基于区块链的高校联盟学分管理系统研究

    刘永贵 欧梦吉 刘瑞

    

    

    摘 要:促進高校联盟主体间信任是区块链在高等教育领域应用热点。以EduCTX项目为例,阐述基于区块链的跨校学分管理系统业务模型、技术模型,总结优缺点与面临的挑战。EduCTX项目以学分登记、跨校转移、证伪为核心业务,以高校、学生、雇主为服务对象,构建以ARK技术、Dpos共识机制、Github开源平台为基础的六层开放联盟式学分管理区块链系统。区块链去中心化特征与高校松散联盟需求相契合,分布式账本增强教育合作的信任感,降低成本。但也存在学分可交易性差,使之很难形成有效激励机制,对高校与学生不可信任的预设有悖于学校立德树人使命,学分记录永久不变不利于实现终身学习等问题。

    关键词:区块链;高校联盟;学分管理

    DOI:10. 11907/rjdk. 201207????????????????????????????????????????????????????????????????? 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

    中图分类号:TP319 ? 文献标识码:A ??????????????? 文章编号:1672-7800(2020)011-0120-06

    Research on University Alliance Credit Management System

    Based on Blockchain

    LIU Yong-gui1, OU Meng-ji1, LIU Rui2

    (1. School of Education Science and Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications;

    2. Department of Basic Education, Army Engineering University, Nanjing 210023, China)

    Absrtact: Promoting inter-institutional trust in university alliances is a hotspot in the application of blockchain in higher education. Taking EduCTX project as a case, the paper analyzes the business model and technology model of the cross-universities credit management system based on blockchain, and summarizes its advantages and challenges. According to the research, EduCTX has formed a business model with student credit registration, cross-universities transfer and falsification as the core business, and universities, students and employers as the service objects. With ARK technology, Dpos consensus mechanism and Github open source platform, the project built a six-layer open alliance blockchain system for credit management. Its decentralized characteristics meet the needs of loose cooperative alliances among universities, and distributed ledgers strengthen the trust of cross-universities education cooperation and reduce the cost. However EduCTX is also faced with the poor tradability of credits representing learning results, which makes it difficult to form an effective incentive mechanism. The assumption that universities and students cannot be trusted is contrary to the mission of universities to cultivate morality and talents. The permanent? credit record is not conducive to students pursuit of lifelong learning.

    Key Words: blockchain; university alliance; credit management

    0 引言

    区块链技术已应用到多个领域,从开始的数字货币扩展到数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等[1]。区块链在我国高等教育领域应用尚处于构想阶段,如何促进区块链技术与高等教育深度融合,破解当前我国高等教育中信息孤岛、资源不均衡、跨校合作壁垒高等问题,是教育信息化发展面临的新挑战。

    欧美发达国家2016年开始在高等教育领域积极探索区块链技术应用,如麻省理工学院、霍尔伯顿学院、尼科西亚大学等,将区块链技术应用于高校学位管理[2]、学习结果总结性评估[3]、学位记录和证书存储访问[4]等领域,降低学历证书欺诈[5],尝试学术技能与成就奖励货币化[6],提高录取、注册等流程效率,以减少管理成本[7];探索区块链教育应用[8],提出基于区块链的证书颁发、验证和分享技術方案[9],建立基于区块链的学习信息、荣誉和奖励教育记录系统方案[10],基于区块链的MOOC学习者身份识别与认证系统模型[11],基于区块链的学分银行系统模型[12],基于区块链的学习成果管控模型[13]。上述区块链教育应用模型多是系统模型设计,尚未开发出可用平台并应用。对已有区块链教育应用分析则是综合多个案例,从教育视角分析居多。区块链教育应用是教育模型与技术模型的结合,投入应用的系统与最初的设计思路相比必然有很大变化,所以对应用案例的理论反思有助于促进区块链技术在高等教育中应用。

    EduCTX项目2016年启动,该项目参照欧洲学分转移和累积系统(ECTX),率先利用区块链技术探索全球高校学分与学历证书管理。2017年平台建成并投入使用,迄今已运营两年多,是具有全球代表性的区块链教育应用个案。本文以EduCTX项目为例,从教育业务模型、技术模型以及两者结合视角,分析其推进中的困难与挑战,以期为我国高等教育应用区块链技术提供借鉴。

