基于区块链技术的知识贡献系统设计研究

朱 广　

基于区块链技术的知识贡献系统设计研究

朱 广

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

线上教学的普及推动了教学资源建设，但存在教学资源数量过多、质量参差不齐的情况，教学效果差强人意，师生存在“消极被动”情绪等问题，文章利用区块链公开透明、可追溯、不可篡改的特点，设计了知识贡献系统数据的7个维度和区块链存储模型，采用联盟链方式设计了面向教育机构、学生、教师的知识贡献系统，能够激励学生主动记录最佳学习方式、参与资源建设、监督和更正教学资源，同时保证数据完整、真实、不可篡改，为课程资源建设、学生个性化学习提供支撑。

区块链；知识贡献；激励机制；哈希算法

引言

互联网技术普及、信息技术融入了生产生活中，中国数字化建设迎来新时代，线上学习的普及推动了学生学习的个性化、多样化需求，重塑了大学生学习“画像”，但目前线上教学仍存在如下问题。第一，学习成效的考核仍以成绩单为主，无法很好地反映学生学习经历甚至学习成果[1]。第二，线上学习资源主要由老师建设与管理，知识来源单一、呈现方式不足，无法集合各平台优质教学资源，同时教师备课、课程建设压力大。第三，学生完成线上作业或任务时学习动力不足，学习过程难监控、学习结果难评价，可信度存疑等现状使学情分析难度较大、不够精确，也难以支撑个性化学习和长期职业规划。区块链技术经过十余年的发展，在数字金融、社会治理领域已经获得一定的成果[2]，国内外教育机构和学者开始研究区块链技术在教育领域的应用，尤其是在学生征信管理、档案管理等领域的研究实践已初见成效。为此，本文利用区块链技术和现有平台条件，设计知识贡献模型，探讨师生共建学习资源、激励学生自主学习、参与式学习的方案。

1　研究背景

1.1　知识贡献与线上教学研究现状

知识贡献是指知识从一个人向另一个人转移或分享的过程，在此过程中分享者提供了新知识、解决问题的方法、新的思考方式或观念，还帮被分享者消化吸收知识，利用互动过程增进对知识的理解和掌握，这极大地推动了互联网的蓬勃发展，因此，邓胜利等[3]指出知识贡献是网络社区稳定发展的重要因素和核心价值。然而，“知乎”“CSDN”等在线知识社区中只有20%的用户是知识贡献者，80%的用户只关注搜索知识[4]。针对在线教学平台，目前教学模式将教师定性为知识贡献者，将学生定性为知识搜寻者。

线上线下结合的混合式教学模式已成为必不可少的教学手段，但实际教学过程中面临诸多障碍，课程资源供给“结构失衡”、师生存在“消极被动”情绪[5]。实际教学过程中，教师普遍开发优质教学资源的能力，现有的线上课程资源主要由教师简单录制编辑制作完成，资源质量参差不齐、教学形式单一枯燥，照本宣科、“满堂灌”等问题更为凸显，优质线上教学资源紧缺。线上教学资源开发增加了教师工作压力，课前与课后辅导、互动、作业批改占用更多时间，但教学效果差强人意，教师对大规模线上教学信心不足。另一方面，教学改革已经从知识本位向学生的发展转变[6]，但现实中在线教学过程主要形式仍为“教师讲、学生听”的单向传输方式，学生参与感和体验感差，教学资源数量庞大、质量参差不齐增加了学生学习时间、学习压力，降低了学生学习期望，消耗了学生自主、个性化学习欲望。学生线上学习过程难监控，学习效果难评估，作业和学习测评真实性难保障。

如何将知识搜寻者变为知识贡献者是社区生存发展的关键[7]，也是线上学习平台能够可持续良性发展的基础，是解决师生优质教学资源短缺矛盾的钥匙，是激励师生主动参与资源建设、终身学习和个性化发展的有效机制。

