基于區塊鏈技術的知識貢獻系統設計研究

朱 廣　

基于區塊鏈技術的知識貢獻系統設計研究

朱 廣

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008）

線上教學的普及推動了教學資源建設，但存在教學資源數量過多、質量參差不齊的情況，教學效果差強人意，師生存在“消極被動”情緒等問題，文章利用區塊鏈公開透明、可追溯、不可篡改的特點，設計了知識貢獻系統數據的7個維度和區塊鏈存儲模型，采用聯盟鏈方式設計了面向教育機構、學生、教師的知識貢獻系統，能夠激勵學生主動記錄最佳學習方式、參與資源建設、監督和更正教學資源，同時保證數據完整、真實、不可篡改，為課程資源建設、學生個性化學習提供支撐。

區塊鏈；知識貢獻；激勵機制；哈希算法

引言

互聯網技術普及、信息技術融入了生產生活中，中國數字化建設迎來新時代，線上學習的普及推動了學生學習的個性化、多樣化需求，重塑了大學生學習“畫像”，但目前線上教學仍存在如下問題。第一，學習成效的考核仍以成績單為主，無法很好地反映學生學習經歷甚至學習成果[1]。第二，線上學習資源主要由老師建設與管理，知識來源單一、呈現方式不足，無法集合各平臺優質教學資源，同時教師備課、課程建設壓力大。第三，學生完成線上作業或任務時學習動力不足，學習過程難監控、學習結果難評價，可信度存疑等現狀使學情分析難度較大、不夠精確，也難以支撐個性化學習和長期職業規劃。區塊鏈技術經過十余年的發展，在數字金融、社會治理領域已經獲得一定的成果[2]，國內外教育機構和學者開始研究區塊鏈技術在教育領域的應用，尤其是在學生征信管理、檔案管理等領域的研究實踐已初見成效。為此，本文利用區塊鏈技術和現有平臺條件，設計知識貢獻模型，探討師生共建學習資源、激勵學生自主學習、參與式學習的方案。

1　研究背景

1.1　知識貢獻與線上教學研究現狀

知識貢獻是指知識從一個人向另一個人轉移或分享的過程，在此過程中分享者提供了新知識、解決問題的方法、新的思考方式或觀念，還幫被分享者消化吸收知識，利用互動過程增進對知識的理解和掌握，這極大地推動了互聯網的蓬勃發展，因此，鄧勝利等[3]指出知識貢獻是網絡社區穩定發展的重要因素和核心價值。然而，“知乎”“CSDN”等在線知識社區中只有20%的用戶是知識貢獻者，80%的用戶只關注搜索知識[4]。針對在線教學平臺，目前教學模式將教師定性為知識貢獻者，將學生定性為知識搜尋者。

線上線下結合的混合式教學模式已成為必不可少的教學手段，但實際教學過程中面臨諸多障礙，課程資源供給“結構失衡”、師生存在“消極被動”情緒[5]。實際教學過程中，教師普遍開發優質教學資源的能力，現有的線上課程資源主要由教師簡單錄制編輯制作完成，資源質量參差不齊、教學形式單一枯燥，照本宣科、“滿堂灌”等問題更為凸顯，優質線上教學資源緊缺。線上教學資源開發增加了教師工作壓力，課前與課后輔導、互動、作業批改占用更多時間，但教學效果差強人意，教師對大規模線上教學信心不足。另一方面，教學改革已經從知識本位向學生的發展轉變[6]，但現實中在線教學過程主要形式仍為“教師講、學生聽”的單向傳輸方式，學生參與感和體驗感差，教學資源數量龐大、質量參差不齊增加了學生學習時間、學習壓力，降低了學生學習期望，消耗了學生自主、個性化學習欲望。學生線上學習過程難監控，學習效果難評估，作業和學習測評真實性難保障。

如何將知識搜尋者變為知識貢獻者是社區生存發展的關鍵[7]，也是線上學習平臺能夠可持續良性發展的基礎，是解決師生優質教學資源短缺矛盾的鑰匙，是激勵師生主動參與資源建設、終身學習和個性化發展的有效機制。

1.2　區塊鏈的特點和優勢

區塊鏈是一個由多方參與、共同維護、持續增長的去中心化分布式數據庫，利用塊鏈式結構來驗證和存儲數據，利用分布式節點共識算法生成和更新數據，利用密碼學方式保證數據傳輸和訪問的安全[8]。

