基于區塊鏈技術的在線教學資源庫模型構建研究

袁競

摘要：在線教學資源庫是重要的課程教學資源，傳統的在線教學資源庫通過前后臺+本地數據庫的方式進行構建，存在著存儲中心化、呈現分散化以及運營成本較高的缺點。區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性在教育領域有著廣泛應用，亦對教學資源的共享提供了新的可能性。文章以區塊鏈的聯盟鏈為基礎，提出了基于其的在線教學資源庫的框架結構、構建了其網絡結構組成，并設計了基于聯盟鏈的在線教學資源庫的資源上傳、下載、更新和刪除的工作機制。

關鍵詞：區塊鏈；教學資源庫；框架結構；工作機制

中圖分類號：TP181? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0124-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

教育部于2018年印發了《教育信息化2.0行動計劃》，其中明確提出了實施教育資源共享這一設想，通過教育資源共享以促進開放教育資源的建設與交流，打破數字教育資源共享發展的壁壘，滿足學生和教師關于數字教育資源的需求，從而加快教育現代化建設、推動教育信息化的發展進程[1]。構建在線教學資源庫，可以為遠程在線教育提供優質教學資源與案例，為學生提供豐富的學習支持服務，適應新時代與疫情環境下的教育教學要求。構建一種新型的、能夠滿足多方需求的教學資源共享模式成為教育信息化建設過程中需要解決的問題[2]。區塊鏈技術的去中心化、可追溯性、高安全性等特點，以及為信息共識、數據共享提供的高安全性保障，使得其為構建在線教育資源共享模式提供了新的可能性。

1 在線教學資源庫的開發現狀

1.1 教育資源中心化存儲

傳統的在線教育教學資源的開發模式往往是由學校組織，由學校的信息部門承擔，并與任課教師合作進行完成。其存儲模式屬于傳統的中心化的方式、應用模式屬于前后臺調用的方式，就單一學校的使用而言，該模式可能可以滿足師生的日常教學需求。但隨著互聯網技術的發展與資源共享交流要求的提高，中心化的資源存儲與前后臺的數據調用模式存在著諸多缺陷。中心化的數據存儲方式極易受到網絡攻擊，造成資源的丟失和破壞，同時中心化存儲的安全防護對于網絡入侵抵抗能力較弱，使得數字化教育資源極易被篡改。前后臺的數據調用模式在系統升級以及平臺移植的過程中顯得不夠友好，需要考慮數據與平臺的兼容性問題。

1.2 教育資源分散化呈現

在傳統模式下，在線教育教學資源的開發和應用過程中會受到各種因素的影響與制約，各類教育資源的呈現狀態以分散化的方式出現，不同學校、不同地區的教育教學資源獨立使用，資源的共享與交流的程度不高[3]。通過互聯網技術的使用，高校以構建專題網站、精品課程網站以及學習平臺的方式，加快了教育教學資源的傳播與教學過程中的實際應用。但受限于網絡本身條件、地域環境、學習軟硬件等因素，在線教育教學資源的共享程度仍受到較大程度的影響，無法實現最大范圍、最大限度的共享與交流。

1.3 缺乏統一規范、運營成本較高

由于傳統在線教育教學資源的分散建設，建設過程中各自為政，資源之間缺乏互補與動態交流，因而缺乏統一的資源建設標準，教育教學資源的重復利用率較低、平臺移植的通用性不高。另一方面，由于在線教育教學資源的建設涉及學校多個部門的分工與合作，是一項跨部門的系統工作，因而在資源使用、運營與維護的過程中會受到多方面因素的影響。因此，為了保障教育教學資源在網絡中的長效正常運行，需要平衡信息體制、運營成本、人力支出、工作流程等多方面的關系，處理復雜的利益分配與協調的問題，這些都大大提高了日常的運營管理成本[4]。

2 基于區塊鏈技術的在線教學資源庫模型

2.1 關鍵技術

區塊鏈從技術的角度來講是一個去中心化的分布式加密賬本，其形式是由一個個數據塊通過索引連接的鏈式結構，使用與維護區塊鏈的每個節點在更新這個鏈式賬本時，所有的節點都會參與到區塊的存儲、驗證與傳遞的過程中，共同維護區塊的安全[5]。區塊分為區塊頭部與區塊體。區塊體內以默克爾樹的結構存儲從上一區塊到本區塊之間所有交易的哈希值，默克爾樹的根節點則存儲在區塊頭部中，區塊頭部中另外還會存儲前后區塊的地址信息。

