融合區塊鏈技術的社區教育學習成果認證模型及實現機理研究

韋書令

(廣西開放大學 廣西現代遠程教育研究中心，南寧 530022)

一、前言

隨著以信息技術為基礎的學習型社會不斷建立完善，社區教育的學習需求持續增長,并呈現多層次、多元化和個性化的特征，為社區學習者從不同途徑獲得的知識、能力和技能提供等價且公正的評估，將成為社區教育改革的共識。但社區教育作為非正式學習環境下的教育形態，其學習成果來源多樣且復雜，在認證過程中還存在效率低、成本高、信息不對稱和監管缺失等問題，影響了社區教育學習成果的表述和認證。高志敏認為我國在構建終身教育體系、倡導終身學習與創建學習化社會進程中，有必要對學習者的學習成果確立一種多元并能夠相互認可的認證支持系統。[1]亞當斯貝克爾等提出獲取“可信的非正式學習”已成為目前教育與技術深度融合的巨大挑戰之一，[2]主要挑戰在于如何記錄、測量和認證非正式學習的成果，還缺少統一的認識和有效方式。高潔等為對學習者在工作中、生活中獲得的知識、經驗與技能等不同類型學習成果進行認證，提出一種科學化而又具有可操作性的非正式學習成果認證標準和評價方式，從而探索一種積累學習成果的途徑，具有非常重要的意義。[3]

當前社區教育呈現出利益主體、內容形式和學習場所日益多元的去中心化特征，其學習成果的認證過程應具有較好的安全性、透明性和真實性，通過區塊鏈的密碼學原理和共識機制保證學習成果的可信度，提升認證過程的質量和效率，幫助社區教育學習者更好地融入社會評價體系。李青等提出區塊鏈可以提供去中心化的學習記錄服務，降低求學、求職和人才雇傭的成本。[4]沈忠華認為區塊鏈能有效地保證數據的可靠性，較好地應對誠信度低、監管水平弱的某些環境，任何教育機構和學習者可以跨平臺和跨系統地記錄學習行為和學習結果。[5]習近平在主持中共中央政治局第十八次集體學習時強調，把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，積極推動區塊鏈技術在教育等領域的應用。[6]區塊鏈的特性可為社區教育改革與創新賦予有力的教學動能：一是可對學習成果進行確權、認證與隱私保護，解決陌生主體之間的信任問題，創造安全可信的教學生態；二是將缺乏流通性的學習成果數據轉化有價值的鏈上通證，可激發社區學習者的學習動力和自信；三是擴延社區教育學習成果認證的手段與路徑，合理評估社區教育的價值和水平。

基于此，本文針對社區教育不同主體之間學習成果認證過程存在的問題，提出一種融合區塊鏈技術的學習成果認證模型，通過帶有時間戳的區塊記錄身份信息和學習成果來保證數據的不可篡改和可追溯性，引入混合共識機制以提高學習成果的可信度，在傳統信用評分機制的基礎上定義“信任值”的評價權值，深入探究區塊鏈上學習成果認證各節點的運行機理。

二、國內外研究現狀

1.學習成果認證

目前學習成果認證的主要對象是社區內的成人學習者，他們有著不同的社會背景、學習經歷和工作經歷，因此，具體實施過程中需要利益相關者的積極參與，明晰各類非正式學習成果的社會價值含量。《歐洲指南》強調，非正規與非正式學習成果認證，比正規學校教育內的認證過程復雜和成本高昂。[7]周晶晶提出學習成果認證是指權威機構根據一定的標準要求，對學習者參加一定學習過程后獲得的知識、能力和技能進行評價，以確定其是否滿足標準要求，并對滿足要求的學習者頒發正式憑證，以證明其具備相應的知識與能力并獲得社會承認的過程。[8]從終身學習的角度看，學習場景除學校之外還包括鄰里社區、工作場所和居家環境；學習成果呈現形態多樣，包括經驗、技能、作品、設計、證書、實驗、專利和論文等；學習成果獲取渠道則是多元化的，包括經驗學習、自我學習、課堂學習、在線學習、數字化學習等。

