基于區(qū)塊鏈的學生信息系統(tǒng)模型設計與研究

張怡，馬亞蕾

（陜西職業(yè)技術學院 電子信息工程學院，陜西西安，710000）

1 研究背景

2014年國務院發(fā)布了《國務院關于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定》，要求“加快構建現(xiàn)代職業(yè)教育體系”，“為學生接受不同層次高等職業(yè)教育提供多種機會完善職業(yè)教育人才多樣化成長渠道，建立學分積累與轉換制度，推進學習成果互認銜接?！?019年4月30日，國務院常務會議通過了《高職擴招專項工作實施方案》。高職擴招百萬實施兩年來，學生群體的身份年齡構成情況差異較大，現(xiàn)有高職學生學業(yè)評價內(nèi)容和方式面臨巨大挑戰(zhàn)，如何充分記錄學習實訓全過程數(shù)據(jù)并展現(xiàn)過往工作經(jīng)歷信息成為高職學生評價和用人單位的共同難題。

當前高速發(fā)展的以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G及區(qū)塊鏈為代表的技術革命，為現(xiàn)有高職學生學習過程數(shù)據(jù)記錄和評價體系提供了技術可能。通過區(qū)塊鏈的公開可溯源和不可篡改等技術特點，設計學生學習全過程信息系統(tǒng)模型，構建職教學生學習經(jīng)歷及實訓、實習工作表現(xiàn)的準確真實記錄體系，為用人單位提供真實可信的查詢服務，成為未來區(qū)塊鏈技術在教育領域的重要應用。

針對區(qū)塊鏈技術在學生學習過程評價體系中的應用，國內(nèi)研究人員做了大量研究。文獻[1]利用區(qū)塊鏈Hyperledger fabric架構設計學生綜合素質(zhì)評價系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)運行機制；但該文獻未明確學生評價的詳細指標，也未對智能合約詳細設計進行研究。文獻[2]研究了基于區(qū)塊鏈的教育資源共享平臺在學分銀行建設中的應用，旨在解決數(shù)字教育資源共享和終端用戶學分記錄的難題；但該文獻未對學習過程記錄的區(qū)塊鏈詳細結構設計及運行機制進行介紹。文獻[3]提出基于區(qū)塊鏈的職業(yè)教育信用模型，以虛擬貨幣構建職業(yè)教育鏈的各節(jié)點的信用評價；但該文獻缺少對學習內(nèi)容和過程的存儲記錄研究。

綜上所述，本文依托IBM Hyperledger fabric開源區(qū)塊鏈框架，進行高職院校學生的學習過程記錄信息系統(tǒng)模型的研究。主要貢獻有：

(1)構建一組高職學生學習過程、實踐實訓過程的數(shù)據(jù)采集指標；

(2)提出一種適用于高職學生學習過程記錄的信息系統(tǒng)模型，研究其區(qū)塊鏈運行機制，實現(xiàn)學生、學校、企業(yè)等盟員學習過程的記錄存儲與可信查詢。

2 采集指標

高職學生學習過程評價模式中，使用聯(lián)盟鏈進行成績記錄數(shù)據(jù)存儲與共享，建立成績管理鏈和過程評估鏈。其中成績管理鏈用于存儲學習結果類型記錄，包括學歷證書、成績單、論文、專利、技能等級證書、職業(yè)資格證書等；過程評估鏈用于存儲學習過程類型記錄，包括課內(nèi)學習過程記錄、校內(nèi)外實習過程評價、社會服務過程評價等。從而建立校企社會機構間盟友關系，達到各領域學習記錄統(tǒng)籌共享的局面。

表1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)采集指標

3 模型構建

3.1 整體架構

系統(tǒng)模型整體架構如圖1所示，自下而上依次是基礎設施層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、合約層和應用層。其中數(shù)據(jù)層建設學生學習過程采集數(shù)據(jù)的雙鏈，智能合約層封裝系統(tǒng)的各類腳本代碼、算法等，實現(xiàn)對區(qū)塊中的學生的學習過程數(shù)據(jù)的智能封裝，保證過程數(shù)據(jù)的真實、準確，杜絕了對學生數(shù)據(jù)的篡改和刪除現(xiàn)象。

圖1 高職學生學習過程信息系統(tǒng)模型

3.2 運行流程

3.2.1 學習過程記錄信息系統(tǒng)模型區(qū)塊鏈結構

學習過程信息記錄系統(tǒng)的區(qū)塊鏈結構采用雙鏈結構，即成績管理鏈、過程評估鏈，結構如圖2所示?？紤]到過程評價模型的采集指標來源于學校、企業(yè)、社會機構三個領域，具有跨地域、數(shù)量規(guī)模巨大的特點，區(qū)塊鏈的盟員可以是高職院校、校內(nèi)生產(chǎn)性實訓基地、校外合作企業(yè)、社會行政部門、社會公益機構等。

