張娟

[摘要]區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)管理管理系統(tǒng)，具有“去中心化，不可篡改”的特點。問世以來，已被廣泛應(yīng)用在金融，出版，公安，醫(yī)療等行業(yè)?？荚囀菣z驗教學(xué)成果的重要手段，也是深化教育改革，落實立德樹人根本任務(wù)的重要組成部分。本文分析了在遠(yuǎn)程教育考試中面臨的問題，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種保證考試過程和結(jié)果公平可信的系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]遠(yuǎn)程教育;區(qū)塊鏈;考試系統(tǒng);公平可信

[中圖分類號]G724.82? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1008-4649（2022）03-0019-05

An Online Test System for Distance Education Based on Block-chain

Zhang Juan

（The Open University of? Xincheng，Xi'an 710032）

Abstract：Block-chain is a distributed data management system with the characteristics of "decentralization and non tampering". Since its inception， it has been widely used in finance， publishing， public security， medical and other industries. Examination is not only an important means to test teaching achievements， but also an important part of deepening educational reform and implementing the fundamental task of Building Morality and cultivating people. This paper analyzes the problems faced in the distance education examination， and uses the block-chain technology to design and implement a system to ensure the fairness and credibility of the examination process and results.

Key words：Distance education;Block-chain;Test system; Fair and credible

遠(yuǎn)程教育（Distance education）是主要通過互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代媒體等技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的培養(yǎng)方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程教育的優(yōu)勢和重要性越來越明顯。與傳統(tǒng)教育方式相比，遠(yuǎn)程教育的考試面臨很多問題：1.學(xué)生學(xué)習(xí)的過程基本不在同一個時間和地點，因此難以組織高效的隨堂考試;2.期末考試的成績影響學(xué)生的畢業(yè)，有些學(xué)生會想辦法作弊，由于可能面臨的不是統(tǒng)一的監(jiān)考，所以難以發(fā)現(xiàn)學(xué)生的作弊行為;3.考試組織人員等也有可能受到親戚朋友的影響，修改考試的結(jié)果等。這些問題不光影響考試的效果和公信力，也會給遠(yuǎn)程教育本身造成惡劣的影響。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式記賬技術(shù)，具有“去中心化，數(shù)據(jù)不可篡改”等特性?！皡^(qū)塊鏈”技術(shù)已逐漸成熟，目前已被廣泛應(yīng)用于金融，醫(yī)藥，物流，公安等領(lǐng)域。本文介紹了如何在現(xiàn)有的遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合“區(qū)塊鏈”技術(shù)打造一個公正可信的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，減少作弊和篡改成績的可能性，提高遠(yuǎn)程教育的質(zhì)量。

一、相關(guān)研究

（一）區(qū)塊鏈技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

2008年，化名為“中本聰”的日裔美國人首先提出了區(qū)塊鏈的概念。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫，以密碼學(xué)技術(shù)，共識機(jī)制為基礎(chǔ)，采用在多數(shù)節(jié)點中遞增式hash后追加記錄的方法，保證了數(shù)據(jù)存在多個節(jié)點，以及不可篡改和不可偽造的特性。因其功能有限，且更新數(shù)據(jù)速度慢，數(shù)據(jù)存儲代價高，區(qū)塊鏈早期的應(yīng)用僅限于比特幣。以太坊提出了智能合約的概念，利用分布式節(jié)點上的自動化腳本生成和操作數(shù)據(jù)，大大提高了區(qū)塊鏈的能力。研究普遍認(rèn)為比特幣為代表的數(shù)字貨幣是區(qū)塊鏈1.0應(yīng)用，以以太坊為代表的智能合約是區(qū)塊鏈2.0，超越貨幣的其他應(yīng)用是區(qū)塊鏈3.0。