區塊鏈系統大致分為公共鏈、私有鏈與聯盟鏈三類，基于區塊鏈的在線教學資源庫采用聯盟鏈的系統結構。聯盟鏈通常構建于多個相互已知身份的組織之間，相較于其他類型的區塊鏈系統，有更高的效率、更少的約束、更快的運行速率。只有加入聯盟的成員才有數據的共享權，因此聯盟鏈也提供了更好的交易數據安全隱私保護。Hyperledger Fabric系統是當前較為流行的聯盟鏈開發平臺，其包含了節點、賬本、組、通道等要素。節點中包含了客戶端節點、記賬節點、背書節點、排序節點、主節點等角色。客戶端節點即客戶端，通過其他角色的節點接入區塊鏈；記賬節點負責驗證交易、維護賬本；背書節點負責在執行數據交易時進行簽名背書的操作；排序節點負責接收包含背書簽名的交易，并將交易進行區塊打包并排序的操作；主節點從排序節點處獲取新塊信息并進行同步操作。承擔不同角色功能的節點構成了組，是數據信用責任的區塊鏈系統參與方。Hyperledger Fabric中的交易流程包括幾個步驟：提出交易、模擬提案并背書、收集背書、構造交易、排序節點排序并生成區塊、主節點通過廣播接收區塊、驗證區塊并計入賬本、組內同步新塊。

區塊鏈中除了區塊與鏈式結構外，另一重要組成部分是智能合約，其是一套以數字形式定義的承諾與參與方需要執行的協議。智能合約通過代碼或者預編譯的腳本來實現，具備不可篡改性、一致性等特點，因此智能合約保證了接入區塊鏈的所有節點能夠完成統一的操作。

2.2 總體架構

基于區塊鏈的在線教學資源庫是在Hyperledger fabric的框架上進行設計開發，數據層中以區塊鏈結構保存相關數據，合約層中部署各類智能合約，結合教學資源上傳、下載與瀏覽的使用需求，基于區塊鏈的在線教學資源庫總體結構劃分為應用層、合約層、數據層以及物理層，其結構如圖1所示。

物理層是整個框架中的最底層，由服務器、網絡傳輸用的相關硬件以及安裝在其上的操作系統和軟件組成，以提供底層的軟硬件支持服務。數據層建立在物理層之上，主要功能是數據的存儲與交互，包含基于區塊鏈技術的分布式存儲模式，以及實現在數據交互過程中的防偽造、防篡改、可追溯等特性。合約層是整個框架的中間層，主要實現向上層應用提供功能應用的接口、向下層傳遞數據與區塊鏈網絡進行交互，其功能的實現通過多項智能合約完成。合約層中包含了權限合約、傳輸合約以及對合約的管理機制等，權限合約自動完成訪問人員的身份驗證、權限授予等，傳輸合約自動完成數據區塊的定位、傳輸通道的分配以及數據的傳輸，合約管理則是完成智能合約的安裝、部署與更新。應用層位于整個框架結構的最上層，用以實現各種用戶需求、提供各類服務功能，包含對教學資源的數據管理、用戶的管理、區塊的管理等。應用層是用戶的接口層，透明化底層的功能實現過程，為用戶提供直接的操作界面。

2.3 網絡架構

基于區塊鏈的在線教學資源庫采用聯盟鏈的形式，結合 Fabric 的技術架構，以“數據庫+Fabric”的方式構建，將教學資源存儲于各個節點的本地數據庫中，區塊鏈中按照時間順序存儲用戶的操作記錄和資源的索引信息，其網絡結構如圖2所示。

在線教學資源庫的聯盟鏈底層網絡節點由組內節點、排序節點和區塊鏈和構成。教學資源庫的用戶包括瀏覽資源的學生、上傳資源的教師、進行資源管理的管理者，根據用戶的權限以及對不同種類教學資源的需求將其劃分為多個組別，各個用戶節點成為組內節點，按照其角色功能分為三類：主節點、記賬節點以及背書節點。當有新的區塊接入鏈中時，排序節點負責提供排序服務，并與由管理者用戶充當的主節點進行通信，記錄新增區塊的相關信息。在進行資源操作產生數據交易的時候，普通用戶節點充當記賬節點的角色，負責區塊交易記錄、維護賬本信息、記錄狀態數據，同時根據智能合約中的背書策略動態承擔背書節點角色，負責接收交易背書的請求并進行數字簽名。

