区块链在高校信息化建设中的应用研究*

单康康 袁书宏 徐锋 张华 王佶

摘   要：区块链作为比特币的底层基础架构，已被视为继蒸汽机、电气化、计算机之后的第四次工业革命的重要成果。文章从高校基础网络设施安全、学术资源共享、学分证明信用体制、身份认证管理、知识产权保护等多视角探索了区块链技术在高校信息化建设中的应用模式和价值重构，可为基于区块链的全面深度融合教育理念和教育模式的创新提供参考。

关键词：区块链;高校信息化建设;教育模式创新

中图分类号：TP309 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）03-0036-04

习近平总书记在2019年中央政治局第十八次集体学习时强调，把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推进区块链技术和产业创新发展，积极推动区块链技术在教育等领域的应用，为人民群众提供更加智能、更加便捷、更加优质的公共服务。2020年教育部正式印发《高等学校区块链技术创新行动计划》，该计划提出到2025年，在高校布局建设一批区块链技术创新基地，推动若干高校成为我国区块链技术创新的重要阵地。

区块链作为比特币的底层基础架构，已被视为继蒸汽机、电气化、计算机之后的第四次工业革命的重要成果。近年来，区块链技术在教育、医疗、金融、政务、电子存证、数字身份等各领域应用不断铺开，场景的深入化和多元化不断加深。区块链技术可构建信任和传递价值，通过区块链技术的有效利用，可对教育资源进行数字存证、保护教育用户信息隐私、推进数字教育资源流通、实现跨部门教育信息系统互联和数据可信共享等，进而推动教育技术创新与治理体系建设。本文结合当前教育信息化发展现状，融合区块链技术和高校信息化建设实际需求，从高校数据共享、教学科研、行政办公、协同创新等方面，即从数据层面、财务层面、应用层面、体制层面等多层面进行优化重构，研究区块链技术应用于教育中的重要价值，探索数字教育资源用户身份认证、知识产权确权与权益保障、教育数字档案存证、敏感数据隐私保护等多种教育信息化新技术和新机制，形成基于区块链的安全可信、稳定可靠、高效便捷的应用场景和模式，给未来高校信息化新基建提供发展趋势和创新路径方面的借鉴。

一、区块链概述

区块链主要分为数据层、网络层、共识层、合约层、应用层，如表1所示。数据层利用Merkle树与链式结构保障数据不可篡改;网络层使用P2P协议实现去中心化;共识层通过区块产生确认机制和激励机制保障分布式账本数据同步;合约层通过构建可编程的智能数字协议定义业务场景交易逻辑;应用层为用户提供各种场景API接口以自定义、发起和执行智能合约。

区块链作为一种虚拟化公共账本，任何人在任何地点都可以查看所有账本。这些账本在理论上几乎无法篡改。账本以区块的形式保存，每个区块可视为一个文件。在规定的时间内创建一个新的区块，区块包含了按时间顺序发生的所有历史交易记录。区块链同时是一种基于P2P的分布式數据库，使得其没有唯一的中央服务器，区块处理和交易验证的每个节点用户和机构都在本地保存一个账本副本，每发生一笔交易业务，全网节点会根据共识算法同时更新本地账本。如图1所示，区块链中每个区块都产生一个时间戳以记录该区块的生成时间，区块链还使用Hash密码学算法对区块数据进行加密签名，每个区块的Hash值融合了前一区块的Hash值，使得相邻区块之间的Hash环环相扣，形成无法篡改的链条。同时，交易发起方会基于其私钥和交易接收方的公钥对交易区块进行签名，以保障交易的真实性。

综上所述，区块链是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致、难以篡改、不可抵赖的分布式账本技术，主要有以下特性：