從國內(nèi)論文發(fā)表的情況來看，區(qū)塊鏈應(yīng)用于教育的研究仍處于起始階段[1]。區(qū)塊鏈與教育結(jié)合主要在學(xué)分認(rèn)證，區(qū)塊鏈成績單與證書認(rèn)證等環(huán)節(jié)[2][3]。2016年起麻省理工大學(xué)首次啟用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)歷證書。蔣明蓉的文章介紹了牛津大學(xué)學(xué)者創(chuàng)建的第一個基于區(qū)塊鏈的伍爾夫大學(xué)，包括該大學(xué)的教學(xué)支持服務(wù)，資源支持服務(wù)和管理支持服務(wù)，其核心是追蹤教育過程，確保教學(xué)質(zhì)量和學(xué)位授予的有效性。[4]朱珂的文章介紹了將基于數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈技術(shù)的元宇宙技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育的實施路徑和框架，探索了適用于不同知識的學(xué)習(xí)情境的遠(yuǎn)程教育模式。[5]黃濤的文章提出了用區(qū)塊鏈保存學(xué)習(xí)過程中的數(shù)據(jù)，保護(hù)學(xué)生隱私。[6]李鳳英的文章分析了在遠(yuǎn)程教育中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的擴(kuò)展、效率和安全問題。[7]沈忠華的文章分析了區(qū)塊鏈技術(shù)對在線教育評估的影響。這些論文多從應(yīng)用區(qū)塊鏈面臨的問題和挑戰(zhàn)角度出發(fā)，分析區(qū)塊鏈技術(shù)對遠(yuǎn)程教育的影響，利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)具體系統(tǒng)的研究較少。[8]

（二）遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)

申田靜的文章分析了1998年至2014年的在線考試系統(tǒng)的2237篇文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在2006年之后，每年都有上百篇相關(guān)期刊文獻(xiàn)，說明國內(nèi)學(xué)者對在線考試系統(tǒng)的功能模塊，架構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域都進(jìn)行了充分的研究。遠(yuǎn)程教育考試中，在局域網(wǎng)內(nèi)部署的在線考試系統(tǒng)可以采用和傳統(tǒng)考試相同的方式監(jiān)考，其公正性更強(qiáng)，現(xiàn)在很多全國性的考試均采用這種方式，如駕校科目一，雅思等。[9]

在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的考試系統(tǒng)可以采用B/S，C/S和混合架構(gòu)。B/S架構(gòu)中，用戶只需要通過瀏覽器打開指定網(wǎng)址在線答題即可，不需要安裝額外的客戶端。C/S架構(gòu)中用戶安裝客戶端，答題在客戶端中進(jìn)行。混合架構(gòu)則是同時需要瀏覽器和安裝客戶端。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和疫情的原因，在國內(nèi)大量的復(fù)試和面試均采用基于互聯(lián)網(wǎng)的在線考試系統(tǒng)。華為，字節(jié)跳動等公司的技術(shù)面試均采用在線答題，在線編程的方式考核。2020年以來多所高校的研究生復(fù)試也采用雙機(jī)位，在線復(fù)試的方式進(jìn)行。

二、基于區(qū)塊鏈的遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)架構(gòu)

在互聯(lián)網(wǎng)上的在線考試成本低，更加方便快捷，但是難以杜絕作弊的發(fā)生，尤其是采用B/S架構(gòu)的系統(tǒng)，僅通過用戶名，密碼鑒定考試者身份，無法杜絕替考，查閱資料的事情。一些互聯(lián)網(wǎng)公司在基于B/S的系統(tǒng)上增加了禁止切換窗口的功能，禁止考生在考試過程中查資料。但是也有考生外接兩臺顯示器和鍵盤鼠標(biāo)，有其他學(xué)生看到題目在另外的機(jī)器上查答案并給予提示。

在遠(yuǎn)程教育中舉行的大規(guī)?？荚囍?，大量學(xué)生考卷內(nèi)容是一樣的。在考試過程中學(xué)生可以通過即時通訊等手段交換題目和答案信息進(jìn)行作弊。有些在線考試系統(tǒng)提出了打亂題目或答案順序的方式避免學(xué)生作弊，由于題目各不相同，系統(tǒng)管理人員可以調(diào)整題目的內(nèi)容達(dá)到更改學(xué)生成績的目的。

