《民間故事》2019年11月（下）刊, ISSN:1005-3948

摘要:當(dāng)前的云教學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中，存在教學(xué)管理難度大、考核方式靈活性差，各種教學(xué)活動行為的評分難以衡量等問題，為此，本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云教學(xué)終端系統(tǒng)平臺解決問題。系統(tǒng)以“一課程一節(jié)點(diǎn)，腦力即算力，Token為輔”的設(shè)計思想以及與區(qū)塊鏈特性相結(jié)合的機(jī)制，來適應(yīng)云平臺各種教學(xué)環(huán)境等情況；系統(tǒng)以以太坊聯(lián)盟鏈POA(Proof-of-authotity)共識為基礎(chǔ)搭建云教學(xué)平臺框架，采用本地數(shù)據(jù)庫結(jié)合區(qū)塊鏈分布式存儲教學(xué)信息，智能合約實現(xiàn)云平臺交互功能。

關(guān)鍵詞：云教學(xué)終端平臺；區(qū)塊鏈；設(shè)計與實現(xiàn)；智能合約

1. 概述

區(qū)塊鏈技術(shù)的終端云教學(xué)平臺，即從分布式技術(shù)存儲、智能合約方式降低人為干預(yù)教學(xué)與學(xué)習(xí)的過程、降低云教學(xué)活動的管理難度角度出發(fā)。目前的各種云平臺如雨后春筍般出現(xiàn)，但是云教學(xué)管理難度和線下教學(xué)管理相比，存在靈活性差、考核難度大等問題[1]。

為提高云教學(xué)平臺學(xué)習(xí)過程可信任、降低教學(xué)活動中人為干預(yù)過程[2]，一方面，由區(qū)塊鏈替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫庫，采用分布式不可更改的存儲方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中信息數(shù)據(jù)的可信任；另一方面，采用智能合約的方式，將教學(xué)活動、教學(xué)管理的實現(xiàn)智能化，降低人為干預(yù)的過程，讓整個教學(xué)環(huán)境具有自治性。結(jié)合區(qū)塊鏈的特性，提出基于區(qū)塊鏈的云教學(xué)終端平臺模型設(shè)計。

2. 區(qū)塊鏈

2.1區(qū)塊鏈概念

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰”的學(xué)者在2008年發(fā)表的奠定性論文《比特幣:一種點(diǎn)對點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。區(qū)塊鏈技術(shù)是利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證和存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用密碼學(xué)的方式來保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算范式。

2.2區(qū)塊鏈概念

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊有序串聯(lián)而成的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]，由區(qū)塊頭、版本號、前區(qū)塊Hash、Merkle樹根、時間戳等組成。區(qū)塊頭是當(dāng)前區(qū)塊的Hash值；時間戳記錄當(dāng)前區(qū)塊的產(chǎn)生的時間；Merkle樹根作為區(qū)塊的存儲器，其每一個葉子節(jié)點(diǎn)存儲當(dāng)前區(qū)塊存儲的內(nèi)容，每一個葉子節(jié)點(diǎn)都是逐漸向上傳遞至父節(jié)點(diǎn)直到Merkle樹根，由此判定被篡改的節(jié)點(diǎn)位置。

圖1：區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)圖

2.3以太坊聯(lián)盟鏈與POA共識機(jī)制為基礎(chǔ)實現(xiàn)方式

區(qū)塊鏈以開放程度分類，可分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈。公有鏈即公開，所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)信息公開；私有鏈即私有，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)信息只對內(nèi)部開放；聯(lián)盟鏈介于公有鏈與私有鏈之前，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)信息對聯(lián)盟成員開放。通過聯(lián)盟鏈方式搭建云教學(xué)終端平臺一是可以保證教學(xué)數(shù)據(jù)僅在聯(lián)盟成員中相互流通，即具有保密性，也在未來提供可擴(kuò)展性[4]。

區(qū)塊鏈共識機(jī)制主要分為幾類：POW（Proof-of-work）即工作量證明機(jī)制、POS(Proof-of-stake)即權(quán)益證明機(jī)制、Dpos(Delegated-proof-of-stake)即委托權(quán)益證明機(jī)制、POA(Proof-of- authotity)即權(quán)威證明機(jī)制。這幾類共識機(jī)制根據(jù)不同的應(yīng)用場景被使用各類應(yīng)用中。通過對以上幾類機(jī)制的分析，云教學(xué)終端管理系統(tǒng)采用了以太坊的POA共識機(jī)制，通過選舉出信任節(jié)點(diǎn)進(jìn)行打包交易以及完成出塊任務(wù)。

