基于區塊鏈技術的教育數據共享平臺設計

　　摘 要： 隨著大數據、人工智能、物聯網等新興技術的高速發展，在“互聯網+”背景下，將信息技術與現代化教育繼續深度融合，利用區塊鏈的去中心化、智能合約、非對稱加密等技術，設計區塊鏈技術在教育數據中的共享場景應用，探索建立對各主體遵循教育共享標準行為激勵和約束作用的共識機制，加強教育數據共享標準的一致性，實現教育信息價值增值，是體現教育數據共享成效的重要顯性指標。解決教育數據在共享過程中出現的問題，探索區塊鏈技術如何助力教育數據共享，以期推動教育信息化的持續發展。

　　本文源自王曉東， 工業技術創新 發表時間：2021-04-25《工業技術創新》是由中國電子信息產業發展研究院和工業和信息化部部長主辦的國家科技學術期刊。該報主要面向工業技術創新領域的相關產業部門、工業企業、科研創新學術交流平臺、技術創新成果宣傳轉化領域以及戰略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產業技術創新，促進產業轉型升級，為建設創新型國家服務。

　　關鍵詞： 區塊鏈技術;教育數據共享;去中心化;智能合約;“互聯網+”

　　引言

　　目前，促進教育數據共享，推動教育信息化發展已成為國家戰略，我國已開始進行基于教育數據的教育信息化研究，并提出了大數據時代的信息化發展框架，將數據智慧轉化為“行動智慧”。數據和信息是最大價值，推動教育數據共享是教育領域創新發展的不竭動力，是教育領域綜合改革的科學力量。

　　2020年3月，我國提出要深?實施教育信息化 2.0行動計劃，完善國家“數字教育”。2019年，我國強調把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投?力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。當前，各行各業都開始關注區塊鏈技術的同時，教育行業也在積極探索利用該技術破解行業難題，促進教育行業實現“信息共享”、“互利共贏”創新發展。

　　本文將通過區塊鏈核心技術理念對有關教育數據共享問題進行分析，設計區塊鏈技術在教育數據中的共享場景應用，以求推進區塊鏈技術在教育數據共享領域中的發展。數據—信息—知識—智慧，是教育的主線，讓信息成為人腦可以獲得的知識，讓知識得到更好、更優的傳播。

　　1 教育數據概念及共享挑戰

　　1.1 教育數據概念

　　全球新一輪科技革命和產業變革方興未艾，一些新的技術在教育信息化領域處于革命性突破的前夕，我國著力探索未來顛覆性技術，從推動單一技術創新轉向構建技術創新生態，隨著大數據理念的不斷傳播以及應用的逐步深?，也推動著教育信息化技術的創新與變革。教育數據是大數據的一個子集，是指整個教育活動過程中所產生的以及根據教育需要采集到的，一切用于教育發展并可創造巨大潛在價值的數據集合[1]。教育數據在提升教育質量、促進教育公平、實現個性化學習、優化教育資源配置、輔助教育科學決策等方面有著重要作用。

　　教育數據產生于各種教育實踐活動和數字化教育資源[2]，既包括校園環境下的教學活動、管理活動、科研活動以及校園生活，也包括培訓機構、博物館、圖書館等非正式環境下的學習活動;既包括線上的教育教學內容，也包括線下的教育教學內容。教育數據共有五大來源：一是在教育教學活動過程中直接產生的數據;二是在教育管理活動中采集到的數據;三是在科學研究活動中采集到的數據;四是為受教育者提供的數字化教育內容;五是為數字化教育內容提供載體的數字化教育系統數據。

　　1.2 教育數據共享挑戰

　　隨著教育數據的進一步采集和社會文化背景的多元化發展，教育信息化這項工程會向著多元化、智能化、個性化的方向繼續演進。而與商業、交通、環境、醫療等領域的數據相比，教育數據有其更強的獨特性和復雜性，在具有巨大的發展潛力的同時又面臨著諸多的問題挑戰。

