，增加认证过程的公开透明度，保证学习者所提供材料、证据等的真实性。

3.区块链的共识机制有助于化解学习成果认证信息不对称问题

由于社区教育学习成果的来源与呈现形式较为隐性、复杂和多样化，并还存在互不信任的多方主体，容易造成此类学习成果的认证信息不对称。而区块链的共识机制要求学习者、教师、社区教学机构和用人单位等各类主体之间对学习成果达成共识，由学术委员会通过共识机制对学习成果的质量进行识别和评估。当学术委员会达成共识之后区块数据才能被修改或更新，以确保认证信息的真实性和可追溯性，最终保障各方参与节点记录的信息内容一致。

4.区块链的去中心化特性有助于降低学习成果的信任成本

传统的学习成果认证需经由中心教学机构或教育行政部门来进行信任背书，其信任度一般受限于特定范围内。而区块链的点对点交互和共识算法可构建自信任关系，通过引入多个节点共同参与记录的方式提高了学习成果的可信度，可在陌生群体之间进行大规模确权和认证。教学机构、教师和学习者等主体将处于平行维度，在缺失可信任第三方机构情形下，让多个主体之间通过区块链技术达成关于学习成果质量和可信度的共识。区块链去中心化的特性将会打破中心教学机构认证垄断格局，模糊校际教学边界，化解学习成果的信任危机；将会提高社区教育的全民参与度，降低其求学和求职等事务的信任成本；让学习成果的认证由各方参与节点通过共识机制进行协调管理，从而减少伪造学历学位和各类学习证书的现象。

5.区块链的激励机制的有助于激发学习者的学习动力

与正规教育相比，社区学习者都有各自不同的工作经历和教育背景，他们的学习参与度和寻求学习成果认证的意愿都不高，而引入区块链的激励机制可为其提供解决方案，激励学习者积极参与社区教学活动。当学习成果通过认证时，学习者从区块链上获得具有流通属性和价值属性的通证,可将其转换成其它教育机构认可的知识、技能证明甚至学分，用于获得社区及其周边学习资源和服务的使用权。例如，Mike Sharples提出一种基于区块链用来测量学习结果的教育名誉货币，当学生通过考试或完成课程即可获得，这些货币可用于支付其它教育服务。[24]学习通证可作为衡量和评价其学习质量的重要依据，有助于激励更多学习者参与社区教育，满足其在学习过程中获得自信、尊重和成就感的需求。

五、结束语

区块链的共识机制可为社区教育的教与学提供一致性和可信度，学习者所提交的信息记录都被视为经过学习而获得的数字资产，其激励机制将促使各方节点积极参与，完成更高质量的学习成果认证。然而本文提出的学习成果认证模型还存在一些不足：一是“51%算力攻击”和量子计算的快速发展导致区块链模型还存在数据被伪造、威胁和破解等问题；二是区块链上学习成果数据的应用往往涉及双方或者多方，现有区块链数据层的数据结构难以满足学习成果认证事务复杂且数据相对统一的描述需求；三是区块链的运行涉及大量系统开销和信息冗余，为保障数据安全或隐私将会影响或牺牲模型的运行效率。

本文详细阐述学习成果区块链模型的基本框架、数据结构、身份认证和运行机理，探讨如何利用区块链的特性解决学习成果认证的弊端和问题。未来研究将聚焦在设计高效灵活的混合共识机制,改进基于学习通证的激励机制；研究设计可编程的学习成果智能合约来规范认证利益相关者的权、责、利，实现教学质量管理的精细化和自动化；针对学习成果认证业务环节的特点，制定以能力为基础的认证单元标准，优化学习成果的数据结构和转换规则。