    1 学分与学历证书管理

    随着高等教育国际化与高校国际联盟组织发展,学分互认成为校际、国际间高校文化交流、课程共享的基础。当前大多数高校都有自己的学分管理系统,存储有学生课程记录。学生个人数据仅用于查看或打印完成的课程记录。学生学术记录很敏感,并且有复杂的管理规定,且因为数据的标准化,以及存储、安全性等原因,其它高校几乎无法直接获取这些数据。如果学生有转校或访学需求时,会因系统不能互访而无法直接证明其学分或学历证书真伪。此外,当学生完成学业后,如果毕业证丢失,补办又是一个复杂过程。建立全球去中心化、可信赖、安全的学分与学历证书管理平台具有现实意义。

    区块链技术通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段, 在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作[14],能较好解决信息不对称问题,有助于实现多个主体之间的协作信任与一致行动。EduCTX项目是针对欧洲学分转移和累积系统(简称ECTX)面临的难题,利用区块链技术为个人、高校、用人单位对学历证书管理、颁发和呈现提供的技术平台,将不同利益相关者聚集在一起,创造一个全球化、高效、精简和多样化的环境,以避免跨国、跨校合作中的语言与行政障碍[15]。以区块链技术突破组织间边界,解决高等教育国际化中联合授予学位、学生交换项目等难题,推动高校深度合作。

    2 EduCTX项目分析

    EduCTX项目建立在分布式对等网络系统上,以代币(token)代表学生已完成课程的学分值,构建一个基于区块链技术的去中心化、分布式、可互操作、统一、易用的学分与学历证书管理系统。任何组织或个人能够在此系统核实学历证书是否合法,以有效减少文本工作,改善高校间沟通,简化学生学分与学历证书存储与管理,加快学分、学历证书验证过程,满足客户需求。

    2.1 EduCTX业务流程与功能模型

    EduCTX区块链网络平台用户主体为高校、学生及潜在雇主。对高校或其它组织而言,EduCTX平台有利于成员组织各种讲座、研讨会或培训班,并为参与学生提供数字证书,能相互共享和验证其它机构颁发的证书可信度。对学生而言,该平台为学生提供一个安全的数字钱包,能够轻松地向任何组织或机构证明其所持证书的完整性与合法性。

    该平台实现高校成员注册、资格审查与高校区块链网络节点的联通功能;实现学分登记、跨校、跨国转移功能;实现雇主等第三方组织对学分与学历证书的真伪验证功能。如图1所示,非成员通过平台提出申请,经其它成员审核后成为正式成员。成员高校各自建立网络节点,共同形成EduCTX区块链网络。成员高校及师生都可加入该网络。学生在成员高校注册后,平台会分配一个专门的区块链钱包。学生完成课程后,高校教师将课程对应学分的ECTX代币转移到学生区块链地址。学生只需提供自己的区块链地址即可在全球范围内向雇主、高校证明自己已完成的课程、学历证书。整个过程不存在管理、文字或语言方面的障碍。

    2.1.1 高校加入EduCTX平台流程

    非成员高校通过EduCTX平台提出申请后,平台会为其生成区块链钱包和地址,地址中包含一组公共密钥和私有密钥。生成地址后,平台会自动将申请高校的注册请求发送给EduCTX平台中某个成员高校。成员高校先验证申请高校官方信息,接着将ECTX代币转移到申请高校的区块链地址中。平台确认交易后,成员高校通过私有通道向申请高校提出发送报销单(Reimbursement),即ECTX代币请求。申请高校通过其私人渠道收到成员高校的报销单请求后,将ECTX代币转移到成员高校的区块链地址,并告知成员高校验证与申请交易是否存在。如果报销单数值不正确,则成员高校终止申请注册过程。如果正确,成员高校将适当数量的ECTX代币传输到申请高校,并通过EduCTX平台向申请高校发送指令帮助其建立区块链网络节点。网络节点建立成功后,申请高校正式加入EduCTX区块链。如果成员高校履职不佳,或不按照协议使用相应权限,则成员高校可以投票撤销其资格,并将其分配给新的或现有成员高校,以确保所建立的区块链网络安全和可信任。

