基于區塊鏈技術的數字教育資源共享建模及分析*

尹婷婷 曾憲玉

（1. 西北工業大學教務處，西安 710072；2. 西北工業大學圖書館，西安 710072）

隨著“互聯網+”技術的快速發展和教育信息化2.0時代的到來，數字資源在教育教學中的應用越來越多，如何挖掘高質量的數字教育資源，實現數字教育資源的可持續發展與共享是促進現代教育教學快速發展的重要環節與關鍵舉措[1]。為進一步加快教育現代化，推進新時代教育信息化發展，教育部于2018年初印發《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號），明確提出實施教育資源共享計劃，以進一步促進開放教育資源的建設與共享，消除數字教育資源共享發展的障礙與壁壘，滿足學習者、教學者和管理者關于數字教育資源的需求。因此，構建一種新的、能夠滿足相應需求的數字教育資源共享模式已成為目前亟待解決的問題。

區塊鏈（block chain）技術被視為繼互聯網之后又一項完全顛覆人類社會變革的創新技術，一經提出就受到金融機構、計算機科學等領域專家的高度重視與關注[2]。2017年初，摩根士丹利銀行、匯豐銀行、高盛等40多家全球大型金融機構共同組建R3聯盟，用于研究區塊鏈技術的發展與應用；2018年冬季達沃斯論壇上，基于區塊鏈技術的快速發展與應用成果數量的迅速增長，有專家建議將2018年作為區塊鏈技術應用的元年[3]。本文借鑒在金融、商業、服務業和信息技術等眾多領域取得廣泛研究成果的區塊鏈技術的實踐經驗，利用區塊鏈的獨特技術優勢重新構建數字教育資源共享模式，對進一步推動區塊鏈在教育教學中的應用有著積極的現實意義。

1 基于區塊鏈技術的數字教育資源研究現狀

2016年12月，國務院印發《“十三五”國家信息化規劃》文件，將區塊鏈技術列入我國國家信息化規劃，并將其定為戰略性前沿技術之一。作為一種新興的互聯網應用技術，區塊鏈在服務業和信息技術等眾多領域均有著廣泛的實踐成果[3]，但就區塊鏈技術在教育領域中的應用而言，目前的研究成果還不夠豐富，國內外只有少數學者對區塊鏈在教育領域中的應用開展了初步研究工作[4]。金義富[5]基于教育資源建設、教育投入及教育產出等方面的具體分析，從“區塊鏈+教育”角度構建了通用區塊鏈教育系統；楊現民等[6]基于區塊鏈在金融行業的應用實踐，對區塊鏈技術在教育行業的發展前景進行了可行性探討分析；沈丹丹[7]依據區塊鏈的特點及其在教育領域的研究現狀，探索并分析了區塊鏈技術對數字教育資源共享模式變革的啟示與應用；全立新等[8]將區塊鏈技術的應用模型進行擴展，設計了基于雙區塊鏈理念的數字教育資源流通模式；李新等[9]基于區塊鏈技術構建了分布式教育資源的管理與應用平臺。

2 基于區塊鏈技術的數字教育資源共享模型的構建

2.1 區塊鏈的概念及特點

2008年11月，日本學者Nakamoto在Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System中提出了區塊鏈的概念與定義[10]：區塊鏈采用的是分布式數據存儲模式，由一定的加密關聯規則生成的一系列包含關于網絡交易的特定記錄的數據塊序列，以驗證信息的正確性及有效性并生成下一個數據區塊?？傮w而言，區塊鏈是基于Internet技術的分布式數據儲存及共識機制、加密算法等的創新應用[11]，具有去中心化、安全可靠及開放性等特點。其中，區塊鏈使用分布式的計算和存儲模式，沒有集中管理的硬件組織或機構，任何節點的權利和義務都是相同的，去中心化結構使得節點之間的交互和共享更加自主與簡化，如果同時進行大量交易，將節省大量時間并提高效率；在區塊鏈中，任一節點均具有發起基于信息計算結果進行表決的權利，當某一信息計算結果得到確認的比重超過50%，這一信息的計算結果將通過安全性驗證并被添加至區塊鏈結構中，因此，區塊鏈中的數據結構具有極高的穩定性和可靠性；在區塊鏈拓撲網絡結構中，除了個別得到授權的節點不需要公布節點的私有數據信息外，系統內的其余節點都可以對系統內的其他節點用戶進行公開發布數據信息，因此，整個區塊鏈系統具有開放性。