　　1.2.1 教育數據共享隱私保護問題

　　在教育信息化發展過程中，海量的教育者和受教育者信息為各種系統所獲取和利用，其中包含不少隱私信息。在大數據分布式計算、存儲等新技術廣泛應用的情況下，數據分析挖掘、共享交易等新應用場景不斷出現，導致個人隱私泄露等問題日益凸顯，保護不當將會帶來嚴重的安全問題，教育數據共享讓隱私保護面臨前所未有的挑戰。目前，關于隱私保護的主要技術為防御型技術。防御型技術是指預防和阻止個人隱私泄露的技術，如匿名保護技術、數據干擾和推演控制等。匿名保護技術效果較好，但容易導致數據可用性降低;數據干擾技術操作便捷，但其實現起來比較繁瑣且應用性不高，有一定的局限性，造成了實現比較復雜的狀況。

　　1.2.2 教育數據共享溯源問題

　　當前普遍采用的教育溯源技術解決方案，不論是標簽類還是系統集成方案類均采用中心化架構。中心化的教育溯源系統無法自證清白，這是目前教育溯源行業的根本問題。傳統教育溯源行業的系統數據庫主要是教育機構自建的數據庫中心或者教育系統技術服務方提供的教育云數據庫。因為其自身是流轉鏈條上的利益相關方，所以存在篡改教育信息，使溯源流程失效的現象。當教育數據對自己不利時，可以對溯源數據進行修改或刪除，存在故意規避自身責任的漏洞風險。同時面臨外部風險，存在黑客攻擊系統數據庫的安全隱患，將教育數據進行盜取來進行教育領域相關虛假產品的市場仿冒惡劣手段。

　　1.2.3 教育數據共享授權訪問機制問題

　　傳統的教育數據訪問機制是通過開發數據接口來提供數據訪問服務，定制開發接口和提供視圖或備份的方式是通過定制開發來滿足用戶的特定需求，但接口共享不能保證共享后的教育數據隱私和再次共享，缺乏安全性。而如果基于教育數據規范化進行開發，提供的數據在教育層面上具備更好的通用性，但數據接口缺乏靈活性，在實際教育場景中，無法滿足復雜靈活的數據需求。

　　2 區塊鏈技術助力教育數據共享

　　2.1 區塊鏈技術助力教育數據隱私保護

　　區塊鏈技術靈活地運用了密碼學原理，包括哈希函數、非對稱加密等加密算法保護數據安全。在教育數據上鏈過程中是將原始教育數據的哈希值及數據的物理存儲位置寫?區塊鏈的數據，且存儲地址為公鑰加密存儲，只有具有特定權限的用戶才能夠用私鑰進行解密訪問到相應區塊鏈數據，進行信息校驗或讀取原始數據等。區塊鏈節點之間不需要直接共享原始教育數據，能確保教育數據傳輸和存儲的數據安全，避免關鍵信息和教育隱私數據在共享和開放的過程中泄露，提高教育系統的安全性。

　　2.2 區塊鏈技術助力教育數據共享溯源

　　區塊鏈是區塊按時間順序生成、以鏈的方式組合在一起的分布式賬本系統，一旦新區塊完成共識并加?到區塊鏈，則教育數據記錄就再也不能被改變或刪除，保證了教育數據庫的完整性和真實性。區塊鏈利用時間戳、共識機制等技術手段，保證了溯源環節上各節點上鏈教育數據的真實不可篡改。應用了區塊鏈技術的“去中心化分布式記賬法”將所有教育數據公開記錄在“公共賬本”上，并只能錄?無法修改，同時通過復雜的加密算法，使得教育數據難以被攻擊和篡改。 應用區塊鏈技術構建教育數據共享賬本后，教育者、受教育者以及教育機構能夠隨時監測各個節點數據的傳輸與流通，保證了存儲數據受多方監督，有利于教育部門進行教育數據溯源監管，達到責任可究的目標。

