区块链技术在研究生教育教学管理中的应用与挑战

吴玲燕

(南京工业大学生物与制药工程学院 江苏南京211816)

0 引 言

作为分布式公共存储的区块链技术在全球金融业、商业服务业得到了广泛应用，但在教育教学领域，区块链技术的发展仍处在起步阶段[1]。国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》中把区块链作为一项战略性前沿技术进行布局，明确提出需强化区块链、大数据认知分析等新技术在教育教学领域的基础研发与创新应用，构筑新赛场先发主导优势，抢占新一代信息技术主导权。此外，全球众多商业企业和教育机构也纷纷投入资源探索区块链技术在教育教学领域的应用[2]。

传统的基于中心化、关系型数据库管理研究生信息的模式不能很好地满足现阶段研究生教育教学管理对于安全性和隐私保护逐年增长的需求，存在以下问题亟待解决：现有研究生管理体系下，研究生个人数据在教育教学过程中由不同机构管理，跨机构、跨平台的学生数据难以协调管理，操作性差；研究生学位与学历通过集中式关系型数据库进行存储，学历学位认证过程中，认证机构与校方耗时较长，无法实时查询和认证；研究生数据存储过程中的安全性和有效性完全依赖于高校或企业，一旦数据库遭受攻击，学生数据安全性和数据隐私性得不到保护。

基于上述问题，本文在简要介绍区块链的相关概念和关键技术的基础上，从基于区块链技术的研究生成绩管理、研究生学位学历认证和研究生学习档案去中心化这3个角度全面呈现“区块链+”教育在研究生教育教学管理中的应用，进而探讨区块链技术在研究生教育教学管理中面临的挑战。

1 区块链技术

本节将结合区块链的基本概念和发展状况，阐述区块链的基础模型、基础原理和关键技术。

1.1 区块链的概念

区块链通过去中心化的分布式数据库对数据信息进行存储，通过数据加密、添加时间戳、工作量证明等方式[2]传播和记载信息，在各存储节点无信任前提的分布式网络中实现去中心化信用的点对点传输、协调与协作，从而为解决传统中心化关系型数据库存储过程中普遍存在的高成本、低效率、数据安全和隐私保护问题提供可行的解决方案。

随着区块链技术的迅猛发展，将区块链技术应用于研究生教育教学领域逐渐成为学术界和工业界的热点研究课题。区块链技术的发展可以分为3种模式：可编程数字加密货币体系，可编程金融系统，可编程社会体系[3]。通过有效利用便可搭建区块链框架，为教育、经济、科技等领域带来新的技术变革。区块链技术有望实现从目前的教育教学信息平台向教育价值平台的转变。

1.2 区块链的基础模型和关键技术

区块链技术的基础架构模型如图1所示，常用的区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层[4]构成。

①数据层：该层通过数据加密和时间戳技术将信息封装在数据区块(block)中。

②网络层：该层通过分布式组网、数据传播和数据验证等机制使得区块链系统中的节点参与数据校验过程。

③共识层：通过共识算法实现去中心化系统中各节点达成共识，如工作量证明(Proof of Work，PoW)等。

④激励层：通过经济激励的发行机制和分配机制实现节点数据验证时的最大化利益。

⑤合约层：该层封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。

⑥应用层：封装区块链技术的相关应用场景和使用案例。

该基础架构模型中包含了区块链3大创新模块：基于时间戳的链式区块结构、基于共识机制的分布式节点和基于共识计算的激励机制。

图1 区块链基础架构模型Fig.1 Block chain infrastructure model

区块链由去中心化网络节点组成共享数据账本。区块数据存储包括数据区块、链式结构、Hash算法、Merkle树和时间戳这几个部分。每个分布式节点均可通过Hash算法和Merkle树数据结构[5]将一定时间周期内接收到的研究生数据封装到一个带有时间戳的数据区块中。主区块链则由各数据区块组成，新的区块链接到当前最长的主区块链上(见图2)。