1.2　区块链的特点和优势

区块链是一个由多方参与、共同维护、持续增长的去中心化分布式数据库，利用块链式结构来验证和存储数据，利用分布式节点共识算法生成和更新数据，利用密码学方式保证数据传输和访问的安全[8]。

区块链1.0时代解决了数字货币应用难题，产生了以比特币为代表的经济形态。区块链2.0时代解决了金融领域应用问题，以以太坊为代表的智能合约可应用于产权登记、转让，证券和金融合约的交易执行。随着区块链超越金融领域，拓展到教育、物流、医疗、能源、审计等社会领域，区块链进入3.0阶段，成为价值互联网的内核，成为“万物互联”的一种底层协议[9]。

区块链具有去中心化特点，网络中每个节点都有一份数据库账本的副本，所有的副本可以自动同步更新，数据具有冗余性、安全性。区块链有公开透明、可追溯的特性，除了对交易各方的私有信息加密外，区块链上的数据可以对所有人公开，所有用户都能查询账本中的每一笔交易。区块链具有不可篡改的特性，信息上链并经过验证后就会被永久存储下来，并同步到所有节点，除非控制一半以上的节点重新使区块链分叉，否则无法修改已存储的数据。

区块链中使用Merkle树存储所有交易记录（数据），与普通树相比，Merkle树使用的是哈希指针而不是普通指针，哈希指针不仅存储了与普通指针一样的结构体的起始地址，还存储了当前的哈希值，这样就可以根据哈希值验证整棵树中所有交易的正确性[8]。

参考以太坊，区块链奖励机制主要包括出块奖励、叔块奖励、交易费，其中，出块奖励是通过矿工挖矿产生的，即矿工在已打包区块的基础上尝试得到满足要求的随机数时，排在首位的矿工会获得铸币权，排在第二、第三位的矿工会得到叔块奖励，已打包区块的交易会产生交易费。

区块链可分为公有链（Public Blockchain）、联盟链（Consortium Blockchain）、私有链（Private Blockchain）和混合链（Hybrid Blockchain）四类[10]，其中联盟链由若干企业或机构共同管理，参与者使用前需认证注册。为兼顾安全性和资源使用情况，本系统联合不同学校和教育机构，实现学习系统的延续性，本系统采用联盟链实现各学校、机构之间的共识机制。

2　系统设计

2.1　知识贡献系统数据维度设计

知识贡献模型依托现有教学资源，充分利用教学辅助平台和教学管理平台的数据，结合学生个人学习资源、教师教学记录，设计学生学习档案7个采集维度：反映教师教学组织的教学内容、教学方法和教学资源等维度，反映学生学习过程的学习目标、学习资源、学习策略、学习效果等维度，如表1所示。

表1 知识贡献系统数据维度

数据维度数据形式内涵 教学内容知识点、任务书结构化知识分解，教学内容重构，知识点或任务 教学方法教学设计、教案教学过程中知识或任务传授，教学设计、教学风格等 教学资源案例、作业、反馈教学过程中开发的资源，包括教学典型案例、设计的作业、问卷和测试、资源的效果反馈 学习目标学习任务卡学生制订的个性化目标，包括知识、技能、素质等目标 学习资源教材、图文、网站等使用的教材、图文、视频、软件、网站等资源 学习策略学习过程数据学习过程中的学习方法、学习路径、时间分配等 学习效果测验结果、成绩单知识掌握程度、迁移程度，举一反三能力，多采用测验、考试、问答等方式呈现

针对教师教学组织，主要使用教学辅助平台自动收集教师教学过程数据，利用结构化知识分解后的知识点、教学任务书记录教学内容，使用教学设计、教案等记录教学方法，通过设计的动画、教学案例、作业，针对反馈资源利用率和效果的问卷和测试结果，评价教师教学效果的达成度。

针对学生学习过程，组织学生参考学习平台的知识点或任务书，根据学生个性化学习需求形成学习任务卡，形成针对自己的个性化学习目标。学习资源包括学习过程中使用的教材、网站、学习平台的视频、图文或软件，学习策略包括学生每个知识点的学习时间、学习资源，知识点学习的先后顺序、学习笔记等数据，学习效果包括学习过程中的测验结果、作业完成情况，阶段学习的成绩单、学习目标完成度等过程性数据，以及比赛获奖、论文和专利等创造性成果。

