基于区块链的高校第二课堂学分管理平台设计与应用

李宏志 陆克中

摘要：高校第二课堂是指在第一课堂以外的时间进行的、学校在教学计划之外组织和引导学生开展的各种有教育意义的活动。近年来，高校第二课堂的开设在学生综合素养培养方面发挥的作用越来越明显。然而，现有的教学管理系统难以对学生第二课堂的表现及学习行为进行客观评价与追踪。针对现有教学管理系统下所存在的学习记录不透明、学分认证和学习记录追溯较为困难等问题，文章提出了一种基于区块链智能合约的第二课堂学分管理系统，提出了基于区块链的系统架构并基于以太坊实现了原型系统，实验结果表明，该模型能够为高校第二课堂管理提供新的思路和技术。

关键词：区块链；智能合约；第二课堂；学分认定；隐私安全

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）09-0043-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

高校第二课堂是高校育人体系的重要部分。习近平总书记强调，要重视和加强第二课堂建设，重视实践育人。全国各高校积极开展第二课堂教育探索，但是制度化、学分化建设阶段面临巨大挑战，全国高校也在不断深化改革第二课堂并寻找新路径。目前，第二课堂的学分管理主要依赖构建合理的学分管理标准和架构基于云计算技术信息化管理平台[1]。但存在的问题主要有：1） 高校学分管理涉及内容繁杂，需要多部门相互配合，难以制定出适用面较广且行之有效的标准；2） 结合云计算技术的管理平台能够较好地解决学分记录及相关数据的管理问题，但对于数据的安全和可靠性无法保障。部分学者[4]提出使用数据挖掘算法，分析教务数据库中学生的成绩数据，作为第二课堂的学分核算依据。现行的解决方案，均是建立在可信第三方软件的基础上实现学分及学习成果的认证与转换，而实践中制约数据可信度的不可控因素较多，影响了第二课堂学分的真实性和安全性。随着区块链技术的日趋成熟，区块链的应用场景也逐渐從最初的加密电子货币，扩展到各个行业中，已经成为可信区块链即服务（Blockchain as a Service，BaaS） 的平台，为解决高校第二课堂学分管理问题提供新的思路和技术支持。基于上述分析，本文提出了一种面向高校第二课堂的学分管理系统以提高学习记录、学习成果以及学分认定的可信度。

1 相关工作

1.1 区块链原理

区块链本质上是一个分布式的公共账本，在分布式的环境下有多个相对独立的主机节点共同参与和维护，一般而言区块链结构是以数据区块为单位按照时间的顺序连接而成的。在分布式环境中所有节点的地位相等，不存在任何中心化的特殊节点。区块链具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点，在区块链中每个区块部分可分为区块头和区块数据部分，其中区块都保存了区块的相关描述信息，如时间戳、区块的哈希值、相邻区块的哈希地址等；区块数据部分负责存储和维护相关数据[2]。区块链的具体结构如图1所示。

区块链平台采用分层的设计思路，整体上可以划分为数据层、网络层、共识层、智能合约层和应用层等5个层次[3]，如图2所示，数据层位于整个分层结构的最底端，负责对业务数据的存储管理。网络层中各节点相对对等，采用P2P协议（如Gossip协议）完成数据交互和传输。共识层负责使用共识算法和激励机制管理各网络节点、支持拜占庭容错，选取合适的节点作为数据打包节点。智能合约层主要作用是为智能合约提供合适的编译和运行环境，主要涉及与业务逻辑相关的程序。应用层支持用户定义和发起执行智能合约未用户提供合适的编程接口。

1.2 智能合约

智能合约是一套以数字形式定义的承诺，简单来说是一段具有特殊功能的程序，能够执行区块链中的特定操作[4]。由于受到区块链网络资源的限制，智能合约一般不能包含太复杂的业务逻辑，智能合约本身更强调事物特性，类似于数据库的存储过程。智能合约一般运行在隔离的沙箱环境中，主流的区块链中提供的沙箱环境包括以太坊虚拟机和Docker容器[5]。以太坊环境中使用Solidity编程语言来定义智能合约。在图3的代码示例中，Contract 关键字标识了合约，SimStore 是合约的名称，initData 表示合约中的一个字段，Set和Get 方法定义了对于合约中字段的修改和读取功能。

2 平台系统的构建

本文基于区块链技术设计去中心化的学分管理系统，其中包含的重要组件如图4所示。模型结构主要包括在线学习网络平台，分布式学分及学习成果管理数据库集群，区块链网络平台以及与业务应用相关的模块设计。模型中的用户类型主要分为在线学习者和教学管理者，在线学习者参与学校的各类平台的学习工作并将学习记录包括学分和学习成果，提交给平台，最终同步到分布式数据库（Distributed Database System，DDBS） 。教学管理者主要的职责是负责验证学习成果的可靠性，管理学习记录和成果。为了保证学习成果的原始性和不可篡改性，模型将原始的学习记录、学分等数据经过哈希后提交给模型中的区块链网络中，具体过程包括如下步骤：

1） 对于用户的学分及相关的学习记录经过哈希计算之后，获得唯一摘要信息。

2） 经过验证之后将摘要信息上传至区块链网络中，将区块链中存储凭证返回给相关记录。

3） 区块链中的数据具有不可变更特性，通过区块链中哈希值来验证数据库中记录是否已经变更。

参与区块链共识存储。区块链中全节点，在接收到用户端发起的原始学习成果记录存入指令，采用PoW 共识机制，选取交易打包节点调用已经部署的智能合约，完成验证操作，最终将记录存入区块链网络。