區塊鏈1.0時代解決了數字貨幣應用難題，產生了以比特幣為代表的經濟形態。區塊鏈2.0時代解決了金融領域應用問題，以以太坊為代表的智能合約可應用于產權登記、轉讓，證券和金融合約的交易執行。隨著區塊鏈超越金融領域，拓展到教育、物流、醫療、能源、審計等社會領域，區塊鏈進入3.0階段，成為價值互聯網的內核，成為“萬物互聯”的一種底層協議[9]。

區塊鏈具有去中心化特點，網絡中每個節點都有一份數據庫賬本的副本，所有的副本可以自動同步更新，數據具有冗余性、安全性。區塊鏈有公開透明、可追溯的特性，除了對交易各方的私有信息加密外，區塊鏈上的數據可以對所有人公開，所有用戶都能查詢賬本中的每一筆交易。區塊鏈具有不可篡改的特性，信息上鏈并經過驗證后就會被永久存儲下來，并同步到所有節點，除非控制一半以上的節點重新使區塊鏈分叉，否則無法修改已存儲的數據。

區塊鏈中使用Merkle樹存儲所有交易記錄（數據），與普通樹相比，Merkle樹使用的是哈希指針而不是普通指針，哈希指針不僅存儲了與普通指針一樣的結構體的起始地址，還存儲了當前的哈希值，這樣就可以根據哈希值驗證整棵樹中所有交易的正確性[8]。

參考以太坊，區塊鏈獎勵機制主要包括出塊獎勵、叔塊獎勵、交易費，其中，出塊獎勵是通過礦工挖礦產生的，即礦工在已打包區塊的基礎上嘗試得到滿足要求的隨機數時，排在首位的礦工會獲得鑄幣權，排在第二、第三位的礦工會得到叔塊獎勵，已打包區塊的交易會產生交易費。

區塊鏈可分為公有鏈（Public Blockchain）、聯盟鏈（Consortium Blockchain）、私有鏈（Private Blockchain）和混合鏈（Hybrid Blockchain）四類[10]，其中聯盟鏈由若干企業或機構共同管理，參與者使用前需認證注冊。為兼顧安全性和資源使用情況，本系統聯合不同學校和教育機構，實現學習系統的延續性，本系統采用聯盟鏈實現各學校、機構之間的共識機制。

2　系統設計

2.1　知識貢獻系統數據維度設計

知識貢獻模型依托現有教學資源，充分利用教學輔助平臺和教學管理平臺的數據，結合學生個人學習資源、教師教學記錄，設計學生學習檔案7個采集維度：反映教師教學組織的教學內容、教學方法和教學資源等維度，反映學生學習過程的學習目標、學習資源、學習策略、學習效果等維度，如表1所示。

表1 知識貢獻系統數據維度

數據維度數據形式內涵 教學內容知識點、任務書結構化知識分解，教學內容重構，知識點或任務 教學方法教學設計、教案教學過程中知識或任務傳授，教學設計、教學風格等 教學資源案例、作業、反饋教學過程中開發的資源，包括教學典型案例、設計的作業、問卷和測試、資源的效果反饋 學習目標學習任務卡學生制訂的個性化目標，包括知識、技能、素質等目標 學習資源教材、圖文、網站等使用的教材、圖文、視頻、軟件、網站等資源 學習策略學習過程數據學習過程中的學習方法、學習路徑、時間分配等 學習效果測驗結果、成績單知識掌握程度、遷移程度，舉一反三能力，多采用測驗、考試、問答等方式呈現

針對教師教學組織，主要使用教學輔助平臺自動收集教師教學過程數據，利用結構化知識分解后的知識點、教學任務書記錄教學內容，使用教學設計、教案等記錄教學方法，通過設計的動畫、教學案例、作業，針對反饋資源利用率和效果的問卷和測試結果，評價教師教學效果的達成度。

針對學生學習過程，組織學生參考學習平臺的知識點或任務書，根據學生個性化學習需求形成學習任務卡，形成針對自己的個性化學習目標。學習資源包括學習過程中使用的教材、網站、學習平臺的視頻、圖文或軟件，學習策略包括學生每個知識點的學習時間、學習資源，知識點學習的先后順序、學習筆記等數據，學習效果包括學習過程中的測驗結果、作業完成情況，階段學習的成績單、學習目標完成度等過程性數據，以及比賽獲獎、論文和專利等創造性成果。

