基于区块链技术的学分银行系统的设计与实现*——以北京外国语大学的“外语教育创新”项目为例

2022-09-27张忠华王冀鲁朱向荣崔学军刘也箐

现代教育技术 2022年9期

张忠华王冀鲁朱向荣崔学军刘也箐

张忠华1王冀鲁2朱向荣3[通讯作者]崔学军4刘也箐1

（1．北京外国语大学信息技术中心，北京 100089；2．北京外国语大学信息科学技术学院，北京 100089；3．北京外国语大学继续教育学院，北京 100089；4．北京外国语大学教务处，北京 100089）

目前，区块链技术因其防篡改性而在各行各业的应用越来越广泛，但其在教育领域的应用尚未普及，实践成果更是鲜见。而将区块链技术应用于教育领域中的学分银行系统建设，不仅可以创新学分银行的管理方法，还可以提高学分银行的可信度，发挥学分银行在人才培养方面的积极作用。基于此，文章以北京外国大学的“外语教育创新”项目为例，进行了基于区块链技术的学分银行系统的实践探索，重点阐述了建立在区块链平台基础上的学分银行的设计与实现过程，并分析了系统的试运行情况与评价结果。文章的研究是区块链技术与教育领域深度融合的一次尝试，对于人才培养具有积极的现实意义。

区块链技术；学分银行；分布式账本；去中心化管理；人才培养

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式[1]。而区块链技术诞生于2009年，2019年开始进入泛区块链应用阶段，即区块链技术融入科学、医疗、教育，出现“区块链+人工智能”[2]。2019年，习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调区块链技术的重要作用[3]，引发了全社会对区块链技术的高度关注。区块链的关键技术主要有分布式账本、共识机制、智能合约、密码学。其中，分布式账本是指在链上的每个不同节点都有一个完整的交易记录账本，这些账本可以作为监督交易合法性的共同佐证[4]。区块链技术与传统学分银行系统相融合，可以创新学分银行管理方法，提高学分银行的可信度。

一传统学分银行需要利用区块链技术来改进

在教育界，“学分银行”的概念并不陌生。学分银行即“学分+银行”，是将一个个学分累积起来组成“银行”，学习者将获得的学分存入学分银行，累积到一定分值就可完成学业，取得相应的证书。在学分银行，学习者可以灵活地选择学习时间、学习内容和学习地点，甚至连学习经历也可折合成学分，并可以将这些信息存入学分银行[5]。学分银行与区块链技术的结合，可以优化学分银行的管理模式，提高其管理效率和社会可信度。

1 传统学分银行中心化管理模式的不足

由于传统学分银行中学习成果认定的基本流程主要由认证点初审、管理分中心复审、管理中心终审等环节组成，各环节容易出现信息差，因此学分银行提供的学分证明证书可信度并没有保障，学分银行实质上只是充当了第三方机构的作用[6]。可以说，基于中心化管理模式的传统学分银行不但管理成本高，而且数据的真实性也难以保证。

2 区块链技术可实现学分银行的去中心化管理

区块链是一个去中心化的数据库，区块链的关键技术如密码学、分布式账本、智能合约等均有去中心化的功能，其综合应用可以克服传统学分银行中心化管理的固有缺点，并能充分发挥去中心化管理，有利于提高学分银行的社会认可度，便于推广与普及。

3 探索区块链技术在学分银行的融合应用

近年来，国内外发表了不少关于区块链技术应用于学分银行的论文，但多限于理论层面的构想与探讨。另外，尽管国外已有将区块链技术应用于学分互认、数字版权等相关方面的成熟案例，但区块链技术应用于学分银行的真实案例还难以找到。因此，有必要对如何在学分银行系统中融合应用区块链技术进行系统研究，并开展基于区块链技术的学分银行系统的实践探索。