    2.1.2 学生注册流程

    学生注册时,平台为学生分配一个ID并生成一个新区块链地址,地址包含公共密钥和私有密钥,并分配一个2-2多重签名区块链地址,里面存储发送者-发送学分高校名称、接收者-匿名出现的学生、代币-课程学分值、课程名称等信息。该多重签名区块链地址与学生ID存储在成员高校数据库中。高校将ECTX代币转移到学生2-2多重签名区块链地址中,并通过高校的私人通道为学生提供区块链多重签名钱包设置所需信息,具体包括设置EduCTX区块链钱包说明、含有学生公共密钥和私有密钥的区块链地址、学生所在高校的公共密钥、兑换脚本(Redeem script)等,学生依此信息建立自己的区块链钱包,用本人公共密钥和组织公共密钥设置2-2多重签名区块链地址,并生成和签署ECTX代币传递到所在高校区块链地址。高校使用私有密钥签署交易,确认该生已成功创建钱包。

    2.1.3 学分登记流程

    考试结束后,教师即可確认并发布考试结果。教师或高校管理办公室找到学生区块链地址,根据课程对应学分使用区块链钱包将适当数量的ECTX代币转移到学生的2-2多重签名区块链地址。其结果存储在学校区块链节点中心数据库中,同时在中心数据库做备份。

    2.1.4 第三方组织验证学生学分记录流程

    学生发送自己的区块链地址和兑换脚本给验证者,验证课程学分或学历证书真伪。组织检查兑换脚本以验证学生的区块链地址,并使用区块链平台访问区块链数据,检查2-2多重签名地址中ECTX代币数量。之后通过私人通道要求学生使用私有密钥签署一条消息以验证身份,如果签名消息通过验证则确认ECTX代币属于该学生。

    2.2 EduCTX平台技术架构

    2.2.1 基于ARK技术构建开放式联盟式EduCTX区块链

    区块链有公共型、私有型、联盟型,EduCTX项目基于ARK,采用DPoS共识机制构建兼具公共与联盟特征的教育区块链。ARK不仅是一种加密货币,还是一个区块链大规模应用生态系统,能将各种原本竞争的高校区块链网络节点连接起来,实现各区块链之间的互操作。此外,ARK开放、灵活,提供12种以上适合不同客户开发的编程语言,方便各种私有区块链网络节点加入该平台,提升区块链技术及其客户端应用程序的可用性[16]。EduCTX平台更改DPoS的共识参数,将ARK区块链调整为联合型区块链。该技术能保证高校在加入区块链联盟系统时保持相对独立性,更好地吸引高校加入EduCTX项目。

    2.2.2 EduCTX区块链架构

    如图2所示,EduCTX区块链平台采用常规的6层架构。

    (1)数据层。EduCTX平台数据存储在各高校自建的网络节点中。各成员高校节点搭建Linux服务器,使用PostgreSQL建立节点数据库。EduCTX平台使用IPFS数据存储方式。IPFS是一个面向全球、去中心化、点对点的分布式文件系统,能将所有具有相同文件系统的计算设备连接在一起。每个高校的网络节点只存储其感兴趣的内容,以及确定哪个节点存储什么内容的索引信息。这种数据存储方式能降低成员高校的服务器存储成本与带宽成本,提高网络效率。

    (2)网络层。EduCTX采用p2p连接各高校网络节点。基于P2P的EduCTX区块链网络没有中心节点,各高校网络节点平等、自治,任意两个节点可直接进行学分交换,任何时刻每个节点都可自由加入或退出。每个节点均拥有路由发现、广播交易、发现新节点等功能。成员高校节点在本地服务器上装有EduCTX区块链客户端,本地服务器具有整个区块链分类账户备份,以增加系统的安全性。整个网络通过双重密钥和2-2多重签名机制实现各节点间数据交换认证。

