區(qū)塊鏈+教育的需求分析與技術框架

金義富

摘要：《“十三五”國家信息化規(guī)劃》提出加強區(qū)塊鏈等新技術基礎研發(fā)和前沿布局，作為去中心化的網(wǎng)絡技術框架，區(qū)塊鏈已在金融、公證與數(shù)字資產(chǎn)管理等領域獲得應用并出現(xiàn)顛覆式設想。該文通過總結(jié)區(qū)塊鏈去中心、真數(shù)據(jù)、自信任、可編程、共維護、準匿名六大特點，以實現(xiàn)“以學生為中心”教育理念為目的，從教育資源建設、教學過程評價和教育投入產(chǎn)出等方面分析對區(qū)塊鏈的需求，在教育大數(shù)據(jù)和云計算基礎上構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系框架，提出一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)，以角色與教育資源的互動為事務原型設計數(shù)據(jù)區(qū)塊，參照以太坊架構(gòu)，提出以燃料和“教育幣”為激勵機制，用角色的“教力”和“學力”、教育資源的“難度”和“適應度”等變量表征事務狀態(tài)，研究狀態(tài)變量與教育投入產(chǎn)出的智能合約更新。該系統(tǒng)支持師生自主定制與維護教育區(qū)塊鏈資源，充分激發(fā)一線師生積極性，每個人都既是教師也是學生，甚至一個人就是一間學校，充分實現(xiàn)個性化教學和分享式學習。

關鍵詞：區(qū)塊鏈+教育；通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈；教育事務與狀態(tài)；教育智能合約；需求與框架

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

近年來，教育發(fā)展沿著“以學生為中心”的理念不斷進步，技術對教育的支撐也在不斷增強，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的各種技術不斷滲透到教學過程和教育管理中，大力促進信息技術與教育教學深度融合，教育信息化成果累累，“三通兩平臺”、數(shù)字校園、智慧校園建設不斷取得新成果，對擴大資源覆蓋面、促進教育公平和提高教育教學質(zhì)量的引領作用日益凸顯。然而，與商務、金融和社交相比，信息技術對教育領域的滲透尚不深入，信息化與教育教學“兩張皮”現(xiàn)象仍然存在。技術會獨立于教育一如既往地飛速進步，因此，如何彰顯信息技術對教育發(fā)展的革命性影響，實現(xiàn)教育信息化支撐教育綜合改革、提升資源優(yōu)質(zhì)均衡、促進學生全面發(fā)展，關鍵還是在教育領域本身。根據(jù)近年來的發(fā)展路徑和現(xiàn)狀看，教育信息化深度應用程度不夠、融合創(chuàng)新水平不高的關鍵影響因素之一在于未能充分調(diào)動一線教師和學生參與的積極性和能動性。一方面，正在向教育領域滲透的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術，對各級各類學校包括大學的大多數(shù)師生來說都是全新的概念，理解這些概念含義的難度較大，更不太可能輕松地在教學活動中使用，因此師生參與熱情不高；另一方面，這些技術本身也存在一些與教育實踐不“適應”的地方。以在實際應用中取得顯著成效的教育云和教育大數(shù)據(jù)為例進行分析。首先，提供教育云建設、服務、管理與維護的一般為一個較大型的中心化機構(gòu)，用戶期待從云平臺廉價地獲得“按需服務”，由此，用戶必須嚴格依附于這個機構(gòu)，完全信任這個機構(gòu)是能持續(xù)存在的，且提供的服務是實時的、內(nèi)容是正確的、數(shù)據(jù)是安全的，還包括教育云的構(gòu)建昂貴、信息雙向性不對稱、按需服務的實用性不強、未充分體現(xiàn)以學生為中心的教育理念、集中持續(xù)更新維護困難、相關的數(shù)字資源知識產(chǎn)權(quán)保護等一系列難題；其次，教育大數(shù)據(jù)基于云技術而構(gòu)建，除上述不足以外，最大難題在于不可避免地存在個人隱私和信息安全問題。