（1）去中心化：去中心化是区块链的最核心特性，区块链技术不依赖第三方机构，通过分布式节点实现信息的同步、验证和管理。

（2）开放性：区块链的数据对所有参与者开放，任何人都可以查询区块链数据，整个系统信息高度透明。

（3）安全性：区块链的51%攻击机制保证了任何人和机构在实际操作中几乎无法擅自修改链上的数据。

（4）匿名性：区块链各节点之间的数据传输遵循点对点的固定加密算法，不需要公开身份信息。

二、基于区块链的高校信息化应用

1.总体建设思路

针对高校教育管理与信息化服务在数字教育资源存储和共享、教学模式数据化、教学分级分类决策精细化管理等方面创新发展中带来的数据流转、数据安全、信任监管、隐私保障、版权保护等一系列问题，建设基于区块链的高校教育治理与应用创新信息化平台。探索利用区块链的教育资源共享、教育成果评价、学生综合测评、教育档案存证与追踪、信息流通控制与隐私保护等技术，支撑开展智慧校园智能化数字资源共享平台建设、师生各类创新知识产权的保护与溯源、真实可信的数字档案存证与追溯、敏感信息部门流转控制与隐私保护、基于学分虚拟币的全过程学习记录等典型应用场景。区块链在高校的应用场景如图2所示。

在高校基于区块链的信息化应用平台建设初期，首先需要判断哪些应用可以部署到区块链中。有以下参考因素：①是否可以构建链上的信任体系;②是否可以区块化客观逻辑来判断智能合约;③区块链带来的优点是否能抵消其带来的代价。

在校园网中，首先基于开源和去中心化架构对校园网进行基础网络改造，搭建高速点对点的分布式区块链平台协议，与校内各院系单位及科研机构等进行数据库对接，形成区块链联盟基础数据库，同步学院信息、科研信息、学术信息、在线教学课程信息、身份信息、学籍信息、学分信息、学位证书信息等，应用于身份认证、在线教学、办事审批、师生个人知识产权保护、校园网络基础设施等多种场景。

2.区块链典型应用场景研究

（1）校园基础网络设施安全

域名解析系统DNS、路由交换系统、网络地址自动分配管理系统等是互联网及校园网中重要的网络基础设施，是网络互联互通、服务有效可达、通讯安全可信的基础。这些基础设施因依赖传统的中心化可信架构模型，导致其具有局限性，存在中心节点权利过度集中、数据易被中间人篡改、单点故障等问题。利用区块链技术的可信互联特性可构建更安全的去中心化校园网基础网络公共服务设施。针对传统校园网络架构在可信计算方面的局限与不足，构建新型信任机制，支持网络日志的安全管理与安全风险的可回溯追踪，利用分布式记账技术构建底层的分布式数据存储读写能力，基于加密技术构建域名与IP地址的去中心化可信可控管理机制。

以互联网核心基础应用“域名解析服务DNS”为例。在高校基础网络应用设施建设中，利用区块链技术能很好地解决部分校园网络安全问题。例如：区块链技术能解决核心网络基础设施DNS系统的易受攻击问题，利用其不可篡改特性，将域名和IP地址对应关系的“增”“删”“改”记录在区块链中，可以在全网达成共识，不可篡改，形成交易记录层。解析地址和真实IP地址的对应关系就是客观存在的智能合约，记录在数据库中。基于区块链的DNS域名基础设施如图3所示。

（2）学术资源共享

高校拥有众多优质的在线教育与学术科研资源，不能跨校跨联盟分享。利用区块链的智能合约，可以简化认证过程，将校内和校外优质资源进行整合，形成学术资源区块链联盟。师生可以跨区域在任一区块链资源节点获取联盟内共享学术资源。同时，区块链的分布式结构，使得所有共享的学术资源不会因为某一个区块链节点故障而无法提供服务。“消除单独故障”保证了整个学术区块链数据资源的安全性与完整性。基于区块链的学术资源共享架构如图4所示。

区块链技术可以重塑和优化网络在线学习与学术资源共享社区生态，实现学术资源共享自组织、自运行的良性循环联盟区块链。在学术资源共享社区中，可以使用虚拟学习币提高全网成员参与的积极性，形成智能流转学术联盟。利用区块链技术建立虚拟学习币创建与流转机制，老师和学生可以通过上传学习资料、传授课程知识、提问学习难点、回答学习难点等互动行为的发生自动获取学习币。同时可以使用虚拟学习币购买学习材料与服务，激发全网用户师生的参与度，形成以虚拟学习币为核心激励制度与评价学术贡献度重要指标的全网学术资源智慧形成与资源自由流通生态系统。基于区块链的分布式账本技术，可将师生用户基于某个知识点的学术观点分布存储在区块链中，并在各个不同观点之间进行语义关联，形成可视化的知识图谱。