圖2 高職學生學習過程信息系統(tǒng)區(qū)塊鏈結構

構建不同盟員間的智能合約，需利用合約實現(xiàn)學生、學校、企業(yè)、社會之間相互交互，實現(xiàn)學習過程數(shù)據(jù)的上傳、認證、流轉、共享等工作的自動化執(zhí)行，打破資源間壁壘，加速資源共享速度。同時，因區(qū)塊鏈結構的可信度，降低了數(shù)據(jù)被篡改、刪除的風險。本項目使用Hyperledger平臺，其智能合約功能通過chaincode鏈碼實現(xiàn)。每個chaincode程序都必須實現(xiàn)chiancode接口，接口中的方法會在響應傳來交易時被調(diào)用。鏈碼涉及的方法包括初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢方法等。

具體實現(xiàn)中，鏈碼可分為系統(tǒng)鏈碼和用戶鏈碼。系統(tǒng)鏈碼負責Fabric節(jié)點自身的處理邏輯，包括系統(tǒng)配置、背書、校驗等工作，系統(tǒng)鏈碼僅支持Go語言，在Peer節(jié)點啟動時會自動完成注冊和部署。系統(tǒng)鏈碼共有五種類型：配置系統(tǒng)鏈碼(CSCC)、背書管理系統(tǒng)鏈碼(ESCC)、生命周期系統(tǒng)鏈碼(LSCC)、查詢系統(tǒng)鏈碼(QSCC)和驗證系統(tǒng)鏈碼(VSCC)。用戶鏈碼通過使用go語言編寫，實現(xiàn)本系統(tǒng)中學生學習過程信息采集、存儲上鏈和信息查詢等功能。用戶鏈碼運行在容器中，通過Fabric提供的接口與賬本平臺進行交互。學習過程記錄數(shù)據(jù)結構設計如圖4所示，并以鍵值對(k,v)結構進行存儲。

圖3 鏈碼功能模塊

圖4 數(shù)據(jù)結構設計

3.2.2 學習過程記錄信息系統(tǒng)模型交易運行機制

HyperLedger Fabric通過把工作節(jié)點分解為執(zhí)行交易（背書和提交）節(jié)點和交易排序節(jié)點來優(yōu)化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡性能、安全性和可擴展性。本項目區(qū)塊鏈交易運行流程包括數(shù)據(jù)采集、背書、排序和上鏈4個步驟。該流程假設前期通道已建立并正常運行。盟員已注冊并使用組織認證授權（CA）登記，同時獲得必要的加密材料來進行網(wǎng)絡驗證。

(1)數(shù)據(jù)采集：當學校、企業(yè)、社會機構等盟員產(chǎn)生新的學生成績記錄或過程評估記錄時，盟員客戶端執(zhí)行本地應用程序，應用利用有效的SDK API來生成交易記錄sc。交易記錄完成數(shù)據(jù)到賬本的讀取和/或寫入。此時SDK還需要使用用戶的加密證書來創(chuàng)建交易提案的唯一簽名。

(2)背書：背書節(jié)點收到盟員提交記錄sc后執(zhí)行鏈碼，使用MSP驗證簽名并確定盟員（校企機構）發(fā)送的請求是否被合理授權。背書節(jié)點以交易記錄為輸入，計算輸出讀操作集rs和寫操作集ws，并將其寫入對應的學習過程記錄sc。同時建立記錄數(shù)數(shù)量閾值，將到達的若干個學習過程記錄sci寫入集合SC={sc1,sc2,…,scn}。當達到數(shù)量閾值后，將集合SC發(fā)送給客戶端，客戶端把交易記錄提交到排序節(jié)點Orderer。

(3)排序：排序節(jié)點Orderer對集合SC按學習數(shù)據(jù)生成時間進行排序，執(zhí)行共識過程后數(shù)據(jù)封裝到區(qū)塊b，并批量發(fā)給對等的Peer節(jié)點。

(4)上鏈：各Peer節(jié)點收到區(qū)塊b后，使用sc的讀集rs進行交易驗證，以確保區(qū)塊b內(nèi)容未經(jīng)篡改，同時生成學習記錄日志logi寫入本地數(shù)據(jù)庫，并將其索引i寫入?yún)^(qū)塊b；將寫集ws中的鍵值對寫入本地狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，保證所有鍵的最新值被存儲在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，并更新本地區(qū)塊鏈世界狀態(tài)完成本次上鏈。

4 結論

綜上，通過本項目模型的研究，可以極大程度解決原有成績記錄系統(tǒng)信息化程度不高、記錄主體權責不明、客觀公正不足、安全可靠性不高的問題。一方面，原有分散的教育者學習成果可從區(qū)塊鏈平臺被發(fā)現(xiàn)，為求職者提供真實可靠地學習成果自證材料；另一方面，為企業(yè)準確提供聘用者的學習履歷、行業(yè)實踐、社會服務信息，降低企業(yè)尋找所需人才的招聘成本。未來，基于區(qū)塊鏈的高職學生學習過程信息系統(tǒng)模型仍需進一步研究與發(fā)展，促使更多的學校、企業(yè)、社會機構等盟員的加入，增加平臺的影響力和使用者，對接更多的教育評估機構，打通教育各環(huán)節(jié)壁壘，探索建立學習型社會的新方式。