根據(jù)區(qū)塊鏈架構(gòu)的特點，引入?yún)^(qū)塊鏈于教育領域，在教育大數(shù)據(jù)和云計算基礎上構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)。大數(shù)據(jù)是總的推動力，云計算是中心化的架構(gòu)，教育區(qū)塊鏈是對等網(wǎng)絡架構(gòu)，二者互為依托，優(yōu)質(zhì)資源云化，分享資源區(qū)塊鏈化，集中維護和集體維護互相補充。區(qū)塊鏈的對等網(wǎng)絡與開源編程可充分體現(xiàn)“以學生為中心”的教育理念，實現(xiàn)本地化數(shù)據(jù)管理，通過準匿名實現(xiàn)隱私保護，做到“我的數(shù)據(jù)我做主”，從技術本身去激發(fā)一線師生參與的積極性。

一、區(qū)塊鏈概述

（一）區(qū)塊鏈簡介

1.區(qū)塊鏈系統(tǒng)

區(qū)塊鏈（Blockchain）即由區(qū)塊組成的鏈，區(qū)塊是一個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)單元，把數(shù)據(jù)區(qū)塊按時間順序連接組成的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。英國政府在2016年1月發(fā)布的《區(qū)塊鏈：分布式賬本技術》對區(qū)塊鏈是這樣闡述的：區(qū)塊鏈是數(shù)據(jù)庫的一種，它包含的記錄很多，這些記錄不是存放在一頁紙或一個表內(nèi)而是存儲在區(qū)塊內(nèi)，每個區(qū)塊通過數(shù)字簽名鏈接到上一個區(qū)塊，人們可以像使用賬本一樣使用區(qū)塊鏈，可以共享和授權(quán)查閱。

2008年，中本聰《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》創(chuàng)造了比特幣（Bitcoin），它不是由特定貨幣機構(gòu)發(fā)行，而是基于區(qū)塊鏈對等網(wǎng)絡（Peer to Peer，P2P）經(jīng)過計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)貨幣，作為比特幣底層技術的區(qū)塊鏈技術隨著比特幣的熱炒、挖礦而逐漸浮現(xiàn)世界，2015年10月美國著名雜志《經(jīng)濟學人》以封面文章發(fā)表《信任的機器》（The Trust Machine），強調(diào)區(qū)塊鏈是一種可以在無第三方監(jiān)督的狀態(tài)下建立彼此信任的技術手段，從而可作為第二代互聯(lián)網(wǎng)“價值互聯(lián)網(wǎng)”的基礎協(xié)議，其地位可比目前的HTTP協(xié)議。一個簡化的數(shù)據(jù)區(qū)塊及區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)區(qū)塊長度不超過1M字節(jié)，分區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分。區(qū)塊體存儲用Merkle樹結(jié)構(gòu)封裝的數(shù)個實際交易事務數(shù)據(jù)。區(qū)塊頭固定為80字節(jié)，包含32字節(jié)的前一區(qū)塊哈希（Hash）地址、32字節(jié)的事務集Merkle樹根哈希值以及各4字節(jié)的時間戳、隨機數(shù)、難度值和版本號。數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲于P2P網(wǎng)絡的每個客戶端節(jié)點，組成健壯的分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）、實用拜占庭容錯系統(tǒng)（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）、Raft一致性協(xié)議等共識機制以及可編程的智能合約直接建立點對點信任。區(qū)塊鏈的這種去中心化信用機制是其得以重視的主要創(chuàng)新，以此可重構(gòu)全新的信用體系、降低欺詐風險、優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)和業(yè)務流程、提升資源品質(zhì)和共享效率。

2.區(qū)塊鏈分類

根據(jù)區(qū)塊鏈運維的公開程度可分為公共鏈（Public Blockchain）、私有鏈（Private Blckchain）和聯(lián)盟鏈（Consortium Blockchain）三類，其主要標志如下表所示。