二基于区块链技术的学分银行系统的设计

本研究以北京外国语大学“外语教育创新”项目为例，来阐述基于区块链技术的学分银行系统的设计与实现。该项目面向全国中小学的外语学习，主要服务于以俄语、日语、德语、法语、西班牙语为第二外语的K12阶段学习者。“外语教育创新”项目的主要研究内容是：借助大数据、区块链、协作多点传输、人工智能识别、云计算等信息技术，完成外语教学过程、动态/静态效果评估、信息存储、数据筛查、成果校验等全方位工作，实现外语智慧课堂与外语学分银行的结合运用，并进一步分析学习者综合素质培养的发展趋势，从而为国家借助信息技术推进外语创新型人才培养提供重要依据。下文将从基于区块链技术的学分银行系统的设计思路、系统架构、与教务系统之间的对接、系统功能设计进行阐述。

1 设计思路

（1）学分银行与区块链技术相融合

质量是学分银行树立公信力的坚强基石，没有公信力的学分银行难以立足，更不可能获得持续发展的动力[7]。众所周知，区块链在技术上很好地解决了多方信任的问题，故区块链技术用于学分银行的建设可以确保学分银行的公信力。此外，由于区块链技术的数据可溯源和防篡改性，可以保证学分银行信息真实、可靠。而学分银行的核心功能是认证、积累、转换、标准、证书、学历、成绩证明、终身档案，这些都需要学分银行的数据具有真实性、开放性、防篡改性、共识性、数据永久性等特征。由此可见，区块链技术与学分银行相融合，可以使学分银行发生根本性变化，实现创新性升级，具有较强的应用价值和现实意义。

（2）基于区块链技术创新学分银行

①创新学分银行的认证模式，简化认证流程。在区块链技术中，分布式账本的技术优点是大大简化了学分银行的认证流程，使学习成果认定环节发生很大变化。与传统的认证模式相比，基于区块链技术的学历、学位、证书认证模式将整个认证流程进行了简化：申请者提交查询申请后，无需等待即可查看平台上已录入的信息并进行比对，这样就免去了学校进行档案认证后反馈认证报告的复杂操作，极大地节约了时间与人力成本，提高了工作效率。利用区块链技术对学习者成绩、终身学习档案等相关信息进行分布式记录与存储，并永久保存，可形成学习者个人成长信息大数据链条。在有需要时，获得数据共享授权的企业可以通过平台获取学习者的数据，实现精准定位，达到学校与企业无缝对接的目的。

②创新学分银行数据的分布式存储，提升数据的可用性与长期有效性。传统学分银行采取中心化管理方式，需要设置多种相关标准，导致数据交换成本较高，技术对接和维护困难，因此需要利用去中心化的相关技术手段，提供去中心化管理服务。而区块链的本质就是分布式数据库，其通过分布式存储方式实现数据存放。因此，基于区块链技术的学分银行系统可以克服传统学分银行中心化管理的不足，创新了分布式存储方式。例如，可以同时让多个教育机构通过区块链将各自的学分银行数据进行公开和分享，各系统只需进行数据结构上的适配即可，无需再单独设计共享协议。通过区块链技术建成去中心化管理的学分银行，各教育机构就能进行学习成果认证和转换[8]。同时，学分银行数据可以跨链传输，如与人才招聘系统、征信系统和信贷系统相连接传输相关数据，方便用人单位选人、用人，直接为社会服务。此外，利用区块链技术可以将学分银行的数据分布式存储于网络平台，这就确保了学分银行数据的长期有效性。

③创新学分银行数据的加密技术，保障数据的真实性与隐私性。采用中心化管理的传统学分银行无法解决信任和篡改问题，只能靠运营方的品牌和声誉来建立信任，且学分信息查询也不方便。而运用去中心化的区块链技术设计学分银行，可以实现多项创新，从根本上解决这些问题。众所周知，凭借分布式账本、共识机制、智能合约、密码学等区块链的关键技术，可防止数据被篡改，故基于区块链技术的学分银行系统可以保障系统数据的真实性与隐私性。

2 基础架构设计

将传统学分银行与具有防篡改性的区块链技术相融合，可以优化传统学分银行的认证模式并提高学分银行的可信度。但是，基于区块链技术的学分银行系统首先要依托具有智能合约功能的区块链层所构成的底座，才能在此基础上实现学分银行的去中心化管理，并实现普通用户接入。基于此，本研究设计了基于区块链技术的学分银行系统的基础架构，包含智能合约、学分银行、普通用户端三大模块，如图1所示。其中，普通用户可以通过移动端、WEB网站或第三方扩展，进入学分银行系统进行访问。

