基于区块链技术的在线教学资源库模型构建研究

袁竞

摘要：在线教学资源库是重要的课程教学资源，传统的在线教学资源库通过前后台+本地数据库的方式进行构建，存在着存储中心化、呈现分散化以及运营成本较高的缺点。区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性在教育领域有着广泛应用，亦对教学资源的共享提供了新的可能性。文章以区块链的联盟链为基础，提出了基于其的在线教学资源库的框架结构、构建了其网络结构组成，并设计了基于联盟链的在线教学资源库的资源上传、下载、更新和删除的工作机制。

关键词：区块链；教学资源库；框架结构；工作机制

中图分类号：TP181      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）07-0124-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

教育部于2018年印发了《教育信息化2.0行动计划》，其中明确提出了实施教育资源共享这一设想，通过教育资源共享以促进开放教育资源的建设与交流，打破数字教育资源共享发展的壁垒，满足学生和教师关于数字教育资源的需求，从而加快教育现代化建设、推动教育信息化的发展进程[1]。构建在线教学资源库，可以为远程在线教育提供优质教学资源与案例，为学生提供丰富的学习支持服务，适应新时代与疫情环境下的教育教学要求。构建一种新型的、能够满足多方需求的教学资源共享模式成为教育信息化建设过程中需要解决的问题[2]。区块链技术的去中心化、可追溯性、高安全性等特点，以及为信息共识、数据共享提供的高安全性保障，使得其为构建在线教育资源共享模式提供了新的可能性。

1 在线教学资源库的开发现状

1.1 教育资源中心化存储

传统的在线教育教学资源的开发模式往往是由学校组织，由学校的信息部门承担，并与任课教师合作进行完成。其存储模式属于传统的中心化的方式、应用模式属于前后台调用的方式，就单一学校的使用而言，该模式可能可以满足师生的日常教学需求。但随着互联网技术的发展与资源共享交流要求的提高，中心化的资源存储与前后台的数据调用模式存在着诸多缺陷。中心化的数据存储方式极易受到網络攻击，造成资源的丢失和破坏，同时中心化存储的安全防护对于网络入侵抵抗能力较弱，使得数字化教育资源极易被篡改。前后台的数据调用模式在系统升级以及平台移植的过程中显得不够友好，需要考虑数据与平台的兼容性问题。

1.2 教育资源分散化呈现

在传统模式下，在线教育教学资源的开发和应用过程中会受到各种因素的影响与制约，各类教育资源的呈现状态以分散化的方式出现，不同学校、不同地区的教育教学资源独立使用，资源的共享与交流的程度不高[3]。通过互联网技术的使用，高校以构建专题网站、精品课程网站以及学习平台的方式，加快了教育教学资源的传播与教学过程中的实际应用。但受限于网络本身条件、地域环境、学习软硬件等因素，在线教育教学资源的共享程度仍受到较大程度的影响，无法实现最大范围、最大限度的共享与交流。

1.3 缺乏统一规范、运营成本较高

由于传统在线教育教学资源的分散建设，建设过程中各自为政，资源之间缺乏互补与动态交流，因而缺乏统一的资源建设标准，教育教学资源的重复利用率较低、平台移植的通用性不高。另一方面，由于在线教育教学资源的建设涉及学校多个部门的分工与合作，是一项跨部门的系统工作，因而在资源使用、运营与维护的过程中会受到多方面因素的影响。因此，为了保障教育教学资源在网络中的长效正常运行，需要平衡信息体制、运营成本、人力支出、工作流程等多方面的关系，处理复杂的利益分配与协调的问题，这些都大大提高了日常的运营管理成本[4]。

2 基于区块链技术的在线教学资源库模型

2.1 关键技术

区块链从技术的角度来讲是一个去中心化的分布式加密账本，其形式是由一个个数据块通过索引连接的链式结构，使用与维护区块链的每个节点在更新这个链式账本时，所有的节点都会参与到区块的存储、验证与传递的过程中，共同维护区块的安全[5]。区块分为区块头部与区块体。区块体内以默克尔树的结构存储从上一区块到本区块之间所有交易的哈希值，默克尔树的根节点则存储在区块头部中，区块头部中另外还会存储前后区块的地址信息。