一條區(qū)塊鏈不可以出現(xiàn)分叉，但可以設計與之交互的子鏈或稱側(cè)鏈（Side Chain），作為對主鏈某些規(guī)則的靈活變更，已經(jīng)出現(xiàn)了如“閃電網(wǎng)絡”這樣的側(cè)鏈產(chǎn)品，它把比特幣的絕大多數(shù)交易放在側(cè)鏈瞬間完成，保證具有與主鏈同等的可證性和安全性，只在集中清算時才寫入主區(qū)塊鏈。

根據(jù)區(qū)塊鏈應用范圍的不斷擴展，Melanie Swan在《區(qū)塊鏈：新經(jīng)濟藍圖及導讀》中把區(qū)塊鏈分成三個發(fā)展階段。以比特幣為典型應用的為區(qū)塊鏈1.0架構(gòu)，主要是建立了支持虛擬貨幣的去中心化數(shù)字支付系統(tǒng)。為進一步提升共識效率、拓寬應用場景，隨后出現(xiàn)了以以太坊（Ethereum）應用為代表的區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)，通過擴展區(qū)塊鏈功能，把區(qū)塊鏈作為一個不只適用于數(shù)字貨幣的通用去中心化平臺，提供一個可編程的語言環(huán)境，可創(chuàng)建智能合約以代替?zhèn)鹘y(tǒng)合同，增加了賬戶概念用以記錄合約對象，可進行更復雜的查詢和校驗需求。區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)的成熟應用尚未出現(xiàn)，它超越貨幣和金融范圍應用，可能主要以聯(lián)盟鏈和私有鏈結(jié)構(gòu)進行部署，采用部分去中心的混合分布式架構(gòu)，具備企業(yè)級管理屬性，支持政府、工業(yè)、醫(yī)療以及教育等行業(yè)應用，Linux基金會2015年12月啟動的“超級賬本”（Hyperledger）項目具有支持多領域應用前景。

隨著區(qū)塊鏈應用領域的增加，不同類型的區(qū)塊鏈自然也會不斷增加，不同的區(qū)塊鏈可以通過相應的協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)，形成互聯(lián)鏈（Interchain），在不同鏈路、不同物理層上的系統(tǒng)之間實現(xiàn)應用層面的互聯(lián)互通。若干年后，各種公共鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈相互連接，多個領域多條主鏈互通、多個側(cè)鏈作為補充相連，形成類似于今天互聯(lián)網(wǎng)一樣覆蓋全領域的價值區(qū)塊鏈網(wǎng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，所有人和機器都連接到一個統(tǒng)一的全球區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中。

（二）區(qū)塊鏈特點

區(qū)塊鏈架構(gòu)將點對點安全分享的概念提升到一個全新的水平，具有去中心、真數(shù)據(jù)、自信任、可編程、共維護、準匿名等六大特點。

1.去中心

區(qū)塊鏈以P2P網(wǎng)絡為支撐，每個節(jié)點既是服務的請求者也是服務的響應者，不再依賴中心服務器和機構(gòu)，各個節(jié)點彼此信任而直接交換數(shù)據(jù)資源，使得節(jié)點間的交互和共享變得更容易，去除第三方參與。

2.真數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)區(qū)塊的時間戳具備數(shù)據(jù)溯源功能，有效保障原始數(shù)據(jù)不被偽造；數(shù)據(jù)采用分布式存儲方式，每個節(jié)點都能復制一份完整的數(shù)據(jù)庫拷貝，少數(shù)節(jié)點故障不會發(fā)生數(shù)據(jù)失效，同時除非能操控系統(tǒng)中51%以上的算力，否則在節(jié)點上對數(shù)據(jù)的篡改是無效的。