（3）学分证明信用体制建设

利用区块链技术的去中心化、可验证、防篡改特性，将学生学习过程中产生的各种成绩和证书存放在区块链数据库中，可保障学生课程学分、学业成绩、教育经历、综合素质档案等记录真实可靠和不可伪造篡改。建立完整可追溯的教育数字档案记录链，形成全过程、全方位的学业评价信用体系，为实现更加公正公平的教育评价提供支持，使得学习成绩的验证变得安全简单。同时，区块链技术还可以为高校和校外相关机构节省人工授予学习证明和验证学历材料的时间成本和人力成本，减少学校搭建应用系统和数据库的预算费用。区块链技术具备分布式记录与存储的特征，若此种特征能够在教育领域实现应用，将允许任何教育机构和平台开展跨系统、跨平台的学习行为和学习结果记录。

基于区块链的学分证明流程如图5所示。在校学生的课程成绩、学分、项目、科研等各种学习数据经过标注时间戳标签，然后分布式存储在学分证明区块链节点中，经授权的第三方机构或用人单位可以在任意区块链节点中查看学生的学习情况。一方面，可以保证学生履历的权威性;另一方面，利用分布式结构可以降低各高校信息化建设的成本，同时可以保障数据的安全性。在学分证明区块链中，首先利用区块链和非对称加密技术创建一个可以存储和查看成绩学分和项目实践记录的完整认证基础设施，包含证书相关基本信息的电子数据文件，包括姓名、学院单位、课程老师、认证时间等内容。然后使用私钥对证书进行加密和签名，创建关联Hash值，以用来校验颁发的证书内容是否真实有效无篡改。最后使用私钥在学分区块链中创建一个新区块纪录，可查询该证书的有效性。

（4）身份认证管理

基于区块链的身份认证方式具有身份校验模块化、多业务联动认证模型、数据真实可信、用户隐私安全等特性。区别于目前传统的身份认证方式，区块链身份认证可通过安全分发通道将数据传输给身份认证方进行校验，身份认证方不需要直接对接身份依赖方系统，只需要为身份认证申请者校验签发证书。身份依赖方可在不需要对接各认证方的情况下，实现多业务、多场景联动的用户身份信息访问和真实性验证。校园网可利用区块链技术对教师、学生等身份主体认证过程中产生的敏感信息，进行可靠、可信、高效的隐私保护、数据防护和访问控制，减少信息泄露的风险。

将高校各种应用平台组成应用联盟区块链，各平台之间通过在线协作共同维护联盟区块链，如图6所示。每个平台成员自身数据变动时，通过区块链分布式结构自动通知和同步其他应用平台成员。当高校师生用户在某平台登录成功后，其他平台同步信用授权认证数据;当用户访问联盟区块链内其他平台时，不需要重复认证。

（5）高校知识产权保护

随着信息化教学应用的推进，教师教学活动中形成了大量需要进行知识产权保护的专利、著作、论文、课件、教学过程视频等资源。利用区块链技术可实现数字教育资源的知识产权确权，以及数字教育资源分享或交易过程中的有效权益保护，激励教师创作更多高质量的资源，形成良性循环。

知识产权保护由于传统登记方式的局限性，存在确权难、盗版严重、公开性差等诸多问题。利用区块链的数字签名在原著与所有权信息之间建立无法篡改的对应关系。高校作者把专利、软件等作品发布到知识产权区块链数据库时，生成唯一私钥作为作品所有权的证明，并在区块链上生成唯一真实且不可篡改的存在性证明，从作品的产生、版权转让等每一步都能自动记录保存且不可篡改。利用区块链的可追溯性，能对全网师生用户发表的论文和专利进行自动追踪、查询和获取，从源头上保护用户的知识产权，防止知识成果被抄袭。图7为基于区块链技术的知识产权保护体系。

三、结语

本文通过探索基于区块链的数据共享模式，实现高校应用数据跨部门、跨校区、跨区域的共同维护和利用，促进业务协同办理，有利于深化高校管理“最多跑一次”改革，为广大师生带来更好的在线办事服务体验。

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（编辑：王晓明）