為了避免以上的問題，本文提出了一種B/S和C/S混合架構(gòu)的遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)與通常的在線考試系統(tǒng)功能基本一致，如圖 1所示，分為考試子系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩大部分。與傳統(tǒng)在線考試相比，在線考試子系統(tǒng)增強(qiáng)了考試過程中的過程監(jiān)控和證據(jù)采集，主要包括監(jiān)控考試過程中的軟硬件活動，以及通過攝像頭錄制考生考試過程。相關(guān)監(jiān)控和證據(jù)采集的功能主要由客戶端程序執(zhí)行。在大規(guī)模在線考試過程中，所有考生將視頻傳至考試服務(wù)器會浪費大量帶寬，影響考試的正常進(jìn)行。在考試過程中僅將視頻和提交的答案哈希后定時上傳至區(qū)塊鏈，在考試結(jié)束后進(jìn)行證據(jù)的收集和驗證。教師后臺管理部分可以查看考試過程分析的相關(guān)內(nèi)容，包括獲取視頻，分析答案提交過程等。

在使用方面，考生使用瀏覽器訪問在線考試網(wǎng)站，網(wǎng)頁提示用戶下載并安裝客戶端程序?？蛻舳顺绦蛑饕獙崿F(xiàn)以下功能：

監(jiān)控硬件設(shè)備，禁止使用雙屏幕，雙鍵盤鼠標(biāo)等。

監(jiān)控軟件活動，限定切換程序次數(shù)，監(jiān)控并記錄考試器件的復(fù)制粘貼等。

與服務(wù)器定期通訊，用心跳電文的形式包括是否有異常情況。

作為區(qū)塊鏈節(jié)點，與其他考生和考試中心的機(jī)器組成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

將考生答題信息和關(guān)鍵特征信息上鏈保存。

在考試過程中考生僅需通過瀏覽器答題，不需要操作客戶端程序。客戶端通過WMI（Windows Management Instrumentation）可以查詢顯示器，鍵盤和鼠標(biāo)的個數(shù)和信息。需要注意的是查詢的是指點設(shè)備的信息，包括鼠標(biāo)和觸摸板等。對于軟件信息的監(jiān)控只需要監(jiān)控在最前端的窗口和系統(tǒng)剪貼板即可。這類信息一般信息量不大，在考試過程中一旦發(fā)生變化，一方面客戶端會彈出提示警示考試，另一方面會把異常信息發(fā)送給服務(wù)器。區(qū)塊鏈相關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)將在第三節(jié)進(jìn)行說明。

三、關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

本節(jié)主要介紹本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)，主要包括區(qū)塊鏈的設(shè)計與實現(xiàn)，以及如何利用區(qū)塊鏈進(jìn)行考試過程證據(jù)的驗證。

（一）區(qū)塊鏈相關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)管理技術(shù)，其核心思想是將數(shù)據(jù)分成不同的區(qū)塊，根據(jù)區(qū)塊的產(chǎn)生時序前后相連，組成類似鏈表的結(jié)構(gòu)。在新的區(qū)塊上鏈的過程中，區(qū)塊頭部包含前一個區(qū)塊的哈希值，結(jié)合本區(qū)塊的數(shù)據(jù)，以及一個長的隨機(jī)數(shù)（Nounce）進(jìn)行哈希，只有該哈希結(jié)果符合特定要求（如前三位為0）的隨機(jī)數(shù)才被認(rèn)為是合法的區(qū)塊數(shù)據(jù)。第一個發(fā)現(xiàn)這個隨機(jī)數(shù)的節(jié)點具有記賬權(quán)。通過鏈?zhǔn)酱鎯蛷?fù)雜的加密算法，存儲于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有不可偽造、可溯源、集體維護(hù)等特點。