　　2.3 區塊鏈助力教育數據授權訪問機制

　　利用區塊鏈技術的數字簽名和代理簽密能夠有效地保護教育數據在共享過程中的安全，區塊鏈技術中共識的算法，實用拜占庭容錯算法可以幫助用戶在互不信任的網絡中達到記賬的公平性和一致性，解決訪問控制中集中化管理問題。利用區塊鏈去中心化存儲的優勢，做出一個加密的訪問控制機制，該機制將數據的訪問控制權歸還給數據提供者，將訪問策略公開存儲到區塊鏈網絡中，利用智能合約對數據申請和授權進行全網監督。幫助用戶處理教育數據在共享過程中的數據授權訪問環節，減少傳統教育數據管理系統中的人工成本和時間成本。

　　3 基于區塊鏈技術的教育數據共享平臺設計方案

　　教育數據共享在提升教育質量、促進教育公平、實現個性化學習、優化教育資源、幫助教育科學決策等方面有著重要作用。基于區塊鏈技術去中心化、透明化以及安全性等特點，可以有效解決當前教育數據共享過程中的一系列問題，為教育者、受教育者、教育機構以及企業等多方提供更為標準和堅實的數據基礎，提高教育數據的精度并實施決策，以及更為深度地挖掘教育教學潛力，推進教育信息化發展[3]。基于區塊鏈的教育數據共享平臺架構如圖1所示。

　　各參與管理方以節點的方式加?區塊鏈網絡，各節點之間消息互通，確保數據層教育數據的真實性和一致性。區塊鏈服務層的關鍵技術是應用服務部分各模塊的基礎支撐，基于區塊鏈的智能合約和時間戳技術，給教育數據共享提供更安全高效的執行環境，利用區塊鏈技術的電子身份功能，對用戶、設備進行區塊鏈認證，同時對多用戶的私鑰進行管理。應用服務在關鍵技術的支撐之上，每個服務是由一組相關的規范、流程和配套的交互接口構成。通過區塊鏈層應用服務，經再次開拓對接特定場景。基于區塊鏈的教育數據共享平臺如圖2所示。

　　利用非對稱加密算法中的公開密鑰和私有密鑰，通過共享私有密鑰給某個或某部分節點用戶，開放共享教育數據，得到私鑰的機構或者用戶便可以直接訪問獲取對應的教育數據，實現教育數據共享的有效性和準確性，最大限度發揮教育數據自身的應用價值，促進教育數據的智慧性流轉。而且基于區塊鏈技術，可以記錄教育資產數據、教學數據、管理數據以及教育者、受教育者數據和教學活動等真實過程，使教育數據透明化，實現教學環節追溯、教務管理追溯、相關視頻或文字追溯以及考試測驗等活動的全程追溯。

　　4 區塊鏈技術在教育數據共享中的應用場景

　　4.1 線上學習成果認證平臺

　　線上學習成果認證多用于非正式學習場合，能夠在在線環境下認證學習者取得的成果技能或為有質量的工作和學習提供證明。這種學習認證尤其適合成人在職學習者。學習者在區塊鏈系統平臺上將自己在不同場合所獲取的學分進行匯總，平臺上記錄學習者學習內容的完成情況，利用互聯網進行公布[4]。基于區塊鏈技術的在線學習認證的框架包含證書記錄查詢平臺和底層區塊鏈分布式賬本兩大部分。其中核心是證書記錄查詢平臺，而底層區塊鏈分布式賬本技術是整個框架的技術基礎，通過全網廣播和數字加密技術實現分布式賬本記錄的不可撤銷性和安全性。將線上學習認證與區塊鏈技術體系相結合，能夠突破在線學習領域學習成果認證技術上的難點，并且達到優化整個體系的效果。使用者通過用戶接口對某一學習者的學習經歷進行查詢，能夠查詢完整的線上學習過程以及成果，實現線上學習的全過程追溯。基于區塊鏈的線上學習成果認證平臺如圖3所示。