图1 基于区块链技术的学分银行系统的基础架构

3 系统对接及系统功能设计

（1）学分银行系统与教务系统的对接设计

学分银行系统不是一个完全独立的业务系统，其必须依赖教务系统提供诸如学员选课、学员学习轨迹等数据。学习者在学分银行系统选好相应的课程后，学分银行会调用教务系统接口，将学习者所选择课程信息存入教务系统。这样，学习者就能在教务系统中学习自己选择的课程了。因此，基于区块链技术的学分银行系统可以保障学分银行数据的真实性与可靠性，进而实现智慧校园与学分银行的综合运用。

（2）学分银行系统的功能模块设计

学分银行系统包含的主要功能模块如图2所示，各功能模块提供不同的功能或服务：①管理端主要给运营方使用，主要对学分银行的核心功能进行管理和审批，如入驻机构的审批、设定入驻机构可以认定的证书、最终审批学员的学分申请等。②学校、机构端主要给入驻学分银行的教育机构使用，负责审批其授权范围内的学分认证、证书发放等。③学员端主要给学员使用，提供学员申请学分认证、学分转化等基本功能。④区块链存证服务是学分银行专门提供的数据上链存证服务，一方面将学分银行系统中的相关数据上传到区块链上存证，另一方面对接第三方系统并将相关数据上传到区块链链上存证；与此同时，上链数据成为学分银行中执行业务的参考存证数据，如智慧教室中学员的学习轨迹数据上链存证后，可作为学分转换的依据。⑤查询服务主要面向社会提供各项查询服务，如已获得授权的某企业或某机构查询学员的学习成果、证书的有效性等。

图2 学分银行系统的功能模块

三基于区块链技术的学分银行系统的实现

若要充分发挥区块链分布式认证的优势，保障学分银行数据的真实性和不可篡改性，建成基于区块链技术的学分银行系统，就需要搭建一个优质的区块链平台作为基础平台。

1 搭建区块链平台，实现数据存证和托管

（1）搭建安全可靠的区块链平台

鉴于目前的区块链系统硬件条件有限、区块链整体运行环境还需要改善，“外语教育创新”项目选用安全性、稳定性都比较高的中国印钞造币总公司（下文简称“中钞”）络谱区块链登记开放平台和中钞络谱ID分布式数字身份平台来搭建区块链平台。搭建的区块链平台可为学分银行、智能教室等基础服务设施提供数据确权、交换和数字化身份管理能力，有助于实现项目目标，即完成项目对教学效果的全方位过程性评价，实现全部项目教学成果的筛查、校验和信息存储，保证项目的教学质量、教学效果，体现教学的公平性、公开性、公正性。

（2）利用分布式数据库优化学分银行数据的存证与托管

学分银行的存储文件主要为证书照片、证明材料等存档文件。分布式数据库在区块链中的应用，可以有效地解决这些数据的存证与托管问题。学分银行中的普通数据可以存放在云端、本地端等传统服务器中，学分银行的关键数据则需要存储在区块链中完成去中心化存储，以减轻硬件资源的负担，尽可能地提高学分银行系统的运行效率；同时，区块链还可以为存证数据相关联的文件（如图片、视频等）提供数据托管服务。通过学分银行系统访问区块链上的托管数据，不但可以丰富学分银行的数据，还可以保证数据的真实性。

2 关键技术支持

区块链的关键技术可支持学分银行的转型升级。支持区块链平台的关键技术主要有共识算法、智能合约和加密算法，可确保区块链具有多方信任、分布式管理和不可篡改的典型特征。

①共识算法：可以防止对数据的篡改，保障数据的真实性。基于区块链技术的学分银行系统采用实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT），各个共识节点按照规则轮流出块，并通过投票达成共识，提交新块。因此，共识算法可在促使客户达成共识的基础上，确保存证数据在每个分布式账本中的数据信息高度一致。

②智能合约：保障了学分银行系统中账户身份的真实性和唯一性，实现了去中心化管理。在基于区块链的学分银行系统中，用户使用以太坊Solidity语言编写、编译的智能合约可直接在区块链平台运行，而无需做任何改动。在区块链技术的加持下，学分银行可以摆脱中心化管理，即无需再去相关部门盖章和验证。智能合约的应用，提升了各客户对学分银行数据的信任度。