該模型的數據維度設計旨在存儲優秀學生的學習路徑、學習方法，拓展教學資源的外延，促進師生共同以知識點為粒度更新、豐富教學資源，推動學生主動反饋資源和學習效果評價教學資源。

2.2　知識貢獻系統區塊鏈存儲設計

現存在線學習系統的存儲策略主要包括擴充本地空間、優化冗余資源，考慮到部分過程數據或作業占用存儲空間較大，若全部數據都直接上鏈存儲，會導致區塊鏈數據爆炸式增長，存儲、讀取效率緩慢等問題，而且，大部分平臺數據出于安全性考慮不對外公開，更無法全部導出。因此，本文設計的數據存儲模型對象分為兩類：小粒度文件和大粒度文件。小粒度文件直接存儲在聯盟鏈上，大粒度文件存儲在IPFS網絡中，有隱私保護的數據與平臺對接驗證、參照大粒度文件的存儲方式執行。知識貢獻系統區塊鏈存儲設計如圖1所示。

圖1 知識貢獻系統區塊鏈存儲設計

區塊鏈由多個區塊前后鏈接形成鏈狀結構，其中每個區塊由區塊頭和區塊體兩部分構成。

區塊頭主要包含父區塊哈希、時間戳、隨機數、難度值、版本信息、Merkle根。父區塊的哈希值由其區塊頭計算得出，由下一區塊記錄，使前后區塊形成鏈狀結構，可通過最后一個區塊的哈希指針驗證整條鏈上的哈希值，從而驗證所有數據的正確性[8]。時間戳記錄區塊生成的時間，隨機數和難度值主要用于區塊鏈運行時達成共識機制，版本信息記錄區塊的編號，Merkle根驗證區塊體的數據完整性。

區塊體主要存儲了一定時間內學習檔案的詳細數據，利用SHA256算法，提取每個文件的哈希值組成二叉樹狀結構，每個文件的哈希值兩兩結合后計算得到上層哈希值，重復此過程得到樹根處的值即為Merkle根。依據SHA256算法抗哈希碰撞、原哈希值隱藏的特性，可以在數據加密后驗證數據的完整性、不可篡改性，同時Merkle樹存儲結構也能讓數據和文件輕松定位和溯源。在該模型中，成績、學習效果等小粒度文件數據量小，可直接存儲在區塊體中；大粒度文件，如學習過程數據、教學運行情況等數據結構復雜且數據量大，使用哈希算法得到文件的哈希值存儲在區塊體中。大粒度文件的存儲利用IPFS技術，切分為多個大小相同的片段，設置冗余存儲機制，分布存儲在不同節點上，提高數據安全性、可靠性、讀寫速度。

3　系統實現

知識貢獻系統采用聯盟鏈形式，針對教育機構（教學平臺和學校）、學生、教師開放，聯盟鏈主要依托現有的教學資源，由教學平臺、各級學校組建而成，為學生、教師開放接入權限，其中學生、教師、教育機構具有節點記錄和查詢數據功能。教師主要負責開課前資源建設、開課中資源復核、結課后資源存檔，學生需要反饋學習效果、優化學習方法、評價學習方法、監督系統運行、更正系統資源。為保障上鏈數據的真實性、有效性，采用簽名算法綁定上鏈數據，杜絕偽造數據現象。

圖2 知識貢獻系統模型設計

3.1　師生活動

（1）發布任務。依托現有線上教學平臺，教師將課程進行任務分解，按照課時的1～3倍設計知識點（或子任務）數量，同時上傳相關資源，以知識點為單位設計獎勵分數。

（2）學生自主學習。利用線上資源自主學習，利用系統記錄學習時間、學習路徑等信息。

（3）學生自我測試。完成線上測試、問卷，評估自己的學習效果，針對自己未掌握或疑惑之處在對應知識點處提問。

（4）學生對比學習。查閱其他學生的學習路徑，即對某個知識點的學習過程，包括對知識點的理解、分析、解決過程，使用到的文本、動畫、視頻、仿真等資源，相關、相近知識點的區別與聯系等內容；總結自己的學習特色和方法。

