區塊鏈技術在研究生教育教學管理中的應用與挑戰

吳玲燕

(南京工業大學生物與制藥工程學院 江蘇南京211816)

0 引 言

作為分布式公共存儲的區塊鏈技術在全球金融業、商業服務業得到了廣泛應用，但在教育教學領域，區塊鏈技術的發展仍處在起步階段[1]。國務院印發的《“十三五”國家信息化規劃》中把區塊鏈作為一項戰略性前沿技術進行布局，明確提出需強化區塊鏈、大數據認知分析等新技術在教育教學領域的基礎研發與創新應用，構筑新賽場先發主導優勢，搶占新一代信息技術主導權。此外，全球眾多商業企業和教育機構也紛紛投入資源探索區塊鏈技術在教育教學領域的應用[2]。

傳統的基于中心化、關系型數據庫管理研究生信息的模式不能很好地滿足現階段研究生教育教學管理對于安全性和隱私保護逐年增長的需求，存在以下問題亟待解決：現有研究生管理體系下，研究生個人數據在教育教學過程中由不同機構管理，跨機構、跨平臺的學生數據難以協調管理，操作性差；研究生學位與學歷通過集中式關系型數據庫進行存儲，學歷學位認證過程中，認證機構與校方耗時較長，無法實時查詢和認證；研究生數據存儲過程中的安全性和有效性完全依賴于高校或企業，一旦數據庫遭受攻擊，學生數據安全性和數據隱私性得不到保護。

基于上述問題，本文在簡要介紹區塊鏈的相關概念和關鍵技術的基礎上，從基于區塊鏈技術的研究生成績管理、研究生學位學歷認證和研究生學習檔案去中心化這3個角度全面呈現“區塊鏈+”教育在研究生教育教學管理中的應用，進而探討區塊鏈技術在研究生教育教學管理中面臨的挑戰。

1 區塊鏈技術

本節將結合區塊鏈的基本概念和發展狀況，闡述區塊鏈的基礎模型、基礎原理和關鍵技術。

1.1 區塊鏈的概念

區塊鏈通過去中心化的分布式數據庫對數據信息進行存儲，通過數據加密、添加時間戳、工作量證明等方式[2]傳播和記載信息，在各存儲節點無信任前提的分布式網絡中實現去中心化信用的點對點傳輸、協調與協作，從而為解決傳統中心化關系型數據庫存儲過程中普遍存在的高成本、低效率、數據安全和隱私保護問題提供可行的解決方案。

隨著區塊鏈技術的迅猛發展，將區塊鏈技術應用于研究生教育教學領域逐漸成為學術界和工業界的熱點研究課題。區塊鏈技術的發展可以分為3種模式：可編程數字加密貨幣體系，可編程金融系統，可編程社會體系[3]。通過有效利用便可搭建區塊鏈框架，為教育、經濟、科技等領域帶來新的技術變革。區塊鏈技術有望實現從目前的教育教學信息平臺向教育價值平臺的轉變。

1.2 區塊鏈的基礎模型和關鍵技術

區塊鏈技術的基礎架構模型如圖1所示，常用的區塊鏈系統由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層[4]構成。

①數據層：該層通過數據加密和時間戳技術將信息封裝在數據區塊(block)中。

②網絡層：該層通過分布式組網、數據傳播和數據驗證等機制使得區塊鏈系統中的節點參與數據校驗過程。

③共識層：通過共識算法實現去中心化系統中各節點達成共識，如工作量證明(Proof of Work，PoW)等。

④激勵層：通過經濟激勵的發行機制和分配機制實現節點數據驗證時的最大化利益。

⑤合約層：該層封裝各類腳本、算法和智能合約，是區塊鏈可編程特性的基礎。

⑥應用層：封裝區塊鏈技術的相關應用場景和使用案例。

該基礎架構模型中包含了區塊鏈3大創新模塊：基于時間戳的鏈式區塊結構、基于共識機制的分布式節點和基于共識計算的激勵機制。

圖1 區塊鏈基礎架構模型Fig.1 Block chain infrastructure model

區塊鏈由去中心化網絡節點組成共享數據賬本。區塊數據存儲包括數據區塊、鏈式結構、Hash算法、Merkle樹和時間戳這幾個部分。每個分布式節點均可通過Hash算法和Merkle樹數據結構[5]將一定時間周期內接收到的研究生數據封裝到一個帶有時間戳的數據區塊中。主區塊鏈則由各數據區塊組成，新的區塊鏈接到當前最長的主區塊鏈上(見圖2)。