社區教育領域的學習成果認證是一項艱巨而復雜的任務，評估過程和結果都必須客觀、公平和透明，并在適當的時間和范圍內實施。對社區學習成果進行評價和認證將會改變目前社會“重學歷輕職業”的評價方式，為有效解決不同學歷教育之間的溝通與銜接提供新的途徑和方案。學習成果認證的探索和實踐始于終身學習理念的推廣,各國政府部門和教育組織為此制定了關于學習成果認證的政策措施、資歷框架和認證指南，但由于各地區教育發展不平衡和實施主體多樣，導致對學習成果認證的定義和實施各不相同，使得學習成果認證的范圍和復雜性也極大增加。目前常用的辦法是由政府部門、教育機構和行業專家共同參與制定和實施國家資歷框架標準,比如香港特區教育局發布的“資歷級別通用指標”、東盟發布的“東盟質量保證框架”(AQAF)以及歐盟發布的“歐洲學分轉換制度”等等。[9—11]我國《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出，要“建立國家資歷框架認證平臺，建設國家學習成果轉化管理網，學習成果認證服務體系等基礎設施，為學習者建立終身學習成果檔案；推進同層次或不同層次學校之間，學校與行業、企業、培訓機構之間，區域之間實現學習成果互認”。[12]

2.區塊鏈的教學應用

國內也有不少學者對區塊鏈教學案例進行分析和實踐，在學分認證、身份認證和技能證明等方面也取得不錯的進展。如吳莎莎在區塊鏈系統中嵌入數字徽章的認證功能，對學習者學習過程進行記錄，實現以學生為中心的教學服務；[19]蔡維德等提出了賬戶區塊鏈(account blockchain,簡稱ABC)和交易區塊鏈(trading blockchain,簡稱TBC)的雙鏈設計模型,可用于解決教育公信認證復雜等問題；[20]李鳳英等提出的區塊鏈技術應用于MOOC學習者身份認證的全過程解決方案，可確保信息傳輸的真實可靠，用于學習軌跡記錄、學習證書頒發和學習過程驗證；[21]熊維祥針對學習者學習行為進行記錄廣播并實現分布式存儲，結合區塊鏈特點設計P2P數據傳輸模型并實現運行，可記錄在線教育機構的自主學習過程。[22]

由以上文獻可見，區塊鏈的教學應用多集中于學習內容和過程的存儲和記錄，還缺少從區塊鏈共識機制的角度對應用場景、數據產權和利益相關方進行深入研究，缺乏區塊鏈數據的通證化對參與主體認證行為的激勵作用探究。對于如何確保區塊鏈上的學習成果得到社會承認并具有公信力、如何有機結合區塊鏈技術開展教學活動等問題，還有待于進一步的理論積累和實踐探索。

三、基于區塊鏈的學習成果認證模型

區塊鏈的共識機制使得每筆學習成果認證都不依賴中心機構，而是通過參與節點的共識來實現認證一致性，但社區教育學習成果的來源多樣且復雜，認證過程往往涉及雙方或者多方，各利益相關方的訴求也不一致，因此，本研究提出學習成果認證模型的設計原則如下：學生節點對學習成果的真實性和有效性負責；教師節點達成學習成果質量的一致性和共識；學習成果認證過程需由利益相關方共同參與；可接受不同社區教育機構的監督。

1.模型的基本框架

本模型的基本框架由數據層、網絡層、服務層和應用層組成(見圖1)。其中，數據層的主要功能是通過哈希函數、共識算法和數字加密等技術將社區學習者上傳的學習成果數據存儲到蓋有時間戳的數據區塊；網絡層由點對點的數據傳播和認證機制來實現每個節點數據的校驗和記賬，并提供不同角色的節點和驗證機制來實現身份權限控制；服務層負責對學習成果信息和用戶身份進行簽名認證，當相關節點達成共識后對區塊鏈進行更新，并提供相應的激勵機制服務；應用層則封裝了用戶注冊、數據上傳和信息查詢等應用場景，直接為用戶節點提供信息交互的接口。