（5）知識貢獻獎勵。設計知識貢獻獎勵和參與獎勵兩種獎勵方式。其中知識貢獻獎勵需要分享自己的學習過程或解答某知識點下的提問，由所有參與學習者投票選取最優學習方法或答案，得票最高貢獻者可獲得5分獎勵，得票第二和第三的貢獻者可分別獲得4分、3分獎勵；所有參與并完成學習、測試的學生可獲得1分獎勵。

（6）教師復核資源。為保障貢獻知識的正確性、準確性，需要經過教師驗證復核后才能啟動獎勵機制。為避免學生抱團投票，設計所有知識貢獻者使用哈希函數運算過的數字作為唯一憑證，實現匿名化處理；鼓勵多所學校參與，擴大學習基數，利用人數優勢穩定去中心化系統。為保護知識版權，所有引用內容必須清晰標注，獎勵減半。

（7）學生監督更正。為規范知識貢獻者行為，提高貢獻知識的質量，設計學生監督反饋機制。鼓勵舉報虛假內容、無效內容、虛假投票、學術不端等情境，教師復核舉報有效的，第一位舉報者可獲得2分獎勵，被舉報者取消原獎勵，另扣除5分獎勵，被舉報內容都參與者取消原獎勵，另扣除2分獎勵并要求重新學習該知識點。鼓勵更正貢獻知識，若發現得票最高的前三位內容有誤，設計更正功能更新內容，教師復核通過后，取消原貢獻者獎勵，將更正內容設為最佳答案并給予相應獎勵，取消原參與者獎勵并要求重新學習該知識點。

3.2　教育機構管理

教育機構主要指相關教學平臺和各級學校，主要負責制訂課程建設計劃、教學計劃，期末資源存檔、數據匯總和積分獎勵等。其中，課程建設計劃需要教師組建課程建設團隊或教研室集體備課，鼓勵跨學校、跨層次開展課程改革交流，共同設計課程標準，針對封閉性知識（或任務），建議每節課設定1～3個知識點（或子任務），以此作為區塊鏈結構上激勵制度的任務點。期末資源存檔需要教師以知識點為單位復核學生學習數據、整理教學檔案、更新教學資源。數據匯總指以學期為單位，匯總每個學生貢獻知識的記錄、學習記錄和成績等，形成學生學習總結報告。積分獎勵指以學期為單位統計獎勵分數，并依次作為學生學分認定、成績認定、評獎評優的依據。

4 結束語

本文利用區塊鏈技術匿名性、不可篡改性，設計反映學生學習過程、創新能力的知識貢獻系統，以激勵學生自主學習、相互交流、貢獻知識為目標，發揮學生主觀能動性，使學生主動參與豐富教學資源，提高資源數量和質量，同時減輕教師工作壓力。該系統可為培養學生學習能力、創新能力提供數據支撐，可以支持后進學生了解不同學習方法、開拓學習思路，此外，依托區塊鏈技術，學生自我監督更正可提高作業質量，鼓勵原創內容。系統模型仍然存在一些不足，教學和學習過程中產生的非結構化數據較多，存儲和使用困難較大。

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Research on the Design of Knowledge Contribution System Based on Blockchain Technology

The popularization of Online teaching has promoted the construction of teaching resources, but there are problems such as too many teaching resources with uneven quality, unsatisfactory teaching effects, and "negative and passive" emotions among teachers and students, and so on. Taking advantage of the open, transparent, traceable and untamperable characteristics of block chain, this paper designs seven dimensions and block chain storage model of knowledge contribution system data. A knowledge contribution system for educational institutions, students and teachers is designed in the way of alliance chain, which can encourage students to actively record the best way of learning, participate in the construction of resources, supervise and correct teaching resources. at the same time, it ensures that the data is complete, true and untampered, which provides support for the construction of curriculum resources and students' personalized learning.

blockchain; knowledge contribution; encouragement mechanism; hash algorithm

TP311.13

A

1008-1151(2023)07-0018-04

2022-12-15

廣西高校中青年科研基礎能力提升項目（2021KY1016）。

朱廣（1990－），男，南寧職業技術學院高級信息系統項目管理師，講師，工學碩士，研究方向為區塊鏈、數據分析。