    (3)共识层。EduCTX系统采用并改编了DPos共识机制。DPoS是一种民主化机制,各成员节点间相互平等,进出自由,且不影响整个区块链网络运行。基于Dpos共识机制,新成员高校可以基于预先协议加入网络,成员高校通过新成员高校已有的信息系统进行身份验证,并可利用自己的信用提名其它高校加入EduCTX网络,负责验证交易并保证整个区块链网络安全。

    (4)激励层。EduCTX系统以ETCX代币多少表征学生学分数值,并为每个用户分配一个钱包存储ETCX代币。成员高校、雇主单位、学生通过ETCX代币交易实现学分转移和证伪。使用钱包不需要网络同步,用户通过钱包可以查看任何帐户的地址,可以将代币存储到对应的区块链地址,支持各种类型代币数据每5分钟更新一次。当钱包所连接的区块链节点不可用时,系统会自动连接到其它运行良好的节点。

    (5)智能合约层。EduCTX系统采用TypeScript、JavaScript脚本建立合约层,实现用户间自动交易。TypeScript是微软开发的自由和开源的编程语言,是JavaScript的一个超集,提供可选的静态类型、类和接口,为各节点数据交换提供标准。JavaScript脚本模块是用于发送ARK事务的JavaScript库,无需成员高校节点安装ARK节点,利用已有节点即可实现交易。

    (6)应用层。EduCTX系统是利用Github开源平台由相关成员单位协同开发而成。平台使用REST API建立客户端,为用户提供浏览器客户端、钱包客户端、CLI客户端等多种人机交互界面,实现与各成员高校系统整合与无缝对接,为用户提供有效、可信赖、透明的学分、学历证书管理及转移服务。

    2.2.3 基于Github的模块化EduCTX平台

    根据MIT许可证[17],使用Github软件开发EduCTX平台。GitHub 是一个开源的开发平台,提供代码仓库托管、基本 Web 管理界面、订阅、讨论组、文本渲染、在线文件编辑器、协作图谱(报表)、代码片段分享等功能,目前有? ? 4 000万用户[18]。之所以选择GitHub平台,是因为开源平台上任何成员可根据需要修改代码,同时也可向其他用户分享其代码,从而形成EduCTX生态系统。成员高校在保持自身网络节点系统独立的基础上,还能互操作和数据共享。

    EduCTX平台在Github开源平台搭建7个模块[19]:①ectx-initiative模块。是平台前端网站,遵守MIT许可协议。该协议简单,仅要求保留版权和许可通知,无需提交源代码,可在不同条款下准许代码产品提交、修改、分发等;②ectx-node模块支持各区块链节点建设,为各网络节点提供程序安装包,搭建基于ARK技术的网络节点,使用SPV简单区块链验证方式建立路由表,删除不安全API接口等;③ectx-explorer模块为平台建立区块链浏览器,与平台核心API结合使用。浏览器使用Redis缓存数据,使用Freegeoip解析IP地理位置数据;④ectx-desktop模块为用户提供跨平台ECTX钱包客户端。钱包客户端支持在Windows、Linux和Macosx上运行;⑤ectx-ts模块是ECTX API包装器,采用TypeScript编写,是一个便于用户与ARK区块链交互的客户端库;⑥ectx-js模块主要负责从客户端或服务器发送ECTX代币交易,既可在客户端作为browserify的编译模块使用,也可在服务器上作为标准Node.js模块使用;⑦ectx-client模块是ECTX区块链中面向节点高校的CLI客户端。成员高校通过该客户端可以联系开发者团队、主网,或定制基于ARK的私有或公共区块链,可以获取网络状态信息,创建或获取帐户状态,创建虚拟帐户,进行审核、授权、投票、交易签署、消息验证等业务。