網絡層由以下3部分構成：組網方式、消息傳播協議和數據驗證機制。傳播協議和數據校驗機制可根據不同存儲場景進行定制化設計；區塊鏈網絡中的每一個節點均可參與區塊數據的校驗和記賬過程，當全網大部分節點驗證通過當前區塊存儲的研究生數據后，該節點信息記入區塊鏈主鏈上。

去中心化系統中各節點高效地針對區塊存儲的研究生數據有效性達成共識。區塊鏈共識過程是一種共識節點間的任務眾包過程，通過匯聚大規模共識節點的算力資源來實現共享區塊鏈的數據驗證和記錄存儲工作。

圖2 數據區塊結構Fig.2 Data Block Structure

2 區塊鏈技術在研究生管理中的應用

區塊鏈技術在研究生教育教學領域的核心應用技術優勢十分顯著，存在如下特征：

①去中心化。分布式結構便于研究生數據共享，去中心化的網絡結構更加安全高效。

②不可篡改。不可篡改的時間戳特性可解決研究生學位學歷認證數據信息的防偽問題。

③高冗余度。高冗余度和多私鑰的復雜權限管理保證了現有研究生教育教學管理中的安全性。

④可編程特性。區塊鏈技術靈活的可編程性幫助高校和科研單位積極擴展研究生管理平臺的應用，探索更加豐富的教育教學場景。

本節將從研究生成績管理、研究生學位學歷認證和研究生學習檔案的去中心化3方面闡述區塊鏈技術對于研究生教育教學管理的應用。

2.1 基于區塊鏈技術的研究生成績管理

現階段研究生成績檔案大多存儲在各高校的集中式數據庫中，由高校統一管理。隨著MOOC運動的興起，學生對于自主管理學習內容和過程的需求日益增加。

借助區塊鏈技術存儲的學生成績單，可以全面呈現研究生的學習過程和結果。學生成績單包含其本人之前的學習經歷、學習過程、已掌握技能、獎懲情況和教師的評語等內容，將成績單存儲在分布式網絡中，各高校、用人單位等機構均可通過授予的權限進行校驗、核對，針對研究生的個人情況個性化推薦課程和工作崗位等。

區塊鏈成績單也有助于研究生在人才交流、出國留學時向高校和科研機構出示，而無需向申請學校開具以往的學習證明、成績單等。此外，借助區塊鏈技術的去中心化和不可篡改特性，建立新的信任網絡，便于高校和用人單位識別研究生在校所掌握的知識和技能。

2.2 基于區塊鏈技術的研究生學位、學歷認證

研究生學位、學歷的認證保證了學位、學歷證書的真實性，在用人單位招聘、高校招收研究生、人才交流和出國留學等場景中均有涉及。

現階段，境內或境外的學歷、學位認證存在以下問題亟待解決：耗時較長；費用較高；數據維護成本較高。在認證過程中涉及3個主體，即學校、學生以及需要學歷、學位認證的用人單位。

高校借助區塊鏈技術，將學歷、學位檔案等信息存儲在相應區塊上，并有效控制區塊鏈上的學歷、學位信息增刪改查的權限。同時，高校根據用人單位提供的數字身份信息授予信息查詢權限，用人單位或招生學校進行信息查詢時，通過多重簽名進行校驗，以此來解決傳統學位學歷認證時查詢時間長、費用高的問題。

研究生保存私鑰，用于對含有學歷、學位信息的數字文件進行簽名，以保證信息不被篡改。分布式存儲研究生學位、學歷數據的模式可替代現行集中式存儲認證模式，無需建立龐大的數據庫，降低了認證機構的數據維護成本。

2.3 研究生學習檔案的去中心化

傳統的研究生教育教學管理系統中，學生的數據信息由校方錄入，集中保存在學校中，跨學校很難獲取所需的學習記錄和獎懲情況。通過將研究生數據信息保存在區塊鏈上，為其提供一個二維碼，作為其公開密鑰或用戶身份標識符，高校或其他科研機構可通過學生唯一的身份標識符訪問個人的學習檔案。研究生利用私鑰能夠實時獲得自己的學習檔案，同時也保證了個人數據的私密性。