3.自信任

區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用哈希算法生成Merkle樹交易事務集以及區(qū)塊連接地址，采用一套非對稱密碼學算法對交易進行數(shù)字簽名，借助工作量證明PoW等共識機制構(gòu)建節(jié)點間的價值信任，使系統(tǒng)中各參與節(jié)點能自動安全交換數(shù)據(jù)而勿需人為干預。

4.可編程

區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有對公共開放透明的信息，任何人都可以通過公開的接口查詢系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和代碼信息，通過腳本語言實現(xiàn)可編程應用，定義數(shù)據(jù)區(qū)塊交易類型、編寫相關的去中心化程序、創(chuàng)建高級的智能合約。

5.共維護

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)區(qū)塊由所有具有維護功能的參與節(jié)點集體維護，且維護是開源的，任何人都可以參與，同時，維護行為與區(qū)塊數(shù)據(jù)一樣是可信任的，維護方式簡單，任一節(jié)點的過失也不會影響整個系統(tǒng)的運作。

6.準匿名

區(qū)塊鏈系統(tǒng)信任和交易均建立在哈希非對稱密碼機制下，交易無需第三方認證和委托，因此無需公開真實身份，只需要用戶的公鑰即用戶的公開哈希地址，即可實現(xiàn)節(jié)點間的信息傳遞，使個人隱私得到充分保護。

二、區(qū)塊鏈+教育的需求分析

從美國人本主義心理學家羅杰斯于20世紀50年代提出“以學生為中心”的教育理念至今，特別是近年來，隨著信息技術、教育和心理科學的發(fā)展，學校教育一直在努力實現(xiàn)這種理念，但“以學生為中心”必然要求“個性化教學”“自主學習”“定制教育”，這與目前實際存在的班級教學制和工業(yè)化背景不完全相容，所以至今尚未出現(xiàn)可大規(guī)模復制的“以學生為中心”的完美案例。根據(jù)區(qū)塊鏈架構(gòu)的特點，構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)，升級以教師為中心的教育系統(tǒng)，使老師、學生和教育管理者角色平行化，建立“以人為中心”的對等網(wǎng)絡架構(gòu)，可以從技術上實現(xiàn)教育資源、教學過程、教育評價以及教育支持等領域的模塊化系統(tǒng)，有望重塑教育生態(tài)，真正實現(xiàn)“以學生為中心”的教育。

（一）教學與研究資源建設需求

教育資源回答“學什么”，每個學習者的基礎、興趣和學習方法不同，所需求的“學什么”應該不是一個可統(tǒng)一“批發(fā)”的計劃性資源系統(tǒng)，需要創(chuàng)建定制化、模塊化的教學與研究資源。區(qū)塊鏈的去中心和共維護等特點可以實現(xiàn)教學與研究資源定制和共享，把包括課程資源、案例庫、教研成果等所有資源按數(shù)據(jù)區(qū)塊邏輯進行組織，教師和學生每個人都可參與資源的更新，所謂“三人行必有我?guī)煛保寣W生自己生成學習資源，通過集體智慧可使資源得到最大程度優(yōu)化；同時，區(qū)塊鏈可充分保證資源的信任度和知識產(chǎn)權(quán)。結(jié)合云計算技術，承載教育區(qū)塊鏈資源的不僅只有教育云數(shù)據(jù)中心，也同時在各客戶端節(jié)點有全部或部分拷貝，甚至可以由一個以物聯(lián)網(wǎng)技術支撐的教育機器人作為資源節(jié)點。

可以利用數(shù)據(jù)分布式查詢、分類與聚類實現(xiàn)資源定制，實現(xiàn)教學內(nèi)容的動態(tài)性、非計劃性和不確定性，從而學生可進行分享式自主學習，每個人都可以成為一間“微學校”，這種分享式學習是在奉獻中的學習、在教授別人過程中的學習，可能學習效果更好，而教師也在此過程中實現(xiàn)自身教學與科研水平提升。這種教育區(qū)塊鏈資源運維由全體參與師生集體實現(xiàn)，不再依賴專門的資源中心，充分調(diào)動一線師生的積極性。

