袁競

摘要：在線教學(xué)資源庫是重要的課程教學(xué)資源，傳統(tǒng)的在線教學(xué)資源庫通過前后臺+本地數(shù)據(jù)庫的方式進行構(gòu)建，存在著存儲中心化、呈現(xiàn)分散化以及運營成本較高的缺點。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性在教育領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，亦對教學(xué)資源的共享提供了新的可能性。文章以區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈為基礎(chǔ)，提出了基于其的在線教學(xué)資源庫的框架結(jié)構(gòu)、構(gòu)建了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，并設(shè)計了基于聯(lián)盟鏈的在線教學(xué)資源庫的資源上傳、下載、更新和刪除的工作機制。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；教學(xué)資源庫；框架結(jié)構(gòu)；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(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

教育部于2018年印發(fā)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(shè)想，通過教育資源共享以促進開放教育資源的建設(shè)與交流，打破數(shù)字教育資源共享發(fā)展的壁壘，滿足學(xué)生和教師關(guān)于數(shù)字教育資源的需求，從而加快教育現(xiàn)代化建設(shè)、推動教育信息化的發(fā)展進程[1]。構(gòu)建在線教學(xué)資源庫，可以為遠程在線教育提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源與案例，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)支持服務(wù)，適應(yīng)新時代與疫情環(huán)境下的教育教學(xué)要求。構(gòu)建一種新型的、能夠滿足多方需求的教學(xué)資源共享模式成為教育信息化建設(shè)過程中需要解決的問題[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、可追溯性、高安全性等特點，以及為信息共識、數(shù)據(jù)共享提供的高安全性保障，使得其為構(gòu)建在線教育資源共享模式提供了新的可能性。

1 在線教學(xué)資源庫的開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 教育資源中心化存儲

傳統(tǒng)的在線教育教學(xué)資源的開發(fā)模式往往是由學(xué)校組織，由學(xué)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(tǒng)的中心化的方式、應(yīng)用模式屬于前后臺調(diào)用的方式，就單一學(xué)校的使用而言，該模式可能可以滿足師生的日常教學(xué)需求。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)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(shù)據(jù)調(diào)用模式存在著諸多缺陷。中心化的數(shù)據(jù)存儲方式極易受到網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)入侵抵抗能力較弱，使得數(shù)字化教育資源極易被篡改。前后臺的數(shù)據(jù)調(diào)用模式在系統(tǒng)升級以及平臺移植的過程中顯得不夠友好，需要考慮數(shù)據(jù)與平臺的兼容性問題。

1.2 教育資源分散化呈現(xiàn)

在傳統(tǒng)模式下，在線教育教學(xué)資源的開發(fā)和應(yīng)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(xiàn)狀態(tài)以分散化的方式出現(xiàn)，不同學(xué)校、不同地區(qū)的教育教學(xué)資源獨立使用，資源的共享與交流的程度不高[3]。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，高校以構(gòu)建專題網(wǎng)站、精品課程網(wǎng)站以及學(xué)習(xí)平臺的方式，加快了教育教學(xué)資源的傳播與教學(xué)過程中的實際應(yīng)用。但受限于網(wǎng)絡(luò)本身條件、地域環(huán)境、學(xué)習(xí)軟硬件等因素，在線教育教學(xué)資源的共享程度仍受到較大程度的影響，無法實現(xiàn)最大范圍、最大限度的共享與交流。

1.3 缺乏統(tǒng)一規(guī)范、運營成本較高

由于傳統(tǒng)在線教育教學(xué)資源的分散建設(shè)，建設(shè)過程中各自為政，資源之間缺乏互補與動態(tài)交流，因而缺乏統(tǒng)一的資源建設(shè)標準，教育教學(xué)資源的重復(fù)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(xué)資源的建設(shè)涉及學(xué)校多個部門的分工與合作，是一項跨部門的系統(tǒng)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(xué)資源在網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，處理復(fù)雜的利益分配與協(xié)調(diào)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(qū)塊鏈技術(shù)的在線教學(xué)資源庫模型