區(qū)塊鏈可以分為公有鏈，私有鏈、和聯(lián)盟鏈三類。公有鏈?zhǔn)菍λ腥斯_，用戶不需要注冊和授權(quán)就能夠匿名訪問網(wǎng)絡(luò)和區(qū)塊，任何人都可以自由加入和退出網(wǎng)絡(luò)，并參與記賬和交易，像比特幣，以太坊都是公有鏈。聯(lián)盟鏈僅限于聯(lián)盟成員進(jìn)行讀寫和查詢。因其只針對成員開放全部或部分功能，所以聯(lián)盟鏈上的讀寫權(quán)限、以及記賬規(guī)則都按聯(lián)盟規(guī)則指定。聯(lián)盟鏈上的共識過程由預(yù)先選好的節(jié)點控制，一般來說，聯(lián)盟鏈適用于機(jī)構(gòu)間的交易、結(jié)算、或清算等B2B場景，如人民銀行開發(fā)的實時結(jié)算系統(tǒng)。私有鏈僅在私有企業(yè)使用，私有鏈上的讀寫權(quán)限，參與記賬的權(quán)限都由私有企業(yè)來制定。由于私有鏈規(guī)模小，所以數(shù)據(jù)讀寫都很快，也并不需要每個節(jié)點都進(jìn)行驗證，所以對各節(jié)點的配置要求不高。私有鏈的主要價值在于提供安全、可溯源，不可篡改的數(shù)據(jù)存儲。

本系統(tǒng)采用的是基于以太坊（https：//ethereum.org/en/ ）的私有鏈，以太坊是一個開源的有智能合約功能的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。以太坊提供了多個平臺的運行程序，Windows版的壓縮包約20M。如圖 2所示，考試服務(wù)器和各考生的機(jī)器組成了一個私有的以太坊區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)?？荚嚪?wù)器通過設(shè)定起始節(jié)點的配置文件，可以創(chuàng)建一個獨立的區(qū)塊鏈節(jié)點，即私有鏈的第一個節(jié)點。隨后可為每個考生創(chuàng)建一個私有鏈賬戶，該賬戶相關(guān)信息和以太坊節(jié)點程序隨客戶端一起下載至考生機(jī)器?？忌鷻C(jī)器上的客戶端啟動時會同時啟動名為geth的程序，啟動后將和考試服務(wù)器組成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

（二）考試過程證據(jù)的加密上鏈與驗證

本系統(tǒng)使用區(qū)塊鏈的目的是為了保存考試過程中的證據(jù)，主要包括考生答題情況和視頻數(shù)據(jù)特征。web3j是Java版本的以太坊JSON RPC接口協(xié)議封裝實現(xiàn)，瀏覽器和應(yīng)用程序都可訪問該接口存取區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)。

因為區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)在所有節(jié)點都可訪問，所以考試過程的考生的答題數(shù)據(jù)不能直接保存在區(qū)塊鏈上。系統(tǒng)采用的方法是將多個題目的答案組成字符串序列后進(jìn)行哈希，將哈希的結(jié)果保存在區(qū)塊鏈上。其他考生即使獲取了哈希的結(jié)果，也無法通過哈希獲得原始的答案。另一方面，由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的匿名性，考生不知道那份哈希具有更高的正確性。在考試結(jié)束后，考試管理系統(tǒng)可從原有的考試系統(tǒng)中獲取考生的最終答案，計算哈希后與鏈上保存的值進(jìn)行對比，如不一致說明有人考試后篡改了考生數(shù)據(jù)。

相比與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)更新速度較慢。而且在大規(guī)模遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)中，實時傳輸所有人的視頻數(shù)據(jù)至服務(wù)器對帶寬提出了很高的要求。本系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)采取分段保存，哈希后將特征值上鏈的方式鎖定視頻內(nèi)容。在考試結(jié)束后，如需讓考生提交視頻數(shù)據(jù)，考試中心會根據(jù)視頻的哈希值判斷視頻是否是原始視頻。

系統(tǒng)增加的區(qū)塊鏈主要用于考試過程的證據(jù)采集，最重要的一個設(shè)計準(zhǔn)則是不影響考生使用在線考試系統(tǒng)進(jìn)行答題。系統(tǒng)設(shè)計過程中答題數(shù)據(jù)通過在前端頁面設(shè)計Ajax異步調(diào)用的方式提交給web3j，避免區(qū)塊鏈服務(wù)接口服務(wù)慢影響網(wǎng)頁加載速度。