（二）教學過程與評價需求

學校教學過程典型模式可簡單概括為“六同”：同一時間、同一地點、同一教師、同一教材、同一教學方法和同一評價標準。教師根據(jù)教學計劃和教學大綱標準要求備課，學生領到指定的教材，之前學生可能有也可能沒有對教材內(nèi)容進行初步了解，然后師生都走進教室，教師按事先備好課的內(nèi)容進行講解，學生聽課，課畢，教師可能有（也可能沒有）布置一些作業(yè)，在一個固定時間間隔后，教師再以同樣的方式講解下一個已安排好的教學內(nèi)容，如此，完成固定的幾十節(jié)課后，至學期末教師用一張試卷若干個測試題對該門課程的學習情況進行考試評價。這種延續(xù)數(shù)百年的模式自然有其存在的合理性，但每個人的學習需求和成長路徑是不同的，如果把“六同”更新為“六不同”，即不同時間、不同地點、不同教師、不同教材、不同教學方法和不同評價標準，當可實現(xiàn)教育的真正目的即人的成長。

區(qū)塊鏈的真數(shù)據(jù)和自信任等特點可以實現(xiàn)教學過程和評價“六不同”，實現(xiàn)“以人為中心”的個性化教學，回答“如何學”的問題。建立學習者學習記錄區(qū)塊鏈，正式學習部分的記錄以一節(jié)課為一個數(shù)據(jù)區(qū)塊，來源于參與課堂討論與測試的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，非正式學習部分的記錄以項目組建數(shù)據(jù)區(qū)塊，自主選擇來源于多個教師和教材的教育資源，在任意合適時間，不論學習者是在學校課外、在家上學、在異地游學還是通過教育機器人的學習，根據(jù)適合自己的學習方式，項目完成細節(jié)與測試評價大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)塊鏈接。這樣建立的過程與評價區(qū)塊鏈系統(tǒng)因其固有的數(shù)據(jù)可靠性和極高的可信度，可以直接作為招生、晉級等人才選拔和學歷認證的個人評價依據(jù)。

（三）教育管理、培訓與支持系統(tǒng)需求

教育投入產(chǎn)出分析是教育管理、培訓與支持系統(tǒng)建設的主要依據(jù)，對“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)有十分迫切的需求。

以公用鏈和私有鏈相結(jié)合構(gòu)建全國教育管理區(qū)塊鏈系統(tǒng)，在繼續(xù)教育、職業(yè)培訓和教育扶貧等方面建立教育投入產(chǎn)出區(qū)塊鏈系統(tǒng)；利用區(qū)塊鏈的準匿名和可編程等特點，實現(xiàn)各級各類學校、各種資助情況信息公開透明并完美保護用戶隱私；通過可編程接口創(chuàng)建智能合約程序，自動檢測約定的學校辦學目標、項目階段成果、被培訓者或教育扶貧受助者學習成績是否實現(xiàn)，根據(jù)智能合約規(guī)定，將自動觸發(fā)后續(xù)投入計劃，實現(xiàn)教育經(jīng)費和約定目標的良性循環(huán)。

學校內(nèi)部管理私有鏈可以整合學校已有辦公自動化系統(tǒng)、人事檔案管理系統(tǒng)及財務管理系統(tǒng)，如建立財務經(jīng)費收支區(qū)塊鏈，由項目經(jīng)費來源單位與經(jīng)費負責人直接相互信任，往來賬目記入交易區(qū)塊，由Raft一致性協(xié)議等共識機制確認數(shù)據(jù)安全合法性，可望突破現(xiàn)有財務報銷流程，弱化財務管理和審計中心的大量工作。