2.2 基于區塊鏈的數字教育資源共享模型的構建

根據教育資源傳播速度及傳播形式的不同，教育資源共享分為有中心模式和無中心模式[6-8]，其中，有中心模式的教育資源管理以實行集中監管為主要模式，具有管理程度較高的特點；無中心模式的資源管理以分散監管為運行模式，主要利用點對點技術實現共享模式，具有管理方便的特點且具有較高的數據安全性。本文在充分考慮這兩種模式各自優點的基礎上，構建具有集中監管、無中心結構特點的數字教育資源共享框架網絡結構，如圖1所示[7]。其中，區塊鏈的節點是有順序的，并且節點序號是區塊的基本屬性信息之一。在數字教育資源共享框架網絡結構中，各節點的主體可以是學校教師、培訓機構或者學習者，各節點之間可以實現互相連接。同時，在數字教育資源共享框架模型中，以區塊鏈技術為底層構架，利用技術成熟度較高的加密算法、規則驗證、數字簽名等共識機制和教育智能合約制度實現教育資源的自動載入、下載與更新等具體操作。因此，本文基于區塊鏈原理構建可動態擴展、可管理、可控制、開放服務的區塊鏈數字教育資源共享模型[12]，見圖2所示。區塊鏈數字教育資源共享模型主要包括4層結構。①資源存儲層。首先需要將書籍、視頻、文件等教育資源形成數字化資源并封裝為區塊的形式，發送至本地資源（服務器）。②資源連接層。已封裝完成的區塊資源通過共識機制、加密算法等形成區塊互連組，并在網絡資源庫中進行同步與更新。③資源交易層。資源提供者將數字資源封裝在等待驗證的區塊中（區塊中所需的基本數據如表1所示），隨后，系統將各個區塊連接到區塊鏈系統中前一個區塊的主鏈上，同時將各個區塊鏈中的數據信息備份至所有節點，即每個節點均記錄整個區塊鏈上的所有數據。區塊中包含版本號、時間戳、區塊地址值等基本數據信息，這些基本數據信息明確了數字教育資源的歸屬權，一旦發生侵權糾紛，每個節點都能夠擔當“證人”的角色。④資源共享層。本地資源庫和校外資源庫采用樹狀拓撲結構保存各節點的數據信息，以進一步提高數據信息的查詢速度。

由圖1和圖2可以看出，本文建立的數字教育資源共享模型是各節點按照對教育資源的需求自發組成的B2B網絡，學習者、學校教師、培訓機構等都可以通過加密算法、規則驗證、數字簽名等一系列安全驗證后成為區塊鏈網絡系統中的一個具體節點。網絡節點是系統運行的核心基礎，主要負責生成區塊以及通過哈希算法連接形成區塊鏈網絡，具體的連接過程如圖3所示[8,13]?？梢园l現，區塊頭和區塊體構成了區塊的基本結構。其中，區塊頭主要包括梅克爾樹根值、時間戳、難度值等具體的基本數據信息，區塊體通常包含多條發生交易的記錄信息。在數字教育資源共享過程中，若其中某一條交易記錄信息被篡改或偽造，則系統可以利用預先設置的計算規則，通過相應的哈希值及梅克爾樹根值進行檢測與校對，從而查找出被篡改或偽造的信息，因此在實際運行過程中，很難偽造一個區塊的信息，同時這也保證了數據教育資源的安全性與可靠性。

圖1 基于區塊鏈技術的數字教育資源共享框架網絡結構

圖2 區塊鏈數字教育資源共享模型結構示意圖

表1 區塊中的基本數據

圖3 連接系統區塊結構示意圖

構建數字教育資源共享分析模型，需要對數字資源信息的相關數據進行采集，分析資源配置信息的基本因素，具體的計算步驟如下。

（1）采集共享資源信息。在數字教育資源共享系統內，提供共享信息的用戶眾多，為保證共享數字資源信息能夠進行合理的分配，首先需要根據不同的提供者對共享信息資源進行采集與分類[14]，定義信息提供者的信息資源共享過程如公式（1）所示。

其中，vA和vB表示提供者上傳信息的共享速度，aAB和aBA分別代表信息資源共享使不同信息提供者之間的抑制作用系數，bAB和bBA分別表示信息提供者之間產生的促進作用系數。由于數字資源信息的重疊方式不同，數字資源信息的重疊情況如圖4所示[14]，其中a和B分別表示提供者上傳至共享平臺的數字資源信息。由圖4可以看出，不同的提供者共享的信息資源會出現3種情況：①不同提供者提供的信息均不重疊，如圖4（1）所示；②不同提供者提供部分相同或者重疊的信息，如圖4（2）（3）（4）所示；③不同提供者提供相同或相似的信息，如圖4（5）所示。

圖4 共享信息資源重疊情況示意圖

依照圖4的表示情況，定義SAB為提供信息a和B的信息重疊度，因此，若SAB的取值為0，則可以直接定義配置因子；若SAB的取值不為0，則需要對采集的共享數字資源信息進行降重處理，將重復的數字資源信息剔除。

（2）共享信息資源的演化配置。當不同信息提供者上傳共享信息的信息重疊度為0時，則表示信息資源共享達到平衡，信息需求者對于信息資源接收程度趨于飽和[15]，則公式（2）所示的平衡條件成立。

因此，將信息資源共享的均衡條件轉換成變量表示形式，具體如公式（3）所示。

對均衡條件進行求解可以得出滿足均衡條件的坐標，當a與B的信息資源共享水平相當時，兩者均在一定范圍內即可實現信息資源共享，此時，a與B的信息資源共享流程如圖5所示。