③加密算法：保障了学分银行数据的隐私性和防篡改性。区块链平台采用高度安全的可信模型，即通过“记录可信（密码学）+时间可信（法定）+身份可信（证书颁发）+行为可信（数字签名法）+关系可信（通过智能合约建立）”层层加码的方式，夯实互信协作的关系。由此可见，想要改变区块链平台上学分银行中的任何数据几乎是不可能的。

3 业务实现

（1）基于区块链技术学分银行系统的关键业务

①通过选课学习获得学分和证书。学习者被允许登录学分银行系统后即开户成功，学习者开户后首先选择学习的课程，然后选择课堂互动学习（如果时间冲突，也可选择在线点播学习）。该门课学习结束后，学习成果被记录下来，学员获得该门功课的一部分学分；之后，进入该门课程的考核阶段，考试通过后学员获得该门功课的另外一部分学分。以上两部分学分累积在一起构成该门课程的总学分，表示学员已全部完成该门课程的学习。结束一门课程的学习后，学员可以重新进入学分银行系统选择其他课程进行学习，这样周而复始，直至全部完成规定的课程学习。最后，学员申请证书，经过机构审核，只要条件满足即发放相关证书并核销学分。具体来说，学员通过选课学习获得学分和证书的流程如图3所示。

②学习成果认定和转化。学习成果认定和转化是指拥有学习成果的各级各类颁证机构可以参照学分银行提供的学习成果框架及其相应认证标准的技术路径，在学习成果互认联盟范围内自愿达成转化标准，并将此标准发布到基于区块链的学分银行体系中，实现学习成果之间的转换和互认，其流程如图4所示。学员可以查询学分银行系统发布的各项转化标准，通过“证书互转”“学分兑换”功能按钮办理学习成果转换申请业务；而颁证机构可在学分银行系统进行受理和审核，通过后给申请者颁发相应的证书。基于区块链技术的学分银行系统已在相关的标准库中存入和发布转化标准，且因其防篡改性，此标准在机构之间达成共识后便可存入学分银行。相较于以往人工认证和转化证书审核、颁发证书的流程，此流程在效率上有了很大的提升。

图3 学员通过选课学习获得学分和证书的流程

图4 学习成果认定和转化的流程

图5 第三方查询服务的流程

③第三方查询服务。第三方包括学员家长、用人单位等，他们通过注册实名认证后，便可进入学分银行系统，进行学员证书、成绩、学习档案等各种查询，具体流程如图5所示。

（2）基于区块链技术学分银行系统的业务实现

学分银行的业务实现主要通过每门功课的学分获得、学分获得的因素构成、学分银行的管理与服务等多方面来共同完成。

①每门功课的学分获得：学分银行的学分是通过每门课程的学习获得。每门课程有独立学分等级体系，学员只有参与课程学习并通过测试，才能取得相应的学分。课程学习可以分为课堂互动学习和在线点播学习两种形式：在课堂互动学习中，学分体系与智能互动教学系统对接，自动将课堂上学员的学习表现和互动学习综合成绩直接等值兑换成课堂学习学分；而在在线点播学习中，学员需要通过相关的测验才能取得相应的学分。只有确定阶段性学分后，学员才可进行后面课程的学习。若无法取得等值学分，但学员还想继续学习，可先向学分银行借贷学分，但要获得更高的成绩以作为“利息”偿还学分银行。例如，可以规定每人同一学习阶段内只能借一次，且需要在下次考试前先完成上一阶段的考试以实现还分，才能进行第二阶段的考试。系列课程学完后，学员可申请将学分兑换成学历证书。

②学分获得的因素构成：可将学员在课程学习过程中的预习作业、上课考勤、课上测试、平时表现、课后作业和考试成绩按比例进行学分加权计算。例如每节课课前都会有预习作业，课前教师对学员的预习作业进行评分，分值自动计入学分（预习作业总分占5%，根据布置作业的次数，均分给每次作业）。此外，上课考勤、课上测试、平时表现、课后作业和考试成绩等也都可按照一定的比例和具体的要求来计算学分分值。