在未來，學校管理支持系統(tǒng)與教育資源、教學過程區(qū)塊鏈相互連接形成互聯(lián)鏈智慧校園，實現(xiàn)教學信息互用與師生價值互聯(lián)。

三、區(qū)塊鏈+教育的技術框架

（一）總體架構(gòu)

教育知識與經(jīng)驗、理念與品牌、資產(chǎn)與設施、制度與方法等一切有形或無形的均是教育資源，所有參與教育活動的人其實都是在與教育資源發(fā)生不同類型的關系：教師在貢獻教育資源、學生在學習教育資源、教育管理者在管理教育資源，在對教育資源的貢獻、學習或管理等事務中學生學習得以實現(xiàn)、教師和教育管理者職能得以發(fā)揮。因此，可統(tǒng)一教師、學生、教育管理者以及所有教育活動參與者為同一種角色，把教育活動抽象為人與教育資源的互動。根據(jù)以上“區(qū)塊鏈+教育”需求分析，本文提出構(gòu)建一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)（Universal Education Experience Blockchain System，UEEB），它建立于“以人為中心”的P2P對等網(wǎng)絡，以人的成長和教育資源的變化作為基本事務構(gòu)建區(qū)塊鏈，可在教育資源建設、學習過程與評價、教育管理與教育投入產(chǎn)出等方面實現(xiàn)教育區(qū)塊鏈服務，實現(xiàn)教育資源模塊化定制和教學過程“六不同”等。同時，“區(qū)塊鏈+教育”以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術為基礎，除非隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展逐步把云計算演變?yōu)椤皡^(qū)塊鏈云”，學校教育應該將會持續(xù)支撐作為優(yōu)質(zhì)資源共享的教育云中心化平臺建設，因此，“區(qū)塊鏈+教育”總體架構(gòu)應是一種部分去中心化的混合部署模式（如圖2所示）。

通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)UEEB提供一個教育區(qū)塊鏈基礎框架，按任務層、策略層、服務層、管理層和網(wǎng)絡層五個層次設計，任務層由客戶端或編寫成的API程序生成教育資源、學習方式、教育管理流程、教育投入產(chǎn)出等不同需求任務，策略層根據(jù)用戶身份和任務性質(zhì)進行智能計算和推送，在系統(tǒng)控制和監(jiān)督下分流申請教育云或區(qū)塊鏈服務。在教育區(qū)塊鏈的服務層中根據(jù)不同策略實現(xiàn)請求與教育資源的既定關系，提供數(shù)據(jù)區(qū)塊封裝，在管理層進行加密、驗證、簽名，在對等網(wǎng)絡中通過挖礦達成共識或滿足合約實現(xiàn)數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈接。

（二）UEEB數(shù)據(jù)區(qū)塊

1.數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

UEEB系統(tǒng)以區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)為基礎進行構(gòu)建，其數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

教育事務集和狀態(tài)以MPT（Merkle Patricia Tree）進行組織，用哈希（Hash）算法和時間戳等方法封裝于數(shù)據(jù)區(qū)塊中。哈希算法可以將任意長度的輸入信息快捷地轉(zhuǎn)換為固定長度的Hash值輸出，且具有不可逆性，即無法通過一個已知的Hash值計算出其對應的輸入值，區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用美國國家標準與技術研究院發(fā)布的Sha256函數(shù)進行計算，它輸出長度為32字節(jié)的Hash值，具有極強的抗碰撞性，即同一個Hash值幾乎不可能由不同的輸入信息計算得到。時間戳用于記錄數(shù)據(jù)區(qū)塊的封裝時間，保證數(shù)據(jù)的不可篡改性，具備數(shù)據(jù)溯源功能，可支持教育資源的產(chǎn)權(quán)保護和教育評價的客觀公證。

2.教育事務與狀態(tài)