    2.2.4 EduCTX区块链数据安全保障技术

    区块链钱包数据可能被对手窃取,冒充学生伪称学术成绩,此为EduCTX区块链潜在风险,数据安全保障技术是关键。EduCTX系统采用多种数据安全保护机制:①EduCTX钱包集成Ledger NanoS硬件钱包用于存储密码,以保护资产和数字支付[20];②用户钱包采用2-2多级多重签名地址技术,里面包含高校公共密钥和学生公共密钥。学分交易中需要高校使用学生私有密钥签名才能将代表学分的ECTX代币进行交易,所以学生无法将获得的任何ECTX代币发送给其它区块链地址;③采用匿名机制。区块链地址与用户身份没有直接关联,以避免身份被盗。区块链地址存储和接收ECTX代币只需展示区块链地址就可确认课程完成情况;④采用双重密钥技术。EduCTX区块链中的公共密钥和私有密钥由随机数字和字母组成;⑤钱包补发机制。如果私有密钥丢失,无法证明所拥有的区块链地址和ECTX代币,学生可向其所在高校申请重新分配一个新的区块链地址,高校验证其记录并将代币转移到新的区块链地址,原有区块链地址作废。

    3 EduCTX项目创新点

    (1)区块链技术去中心化特点契合高校间松散联盟合作需求。作为一种自愿结合的联合体, 高校联盟建立与发展无疑需要联盟成员之间相互助力。而当前高校联盟建设往往呈现出牵头学校热情高、任务重, 而其他成员缺乏实际责任分担问题[21]。如何在保持高校独立性的同时又能促进高校间合作是高校联盟推进难题。

    区块链技术优势在于创建一个去中心化环境,没有第三方控制交易[22]。区块链网络不依赖于单个控制点,而是所有节点之间共享。EduCTX项目基于ARK区块链技术与Dpos共识机制,构建开放、去中心、联盟式的区块链网络,在不完全改变高校目前已有信息系统基础上,实现系统共存与互操作,这不仅保证了高校节点的相对独立,还使区块链系统具有很大弹性,可容纳更多高校加入网络,每个机构也可随时退出而不影响系统运行。

    (2)分布式賬本有助于加强跨组织教育合作中的信任及降低管理成本。学历证书造假一直是高等教育国际化难题。从2018年5月开始,教育部留学服务中心开始公开(境外)学历学位认证失信名单。仅2018年就有202人被查出提交的认证申请材料包含虚假、伪造或无效信息[23],2019年达到309人[24]。可见通过纸质文档审核验证学习成绩、学历证书很容易被伪造,这不仅给相关高校造成极大工作负担,同时容易对申请者及毕业学校产生不信任感。

    区块链技术创造一种分布式记账方式,交易方直接交易并同步记录在各自账本上且不可篡改,因此交易方之间不需要相互信任,各自确认的记录就是信任。EduCTX系统中,代表学生学分的ECTX代币转入其区块链地址与教师登记课程成绩同步发生,学生课程学分确认是学生与高校间的直接交易,不通过第三方。在学分交易中,双方区块链地址由公共密钥和私有密钥构成,公共密钥公开,私有密钥则只有拥有者可见。每次学生钱包中代表学分的ECTX代币转入都需要学生和高校用私有密钥进行数字签名确认,任何一方都无法造假。所以一旦学分确认任何一方都无法篡改。相关单位只能在学生同意情况下查证其学分、学历证书的真实性。这不仅降低了依靠纸质文本证明学生学分和学历证书带来的防伪性差问题,还在很大程度上减少跨校间学分转移、学历证书证伪等成本与管理障碍,有效提升高校在联合学位授予、学生交换项目等方面的管理效率,为雇主和学生提供更加便捷、高效、透明的服务。

    4 区块链技术应用困境

    虽然区块链技术在教育领域应用已有4年多,但仍处于试验阶段。EduCTX项目2016年提出,2017年投入使用,迄今也仅有4所高校加入,并未取得预期成效。所以除了考虑区块链技术优势外,还要审慎思考其应用是否契合教育组织与教育活动本质特征。