网络层由以下3部分构成：组网方式、消息传播协议和数据验证机制。传播协议和数据校验机制可根据不同存储场景进行定制化设计；区块链网络中的每一个节点均可参与区块数据的校验和记账过程，当全网大部分节点验证通过当前区块存储的研究生数据后，该节点信息记入区块链主链上。

去中心化系统中各节点高效地针对区块存储的研究生数据有效性达成共识。区块链共识过程是一种共识节点间的任务众包过程，通过汇聚大规模共识节点的算力资源来实现共享区块链的数据验证和记录存储工作。

图2 数据区块结构Fig.2 Data Block Structure

2 区块链技术在研究生管理中的应用

区块链技术在研究生教育教学领域的核心应用技术优势十分显著，存在如下特征：

①去中心化。分布式结构便于研究生数据共享，去中心化的网络结构更加安全高效。

②不可篡改。不可篡改的时间戳特性可解决研究生学位学历认证数据信息的防伪问题。

③高冗余度。高冗余度和多私钥的复杂权限管理保证了现有研究生教育教学管理中的安全性。

④可编程特性。区块链技术灵活的可编程性帮助高校和科研单位积极扩展研究生管理平台的应用，探索更加丰富的教育教学场景。

本节将从研究生成绩管理、研究生学位学历认证和研究生学习档案的去中心化3方面阐述区块链技术对于研究生教育教学管理的应用。

2.1 基于区块链技术的研究生成绩管理

现阶段研究生成绩档案大多存储在各高校的集中式数据库中，由高校统一管理。随着MOOC运动的兴起，学生对于自主管理学习内容和过程的需求日益增加。

借助区块链技术存储的学生成绩单，可以全面呈现研究生的学习过程和结果。学生成绩单包含其本人之前的学习经历、学习过程、已掌握技能、奖惩情况和教师的评语等内容，将成绩单存储在分布式网络中，各高校、用人单位等机构均可通过授予的权限进行校验、核对，针对研究生的个人情况个性化推荐课程和工作岗位等。

区块链成绩单也有助于研究生在人才交流、出国留学时向高校和科研机构出示，而无需向申请学校开具以往的学习证明、成绩单等。此外，借助区块链技术的去中心化和不可篡改特性，建立新的信任网络，便于高校和用人单位识别研究生在校所掌握的知识和技能。

2.2 基于区块链技术的研究生学位、学历认证

研究生学位、学历的认证保证了学位、学历证书的真实性，在用人单位招聘、高校招收研究生、人才交流和出国留学等场景中均有涉及。

现阶段，境内或境外的学历、学位认证存在以下问题亟待解决：耗时较长；费用较高；数据维护成本较高。在认证过程中涉及3个主体，即学校、学生以及需要学历、学位认证的用人单位。

高校借助区块链技术，将学历、学位档案等信息存储在相应区块上，并有效控制区块链上的学历、学位信息增删改查的权限。同时，高校根据用人单位提供的数字身份信息授予信息查询权限，用人单位或招生学校进行信息查询时，通过多重签名进行校验，以此来解决传统学位学历认证时查询时间长、费用高的问题。

研究生保存私钥，用于对含有学历、学位信息的数字文件进行签名，以保证信息不被篡改。分布式存储研究生学位、学历数据的模式可替代现行集中式存储认证模式，无需建立庞大的数据库，降低了认证机构的数据维护成本。

2.3 研究生学习档案的去中心化

传统的研究生教育教学管理系统中，学生的数据信息由校方录入，集中保存在学校中，跨学校很难获取所需的学习记录和奖惩情况。通过将研究生数据信息保存在区块链上，为其提供一个二维码，作为其公开密钥或用户身份标识符，高校或其他科研机构可通过学生唯一的身份标识符访问个人的学习档案。研究生利用私钥能够实时获得自己的学习档案，同时也保证了个人数据的私密性。

运用区块链技术存储研究生的学习档案时，可授权其他高校或科研机构访问而无需担心学生个人数据的安全和完整。基于区块链搭建的研究生教育教学系统拥有去中心化的特征，更具有开放性，学生也具有自主性，解决了传统研究生管理平台无法跨机构、跨系统的问题。这是一种全新的信息组织形态，研究生数据信息被个人所掌握而不需把数据托管给高校集中管理。