（3）分析共享數字資源的配置因子。假設均衡態演化配置完成的共享數字資源信息的樣本數為m，且配置的因子指標為n，同時定義配置信息中第i個樣本的第j個配置因素為sij，其中i的取值范圍為［1，m］，j的取值范圍為［1，n］[16]，那么共享數字資源信息全部樣本值構成的初始矩陣可以表示為公式（4）。

在計算樣本初始矩陣之前需要對矩陣中的數據進行標準化處理，通過公式（5）計算得到第j列數據的平均值。

初始矩陣中的數據經過均值化處理后得到新的矩陣，如公式（6）所示。

然后，按公式（7）對均值化的結果進行歸一化處理。

經過一系列處理得到的構造矩陣可以表示為公式（8）所示。

將采集到的共享數字資源信息的相關數據代入矩陣，并對相關的矩陣、矩陣的特征值和特征向量進行計算，從而得出一個對應矩陣配置特征值的單位化特征向量，其中組成特征向量的特征多項式標記為λj[17]。最后，通過共享數字資源信息的配置因子的累計貢獻率可以進一步確定配置因子的個數，前k個因子的累計因子貢獻率可以用公式（9）表示。

圖5 信息資源共享均衡結構圖

當特征向量的特征根不小于1時，即可以確定配置因子的個數。

3 基于區塊鏈技術的數字教育資源共享模式分析

在教育信息化背景下，數字教育資源共享是推進教育信息化快速發展的基礎工程與關鍵環節，而區塊鏈的應用為實現數字教育資源共建、共享提供了發展方向和技術保障，因此，本文分別從數據記錄、資源交易、資源管理等具體方面，探討數字教育資源的共享模式（如圖6所示[7]），以期為數字教育資源的有效共享提供參考標準。

圖6 基于區塊鏈技術的數字化教育資源共享模式

3.1 基于數據記錄建立個人資源學習大數據

在基于區塊鏈技術的教育資源共享體系中，學習者學習過程中的所有記錄信息都將被保存，因此學習者個人、學校教師以及培訓機構都能夠實時記錄學習者的學習過程，從而在教育資源共享系統內能夠形成大量的個人學習數據信息。通過存儲的教育資源數據信息，學校教師可以了解學習者的興趣愛好、學習習慣，評估學習能力，有助于開展因材施教，施行精準教學。同時，對于培訓機構而言，培訓教師可以在獲得授權認證后，查詢受教育者的數據信息，從而快速評估培訓內容與受教育者的匹配度，個性化定制受教育者的培訓方案，施行以學生為中心的個性化教育教學。

3.2 基于資源交易實現教育資源交易智能化

在基于區塊鏈技術的教育資源交易體系中，各種數字教育資源交易過程由系統自動完成，并且交易記錄的數據信息無法被偽造，確保教育資源交易過程的安全性與智能化。在智能教育資源交易體系中，受教育者能夠根據自身興趣愛好、學習習慣等具體情況選擇適合自己的學習資源和服務資源。同時，系統也能夠根據受教育者的需求主動向用戶推薦與之相適應的數字教育資源的相關信息，當用戶確認需要系統推薦的數字教育資源時，系統即自動發起交易支付過程，待受教育者支付完成后即進入所購買數字教育資源的發送階段，進一步實現數字教育資源的交易智能化。

3.3 基于資源管理創建教育資源管理系統

隨著教育信息化進程的加快，數字教育資源數量也不斷增加，如何對教育資源進行有效監管就顯得愈發重要。在區塊鏈視角下，基于資源管理層面的教育資源系統能夠科學評估和監控資源質量，并對各類教育資源進行科學、有效的整合，進而實現對數字教育資源實時監測，從而提高對教育資源有效監管。同時，數字教育資源的評價是一個多層次、多指標的復雜系統，而區塊鏈技術作為互聯網環境下用戶分析和服務設計的有力工具，在資源管理層面嵌入區塊鏈技術為數字教育資源的科學評價提供了新的研究思路和發展方向。

4 結論

區塊鏈的開發與應用為數字教育資源共享的實時性、可靠性和安全性提供了技術支持和發展空間，為全球教育行業提供了大量自由開放的數字教育資源，解決了傳統數字教育資源共享發展過程中存在的諸多難題。但是，就目前區塊鏈技術在數字教育資源共享領域的應用情況而言，仍面臨一些挑戰與機遇，如知識產權侵權問題，不能僅僅從技術層面上來保護資源的產權問題，還應從版權機構和原創角度出發，進一步完善區塊鏈技術在數字教育資源共享模型中保護知識產權的具體措施，并制定適當的政策來保護資源的所有權，構建可靠、安全、可持續發展的數字教育資源共享發展模式。因此，基于區塊鏈技術的數字教育資源共享模式發展，仍需要政府部門、教育組織、社會力量等多方面的全力合作，切實加強知識產權保護問題，提高數字教育資源共享的范圍和質量，消除數字教育資源共享發展中的壁壘，擴大數字教育資源共享的受眾面，進一步為受教育者提供充足的個性化學習資源。