在本文提出的系统中，智能合约作为整个模型的重要部分，公开透明地部署在区块链中，负责执行数据的合法性校验，将记录打包成合法的交易的信息，并发布到区块链网络中。由于区块链网络中的数据难以篡改，保证了区块链中存储原始数据的安全性。

本文所提出的模型具有以下特点：

1） 在线学习平台采用微服务的架构：各类学习资源通过打包成微服务，集成在在线学习平台中，能够根据学习者的需求灵活地提供所需的内容。

2） 分布式数据库系统（DDBS） ：学习者的各类学习项目的评分及原始学习记录通过加密的方式存储在分布式数据库系统中，减少区块链网络中数据存储和访问的压力。

3） 智能合约的设计：建立面向学分管理的智能合约体系，并实现学习成果认证，学分换算的智能合约程序，形成一种无须第三方干预的学习成果管理模式。

4） 区块链网络的存证体系：为了保证分布式数据库中的记录为经过授权无法篡改，采用专有的区块链网络存储信息的哈希摘要信息。在验证记录的有效性只需要对比记录的哈希值是否和区块链中存储的是否一致。

2.1 基于区块链学分存证模块

基于区块链的存证组件是本文模型的重要组成部分，区块链网络本质上事由点对点对等网络（Peer to Peer ， P2P） 组成。区块链中的各节点在逻辑上是完全平等，都具有参与共识算法打包数据的能力。不同于公有区块链，本文采用的具备认证功能的区块链，所有参与的节点都需要经过注册中CA 认证并审核才能加入区块链，如图5所示。区块链主节点主要的职责有：

1） 验证来自业务节点发起的区块存储消息，负责与业务节点订立交易协议规则。

2） 作为注册中心CA负责审核新节点的加入申请，每个节点都保存当前区块链的全部状态。

3） 运行分布式共识算法，对加入区块链的数据竞争打包权限并将打包之后的凭证返回给业务节点。

4） 处理来自业务节点的数据有效性验证请求，能够提供数据是否存在与区块链中的验证服务。

此外，本文系统采用智能合约自动执行学分的转换操作，以此来保证系统中关于第二课堂学分认定的自动化执行。其中，第二课堂学分认定合约（Credit Conve rsion Standard Contract，CCSC） 如算法1所示。

算法1  学分认定合约 （CCSC）

contract CCSC{

Object learner_info;   //作者信息

Object standard_credits ; //学分转换标准

DataSet learing_dataset ;//相关学习成果

If （msg.sender == learner_info.owner） then

For standard_credits.content as sitem ： // 迭代转换规则内容

For learing_dataset.content as litem：

If sitem.id == litem.id then： //原始成果与转换规则匹配

TargetCredits+=SC_Calculate（ litem.id，tandard_credits） //计算转换学分

Endif //执行成果-分值转换操作

Endfor

Endfor

Endif

3 系统测试

本文所使用的原型系统是基于以太坊搭建的，实验中使用的操作系统为Centos 7.4，智能合约使用以太坊通用的高级语言Solidity编写。测试的硬件环境为12台安装了以太坊golang 客户端的分布式主机节点，每台主机配置为4核2GHZ CPU，内存为4G。各个客户端节点相互交换和验证信息组成了一个私有的区块链网络，智能合约的部署过程如图6 所示。

可信学分管理系统使用J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition） 企业级Web框架实现学分管理平台的功能，应用SSH开发框架，采用分层、模块化、服务化的设计模式。如图7 所示，系统的交互界面包含用户界面与区塊链监控软件两个部分。

第二课堂的学分管理平台设计工作表明，使用区块链对第二课堂的活动进行追踪是可行的，不仅能够保证数据具有较好的真实性与安全性，还能丰富教学数据的规模与层次，为利用教学大数据开展教学效果评价、教学方法分析、教学过程追踪提供数据支撑。

4 结束语

为了解决现有高校第二课堂的学分认证、学习成果登记过程中存在的记录易篡改，安全性不足的问题，本文基于区块链技术设计了一种面向高校第二课堂的学分管理的管理平台。该模型使用了J2EE的技术架构体系，引入以太坊区块链网络，对学习原始记录及学分评价进行存储和备份。智能合约的使用使得整个模型在无第三方可信机构的监督下，仍然能够安全高效地运行。 实验结果表明，该平台在学分管理，学习成果管控方面具有较高的安全性，下一步的工作将继续探索利用区块链技术保护在线学习平台上的用户敏感信息的有效模式。

参考文献：

[1] 吴贝贝.基于区块链技术的校际学分银行综合评价系统的构建研究[J].信息系统工程，2024（1）：46-49.

[2] 王冬梅，王瑾.区块链技术赋能：外语教育资源数字化治理[J].湖北经济学院学报（人文社会科学版），2024，21（1）：9-11.

[3] 周虎，党仁，孙羽.基于联盟链的养老机构老年人的隐私保护方案[J].网络安全技术与应用，2024（1）：61-65.

[4] 沈传年.智能合约安全漏洞研究现状[J].信息安全研究，2023，9（12）：1166-1172.

[5] 陈锦富，王震鑫，蔡赛华，等.基于蜕变测试的区块链智能合约漏洞检测方法[J].通信学报，2023，44（10）：164-176.

【通联编辑：李雅琪】