该模型的数据维度设计旨在存储优秀学生的学习路径、学习方法，拓展教学资源的外延，促进师生共同以知识点为粒度更新、丰富教学资源，推动学生主动反馈资源和学习效果评价教学资源。

2.2　知识贡献系统区块链存储设计

现存在线学习系统的存储策略主要包括扩充本地空间、优化冗余资源，考虑到部分过程数据或作业占用存储空间较大，若全部数据都直接上链存储，会导致区块链数据爆炸式增长，存储、读取效率缓慢等问题，而且，大部分平台数据出于安全性考虑不对外公开，更无法全部导出。因此，本文设计的数据存储模型对象分为两类：小粒度文件和大粒度文件。小粒度文件直接存储在联盟链上，大粒度文件存储在IPFS网络中，有隐私保护的数据与平台对接验证、参照大粒度文件的存储方式执行。知识贡献系统区块链存储设计如图1所示。

图1 知识贡献系统区块链存储设计

区块链由多个区块前后链接形成链状结构，其中每个区块由区块头和区块体两部分构成。

区块头主要包含父区块哈希、时间戳、随机数、难度值、版本信息、Merkle根。父区块的哈希值由其区块头计算得出，由下一区块记录，使前后区块形成链状结构，可通过最后一个区块的哈希指针验证整条链上的哈希值，从而验证所有数据的正确性[8]。时间戳记录区块生成的时间，随机数和难度值主要用于区块链运行时达成共识机制，版本信息记录区块的编号，Merkle根验证区块体的数据完整性。

区块体主要存储了一定时间内学习档案的详细数据，利用SHA256算法，提取每个文件的哈希值组成二叉树状结构，每个文件的哈希值两两结合后计算得到上层哈希值，重复此过程得到树根处的值即为Merkle根。依据SHA256算法抗哈希碰撞、原哈希值隐藏的特性，可以在数据加密后验证数据的完整性、不可篡改性，同时Merkle树存储结构也能让数据和文件轻松定位和溯源。在该模型中，成绩、学习效果等小粒度文件数据量小，可直接存储在区块体中；大粒度文件，如学习过程数据、教学运行情况等数据结构复杂且数据量大，使用哈希算法得到文件的哈希值存储在区块体中。大粒度文件的存储利用IPFS技术，切分为多个大小相同的片段，设置冗余存储机制，分布存储在不同节点上，提高数据安全性、可靠性、读写速度。

3　系统实现

知识贡献系统采用联盟链形式，针对教育机构（教学平台和学校）、学生、教师开放，联盟链主要依托现有的教学资源，由教学平台、各级学校组建而成，为学生、教师开放接入权限，其中学生、教师、教育机构具有节点记录和查询数据功能。教师主要负责开课前资源建设、开课中资源复核、结课后资源存档，学生需要反馈学习效果、优化学习方法、评价学习方法、监督系统运行、更正系统资源。为保障上链数据的真实性、有效性，采用签名算法绑定上链数据，杜绝伪造数据现象。

图2 知识贡献系统模型设计

3.1　师生活动

（1）发布任务。依托现有线上教学平台，教师将课程进行任务分解，按照课时的1～3倍设计知识点（或子任务）数量，同时上传相关资源，以知识点为单位设计奖励分数。

（2）学生自主学习。利用线上资源自主学习，利用系统记录学习时间、学习路径等信息。

（3）学生自我测试。完成线上测试、问卷，评估自己的学习效果，针对自己未掌握或疑惑之处在对应知识点处提问。

（4）学生对比学习。查阅其他学生的学习路径，即对某个知识点的学习过程，包括对知识点的理解、分析、解决过程，使用到的文本、动画、视频、仿真等资源，相关、相近知识点的区别与联系等内容；总结自己的学习特色和方法。