3 基于區塊鏈技術的在線資源庫工作流程

3.1 教學資源上傳流程

教學資源上傳主要分為三個步驟：用戶在終端發起請求、智能合約執行教學資源的上傳以及區塊鏈信息更新。用戶首先通過終端登錄到區塊鏈網絡，在驗證身份后獲得相應權限，在提出資源上傳請求后系統驗證用戶是否擁有上傳權限。智能合約根據用戶發出的上傳請求，對教學資源的類別進行區分，將上傳提案發送到相關組內，由背書節點要求更高權限的節點以及區塊鏈中一定數量的同級節點進行簽名執行背書操作。當背書操作的結果達到了背書策略的要求時，智能合約將教學資源上傳的請求提交給排序節點，由排序節點按照時間順序進行排序并生成對應的區塊。排序節點隨后根據共識算法對生成的區塊進行共識操作，并將其發送給相應組內的主節點，以供主節點進行驗證并由記賬節點添加至賬本中，同時將需要上傳的教學資源寫入數據庫。最后，主節點進行組內廣播操作，要求組內節點進行區塊的信息同步，從而進行賬本更新，同時向用戶端發送反饋信息，提示用戶上傳的資料是否成功寫入數據庫、用戶的操作是否成功寫入區塊鏈。

3.2 教學資源的瀏覽與下載

相較于教學資源的上傳，教學資源的瀏覽與下載無需更新區塊鏈中的區塊，只需要背書節點完成背書操作，其余則交給智能合約完成。資源的瀏覽是所有用戶節點都具備的權限，當用戶登錄區塊鏈網絡經過身份驗證后，即可進行教學資源的瀏覽操作。用戶可以通過關鍵字以及專業類別進行教學資源的瀏覽。關鍵字瀏覽即是通過教學資源的名稱、課程名稱等進行資源的搜索，專業類別的瀏覽即是通過教學資源所屬的專業進行資源的瀏覽。從安全的角度考慮，教學資源的瀏覽也需要更高權限的節點以及區塊鏈中一定數量的同級節點進行簽名執行背書操作，再由智能合約完成教學資源的搜索。用戶節點在完成教學資源的瀏覽后，需要進行資源下載時，則需要提交下載請求并由系統驗證其是否具備下載權限。資源下載的過程同樣需要區塊鏈網絡中的相關節點執行背書操作，然后由智能合約為用戶節點提供資源地址。

3.3 教學資源的更新與刪除

教學資源更新的流程大體與資源上傳的一致，首先由用戶通過終端發出申請，在系統驗證其權限后，由智能合約區分資源類別，通過背書節點執行背書策略，記賬節點進行賬本更新并生成新的區塊，同時進行數據庫中資源的更新操作。其中與教學資源上傳稍顯不同的點在于其背書策略的執行，除了需要更高權限的節點以及網絡中一定數量節點的背書簽名外，還需要該教學資源原上傳節點的簽名背書。由于基于區塊鏈的在線教學資源庫采用“數據庫+Fabric”的構建方式，區塊中僅存儲各個節點的操作數據，因而當需要進行資源的刪除時，其操作與資源更新基本相同，經過申請到背書操作后，生成的新的區塊中記錄刪除資源的相關操作，系統則將數據庫中對應的資源數據進行刪除。

4 結束語

區塊鏈技術在教育領域的應用為在線教學資源共享的實時性、可靠性、安全性提供了技術保障，解決了傳統教學資源庫在建設過程中中心化存儲、分散呈現帶來的安全性低和運營成本高的問題。在系統的構建中還有更為具體的問題需要進一步解決，如智能合約的工作機制、共識機制的具體要求、對于教學資源上傳用戶的獎勵機制、整個系統中是否需要引入虛擬代幣、虛擬代幣的使用規則等。除此之外，區塊鏈技術在教學資源共享網絡構建過程中亦存在其他的不足，如隨著時間不斷增長的賬本存儲空間、區塊同步過程中較低的廣播效率等，這些都是在后續研究中需要進一步考慮的問題。

參考文獻：

[1] 尹婷婷，曾憲玉.基于區塊鏈技術的數字教育資源共享建模及分析[J].數字圖書館論壇，2019（7）：54-60.

[2] 鄧明.基于區塊鏈的在線教學案例庫構建研究[J].廣西廣播電視大學學報，2021，32（5）：40-45.

[3] 于春燕，陳桂林，祁輝，等.基于聯盟鏈的高校課程資源共享模式研究[J].滁州學院學報，2021，23（5）：109-112.

[4] 羅孟儒，袁小一，崔永.基于“區塊鏈” 的高校數字教學資源共建共享[J].高校圖書館工作，2020，40（2）：34-38，50.

[5] 高飛，楊孝天，馬冉，等.基于區塊鏈的高校優質教育資源平臺框架構建[J].高原科學研究，2021，5（2）：117-124.

【通聯編輯：李雅琪】