基于区块链的学生实践管理系统的设计与应用

李冠楠，朱敏，禤润堂

（顺德职业技术学院电子与信息工程系，广东 顺德 528300）

0 引言

近年来，在上述政策的大力推动下，广东省高职院校深入开展产学合作协同育人，汇聚企业资源，开展课程体系建设、教学内容改革、师资培训、实践条件建设等，支持学生开展与企业合作的创新创业训练项目等，发挥企业先进的技术、研发和产品优势，以产业发展的最新需求推动人才培养模式改革，使高职院校广大学子享受到了产教融合、校企合作的成果。

在学生参与实践的过程中，为了解决传统管理存在的信息滞后、工作量大、数据收集分析困难、质量控制不利等问题，各高职院校从实际出发，设计开发了不同模式下的实践管理系统。然而，这些系统都是学校作为单一主体主导开发和管理，部分部门和管理者的权力难以约束，存在数据不安全隐患，这使学生实践情况难以得到真实、客观的反映[1]。而信任机制的缺乏使得共同参与学生培养过程中的政府、企业等多元主体参与管理的意愿度不高，多主体、多场景产生的数据难以有效地进行协同。这在以往的技术条件下难以得到解决。

随着信息技术的不断发展，学生实践活动在学校教育中的作用越来越受到重视。为了更好地管理和监督学生实践活动，设计与实现区块链学生实践管理系统是非常必要的。该系统应该包括以下要求：首先，应该有一个完善的身份验证机制，确保每个学生的身份都可以得到验证，防止恶意篡改记录。其次，该系统应该有完善的数据加密和权限管理机制，确保学生的个人隐私得到保护，并且仅特定的管理员具有修改记录的权限。最后，该系统应该具备易用性和便捷性，在满足上述安全要求的前提下，为学生和管理员提供更加便捷的使用体验。

区块链实质上是一个去中心化的数据库，从技术角度看，具有去中心化、可追溯性、防篡改性和容错性四个关键特征。区块链技术的上述特点，可以有效解决职业教育跨界带来的多主体、多场景下学生实践管理困难的现实痛点，明确企业承担协同育人的责任，理清学校和企业参与协同育人管理分工，确立企业在协同育人工作中的重要意义[2]。

1 主要研究的内容

传统职业教育学生实践管理系统过度依赖某种“中心”，比如教师、学校管理者、教育行政部门等，而包括企业在内的各个外部主体由于利益不同难以形成有效的共享和协作，客观上形成了不对称的信任机制，导致学生管理失去了一定的自主性和全面性。本文提出一个基于联盟链技术以较低成本解决职业院校与企业在学生培养过程中数据互信问题的解决方案。在联盟链的基础上，采用“码+链”的方式解决区块链数据传输过程中匿名性的问题。引入“瘦链上、胖链下”的数据上链机制，解决传统大数据上链在进行全节点数据同步时出现的性能瓶颈问题。

构建职业教育学生实践管理的区块链技术体系，建立支撑学校、企业、机构等多方进行数据交换的联盟链系统。制定“码+链”的节点认证规范、节点上链流程、“瘦链上、胖链下”的数据上链标准、数据获取规范等一系列基础规范和数据规范，支撑相关业务在链上开展[3]。

开展区块链应用探索，为学生实践活动管理系统提供足够丰富的场景和数据来源。如图1所示，实施数据上链与数据汇集，让分布在不同区块上的学校、企业或机构的人才培养过程数据上链，然后通过数据整合的方式，把学生在不同地点、时间和场景下的实践数据汇集在一起。

图1 区块链节点部署拓扑图

本文所设计的职业教育学生实践系统是以区块链为基础架构，Web 平台为应用层，中间通过接口交互的多层级的综合体系。如图2所示，其中区块链底层采用Hyperledger Fabric 技术为框架；应用层以Spring 为框架；区块链网络层与应用层接口以HTTP/POST请求为通讯方式。区块链网络层中每个节点为一台服务器，每个节点上会根据各自的需求运行智能合约。每个节点都已经完成了节点的成员认证，其中节点4为成员管理节点，当区块链网络需要添加新节点时，需要向节点4发送认证请求，完成节点的注册后即可成为区块链网络中的节点[4]。

图2 数据流转图

功能模块方面分为账户管理：该部分负责管理系统中的用户账户，包括学生、教师和管理员等。数据库管理：该部分负责管理系统中的数据，包括学生的学术成绩、考试成绩、课堂表现等。区块链节点：该部分负责维护区块链的节点，用于存储学生评价数据和交易历史。智能合约：该部分负责处理学生评价数据和交易请求，并将其存储到区块链中。前端界面：该部分负责呈现系统的用户界面，使得学生、教师和管理员可以方便地使用系统。数据分析：该部分负责对学生评价数据进行分析，并提供相应的报告给教师和管理员，帮助他们了解学生的学习表现。此外，该系统还可以加入多种功能，例如学生学科选择、教师课程管理、互动交流等功能，以更好地满足实际需求。