2.4 POA機(jī)制的聯(lián)盟鏈特點(diǎn)

以POA為基礎(chǔ)的聯(lián)盟鏈具有若中心化、信息不可篡改、可信任、數(shù)據(jù)可追溯、數(shù)據(jù)分布式存儲等特點(diǎn)，與云教學(xué)平臺相互結(jié)合，即可以保證課堂教學(xué)、學(xué)習(xí)過程可信任，實現(xiàn)降低教學(xué)管理過程人為干預(yù)。

(1)若中心化。基于區(qū)塊鏈的分布式特性，教學(xué)、學(xué)習(xí)過程中的數(shù)據(jù)會形成區(qū)塊鏈賬簿形式存儲在節(jié)點(diǎn)中[5]；其次，通過POA共識機(jī)制，由節(jié)點(diǎn)對整個課堂產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行交易打包上傳至整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，保證了以課堂為中心產(chǎn)生的數(shù)據(jù)自動化存儲至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，減少人為干預(yù)數(shù)據(jù)過程。

(2)信息不可篡改。在整個教學(xué)活動中，如：教師批改作業(yè)完成情況、學(xué)生是否接收通知、學(xué)生作業(yè)完成情況、是否觀看完視頻、學(xué)生考試成績等，這些行為所產(chǎn)生對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都將以對應(yīng)的Hash方式存儲至區(qū)塊鏈中，一旦被存儲將無法被篡改[6]。

(3)可信任。基于POA共識機(jī)制搭建的聯(lián)盟鏈，如果其中一個信任節(jié)點(diǎn)要對整個區(qū)塊鏈進(jìn)行操作，需要整個信任節(jié)點(diǎn)的三分之二允許情況下，才能進(jìn)行操作。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)被篡改可以追溯至數(shù)據(jù)的發(fā)起方，身份的確認(rèn)保證整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的可信任。

圖2:POA共識機(jī)制架構(gòu)圖

3. 基于區(qū)塊鏈云教學(xué)終端平臺設(shè)計模型

3.1 系統(tǒng)采用一課程一節(jié)點(diǎn)，腦力即算力，以Token為輔的設(shè)計思想，讓整個教學(xué)、學(xué)習(xí)過程可追溯、可信任，提供動態(tài)自主性教學(xué)管理。

(1)課程節(jié)點(diǎn)

如果將所有云教學(xué)課程數(shù)據(jù)都放在整個區(qū)塊鏈中，后面隨著更多的課程、學(xué)生、教師等各類數(shù)據(jù)不斷增多，存儲難度將變得非常困難，整個數(shù)據(jù)難以進(jìn)行管理。所有這里提出以每個課程為節(jié)點(diǎn)，即該課程下所有教學(xué)活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)遵循“統(tǒng)一前綴值+身份標(biāo)示+Hash”的命名規(guī)則，并且借助本地存儲系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分課程整理存儲。降低了區(qū)塊鏈對于分散、臃腫數(shù)據(jù)存儲的難度和管理難度，更好的實現(xiàn)即信任可追溯的數(shù)據(jù)存儲功能[7]。

(2)腦力即算力

在整個云教學(xué)的教學(xué)環(huán)境下，無論是教學(xué)還是學(xué)習(xí)的行為都難以考核，沒有一個實際的指標(biāo)去考核某種行為是否完成。比如，學(xué)生觀看網(wǎng)絡(luò)視頻，作為教師沒有辦法時刻知道每一位學(xué)生是否觀看了視頻，從而難以對學(xué)生行為進(jìn)行評分。所以提出了腦力即算力的考核方式，基于區(qū)塊鏈下的云教學(xué)平臺，系統(tǒng)會將對每個用戶進(jìn)行標(biāo)示(如年紀(jì)+班級+學(xué)號+姓名)，當(dāng)使用者進(jìn)行觀看視頻過程中，系統(tǒng)會不定時提出觀看過的問題，學(xué)生進(jìn)行作答。這個過程即將學(xué)生的腦力轉(zhuǎn)為為算力，并由節(jié)點(diǎn)打包此交易信息到整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。其次，學(xué)生觀看視頻、回到問題都是由智能合約自主完成，人為不可干預(yù)，并且兩個行為數(shù)據(jù)都將被永遠(yuǎn)存儲。

(3) Token為輔

云教學(xué)環(huán)境下，教學(xué)活動的過程中的行為難以直接用學(xué)分進(jìn)行兌換，由此提出token為輔的機(jī)制，將教學(xué)活動中的行為與token進(jìn)行掛鉤。在該平臺下，使用者所有的行為或者操作都將以token的形式被表述。以觀看視頻為例，使用者在打開視頻并觀看完成的視頻，系統(tǒng)會自動給予token獎勵；使用者在完成視頻過程中答題，也會給予token的獎勵。通過token為輔的機(jī)制，貫徹整個區(qū)塊鏈云教學(xué)活動，最后是將token和學(xué)分進(jìn)行掛鉤，按一定比例得出某某學(xué)生在本學(xué)期該課程中所獲得的學(xué)分。其次，token可以被看作獎勵，通過token提供免費(fèi)兌換一定獎品，具有激勵學(xué)生的性質(zhì)。Token為輔的機(jī)制即激發(fā)學(xué)生更多的學(xué)習(xí)興趣，也可看作考核學(xué)生教學(xué)活動的標(biāo)示。