③学分银行的管理与服务：学分银行系统可以与教务系统对接，同步管理教师、学员的相关数据。其中，教务管理员的权限更大，不但可以查看、管理所有学员的学分，还可以进行学分登记、审核、纠错、借分、还分、兑换等操作，同时可以对整个学分管理流程进行监控。系列课程全部取得学分后，学员可以申请兑换，经教务管理员审核通过后，即可将学分兑换成相应的学历证书。依据学分银行系统中学员的相关数据，系统会自动生成一份网络版、一份纸质版的学员学分档案，通过扫描档案中的二维码信息，学员便可获得授权访问自己在课程学习各方面的表现、成绩、证书和教师评价，从而快速、全面地了解自己的学习情况和日常表现。此外，学分银行系统也可以将在线查询服务授权给升学、就业的对口单位和学员家长等用户。

四系统试运行

北京外国语大学的“外语教育创新”项目以智能教室为支撑，以智能互动教学系统为依托，通过智能捕获设备，实时记录学生的课堂行为，保证整个教学过程有迹可循。该项目中的相关数据经大数据处理、智能分析与应用后，可以实现教学工作中各参与单元的动态/静态效果评估。行为数据和结果评价数据可以根据相应的规则兑换成学分，并将这些学分存放于学分银行系统。由于学分银行建立在区块链平台的基础之上，能够保证学分数据的真实性和防篡改性，故这些数据可以伴随人的一生，为个人成长及其终身教育提供必要的数据保障。将基于区块链技术的学分银行系统引入“外语教育创新”项目，解决了以往个人的阶段性教育无法纳入个人的完整性教育体系的问题，因此这是一项有一定价值的探索性实践。而基于区块链技术的学分银行系统的试运行，标志着“外语教育创新”项目正式迈出了实践探索的第一步。

1 系统试运行情况

“外语教育创新”项目计划分三个阶段实施：第一阶段为面向小学生的入门级阶段；第二阶段面向中学生，是与小语种考级关联在一起的学习阶段；第三阶段为参与项目的小语种教师培训阶段。新冠肺炎疫情的爆发，推进了项目实施的步伐。2021年3月，北京外国语大学启动第一阶段，即面向小学生开设80个课时的小语种（有日、俄、德、法、西五种第二外语可供选择）学习课程。也就是说，基于区块链技术的学分银行系统从2021年3月开始试运行，到2022年6月完成了第一次系统测试。第一次测试重点在北京地区进行，而山西省将成为下一个测试地区。受新冠肺炎疫情常态化防控的影响，北京地区的测试工作采用远程与现场互动式的双师授课方式，测试对象为北京市海淀区参加小语种课程学习的100名小学生。其中，某班30名学员的教学效果测试结果如表1所示，100名学员的整体学习表现如表2所示，可以看出：基于区块链技术的学分银行系统预期达标、实际教学效果较好、学分转化率较高，且优秀率为13%、合格率更是达到95%以上，说明系统试运行基本正常。

表1 北京地区小语种课程的教学效果测试结果（n=30）

教学数据出勤互动学习任务课业综评指标设定30人/班＞30%的课时5个/节5个/节指标完成度85% 预期达标100%90%90%90%95% 实际效果100%90%100%100%96% 学分转化＞90%，有效＞85%，有效＞90%，有效＞85%，有效＞85%，有效

表2 北京地区小语种课程学员的整体学习表现（n=100）

指标优秀（≥90分）良好（75～89分）合格（60～74分）不合格（＜60分）综评13人81人3人3人知识驾驭灵活运用掌握应用基本使用不能使用对等结业结业结业结业重修

2 系统评价

由上可知，基于区块链技术的学分银行系统搭建完毕后，其试运行基本正常。对“外语教育创新”项目第一阶段实施的北京地区小语种课程相关数据进行收集、整理和分析，得到的系统评价结果主要如下：

①系统稳定性和安全系有保障。系统依托的区块链平台已落地运行了包含数字票据、司法存证、证件防伪溯源等内容的基于区块链的解决方案，使系统的稳定性与安全性有了保障。尽管当前区块链技术普遍存在效率不高、网络受阻等问题，但随着区块链技术的不断发展尤其是区块链Layer2二层网络技术的不断进步，全球范围内区块链的不足将得以改善[9]。