（5）知识贡献奖励。设计知识贡献奖励和参与奖励两种奖励方式。其中知识贡献奖励需要分享自己的学习过程或解答某知识点下的提问，由所有参与学习者投票选取最优学习方法或答案，得票最高贡献者可获得5分奖励，得票第二和第三的贡献者可分别获得4分、3分奖励；所有参与并完成学习、测试的学生可获得1分奖励。

（6）教师复核资源。为保障贡献知识的正确性、准确性，需要经过教师验证复核后才能启动奖励机制。为避免学生抱团投票，设计所有知识贡献者使用哈希函数运算过的数字作为唯一凭证，实现匿名化处理；鼓励多所学校参与，扩大学习基数，利用人数优势稳定去中心化系统。为保护知识版权，所有引用内容必须清晰标注，奖励减半。

（7）学生监督更正。为规范知识贡献者行为，提高贡献知识的质量，设计学生监督反馈机制。鼓励举报虚假内容、无效内容、虚假投票、学术不端等情境，教师复核举报有效的，第一位举报者可获得2分奖励，被举报者取消原奖励，另扣除5分奖励，被举报内容都参与者取消原奖励，另扣除2分奖励并要求重新学习该知识点。鼓励更正贡献知识，若发现得票最高的前三位内容有误，设计更正功能更新内容，教师复核通过后，取消原贡献者奖励，将更正内容设为最佳答案并给予相应奖励，取消原参与者奖励并要求重新学习该知识点。

3.2　教育机构管理

教育机构主要指相关教学平台和各级学校，主要负责制订课程建设计划、教学计划，期末资源存档、数据汇总和积分奖励等。其中，课程建设计划需要教师组建课程建设团队或教研室集体备课，鼓励跨学校、跨层次开展课程改革交流，共同设计课程标准，针对封闭性知识（或任务），建议每节课设定1～3个知识点（或子任务），以此作为区块链结构上激励制度的任务点。期末资源存档需要教师以知识点为单位复核学生学习数据、整理教学档案、更新教学资源。数据汇总指以学期为单位，汇总每个学生贡献知识的记录、学习记录和成绩等，形成学生学习总结报告。积分奖励指以学期为单位统计奖励分数，并依次作为学生学分认定、成绩认定、评奖评优的依据。

4 结束语

本文利用区块链技术匿名性、不可篡改性，设计反映学生学习过程、创新能力的知识贡献系统，以激励学生自主学习、相互交流、贡献知识为目标，发挥学生主观能动性，使学生主动参与丰富教学资源，提高资源数量和质量，同时减轻教师工作压力。该系统可为培养学生学习能力、创新能力提供数据支撑，可以支持后进学生了解不同学习方法、开拓学习思路，此外，依托区块链技术，学生自我监督更正可提高作业质量，鼓励原创内容。系统模型仍然存在一些不足，教学和学习过程中产生的非结构化数据较多，存储和使用困难较大。

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Research on the Design of Knowledge Contribution System Based on Blockchain Technology

The popularization of Online teaching has promoted the construction of teaching resources, but there are problems such as too many teaching resources with uneven quality, unsatisfactory teaching effects, and "negative and passive" emotions among teachers and students, and so on. Taking advantage of the open, transparent, traceable and untamperable characteristics of block chain, this paper designs seven dimensions and block chain storage model of knowledge contribution system data. A knowledge contribution system for educational institutions, students and teachers is designed in the way of alliance chain, which can encourage students to actively record the best way of learning, participate in the construction of resources, supervise and correct teaching resources. at the same time, it ensures that the data is complete, true and untampered, which provides support for the construction of curriculum resources and students' personalized learning.

blockchain; knowledge contribution; encouragement mechanism; hash algorithm

TP311.13

A

1008-1151(2023)07-0018-04

2022-12-15

广西高校中青年科研基础能力提升项目（2021KY1016）。

朱广（1990－），男，南宁职业技术学院高级信息系统项目管理师，讲师，工学硕士，研究方向为区块链、数据分析。