区块链系统大致分为公共链、私有链与联盟链三类，基于区块链的在线教学资源库采用联盟链的系统结构。联盟链通常构建于多个相互已知身份的组织之间，相较于其他类型的区块链系统，有更高的效率、更少的约束、更快的运行速率。只有加入联盟的成员才有数据的共享权，因此联盟链也提供了更好的交易数据安全隐私保护。Hyperledger Fabric系统是当前较为流行的联盟链开发平台，其包含了节点、账本、组、通道等要素。节点中包含了客户端节点、记账节点、背书节点、排序节点、主节点等角色。客户端节点即客户端，通过其他角色的节点接入区块链；记账节点负责验证交易、维护账本；背书节点负责在执行数据交易时进行签名背书的操作；排序节点负责接收包含背书签名的交易，并将交易进行区块打包并排序的操作；主节点从排序节点处获取新块信息并进行同步操作。承担不同角色功能的节点构成了组，是数据信用责任的区块链系统参与方。Hyperledger Fabric中的交易流程包括几个步骤：提出交易、模拟提案并背书、收集背书、构造交易、排序节点排序并生成区块、主节点通过广播接收区块、验证区块并计入账本、组内同步新块。

区块链中除了区块与链式结构外，另一重要组成部分是智能合约，其是一套以数字形式定义的承诺与参与方需要执行的协议。智能合约通过代码或者预编译的脚本来实现，具备不可篡改性、一致性等特点，因此智能合约保证了接入区块链的所有节点能够完成统一的操作。

2.2 总体架构

基于区块链的在线教学资源库是在Hyperledger fabric的框架上进行设计开发，数据层中以区块链结构保存相关数据，合约层中部署各类智能合约，结合教学资源上传、下载与浏览的使用需求，基于区块链的在线教学资源库总体结构划分为应用层、合约层、数据层以及物理层，其结构如图1所示。

物理层是整个框架中的最底层，由服务器、网络传输用的相关硬件以及安装在其上的操作系统和软件组成，以提供底层的软硬件支持服务。数据层建立在物理层之上，主要功能是数据的存储与交互，包含基于区块链技术的分布式存储模式，以及实现在数据交互过程中的防伪造、防篡改、可追溯等特性。合约层是整个框架的中间层，主要实现向上层应用提供功能应用的接口、向下层传递数据与区块链网络进行交互，其功能的实现通过多项智能合约完成。合约层中包含了权限合约、传输合约以及对合约的管理机制等，权限合约自动完成访问人员的身份验证、权限授予等，传输合约自动完成数据区块的定位、传输通道的分配以及数据的传输，合约管理则是完成智能合约的安装、部署与更新。应用层位于整个框架结构的最上层，用以实现各种用户需求、提供各类服务功能，包含对教学资源的数据管理、用户的管理、区块的管理等。应用层是用户的接口层，透明化底层的功能实现过程，为用户提供直接的操作界面。

2.3 网络架构

基于区块链的在线教学资源库采用联盟链的形式，结合 Fabric 的技术架构，以“数据库+Fabric”的方式构建，将教学资源存储于各个节点的本地数据库中，区块链中按照时间顺序存储用户的操作记录和资源的索引信息，其网络结构如图2所示。

在线教学资源库的联盟链底层网络节点由组内节点、排序节点和区块链和构成。教学资源库的用户包括浏览资源的学生、上传资源的教师、进行资源管理的管理者，根据用户的权限以及对不同种类教学资源的需求将其划分为多个组别，各个用户节点成为组内节点，按照其角色功能分为三类：主节点、记账节点以及背书节点。当有新的区块接入链中时，排序节点负责提供排序服务，并与由管理者用户充当的主节点进行通信，记录新增区块的相关信息。在进行资源操作产生数据交易的时候，普通用户节点充当记账节点的角色，负责区块交易记录、维护账本信息、记录状态数据，同时根据智能合约中的背书策略动态承担背书节点角色，负责接收交易背书的请求并进行数字签名。