由于社區教育的學習成果主要來源于學習者工作和生活的經歷，且將學習成果認證視為個人發展和自我實現的過程，因此本模型的數據結構設計將重點關注學習者的學習過程和成果來源，并以知識、技能和能力為基礎創建認證單元。學習成果認證單元的區塊數據結構由區塊頭和區塊體組成(見圖2)，區塊頭包括成果ID、時間戳、隨機數、區塊的前后哈希值和Merkle根；區塊體封裝了學習成果認證單元，并對成果來源、識別方法、描述維度、呈現形式和應用場景等信息進行哈希函數處理。哈希函數具有輸出結果長度固定的特性，且輸出值難以反推輸入值，可實現區塊所包含數據的完整性和安全性，常用于認證過程的快速驗證和數字簽名的構建,區塊之間通過哈希值進行鏈接。其中，成果ID表示每項學習成果數據的唯一標識；時間戳表示發生提交或認證的時間，每份學習成果記錄都將打上時間戳，按照時間順序對生成區塊進行排序；隨機數是密碼學的關鍵部分，可幫助各方節點實現共識機制，同時可用于密鑰的生成，保證區塊鏈上數據交互的安全；Merkle根是一種哈希二叉樹，主要用于對認證信息進行兩兩配對的分組哈希計算，并驗證其存在性和完整性。

2.模型的共識機制

劉懿中等提出共識機制是區塊鏈技術的基礎和核心，共識機制決定參與節點以何種方式與某些特定的數據達成一致。[23]由于區塊鏈中還存在延遲、攻擊和堵塞等不可控因素，可能造成各個節點所記錄事務的先后順序不能完全一致，同時還存在互不信任的多方主體(包括大量的學習者節點)，不可避免地受不同利益驅動而產生不合作、欺騙和作惡的可能，必然會影響學習成果認證共識的效率、質量和公正性。因此，本模型將采用權益證明機制(PoS)與實用拜占庭容錯算法(PBFT)相結合的混合共識機制處理以上問題，其具體流程(見圖3)如下：首先，通過權益證明機制(PoS)的方式選舉資質和信譽良好的教師組成初始學術委員會。然后，將學術委員會內部節點抽象為區塊鏈節點群形成快速認證通道，通過實用拜占庭容錯算法(PBFT)完成認證共識，當3/4的委員會節點同意時則認證通過，無需全網節點同意就可完成認證。學術委員會節點是創建和維護區塊鏈的主要個體，通過密碼學和共識算法對學習成果進行驗證、存儲及更新至區塊鏈。最后，學術委員會將每隔一個時期選舉新委員,用來防止惡意節點的欺騙和破壞。

3.模型的激勵機制

在達成區塊鏈中學習成果的共識之后，還需激勵各方節點以理性和誠實的行為參與認證過程，以期完成高質量學習成果認證。區塊鏈的通證對應現實世界的所有權憑證，而共識機制使得通證具有流通性和價值屬性，因此，可對學習者的學習行為給予外在激勵。本模型通過信任值T體現參與學習成果認證的有效性和積極性，由互不信任的多方主體共同維護，每當成功完成一筆學習成果認證，每個參與認證節點的信任值T就會進行重新評定,是對教師或機構的認證行為和學習者的成果提交量進行獎懲激勵。在經過一定次數的認證后，每個教師節點的認證行為和學習者的提交行為獲得的信任值T即趨向合理。它主要包括兩個指標：教師認證質量和學習者成果提交量。由于不同教師的學習成果認證標準具有隨機性，會引起學習成果的認證誤差，因此我們將教師對該筆學習成果的認證質量設定為Qvalue,m，為節點在第m次認證的認證質量平均值；學習者在該節點的成果提交量則設定為C，學習者節點積極參與學習成果提交時取C=tQvalue,n，其中t為本次認證中所有參與認證的節點個數。

綜上，每個參與認證節點的信任值如下：

(1)

式中x和y分別為該節點參與認證和提交的總次數，α和β為權重因子，它們的取值分別反映出對節點的認證質量評價與成果提交量的相對重要程度。

4.模型的身份認證

在認證過程中通過共識機制保證學習成果數據的一致性，保證區塊鏈內部工作節點和外部注冊用戶身份的可驗證性和監管性,實現過濾非法用戶、阻擋惡意攻擊者和用戶權限管理等功能。但由于區塊鏈模型在運行中可能存在類似拜占庭(Byzantine)將軍問題，所以，學術委員會需要對不同身份權限的節點進行審核和確認。當節點收到認證同意的回復后，該節點會向整個區塊鏈廣播，然后，區塊鏈所有節點會更新自己節點信息庫，標識新節點的加入。