UEEB系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)塊的事務集由人以不同身份角色與教育資源的互動產(chǎn)生。教育事務包括創(chuàng)建資源、更新資源和學習資源、管理資源等活動，狀態(tài)是指角色或教育資源在某個時間點的靜態(tài)屬性。人的成長用“教力”和“學力”等屬性來衡量，帳戶創(chuàng)建時給定一個初始值，資源的變化用“難度”“適應度”和“權(quán)屬”等屬性來標識，其值由創(chuàng)建或更新者指定，創(chuàng)建、更新或整理資源使教力增加和資源屬性發(fā)生變化，學習資源使學力增加，如圖4所示。其中，教力和學力增加值應該是角色本身的狀態(tài)和資源的難度、適應度的一個綜合函數(shù)關系。

參考以太坊交易燃料Gas設計方法，每一個事務的發(fā)生設置都收取一定數(shù)量的費用，其值也同時代表完成事務所需的代價。區(qū)塊由挖礦成功者生成，引入“教育幣”對區(qū)塊確認者進行獎勵，只有通過規(guī)則驗證的區(qū)塊才能接到區(qū)塊鏈中。

（三）教育區(qū)塊鏈管理

1.事務的執(zhí)行

教育事務的執(zhí)行相當于角色和教育資源的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其一般過程為：發(fā)起者發(fā)出一個帶隨機數(shù)的事務并進行數(shù)字簽名，系統(tǒng)檢查事務格式是否符合規(guī)則要求、隨機數(shù)是否匹配；對驗證通過的事務進行燃料（Gas）比較，如果具備事務發(fā)生資格，即具備更新教育資源能力或具備學習基礎，則根據(jù)角色性質(zhì)計算教力、學力以及資源屬性變化；如果事務成功完成，就正式生成事務、修正各種狀態(tài)，啟動MPT封裝程序，事務進入數(shù)據(jù)區(qū)塊等待挖礦確認。

教育數(shù)據(jù)區(qū)塊長度的確定可以有兩種模式：學校教育中以一節(jié)課設計一個數(shù)據(jù)區(qū)塊，實際教學過程中以一節(jié)課為單位安排一個知識點進行學習并測試，一門課的成績評定由若干節(jié)課的測試自動組成，這樣形成的教學過程區(qū)塊鏈和成績區(qū)塊鏈具有學習評價的客觀性。非正式學習和其它教育活動數(shù)據(jù)區(qū)塊的長度參照比特幣或以太坊區(qū)塊規(guī)則制定，比特幣區(qū)塊長度不超過1MB，包含約1500-2000筆交易，而以太坊區(qū)塊大小主要由智能合約復雜性決定，每個區(qū)塊最大長度未嚴格規(guī)定，目前未超過2K字節(jié)，最多包含約70筆交易。

2.共識機制

現(xiàn)實中，教育數(shù)據(jù)由教師、教育管理者或?qū)W生根據(jù)教育規(guī)律或預定規(guī)則確認，UEEB系統(tǒng)中教育事務和狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)塊由共識算法自動在網(wǎng)絡各節(jié)點間達成共識后進入?yún)^(qū)塊鏈，此過程即為挖礦。在云計算等中心網(wǎng)絡架構(gòu)下所有客戶端只需信任服務器，共享服務器資源，各客戶端之間無需建立直接關系。但與現(xiàn)實環(huán)境中的拜占庭（Byzantine）將軍問題類似，在對等網(wǎng)絡環(huán)境中必然存在有意或無意的破壞和不可預料的行為，共識源于分布式網(wǎng)絡各節(jié)點之間的相互信任，常用PoW、PoS、PBFT以及Raft一致性協(xié)議等共識算法保障各節(jié)點間數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