3 区块链技术在研究生管理中面临的挑战

区块链技术正处于起步发展阶段，为了更好地将区块链技术应用于研究生教育教学管理中，仍面临一些问题亟待解决。

3.1 研究生数据存储空间问题

鉴于区块链本身的特性，系统中记录了从开始至今的所有学生的数据信息，新加入的节点需存储并更新从创世块(creation block)开始的所有数据包。

随着新兴的互联网技术在教育教学领域的应用，待存储的研究生信息数据量显著增加，线性增长的存储空间已不能满足存储在区块中的学生信息数据的增长量，对基于区块链建设的研究生信息数据库提出了更高的要求。传统区块链系统中，单个节点同步数据需要至少60GB的存储空间，虽然现有民用存储设备可以满足其存储需求，但将其推广至大规模的跨机构研究生学习档案的解决方案仍有待研发[7]。区块链网络中各节点的数据需完全同步，随着节点存储的区块链数据量增加，势必影响高校和学生实时更新数据信息。

3.2 处理大规模研究生数据的效率问题

目前已投入使用的基于区块链的系统中，网络节点规模较小。若大规模应用区块链技术，网络中包含数十亿个节点，处理大规模学生数据的效率问题仍是一个不小的挑战，如比特币区块链目前每秒仅能处理数笔交易[8]。这极大地限制了区块链在研究生教育教学管理系统高频读写场景中的应用。最后是确认时间问题，传统区块链系统中单个区块的生成时间为10min，这在一定程度上限制了研究生教育教学管理系统在频繁提交学生数据和存储时间敏感数据中的应用，影响了研究生教育教学管理平台的实时性和高响应。

3.3 研究生数据存储的隐私和安全问题

尽管区块链技术具有自带信任化、防篡改和支持多签名复杂权限管理等特点，但整个区块链网络在隐私和安全方面仍存在许多问题亟待解决。

在数据隐私问题方面，研究生通过公钥地址实现数据传输与存储，学生的身份信息(学号、身份证号)具有匿名性，但数据交换记录却完全公开。学生的数据交换记录可被查到，一旦将身份标识与其真实身份联系起来，将会泄露学生个人信息。

区块链技术采用公钥与私钥这样的非对称密钥机制进行数据的加密与解密，存储过程的安全性很高，保证了安全、有效，但对私钥的保存和使用状况却令人担忧，因而在关乎个人隐私教育教学领域使用时更需要引起人们的高度重视。

安全性威胁是区块链技术需解决的最重要的问题，其中，基于工作量证明(Proof of Work，PoW)共识过程的区块链主要面临的是51%攻击问题[2]。该问题中区块链网络节点若拥有超过全网51%的算力便可篡改和伪造区块链中存储的数据。虽然基于股权证明(Proof of Stake，PoS)的共识过程在一定程度上解决了51%的攻击问题，但产生了新的亟待解决问题，即N@S(Nothing at stake)攻击问题[9]。

区块链的非对称加密机制也将随着数学、密码学和计算技术的发展而变得越来越脆弱。随着量子计算机等新计算技术的发展，未来非对称加密算法具有一定的破解可能性，这也是区块链技术面临的潜在安全威胁。

4 结 语

随着区块链技术的发展，将区块链技术应用于研究生教育教学领域逐渐成为学术界和工业界的热点研究课题。区块链技术的去中心化信用、不可篡改和可编程等特点可以显著促进研究生数据的共享，便于搭建安全、可信和便捷的研究生教育教学管理平台。与蓬勃发展的区块链商业应用相比，区块链的教育应用仍处在起步阶段，许多对区块链教育发展至关重要的问题亟待研究跟进。本文系统梳理了区块链技术的相关概念、基本技术、研究生教育教学管理中的应用与面临的挑战，以期为未来的研究起到积极的促进作用。