區塊鏈中所有參與節點通過非對稱加密程序生成屬于自己的密鑰對，公鑰用于身份確認和學習成果信息加密，私鑰用于數字簽名和學習成果信息解密(見圖4)。由于存在公鑰被人冒用和單一私鑰被暴力破解或暴露的可能性，本模型使用多重簽名來保障認證過程的安全性，即每項學習成果進行認證時，使用N名教師的公鑰生成多重簽名地址，只需要M個教師的私鑰簽名則可實現認證完成(N>M)。例如，有N個認證參與方，只需N方中的任意M方簽名即可完成認證，類似于一份文件需要多部門簽字才能生效。

5.模型的應用流程

區塊鏈技術加快了數據在學習者、教師和機構等多主體節點之間的流通，同時帶有教師簽名的評價信息會伴隨著學習成果一起上鏈，整個認證過程包括數據上鏈、認證和查詢等環節，學習者、教師和機構等各方節點地位對等且以扁平式結構互通互聯(見圖5)。

學習成果認證與查詢的具體流程：

步驟1：學習者、教師和機構在參與學習成果認證前，需要獲取自身的密鑰對。

步驟2：使用權益證明機制(PoS)選舉出認證教師，利用他們的公鑰生成多重簽名地址。

步驟3：當學習者提交學習成果L時，使用認證教師的公鑰對學習成果L進行加密處理得到L1，通過哈希函數對學習成果L計算生成摘要A1，用學習者的私鑰對摘要A1加密得到數字簽名S1，完成加密處理后，學習者將學習成果L1附上數字簽名S1后分別發送給教師。

步驟4：教師收到信息后，用學習者的公鑰解密數字簽名S1，得到學習成果摘要A2，然后使用教師自己的私鑰對已加密的學習成果L1進行解密，得到學習成果L，然后對學習成果L進行哈希函數計算，得到的結果與摘要A2比對，相同則證明此信息未被修改過。

步驟5；此時教師對學習成果進行評價，并運行實用拜占庭容錯算法(PBFT)達成共識，得到附有評價信息的學習成果L2，對L2用哈希函數生成摘要A3，用教師的私鑰對摘要A3加密并生成數字簽名S2，然后將學習成果L2附上數字簽名S2后一起返回給學習者。

步驟6：當學習者收到認證生效所需要教師簽名數量后即完成此次學習成果的認證，模型將對認證后的學習成果打上生效時間戳，同時向學習者和教師發放信任值通證，機構此時可在區塊鏈上發起對學習成果的查詢。

步驟7：機構向學習者發送請求查詢信息，學習者收到信息后，如果同意查詢請求則對查詢信息進行加密授權：首先原文經過哈希函數計算得到摘要D，然后利用學習者的私鑰對摘要D進行加密得到簽名S3，最后再利用機構的公鑰加密，并將(原文+簽名S3)返回給機構節點。

步驟8：機構收到信息后，先用機構的私鑰解密(原文+簽名S3)，然后對原文哈希函數計算得到摘要D1，再用學習者的公鑰解密簽名S3得到摘要D，比對D和D1是否相同，相同則對學習成果的內容進行查詢，不相同則中止查詢過程。

從以上步驟可以看出，每次學習成果數據權限的傳播都需要數據所有者的授權，并且數據在流通或者存儲的過程中都是被加密的，學習成果數據在鏈上轉化成有價值的通證后，將激勵學習者、教師或機構等進行學習成果數據的流通。

四、討論

1.學習成果的通證化有助于克服認證效率低下的困難

學習成果通證化是把學習成果與區塊鏈的通證進行映射，通過區塊鏈模型將學習成果的確權、認證和共享等環節組織起來。由于學習成果轉化成具有高度流動性和安全性的數字通證，將促進數據的快速認證和流通，并在個人與機構之間實現高效查詢、認證和共享?？山鉀Q學習成果來源多樣、標準不一和缺乏驗證機制等問題，提升學習成果的價值轉化率,幫助教育機構或組織簡化認證流程；可幫助學習者獲得信任背書，減少同一學習成果的重復認證次數；可有效配置人力和教學資源，節省學習新知識或技能的時間和精力成本。

2.區塊鏈的可追溯性有助于對學習成果認證進行全過程“溯源”