    (1)代表学生学习结果的学分与学历证书的可交易性问题。区块链技术优势在于分布式共识机制与价值激励相结合,激励机制促成区块链生态圈平衡发展,区块链中交易产品的商品特性与货币价值是激励机制形成的关键。EduCTX项目中,以类似于比特币的ECTX代币代表学生学分,学分交换与学历证书证伪是交易内容。从EduCTX项目设计方案和实际运行来看,这种交易自身不产生商业价值,其ECTX代币也不具备货币价值。这种交易对高校、学生、雇主带来最大的经济收益就是降低学分与学历证书证伪成本,为雇主验证求职者学历证书提供更可信的方式。然而EduCTX项目所预设的这种需求目前并非大多数高校、学生、雇主需求。此外,阻碍高等教育联盟跨校学分转移、学历证书信息共享的主要障碍并不是造假,而是高校间教育质量、社会认可度不一等诸多因素。EduCTX项目并没有建立一种激发用户参与全球学分与学历证书管理生态系统构建的激励机制。从教育特性看,EduCTX项目将对知识和技能掌握的学分、学历证书作为可交易代币,但长期以来教育领域一直批判只依靠分数评定学生学业成绩的方法。随着学习分析技术的发展,学校更多强调的是系统评价学生的学习过程与结果,促进学生能力与个性化发展[25]。所以以代币记录学分,将其作为证明学生知识与能力掌握程度的替代物进行交易,有可能使 “重分数、轻能力”现象更加严重,不利于教育发展。

    (2)教育体系中的信任问题。去信任是区块链技术的主要特征[26]。区块链技术应用到高校学分与学历证书管理中,是将学生(潜在的员工)及认定学分或颁发学位的高校视为不可信任。如何衡量或验证高校可信度,不同高校学分、学历证书在交易中是否等值,至今还是一个未解难题。教育信任是教育主体之间的相互信任,是对彼此认可的互信和肯定[27]。教育信任的人本价值指向人的自由全面发展,体现教育客体的期望价值和感知价值[28]。然而原本应该被培养为诚信主体的学生,以及以诚信为教育使命之一的高校,却被默认为不可信任。如果区块链技术应用的结果是将信任从教育中剥离,将学校安身立命的文化、道德、修养,以透明、公开的学分与证书证伪交易所替代,那就可能从根本上动摇高校立德树人使命的实现。

    (3)区块链账本中学习者教育记录的永久不变与终身教育发展的予盾。索尼全球教育总裁Masaaki Isozu表示:我们希望将终身学习记录永远安全地保存在云端。安全地交易这些记录是教育领域的一项全新服务[29],而这与终身教育所追求的目标相悖。终身教育的本质是持续不断地促进人的成长和发展,学生毕业后需要在生活和工作中通过不断学习以完善自身。区块链中学习数据不可纂改并终身保存,有可能让雇主更多关注学分和学历证书所代表的知识与能力,而忽略人的可塑性和发展性,也有可能使雇主不是根据应聘者能力和岗位需求,而是根据应聘者的第一学历对其进行不科学评价和不合理筛选,这样不仅不利于终身教育体系发展,而且会加重当前社会第一学历歧视问题。

    5 结语

    EduCTX平台充分利用区块链技术去中心化、分布式账本优势,基于跨组织间学位与学分信息管理流程,利用开源平台开发而成,在保留高校已有系统独立性的同时实现了跨校学历证书与学分信息的实时共享,有效解决了跨校间纸质证明真伪验证的繁琐及欺诈问题。EduCTX平台中的业务模型、技术模型及技术开发路线,为非营利性教育组织如何在保证自身独立的前提下,以低成本方式应用区块链技术开展跨组织实时信息共享与业务协同提供了可参考案例。

    EduCTX项目面临两大沟壑:①教育信息技术解决方案如何面对教育的复杂性。EduCTX项目将成员高校及课程学分、学历证书一视同仁,但现实中学生在哈佛大学与社区学院所获得的证书与学分显而易见差异极大,所以EduCTX平台只解决了跨校学历证书与学分真伪验证难题,并没有解决高校间因层次差异过大导致的跨校学分互认动力不足问题,这也是EduCTX项目参与高校不多的主因;②技术应用可能产生教育异化,教育领域的技术异化问题始终与教育信息化相伴相生,区块链技术也概莫能外,教育背离其本质属性是技术异化产生的直接原因[30]。将学分与学力证书背后所隐含的知识与能力水平等同于冰冷可交易的代币,在分布式账本中如何让高校与学生受到信任,以及避免区块链中永不可篡改的学术记录成为制约学生终身学习及人生发展的枷锁,是区块链应用必须思考的问题。

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    (责任编辑:杜能钢)