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈從技術(shù)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(shù)據(jù)塊通過索引連接的鏈式結(jié)構(gòu)，使用與維護區(qū)塊鏈的每個節(jié)點在更新這個鏈式賬本時，所有的節(jié)點都會參與到區(qū)塊的存儲、驗證與傳遞的過程中，共同維護區(qū)塊的安全[5]。區(qū)塊分為區(qū)塊頭部與區(qū)塊體。區(qū)塊體內(nèi)以默克爾樹的結(jié)構(gòu)存儲從上一區(qū)塊到本區(qū)塊之間所有交易的哈希值，默克爾樹的根節(jié)點則存儲在區(qū)塊頭部中，區(qū)塊頭部中另外還會存儲前后區(qū)塊的地址信息。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)大致分為公共鏈、私有鏈與聯(lián)盟鏈三類，基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)資源庫采用聯(lián)盟鏈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。聯(lián)盟鏈通常構(gòu)建于多個相互已知身份的組織之間，相較于其他類型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，有更高的效率、更少的約束、更快的運行速率。只有加入聯(lián)盟的成員才有數(shù)據(jù)的共享權(quán)，因此聯(lián)盟鏈也提供了更好的交易數(shù)據(jù)安全隱私保護。Hyperledger Fabric系統(tǒng)是當前較為流行的聯(lián)盟鏈開發(fā)平臺，其包含了節(jié)點、賬本、組、通道等要素。節(jié)點中包含了客戶端節(jié)點、記賬節(jié)點、背書節(jié)點、排序節(jié)點、主節(jié)點等角色?？蛻舳斯?jié)點即客戶端，通過其他角色的節(jié)點接入?yún)^(qū)塊鏈；記賬節(jié)點負責驗證交易、維護賬本；背書節(jié)點負責在執(zhí)行數(shù)據(jù)交易時進行簽名背書的操作；排序節(jié)點負責接收包含背書簽名的交易，并將交易進行區(qū)塊打包并排序的操作；主節(jié)點從排序節(jié)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(jié)點構(gòu)成了組，是數(shù)據(jù)信用責任的區(qū)塊鏈系統(tǒng)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(gòu)造交易、排序節(jié)點排序并生成區(qū)塊、主節(jié)點通過廣播接收區(qū)塊、驗證區(qū)塊并計入賬本、組內(nèi)同步新塊。

區(qū)塊鏈中除了區(qū)塊與鏈式結(jié)構(gòu)外，另一重要組成部分是智能合約，其是一套以數(shù)字形式定義的承諾與參與方需要執(zhí)行的協(xié)議。智能合約通過代碼或者預(yù)編譯的腳本來實現(xiàn)，具備不可篡改性、一致性等特點，因此智能合約保證了接入?yún)^(qū)塊鏈的所有節(jié)點能夠完成統(tǒng)一的操作。

2.2 總體架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)資源庫是在Hyperledger fabric的框架上進行設(shè)計開發(fā)，數(shù)據(jù)層中以區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)保存相關(guān)數(shù)據(jù)，合約層中部署各類智能合約，結(jié)合教學(xué)資源上傳、下載與瀏覽的使用需求，基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)資源庫總體結(jié)構(gòu)劃分為應(yīng)用層、合約層、數(shù)據(jù)層以及物理層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物理層是整個框架中的最底層，由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸用的相關(guān)硬件以及安裝在其上的操作系統(tǒng)和軟件組成，以提供底層的軟硬件支持服務(wù)。數(shù)據(jù)層建立在物理層之上，主要功能是數(shù)據(jù)的存儲與交互，包含基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲模式，以及實現(xiàn)在數(shù)據(jù)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(xiàn)向上層應(yīng)用提供功能應(yīng)用的接口、向下層傳遞數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進行交互，其功能的實現(xiàn)通過多項智能合約完成。合約層中包含了權(quán)限合約、傳輸合約以及對合約的管理機制等，權(quán)限合約自動完成訪問人員的身份驗證、權(quán)限授予等，傳輸合約自動完成數(shù)據(jù)區(qū)塊的定位、傳輸通道的分配以及數(shù)據(jù)的傳輸，合約管理則是完成智能合約的安裝、部署與更新。應(yīng)用層位于整個框架結(jié)構(gòu)的最上層，用以實現(xiàn)各種用戶需求、提供各類服務(wù)功能，包含對教學(xué)資源的數(shù)據(jù)管理、用戶的管理、區(qū)塊的管理等。應(yīng)用層是用戶的接口層，透明化底層的功能實現(xiàn)過程，為用戶提供直接的操作界面。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)資源庫采用聯(lián)盟鏈的形式，結(jié)合 Fabric 的技術(shù)架構(gòu)，以“數(shù)據(jù)庫+Fabric”的方式構(gòu)建，將教學(xué)資源存儲于各個節(jié)點的本地數(shù)據(jù)庫中，區(qū)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在線教學(xué)資源庫的聯(lián)盟鏈底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由組內(nèi)節(jié)點、排序節(jié)點和區(qū)塊鏈和構(gòu)成。教學(xué)資源庫的用戶包括瀏覽資源的學(xué)生、上傳資源的教師、進行資源管理的管理者，根據(jù)用戶的權(quán)限以及對不同種類教學(xué)資源的需求將其劃分為多個組別，各個用戶節(jié)點成為組內(nèi)節(jié)點，按照其角色功能分為三類：主節(jié)點、記賬節(jié)點以及背書節(jié)點。當有新的區(qū)塊接入鏈中時，排序節(jié)點負責提供排序服務(wù)，并與由管理者用戶充當?shù)闹鞴?jié)點進行通信，記錄新增區(qū)塊的相關(guān)信息。在進行資源操作產(chǎn)生數(shù)據(jù)交易的時候，普通用戶節(jié)點充當記賬節(jié)點的角色，負責區(qū)塊交易記錄、維護賬本信息、記錄狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時根據(jù)智能合約中的背書策略動態(tài)承擔背書節(jié)點角色，負責接收交易背書的請求并進行數(shù)字簽名。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的在線資源庫工作流程