工作量證明PoW是比特幣系統(tǒng)的挖礦算法，其主要思路是：進行若干次sha256函數(shù)運算尋找一個滿足給定難度值的隨機數(shù)，可以簡單地用運算次數(shù)來理解工作量，如果找到則向全網(wǎng)廣播，收到通知的節(jié)點判斷該區(qū)塊的所有交易是否都有效且與已有區(qū)塊不重復，則接收此區(qū)塊，填入鏈接地址并寫入找到的隨機數(shù)，獲得獎勵的比特幣。UEEB系統(tǒng)作為一種公用鏈和私有鏈混合的互聯(lián)鏈，公用鏈部分采用以上類似的挖礦機制，只是獎勵的是另一種代幣“教育幣”，而在私有鏈部分如一個學校內(nèi)部，可以用指定的節(jié)點來負責確認，或規(guī)定由超過1/2或2/3以上參與者共同確認，或二者混合使用。如教育資源初始創(chuàng)建者或與同門課程授課老師一起負責相關區(qū)塊的確認，成績區(qū)塊由指導老師指定的相關老師、同學一起進行確認。

3.教育智能合約

智能合約是借助于密碼學等安全機制而開發(fā)的一組計算機程序，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中具有自主執(zhí)行和自我驗證特征。以太坊智能合約執(zhí)行和數(shù)據(jù)區(qū)塊更新方式如下：客戶端定義規(guī)則，部署已簽名的合約并轉(zhuǎn)換為以太坊虛擬機位碼，如果具備足夠的燃料Gas，挖礦者通過運行已簽名的智能合約得出一個輸出結(jié)論，當一個區(qū)塊產(chǎn)出，礦工廣播這個區(qū)塊，其它節(jié)點驗證是否能得到相同的結(jié)果，如果相同就將合約加入已有區(qū)塊鏈上。通過搭建以太坊Go-Enthereum私有鏈環(huán)境或通過安裝Mist瀏覽器可測試智能合約執(zhí)行過程。

基于區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)的UEEB系統(tǒng)具有與以太坊虛擬機類似的可編程框架和合約執(zhí)行方式，教育事務中角色的“教力”和“學力”、資源“難度”和“適應度”等狀態(tài)的更新以及教育投入產(chǎn)出規(guī)則的實現(xiàn)均由相應的智能合約自動完成。一個在安裝好以太坊和Go-Enthereum的客戶端實現(xiàn)學力增加的合約代碼如圖5所示。

四、總結(jié)

在中心化結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡中，我們無法掌控自產(chǎn)的數(shù)據(jù)，個人數(shù)據(jù)由銀行、通信運營商、社交媒體、搜索引擎、第三方支付平臺等任意獲取，我們的行為喜好、收入支出甚至一舉一動都可能被記錄，而且隨著大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展，這些數(shù)據(jù)可能日益破壞我們的隱私卻可能帶給他們可觀的紅利，在教育領域亦然，教育云平臺、資源中心或教育機構(gòu)搜集我們的學習狀態(tài)，卻并未反饋和更新我們的學習策略，區(qū)塊鏈技術的出現(xiàn)將逐步改變這種狀況。本文分析了區(qū)塊鏈核心概念及關鍵技術、總結(jié)了區(qū)塊鏈特點，重點討論了教育領域?qū)^(qū)塊鏈技術的需求，構(gòu)建了“區(qū)塊鏈+教育”體系框架，提出了一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈UEEB系統(tǒng)。未來，我們的每一次學習、每一次分享、每一次教育經(jīng)歷所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存在于教育區(qū)塊鏈中，自己掌控自己的數(shù)據(jù)，自主定制與維護教育區(qū)塊鏈資源，每個人都既是教師也是學生，充分實現(xiàn)個性化教與學。然而，區(qū)塊鏈技術的發(fā)展還不完善，其在教育領域中的應用還尚未起步，因此本文構(gòu)建的“區(qū)塊鏈+教育”也還只是一個框架，但教育改革對區(qū)塊鏈的需求是迫切的，后續(xù)我們將繼續(xù)測試和優(yōu)化已提出的UEEB系統(tǒng)，由易到難逐步實現(xiàn)其中的各個模塊。