②学分银行数据共享性有待提高。目前，区块链跨链技术正在不断完善。而只有在跨链技术成熟的前提下，才能真正实现学分银行数据的共用共享，如学分银行系统之间的数据共享，学分银行系统与人才招聘系统、学生征信系统之间的数据共享等。目前，“外语教育创新”项目仍处于实施的第一阶段，尽管基于区块链技术的学分银行系统可以满足基本的数据共享需求，但其共享响应速度、共享范围等还有待提高。

③效果有待进一步检验与提高。本次系统评价所用到的样本数据仅为北京地区100名小学生参加小语种课程学习的相关数据，样本量太小，故所得教学效果测试结果和学员学业达标情况有待进一步检验。今后，需引入更大样本量的数据对基于区块链技术的学分银行系统做进一步测试和优化，使效果检验越来越精准、可信，从而不断提高系统的整体效果。

五结语

基于区块链技术的学分银行系统的设计与实现，是区块链技术与教育领域深度融合的一次尝试。由于当前区块链技术在教育领域的应用主要体现在证书认证和教学管理两个方面[10]，故相关工作大多还停留在理论层面的认识与探讨上。而本研究不仅从理论层面进行了基于区块链技术的学分银行系统的基础架构设计、系统对接及系统功能设计，还侧重从平台搭建、技术支持、业务实现的角度探讨学分银行系统的实现，并以北京外国语大学的“外语教育创新”项目为例进行了实践探索。随着区块链使用场景的不断丰富，以及区块链相关技术的不断发展、成熟，区块链在教育领域中的应用越来越广泛，其效果和价值也将越来越凸显。因此，积极探索基于区块链技术的学分银行系统建设与实践应用，是紧跟时代步伐、培养符合我国新时代发展所需专业型人才的新途径、新方法，具有积极的现实意义。

[1]中国区块链技术和产业发展论坛.中国区块链技术和应用发展白皮书(2016)[OL].

[2]360百科.区块链[OL].

[3]新华网.习近平在中央政治局第十八次集体学习时强调把区块链作为核心技术自主创新重要突破口加快推动区块链技术和产业创新发展[OL].

[4]百度百科.区块链[OL].

[5]360百科.学分银行[OL].

[6]张景韶,李玉波,周祥.区块链技术下我国学分银行建设的思考[J].当代职业教育,2019,(2):84-89.

[7]李令群.国家开放大学学分银行质量保证体系初探[J].中国远程教育,2016,(6):73-78.

[8]李志宏,邱亭谕,李可欣.基于区块链技术的学分银行系统研究[J].现代教育技术,2019,(7):120-126.

[9]先知实验室.五分钟看懂Layer2起源发展及未来[OL].

[10]李成军.应用区块链推动我国高职教育改革发展的思考[J].中国职业技术教育,2020,(4):70-75.

Design and Implementation of Credit Bank System Based on Blockchain Technology——Taking the “Foreign Language Educational Innovation” Program of Beijing Foreign Studies University as an Example

ZHANG Zhong-hua1WANG Ji-lu2ZHU Xiang-rong3[Corresponding Author]CUI Xue-jun4LIU Ye-qing1

At present, due to its tamper-proof performance, blockchain technology has been applied more and more widely in all walks of life, but its application in the field of education has not been popularized, and its practice resul were rare. The application of blockchain technology in the construction credit bank system in the education field can not only innovate the management method of credit bank, but also improve the credibility of credit bank and play the positive role of credit bank in talent cultivation. Based on this, taking the “Foreign Language Education Innovation” program of Beijing Foreign Studies University as an example, this paper carried out the practice exploration of credit bank system based on the blockchain technology, emphasized on the design and implementation process of credit bank based on the blockchain platform, and analyzed the trial operation situation and evaluation results of the system.The research of this paper was an attempt to deeply integrate blockchain technology with the education field, which had positive practical significance for talent cultivation.

blockchain technology; credit bank; distributed ledger; decentralized management; talent cultivation