3 基于区块链技术的在线资源库工作流程

3.1 教学资源上传流程

教学资源上传主要分为三个步骤：用户在终端发起请求、智能合约执行教学资源的上传以及区块链信息更新。用户首先通过终端登录到区块链网络，在验证身份后获得相应权限，在提出资源上传请求后系统验证用户是否拥有上传权限。智能合约根据用户发出的上传请求，对教学资源的类别进行区分，将上传提案发送到相关组内，由背书节点要求更高权限的节点以及区块链中一定数量的同级节点进行签名执行背书操作。当背书操作的结果达到了背书策略的要求时，智能合约将教学资源上传的请求提交给排序节点，由排序节点按照时间顺序进行排序并生成对应的区块。排序节点随后根据共识算法对生成的区块进行共识操作，并将其发送给相应组内的主节点，以供主节点进行验证并由记账节点添加至账本中，同时将需要上传的教学资源写入数据库。最后，主节点进行组内广播操作，要求组内节点进行區块的信息同步，从而进行账本更新，同时向用户端发送反馈信息，提示用户上传的资料是否成功写入数据库、用户的操作是否成功写入区块链。

3.2 教学资源的浏览与下载

相较于教学资源的上传，教学资源的浏览与下载无需更新区块链中的区块，只需要背书节点完成背书操作，其余则交给智能合约完成。资源的浏览是所有用户节点都具备的权限，当用户登录区块链网络经过身份验证后，即可进行教学资源的浏览操作。用户可以通过关键字以及专业类别进行教学资源的浏览。关键字浏览即是通过教学资源的名称、课程名称等进行资源的搜索，专业类别的浏览即是通过教学资源所属的专业进行资源的浏览。从安全的角度考虑，教学资源的浏览也需要更高权限的节点以及区块链中一定数量的同级节点进行签名执行背书操作，再由智能合约完成教学资源的搜索。用户节点在完成教学资源的浏览后，需要进行资源下载时，则需要提交下载请求并由系统验证其是否具备下载权限。资源下载的过程同样需要区块链网络中的相关节点执行背书操作，然后由智能合约为用户节点提供资源地址。

3.3 教学资源的更新与删除

教学资源更新的流程大体与资源上传的一致，首先由用户通过终端发出申请，在系统验证其权限后，由智能合约区分资源类别，通过背书节点执行背书策略，记账节点进行账本更新并生成新的区块，同时进行数据库中资源的更新操作。其中与教学资源上传稍显不同的点在于其背书策略的执行，除了需要更高权限的节点以及网络中一定数量节点的背书签名外，还需要该教学资源原上传节点的签名背书。由于基于区块链的在线教学资源库采用“数据库+Fabric”的构建方式，区块中仅存储各个节点的操作数据，因而当需要进行资源的删除时，其操作与资源更新基本相同，经过申请到背书操作后，生成的新的区块中记录删除资源的相关操作，系统则将数据库中对应的资源数据进行删除。

4 结束语

区块链技术在教育领域的应用为在线教学资源共享的实时性、可靠性、安全性提供了技术保障，解决了传统教学资源库在建设过程中中心化存储、分散呈现带来的安全性低和运营成本高的问题。在系统的构建中还有更为具体的问题需要进一步解决，如智能合约的工作机制、共识机制的具体要求、对于教学资源上传用户的奖励机制、整个系统中是否需要引入虚拟代币、虚拟代币的使用规则等。除此之外，区块链技术在教学资源共享网络构建过程中亦存在其他的不足，如随着时间不断增长的账本存储空间、区块同步过程中较低的广播效率等，这些都是在后续研究中需要进一步考虑的问题。

参考文献：

[1] 尹婷婷，曾宪玉.基于区块链技术的数字教育资源共享建模及分析[J].数字图书馆论坛，2019（7）：54-60.

[2] 邓明.基于区块链的在线教学案例库构建研究[J].广西广播电视大学学报，2021，32（5）：40-45.

[3] 于春燕，陈桂林，祁辉，等.基于联盟链的高校课程资源共享模式研究[J].滁州学院学报，2021，23（5）：109-112.

[4] 罗孟儒，袁小一，崔永.基于“区块链” 的高校数字教学资源共建共享[J].高校图书馆工作，2020，40（2）：34-38，50.

[5] 高飞，杨孝天，马冉，等.基于区块链的高校优质教育资源平台框架构建[J].高原科学研究，2021，5（2）：117-124.

【通联编辑：李雅琪】