2 方案设计与实施

调研校内相关应用系统以及基础数据来源，包含学生、教师、课程、实训等活动的应用系统架构以及数据存储方式。调研目前校内学生实践活动相关业务场景以及需求。基于现有的应用系统、数据、学生实践活动开展方式，制订相关的系统功能需求，设计相关业务流程。根据业务功能需求，进行系统架构设计、详细功能模块拆分设计。

使用中心现有的虚拟机服务器、MySQL 数据库、智能网络等基础资源，搭建一个包好三个节点以上的区块链环境，并在节点上搭建不同类别的应用程序，用来模拟异构系统的运行环境。

在制定教育信用码规范后，在虚拟机环境上实施节点上链的过程，模拟不同环境中的机构、应用程序加入联盟链的过程。在各个节点上，运行不同的应用程序，通过在前端应用采集数据，把数据保存到应用程序数据库后，对数据进行甄选，把有价值的数据对应的索引实施上链，参与数据交换的过程。在数据上链后，从功能的完整性、易用性、安全性等多个维度对系统进行测试和评价。对实验运行结果进行分析和总结，并比较本文的方案相对于传统技术架构方案的先进性。

以联盟区块链为底座。参与学生实践管理的各方成员是权限角色地位不等的学校、企业、政府部门等，每个成员都是得到准入许可的可信参与方，这些成员组成拥有共同目的的联盟。联盟区块链的共识过程受若干个主要参与方管理，这种形式既能够保证系统运行的效率，又可以兼顾系统安全性和成员共同维护的特性。使用联盟区块链可以不依赖数字货币，简化记录账簿，减少系统运行所需算力与带宽。Hyperledger Fabric 是开源的联盟区块链，提供完善的准入与安全机制[5]。实验采用的联盟区块链构架基于Hyperledger Fabric 实验的系统将学校、企业、政府等参与方规划进入Hyperledger Fabric 联盟区块链的相应Channel，对相应信息进行查询和管理。Channel 的结构如图3所示。每一个Channel 都是一个虚拟的区块链网络，Channel和Channel之间相互隔离。对于每一个Channel里的所有节点，都会为该Channel维护相同的账本数据。

Spring+MySQL+Fabric SDK 支撑业务逻辑。任何一个参与方都可以在联盟区块链存储的基础上，维护自己的B/S架构的应用服务。MySQL数据库可存储账本的当前状态以备前端查询；gRPC 是一种高性能的开源的RPC 框架，应用服务通过gRPC 来向底层的区块链网络请求服务。在本课题的学生实践管理系统中，通过Hyperledger Fabric 提供的SDK 来向底层的区块链网络发送gRPC请求，调用智能合约，以实现业务逻辑。业务逻辑位于中心位置，和所有的数据源交互，满足实际的业务需求。

前端应用提供实时展示、查询。Restful API 是一种通用性强的Web API 规范，易于开发人员理解，方便调用。提供给终端用户使用的应用，如安卓应用、Web 网页等，都可以通过Web 服务器开放的接口调用业务逻辑。

图3 系统架构图

系统支持提供联盟成员身份保护、内容保密功能；联盟链节点部署独立，不依赖于平台的部署，保证平台上数据传输的安全性。节点具有自恢复功能，本地节点发生故障，数据可以从区块链网络的其他节点进行恢复；支持节点间负载均衡管理；对于链上区块产生条件可以配置，根据业务数量、达成共识时间等，可以定义配置是否产生空区块。支持系统结构可伸缩性，可以随业务量的增加，通过增加虚拟机或物理机来扩充系统的整体处理容量，满足业务不断发展的要求。

3 结论与展望

本文所搭建的基于区块链的职业教育学生实践系统，在解决企业互信、数据防篡改的基础上，提供了一种基于区块链进行数据共享共治的新思路，为后续进行智慧校园数据中台建设提供一定的技术参考。从技术角度解决了学生实践过程中企业互信、数据防篡改的关键问题，节省传统应用系统因数据对接、企业认证、数据安全保障而需要投入的人力、物力、财力。

总之，基于区块链技术的学生实践管理系统设计与实现需要考虑多方面的安全性需求，包括身份验证、数据加密、权限管理和易用性等方面。区块链技术可以解决许多传统的安全性问题，提高了学生实践活动的管理效率和数据安全性，对于学校实践教学管理有着积极的推动作用。