3.1 教學(xué)資源上傳流程

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

3.2 教學(xué)資源的瀏覽與下載

相較于教學(xué)資源的上傳，教學(xué)資源的瀏覽與下載無需更新區(qū)塊鏈中的區(qū)塊，只需要背書節(jié)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(jié)點都具備的權(quán)限，當用戶登錄區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過身份驗證后，即可進行教學(xué)資源的瀏覽操作。用戶可以通過關(guān)鍵字以及專業(yè)類別進行教學(xué)資源的瀏覽。關(guān)鍵字瀏覽即是通過教學(xué)資源的名稱、課程名稱等進行資源的搜索，專業(yè)類別的瀏覽即是通過教學(xué)資源所屬的專業(yè)進行資源的瀏覽。從安全的角度考慮，教學(xué)資源的瀏覽也需要更高權(quán)限的節(jié)點以及區(qū)塊鏈中一定數(shù)量的同級節(jié)點進行簽名執(zhí)行背書操作，再由智能合約完成教學(xué)資源的搜索。用戶節(jié)點在完成教學(xué)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(tǒng)驗證其是否具備下載權(quán)限。資源下載的過程同樣需要區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)節(jié)點執(zhí)行背書操作，然后由智能合約為用戶節(jié)點提供資源地址。

3.3 教學(xué)資源的更新與刪除

教學(xué)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(fā)出申請，在系統(tǒng)驗證其權(quán)限后，由智能合約區(qū)分資源類別，通過背書節(jié)點執(zhí)行背書策略，記賬節(jié)點進行賬本更新并生成新的區(qū)塊，同時進行數(shù)據(jù)庫中資源的更新操作。其中與教學(xué)資源上傳稍顯不同的點在于其背書策略的執(zhí)行，除了需要更高權(quán)限的節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)中一定數(shù)量節(jié)點的背書簽名外，還需要該教學(xué)資源原上傳節(jié)點的簽名背書。由于基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)資源庫采用“數(shù)據(jù)庫+Fabric”的構(gòu)建方式，區(qū)塊中僅存儲各個節(jié)點的操作數(shù)據(jù)，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(jīng)過申請到背書操作后，生成的新的區(qū)塊中記錄刪除資源的相關(guān)操作，系統(tǒng)則將數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的資源數(shù)據(jù)進行刪除。

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用為在線教學(xué)資源共享的實時性、可靠性、安全性提供了技術(shù)保障，解決了傳統(tǒng)教學(xué)資源庫在建設(shè)過程中中心化存儲、分散呈現(xiàn)帶來的安全性低和運營成本高的問題。在系統(tǒng)的構(gòu)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(xué)資源上傳用戶的獎勵機制、整個系統(tǒng)中是否需要引入虛擬代幣、虛擬代幣的使用規(guī)則等。除此之外，區(qū)塊鏈技術(shù)在教學(xué)資源共享網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(qū)塊同步過程中較低的廣播效率等，這些都是在后續(xù)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(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字教育資源共享建模及分析[J].數(shù)字圖書館論壇，2019（7）：54-60.

[2] 鄧明.基于區(qū)塊鏈的在線教學(xué)案例庫構(gòu)建研究[J].廣西廣播電視大學(xué)學(xué)報，2021，32（5）：40-45.

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

[4] 羅孟儒，袁小一，崔永.基于“區(qū)塊鏈” 的高校數(shù)字教學(xué)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(qū)塊鏈的高校優(yōu)質(zhì)教育資源平臺框架構(gòu)建[J].高原科學(xué)研究，2021，5（2）：117-124.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】