3.2系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的生姜產(chǎn)品柔性可信溯源系統(tǒng)架構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)采集層、存儲層、應(yīng)用層、交互層構(gòu)成。

基于區(qū)塊鏈的云教學(xué)終端平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要由存儲層、應(yīng)用層、交互層、POA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

(1)存儲層

存儲層由區(qū)塊鏈的分布式存儲和本地集中式存儲共同組成，分別存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。基于區(qū)塊鏈下的云教學(xué)各個教學(xué)活動的參與者，有著自己特定的身份表示，根據(jù)區(qū)塊鏈上的存儲Hash定位到本地數(shù)據(jù)的Hash，從而確保數(shù)據(jù)的不可偽造性，保證數(shù)據(jù) 存儲安全；通過與本地數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，更加方便進(jìn)行對數(shù)據(jù)的規(guī)范管理與靈活使用。

(2)應(yīng)用層

應(yīng)用層為云平臺使用者提供服務(wù)。在整個教學(xué)活動、教學(xué)管理過程中，使用者通過各個智能合約接口，不斷將參與者的教學(xué)、學(xué)習(xí)、管理等行為過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以調(diào)用智能合約接口的形式上傳數(shù)據(jù)至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以及本地數(shù)據(jù)庫。

(3)交互層

交互層主要包括對Web應(yīng)用、微信小程序、微信公眾號等，是提供系統(tǒng)與不同使用平臺的接口，更加方便的使用系統(tǒng)功能。

(4) POA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

POA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的核心，由多個信任節(jié)點(diǎn)組成的共識機(jī)制委員組，主要是對通過智能合約產(chǎn)生的交易信息進(jìn)行打包，將交易信息內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，并廣播給所有POA網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)完成整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一致性。

圖3:POA共識網(wǎng)絡(luò)組

3.3 模型應(yīng)用過程遇到的問題以及解決措施

3.3.1 token生產(chǎn)

區(qū)塊鏈云教學(xué)中token的生成，token的生成通過以太坊代碼的形式進(jìn)行生成，生成代碼如下：

圖4:token生成代碼

3.3.2存儲內(nèi)容以及數(shù)據(jù)格式

基于區(qū)塊鏈的云教學(xué)區(qū)塊鏈系統(tǒng)存儲鍵值對數(shù)據(jù)，通過以課程為節(jié)點(diǎn)對象，本系統(tǒng)已課程代碼、班級ID、學(xué)號、姓名等信息組成為鍵，以課程教學(xué)活動行為等產(chǎn)生的交互數(shù)據(jù)信息為值，通過JSON格式樣式對鍵、值信息作為云教學(xué)數(shù)據(jù)存儲形式，樣式如下：

4. 總結(jié)與展望

本文通過研究對比目前的云教學(xué)平臺模型不足的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合區(qū)塊鏈POA(Proof-of-authotity)共識機(jī)制為基礎(chǔ)的架構(gòu)上和運(yùn)用以太坊智能合約的便利等特點(diǎn)，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的云教學(xué)終端平臺模型。并通過結(jié)束以平臺使用者觀看視頻為例給予講解本系統(tǒng)中部分功能的使用。系統(tǒng)具備存儲數(shù)據(jù)的安全可靠性、數(shù)據(jù)不可更改性、數(shù)據(jù)來源可追溯性，將整個云教學(xué)活動過程抽象化出來，以腦力即算力的模式將整個區(qū)塊鏈云教學(xué)平臺運(yùn)作起來。其次，通過智能合約的接口，將教學(xué)管理等工作減少了人為干預(yù)，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更具有說服力以及可信任。并且以token機(jī)制為輔，貫穿整個區(qū)塊鏈云教學(xué)平臺，具有一定學(xué)習(xí)激勵效果，提高學(xué)生在線學(xué)習(xí)的動力。

本文旨在為當(dāng)代云教學(xué)環(huán)境下提供更加合理可靠的新的設(shè)計思路以及解決方案。整個區(qū)塊鏈云教學(xué)系統(tǒng)還有進(jìn)一步待完善的空間，有以下幾個方面：以聯(lián)盟鏈的形式開展區(qū)塊鏈云教學(xué)平臺，可以提供未來更多的教學(xué)機(jī)構(gòu)加入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通、資源互享，但目前開發(fā)難度較大需要進(jìn)一步研究測試；其次，結(jié)合區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)存儲方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理，還需要研究更加高效的數(shù)據(jù)存儲和保障方案；最后，希望推動區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與實踐。

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