運用區塊鏈技術存儲研究生的學習檔案時，可授權其他高校或科研機構訪問而無需擔心學生個人數據的安全和完整。基于區塊鏈搭建的研究生教育教學系統擁有去中心化的特征，更具有開放性，學生也具有自主性，解決了傳統研究生管理平臺無法跨機構、跨系統的問題。這是一種全新的信息組織形態，研究生數據信息被個人所掌握而不需把數據托管給高校集中管理。

3 區塊鏈技術在研究生管理中面臨的挑戰

區塊鏈技術正處于起步發展階段，為了更好地將區塊鏈技術應用于研究生教育教學管理中，仍面臨一些問題亟待解決。

3.1 研究生數據存儲空間問題

鑒于區塊鏈本身的特性，系統中記錄了從開始至今的所有學生的數據信息，新加入的節點需存儲并更新從創世塊(creation block)開始的所有數據包。

隨著新興的互聯網技術在教育教學領域的應用，待存儲的研究生信息數據量顯著增加，線性增長的存儲空間已不能滿足存儲在區塊中的學生信息數據的增長量，對基于區塊鏈建設的研究生信息數據庫提出了更高的要求。傳統區塊鏈系統中，單個節點同步數據需要至少60GB的存儲空間，雖然現有民用存儲設備可以滿足其存儲需求，但將其推廣至大規模的跨機構研究生學習檔案的解決方案仍有待研發[7]。區塊鏈網絡中各節點的數據需完全同步，隨著節點存儲的區塊鏈數據量增加，勢必影響高校和學生實時更新數據信息。

3.2 處理大規模研究生數據的效率問題

目前已投入使用的基于區塊鏈的系統中，網絡節點規模較小。若大規模應用區塊鏈技術，網絡中包含數十億個節點，處理大規模學生數據的效率問題仍是一個不小的挑戰，如比特幣區塊鏈目前每秒僅能處理數筆交易[8]。這極大地限制了區塊鏈在研究生教育教學管理系統高頻讀寫場景中的應用。最后是確認時間問題，傳統區塊鏈系統中單個區塊的生成時間為10min，這在一定程度上限制了研究生教育教學管理系統在頻繁提交學生數據和存儲時間敏感數據中的應用，影響了研究生教育教學管理平臺的實時性和高響應。

3.3 研究生數據存儲的隱私和安全問題

盡管區塊鏈技術具有自帶信任化、防篡改和支持多簽名復雜權限管理等特點，但整個區塊鏈網絡在隱私和安全方面仍存在許多問題亟待解決。

在數據隱私問題方面，研究生通過公鑰地址實現數據傳輸與存儲，學生的身份信息(學號、身份證號)具有匿名性，但數據交換記錄卻完全公開。學生的數據交換記錄可被查到，一旦將身份標識與其真實身份聯系起來，將會泄露學生個人信息。

區塊鏈技術采用公鑰與私鑰這樣的非對稱密鑰機制進行數據的加密與解密，存儲過程的安全性很高，保證了安全、有效，但對私鑰的保存和使用狀況卻令人擔憂，因而在關乎個人隱私教育教學領域使用時更需要引起人們的高度重視。

安全性威脅是區塊鏈技術需解決的最重要的問題，其中，基于工作量證明(Proof of Work，PoW)共識過程的區塊鏈主要面臨的是51%攻擊問題[2]。該問題中區塊鏈網絡節點若擁有超過全網51%的算力便可篡改和偽造區塊鏈中存儲的數據。雖然基于股權證明(Proof of Stake，PoS)的共識過程在一定程度上解決了51%的攻擊問題，但產生了新的亟待解決問題，即N@S(Nothing at stake)攻擊問題[9]。

區塊鏈的非對稱加密機制也將隨著數學、密碼學和計算技術的發展而變得越來越脆弱。隨著量子計算機等新計算技術的發展，未來非對稱加密算法具有一定的破解可能性，這也是區塊鏈技術面臨的潛在安全威脅。

4 結 語

隨著區塊鏈技術的發展，將區塊鏈技術應用于研究生教育教學領域逐漸成為學術界和工業界的熱點研究課題。區塊鏈技術的去中心化信用、不可篡改和可編程等特點可以顯著促進研究生數據的共享，便于搭建安全、可信和便捷的研究生教育教學管理平臺。與蓬勃發展的區塊鏈商業應用相比，區塊鏈的教育應用仍處在起步階段，許多對區塊鏈教育發展至關重要的問題亟待研究跟進。本文系統梳理了區塊鏈技術的相關概念、基本技術、研究生教育教學管理中的應用與面臨的挑戰，以期為未來的研究起到積極的促進作用。