區塊鏈上每筆學習成果數據都標注數字簽名和時間戳，對學習成果認證過程的上傳、確認、審核和認證等各個環節的參與節點都可以進行全過程“溯源”，教師審核的每一步驟均能備案可查，學習者每次學習成果的提交和更新都可進行實時監管。從技術上杜絕偽造學習信用記錄，幫助用人單位獲得完整而可信的學習過程信息?；诖耍皇强梢杂行У卦诩夹g層面杜絕偽造學習信用記錄，導致用人單位無法獲得完整的學習信息的情況，保障學習成果的公信力；二是所有認證記錄可追溯、可查詢且學習成果信息不可被篡改；三是認證能夠接受相關職能部門的監督和審查，完成對學習過程的評估，增加認證過程的公開透明度，保證學習者所提供材料、證據等的真實性。

3.區塊鏈的共識機制有助于化解學習成果認證信息不對稱問題

由于社區教育學習成果的來源與呈現形式較為隱性、復雜和多樣化，并還存在互不信任的多方主體，容易造成此類學習成果的認證信息不對稱。而區塊鏈的共識機制要求學習者、教師、社區教學機構和用人單位等各類主體之間對學習成果達成共識，由學術委員會通過共識機制對學習成果的質量進行識別和評估。當學術委員會達成共識之后區塊數據才能被修改或更新，以確保認證信息的真實性和可追溯性，最終保障各方參與節點記錄的信息內容一致。

4.區塊鏈的去中心化特性有助于降低學習成果的信任成本

傳統的學習成果認證需經由中心教學機構或教育行政部門來進行信任背書，其信任度一般受限于特定范圍內。而區塊鏈的點對點交互和共識算法可構建自信任關系，通過引入多個節點共同參與記錄的方式提高了學習成果的可信度，可在陌生群體之間進行大規模確權和認證。教學機構、教師和學習者等主體將處于平行維度，在缺失可信任第三方機構情形下，讓多個主體之間通過區塊鏈技術達成關于學習成果質量和可信度的共識。區塊鏈去中心化的特性將會打破中心教學機構認證壟斷格局，模糊校際教學邊界，化解學習成果的信任危機；將會提高社區教育的全民參與度，降低其求學和求職等事務的信任成本；讓學習成果的認證由各方參與節點通過共識機制進行協調管理，從而減少偽造學歷學位和各類學習證書的現象。

5.區塊鏈的激勵機制的有助于激發學習者的學習動力

與正規教育相比，社區學習者都有各自不同的工作經歷和教育背景，他們的學習參與度和尋求學習成果認證的意愿都不高，而引入區塊鏈的激勵機制可為其提供解決方案，激勵學習者積極參與社區教學活動。當學習成果通過認證時，學習者從區塊鏈上獲得具有流通屬性和價值屬性的通證,可將其轉換成其它教育機構認可的知識、技能證明甚至學分，用于獲得社區及其周邊學習資源和服務的使用權。例如，Mike Sharples提出一種基于區塊鏈用來測量學習結果的教育名譽貨幣，當學生通過考試或完成課程即可獲得，這些貨幣可用于支付其它教育服務。[24]學習通證可作為衡量和評價其學習質量的重要依據，有助于激勵更多學習者參與社區教育，滿足其在學習過程中獲得自信、尊重和成就感的需求。

五、結束語

區塊鏈的共識機制可為社區教育的教與學提供一致性和可信度，學習者所提交的信息記錄都被視為經過學習而獲得的數字資產，其激勵機制將促使各方節點積極參與，完成更高質量的學習成果認證。然而本文提出的學習成果認證模型還存在一些不足：一是“51%算力攻擊”和量子計算的快速發展導致區塊鏈模型還存在數據被偽造、威脅和破解等問題；二是區塊鏈上學習成果數據的應用往往涉及雙方或者多方，現有區塊鏈數據層的數據結構難以滿足學習成果認證事務復雜且數據相對統一的描述需求；三是區塊鏈的運行涉及大量系統開銷和信息冗余，為保障數據安全或隱私將會影響或犧牲模型的運行效率。

本文詳細闡述學習成果區塊鏈模型的基本框架、數據結構、身份認證和運行機理，探討如何利用區塊鏈的特性解決學習成果認證的弊端和問題。未來研究將聚焦在設計高效靈活的混合共識機制,改進基于學習通證的激勵機制；研究設計可編程的學習成果智能合約來規范認證利益相關者的權、責、利，實現教學質量管理的精細化和自動化；針對學習成果認證業務環節的特點，制定以能力為基礎的認證單元標準，優化學習成果的數據結構和轉換規則。