　　4.2 教育資產數據共享

　　教育資產數據是教育數據的來源之一。當前學校教育資產數量龐大，各部門管理過程不透明，數據共享不及時，時常會發生設備閑置、重復采購以及領用人遺忘等問題。區塊鏈技術可以解決各個部門間數據共享不及時、不透明的問題，實現教育資產所產生的教育數據全民監督、人人共享。利用區塊鏈技術的分布式記賬本及數據溯源技術，將采購過程中信息和流程公示，確認采購的一致性和準確性。區塊鏈下的每個節點都獨立保留交易以及使用記錄等的所有教育資產數據信息，利用區塊鏈的時間戳功能連續性追溯，管理員可以實時掌握教育資產的使用情況、利用率以及設備技術參數。基于區塊鏈技術可以增強教育資產管理的信任度和透明度，有效解決教育資產共享和管理過程中效率低下的問題，減少人工成本，工作效率大幅提高。區塊鏈在教育資產管理中的應用平臺如圖4所示。

　　4.3 學生綜合素質評價

　　隨著考學和就業競爭的加劇，越來越多的用人單位和教育機構看重學生的綜合素質。學生綜合素質評價主要依靠教育教學活動過程中直接產生的數據和學生直接產生的數據來評測。基于區塊鏈技術構建學生綜合素質評價系統，將學生的關鍵或代表性事件、獲獎情況以及學生活動數據采用非對稱加密等技術傳輸在分布式賬簿上，通過智能合約確保了教育數據信息的安全與不可篡改，利用智能算法編寫評價算法，根據分布式賬本上的教育數據進行個人評價，通過共識機制完成各類用戶在評價過程中的交易請求，而非中心化的認證機構完成確保了綜合素質評價過程難以被欺騙，維系系統的持續穩定運行。學生綜合素質評價系統可以促進學生教育數據共享，幫助用人單位或教育機構實時查詢學生在校期間的教育數據以及評價，有利于推進教育數據共享過程中的誠信化，促進學生綜合素質發展[5]。學生素質評價平臺如圖5所示。

　　5 區塊鏈技術在教育數據共享中的展望

　　綜合考慮教育行業產業情況、發展狀況、基礎設施等因素，在重點領域和關鍵環節，積極探索開展“區塊鏈+教育”數據共享應用試點示范工作。鼓勵、支持相關企業、研究院及教育機構開展“區塊鏈+教育”數據應用，形成示范效應，如京津冀大數據教育區塊鏈試驗區搭建廊坊教育大數據區塊鏈平臺，輻射帶動周圍地區區塊鏈發展，推動“區塊鏈+教育”數據共享應用規模化，推進區塊鏈與教育數據共享融合發展，帶動更多應用場景落地。

　　區塊鏈技術能夠保障鏈上記錄教育數據的真實性、完整性和不可篡改性，但在涉及線下場景時，可能存在鏈上數據和鏈下資產實際信息不一致的問題。還需要結合其他如物聯網、大數據等技術手段，在鏈外信息數字化上鏈過程中，減少人為干預，保證相關教育數據真實可靠，才能切實保證教育數據共享。

　　6 結束語

　　盡管區塊鏈技術在教育數據中的發展和應用還面臨眾多難題和挑戰，如區塊鏈技術基礎設施和平臺的建設、維護和管理，學生學習數據的應用、所有權和隱私保護等。毋庸置疑的是，區塊鏈技術的教育數據共享應用，正在迎接新的教育教學變革，但教育依然需要傳統教育機構以保證學習與個人、職業和社會發展的相關性。目前，基于區塊鏈技術的教育數據共享應用尚處于起步階段，期待教育機構、教育者、教育研究者和學習者都抱著開放、包容的心態，積極迎接區塊鏈技術可能給教育教學帶來的沖擊、影響和變革，從心理、知識和技能上為推動區塊鏈技術廣泛而深?的應用做好相應的準備，滿足人類在日趨技術賦能的學習時代實現新型去中心化學習的需要[6]。