基于区块链的学生信息系统模型设计与研究

张怡，马亚蕾

（陕西职业技术学院 电子信息工程学院，陕西西安，710000）

1 研究背景

2014年国务院发布了《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》，要求“加快构建现代职业教育体系”，“为学生接受不同层次高等职业教育提供多种机会完善职业教育人才多样化成长渠道，建立学分积累与转换制度，推进学习成果互认衔接。”2019年4月30日，国务院常务会议通过了《高职扩招专项工作实施方案》。高职扩招百万实施两年来，学生群体的身份年龄构成情况差异较大，现有高职学生学业评价内容和方式面临巨大挑战，如何充分记录学习实训全过程数据并展现过往工作经历信息成为高职学生评价和用人单位的共同难题。

当前高速发展的以大数据、人工智能、物联网、5G及区块链为代表的技术革命，为现有高职学生学习过程数据记录和评价体系提供了技术可能。通过区块链的公开可溯源和不可篡改等技术特点，设计学生学习全过程信息系统模型，构建职教学生学习经历及实训、实习工作表现的准确真实记录体系，为用人单位提供真实可信的查询服务，成为未来区块链技术在教育领域的重要应用。

针对区块链技术在学生学习过程评价体系中的应用，国内研究人员做了大量研究。文献[1]利用区块链Hyperledger fabric架构设计学生综合素质评价系统，并阐述了系统运行机制；但该文献未明确学生评价的详细指标，也未对智能合约详细设计进行研究。文献[2]研究了基于区块链的教育资源共享平台在学分银行建设中的应用，旨在解决数字教育资源共享和终端用户学分记录的难题；但该文献未对学习过程记录的区块链详细结构设计及运行机制进行介绍。文献[3]提出基于区块链的职业教育信用模型，以虚拟货币构建职业教育链的各节点的信用评价；但该文献缺少对学习内容和过程的存储记录研究。

综上所述，本文依托IBM Hyperledger fabric开源区块链框架，进行高职院校学生的学习过程记录信息系统模型的研究。主要贡献有：

(1)构建一组高职学生学习过程、实践实训过程的数据采集指标；

(2)提出一种适用于高职学生学习过程记录的信息系统模型，研究其区块链运行机制，实现学生、学校、企业等盟员学习过程的记录存储与可信查询。

2 采集指标

高职学生学习过程评价模式中，使用联盟链进行成绩记录数据存储与共享，建立成绩管理链和过程评估链。其中成绩管理链用于存储学习结果类型记录，包括学历证书、成绩单、论文、专利、技能等级证书、职业资格证书等；过程评估链用于存储学习过程类型记录，包括课内学习过程记录、校内外实习过程评价、社会服务过程评价等。从而建立校企社会机构间盟友关系，达到各领域学习记录统筹共享的局面。

表1 区块链数据采集指标

3 模型构建

3.1 整体架构

系统模型整体架构如图1所示，自下而上依次是基础设施层、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。其中数据层建设学生学习过程采集数据的双链，智能合约层封装系统的各类脚本代码、算法等，实现对区块中的学生的学习过程数据的智能封装，保证过程数据的真实、准确，杜绝了对学生数据的篡改和删除现象。

图1 高职学生学习过程信息系统模型

3.2 运行流程

3.2.1 学习过程记录信息系统模型区块链结构

学习过程信息记录系统的区块链结构采用双链结构，即成绩管理链、过程评估链，结构如图2所示。考虑到过程评价模型的采集指标来源于学校、企业、社会机构三个领域，具有跨地域、数量规模巨大的特点，区块链的盟员可以是高职院校、校内生产性实训基地、校外合作企业、社会行政部门、社会公益机构等。

图2 高职学生学习过程信息系统区块链结构

构建不同盟员间的智能合约，需利用合约实现学生、学校、企业、社会之间相互交互，实现学习过程数据的上传、认证、流转、共享等工作的自动化执行，打破资源间壁垒，加速资源共享速度。同时，因区块链结构的可信度，降低了数据被篡改、删除的风险。本项目使用Hyperledger平台，其智能合约功能通过chaincode链码实现。每个chaincode程序都必须实现chiancode接口，接口中的方法会在响应传来交易时被调用。链码涉及的方法包括初始化、数据采集、数据存储、数据查询方法等。

具体实现中，链码可分为系统链码和用户链码。系统链码负责Fabric节点自身的处理逻辑，包括系统配置、背书、校验等工作，系统链码仅支持Go语言，在Peer节点启动时会自动完成注册和部署。系统链码共有五种类型：配置系统链码(CSCC)、背书管理系统链码(ESCC)、生命周期系统链码(LSCC)、查询系统链码(QSCC)和验证系统链码(VSCC)。用户链码通过使用go语言编写，实现本系统中学生学习过程信息采集、存储上链和信息查询等功能。用户链码运行在容器中，通过Fabric提供的接口与账本平台进行交互。学习过程记录数据结构设计如图4所示，并以键值对(k,v)结构进行存储。

图3 链码功能模块

图4 数据结构设计

3.2.2 学习过程记录信息系统模型交易运行机制

HyperLedger Fabric通过把工作节点分解为执行交易（背书和提交）节点和交易排序节点来优化区块链网络性能、安全性和可扩展性。本项目区块链交易运行流程包括数据采集、背书、排序和上链4个步骤。该流程假设前期通道已建立并正常运行。盟员已注册并使用组织认证授权（CA）登记，同时获得必要的加密材料来进行网络验证。

(1)数据采集：当学校、企业、社会机构等盟员产生新的学生成绩记录或过程评估记录时，盟员客户端执行本地应用程序，应用利用有效的SDK API来生成交易记录sc。交易记录完成数据到账本的读取和/或写入。此时SDK还需要使用用户的加密证书来创建交易提案的唯一签名。

(2)背书：背书节点收到盟员提交记录sc后执行链码，使用MSP验证签名并确定盟员（校企机构）发送的请求是否被合理授权。背书节点以交易记录为输入，计算输出读操作集rs和写操作集ws，并将其写入对应的学习过程记录sc。同时建立记录数数量阈值，将到达的若干个学习过程记录sci写入集合SC={sc1,sc2,…,scn}。当达到数量阈值后，将集合SC发送给客户端，客户端把交易记录提交到排序节点Orderer。

(3)排序：排序节点Orderer对集合SC按学习数据生成时间进行排序，执行共识过程后数据封装到区块b，并批量发给对等的Peer节点。

(4)上链：各Peer节点收到区块b后，使用sc的读集rs进行交易验证，以确保区块b内容未经篡改，同时生成学习记录日志logi写入本地数据库，并将其索引i写入区块b；将写集ws中的键值对写入本地状态数据库，保证所有键的最新值被存储在状态数据库中，并更新本地区块链世界状态完成本次上链。

4 结论

综上，通过本项目模型的研究，可以极大程度解决原有成绩记录系统信息化程度不高、记录主体权责不明、客观公正不足、安全可靠性不高的问题。一方面，原有分散的教育者学习成果可从区块链平台被发现，为求职者提供真实可靠地学习成果自证材料；另一方面，为企业准确提供聘用者的学习履历、行业实践、社会服务信息，降低企业寻找所需人才的招聘成本。未来，基于区块链的高职学生学习过程信息系统模型仍需进一步研究与发展，促使更多的学校、企业、社会机构等盟员的加入，增加平台的影响力和使用者，对接更多的教育评估机构，打通教育各环节壁垒，探索建立学习型社会的新方式。