四、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行了功能測試，功能測試情況如下∶

1）考試數(shù)據(jù)上鏈存證：與原有系統(tǒng)相比，考試過程中考生并未感到有明顯的延遲; 考生提交的答案考試結(jié)束后未修改時，遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)驗證通過。如考試結(jié)束后答題記錄有修改，遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)驗證不通過。

2）視頻數(shù)據(jù)上鏈與驗證∶在考試過程中，每5分鐘各考生節(jié)點計算該時段視頻數(shù)據(jù)的哈希值并上鏈;考生提交指定視頻后，如視頻是原始視頻，則驗證通過;如視頻有修改，則驗證失敗。

3）軟硬件監(jiān)測∶考試過程中如發(fā)現(xiàn)有多個顯示器或輸入設(shè)備，會提示考生禁用對應(yīng)設(shè)備?？荚囘^程中如發(fā)現(xiàn)多進(jìn)程頻繁切換，會提示考生注意，并將進(jìn)程切換的過程截圖發(fā)給考試中心。

五、總結(jié)及分析

本文提出了一種利用“區(qū)塊鏈”技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)的方法，利用“區(qū)塊鏈”系統(tǒng)數(shù)據(jù)不可篡改的特性，最大限度的保證了考試的公平公正。實驗結(jié)果表明，結(jié)合區(qū)塊鏈的考試系統(tǒng)性能和功能都能滿足遠(yuǎn)程教育考試的需求，可供教師進(jìn)行日?？荚嚭推谀┛荚嚨?。區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲效率低，更新慢的特點。其上保存的數(shù)據(jù)同時保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的多數(shù)節(jié)點中，造成了存儲資源的浪費。對于考試系統(tǒng)而言，考試的過程數(shù)據(jù)不用長期保存，將來應(yīng)結(jié)合教務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計將區(qū)塊鏈上的舊數(shù)據(jù)刪除的機(jī)制和方法。另外，客戶端在監(jiān)考過程中可以通過目標(biāo)識別和眼動跟蹤等技術(shù)更智能地實現(xiàn)自動化監(jiān)考，降低監(jiān)考人員的負(fù)擔(dān)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 吳永和，等. 國內(nèi)外“區(qū)塊鏈+教育”之研究現(xiàn)狀、熱點分析與發(fā)展思考[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2020，38（1）：38-49.

[2] 王綱，等. 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高校網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)[J]. 辦公自動化，2021，26（21）：57-59. DOI：10.3969/j.issn.1007-001X.2021.21.020.

[3] 周繼平，等. 基于區(qū)塊鏈的教育資源共享平臺開發(fā)及在學(xué)分銀行建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 中國職業(yè)技術(shù)教育，2020（30）：41-47. DOI：10.3969/j.issn.1004-9290.2020.30.005.

[4]蔣明蓉，等. 遠(yuǎn)程教育中基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)習(xí)支持服務(wù)新模式探索——伍爾夫（Woolf）個案研究[J]. 成人教育，2019，39（11）：7

[5]朱珂，等. 元宇宙賦能大規(guī)模超域協(xié)同學(xué)習(xí)：系統(tǒng)框架與實施路徑[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2022，40（2）：24-34.

[6] 黃濤，等. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的精準(zhǔn)化學(xué)習(xí)評價機(jī)制與方法[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2021，33（1）：3-12. DOI：10.3969/j.issn.1009-5195.2021.01.001.

[7] 李鳳英. 融入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間： 途徑、價值與管理模式[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2019，37（6）：72-80.

[8] 沈忠華. 新技術(shù)視域下的教育大數(shù)據(jù)與教育評估新探——兼論區(qū)塊鏈技術(shù)對在線教育評估的影響[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2017，35（3）：31-39.

[9]申田靜，等. 國內(nèi)在線考試系統(tǒng)研究綜述[J]. 中國教育技術(shù)裝備，2015（14）：19-22. DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2015.14.019.

[責(zé)任編輯 張宇龍]