基于区块链技术的教育数据共享平台设计
摘 要： 随着大数据、人工智能、物联网等新兴技术的高速发展，在“互联网+”背景下，将信息技术与现代化教育继续深度融合，利用区块链的去中心化、智能合约、非对称加密等技术，设计区块链技术在教育数据中的共享场景应用，探索建立对各主体遵循教育共享标准行为激励和约束作用的共识机制，加强教育数据共享标准的一致性，实现教育信息价值增值，是体现教育数据共享成效的重要显性指标。解决教育数据在共享过程中出现的问题，探索区块链技术如何助力教育数据共享，以期推动教育信息化的持续发展。
本文源自王晓东， 工业技术创新 发表时间：2021-04-25《工业技术创新》是由中国电子信息产业发展研究院和工业和信息化部部长主办的国家科技学术期刊。该报主要面向工业技术创新领域的相关产业部门、工业企业、科研创新学术交流平台、技术创新成果宣传转化领域以及战略政策研究的理论讨论阵地。该杂志的宗旨是促进产业技术创新，促进产业转型升级，为建设创新型国家服务。
关键词： 区块链技术;教育数据共享;去中心化;智能合约;“互联网+”
引言
目前，促进教育数据共享，推动教育信息化发展已成为国家战略，我国已开始进行基于教育数据的教育信息化研究，并提出了大数据时代的信息化发展框架，将数据智慧转化为“行动智慧”。数据和信息是最大价值，推动教育数据共享是教育领域创新发展的不竭动力，是教育领域综合改革的科学力量。
2020年3月，我国提出要深⼊实施教育信息化 2.0行动计划，完善国家“数字教育”。2019年，我国强调把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投⼊力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展。当前，各行各业都开始关注区块链技术的同时，教育行业也在积极探索利用该技术破解行业难题，促进教育行业实现“信息共享”、“互利共赢”创新发展。
本文将通过区块链核心技术理念对有关教育数据共享问题进行分析，设计区块链技术在教育数据中的共享场景应用，以求推进区块链技术在教育数据共享领域中的发展。数据—信息—知识—智慧，是教育的主线，让信息成为人脑可以获得的知识，让知识得到更好、更优的传播。
1 教育数据概念及共享挑战
1.1 教育数据概念
全球新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，一些新的技术在教育信息化领域处于革命性突破的前夕，我国着力探索未来颠覆性技术，从推动单一技术创新转向构建技术创新生态，随着大数据理念的不断传播以及应用的逐步深⼊，也推动着教育信息化技术的创新与变革。教育数据是大数据的一个子集，是指整个教育活动过程中所产生的以及根据教育需要采集到的，一切用于教育发展并可创造巨大潜在价值的数据集合[1]。教育数据在提升教育质量、促进教育公平、实现个性化学习、优化教育资源配置、辅助教育科学决策等方面有着重要作用。
教育数据产生于各种教育实践活动和数字化教育资源[2]，既包括校园环境下的教学活动、管理活动、科研活动以及校园生活，也包括培训机构、博物馆、图书馆等非正式环境下的学习活动;既包括线上的教育教学内容，也包括线下的教育教学内容。教育数据共有五大来源：一是在教育教学活动过程中直接产生的数据;二是在教育管理活动中采集到的数据;三是在科学研究活动中采集到的数据;四是为受教育者提供的数字化教育内容;五是为数字化教育内容提供载体的数字化教育系统数据。
1.2 教育数据共享挑战
随着教育数据的进一步采集和社会文化背景的多元化发展，教育信息化这项工程会向着多元化、智能化、个性化的方向继续演进。而与商业、交通、环境、医疗等领域的数据相比，教育数据有其更强的独特性和复杂性，在具有巨大的发展潜力的同时又面临着诸多的问题挑战。
1.2.1 教育数据共享隐私保护问题
在教育信息化发展过程中，海量的教育者和受教育者信息为各种系统所获取和利用，其中包含不少隐私信息。在大数据分布式计算、存储等新技术广泛应用的情况下，数据分析挖掘、共享交易等新应用场景不断出现，导致个人隐私泄露等问题日益凸显，保护不当将会带来严重的安全问题，教育数据共享让隐私保护面临前所未有的挑战。目前，关于隐私保护的主要技术为防御型技术。防御型技术是指预防和阻止个人隐私泄露的技术，如匿名保护技术、数据干扰和推演控制等。匿名保护技术效果较好，但容易导致数据可用性降低;数据干扰技术操作便捷，但其实现起来比较繁琐且应用性不高，有一定的局限性，造成了实现比较复杂的状况。
1.2.2 教育数据共享溯源问题
当前普遍采用的教育溯源技术解决方案，不论是标签类还是系统集成方案类均采用中心化架构。中心化的教育溯源系统无法自证清白，这是目前教育溯源行业的根本问题。传统教育溯源行业的系统数据库主要是教育机构自建的数据库中心或者教育系统技术服务方提供的教育云数据库。因为其自身是流转链条上的利益相关方，所以存在篡改教育信息，使溯源流程失效的现象。当教育数据对自己不利时，可以对溯源数据进行修改或删除，存在故意规避自身责任的漏洞风险。同时面临外部风险，存在黑客攻击系统数据库的安全隐患，将教育数据进行盗取来进行教育领域相关虚假产品的市场仿冒恶劣手段。
1.2.3 教育数据共享授权访问机制问题
传统的教育数据访问机制是通过开发数据接口来提供数据访问服务，定制开发接口和提供视图或备份的方式是通过定制开发来满足用户的特定需求，但接口共享不能保证共享后的教育数据隐私和再次共享，缺乏安全性。而如果基于教育数据规范化进行开发，提供的数据在教育层面上具备更好的通用性，但数据接口缺乏灵活性，在实际教育场景中，无法满足复杂灵活的数据需求。
2 区块链技术助力教育数据共享
2.1 区块链技术助力教育数据隐私保护
区块链技术灵活地运用了密码学原理，包括哈希函数、非对称加密等加密算法保护数据安全。在教育数据上链过程中是将原始教育数据的哈希值及数据的物理存储位置写⼊区块链的数据，且存储地址为公钥加密存储，只有具有特定权限的用户才能够用私钥进行解密访问到相应区块链数据，进行信息校验或读取原始数据等。区块链节点之间不需要直接共享原始教育数据，能确保教育数据传输和存储的数据安全，避免关键信息和教育隐私数据在共享和开放的过程中泄露，提高教育系统的安全性。
2.2 区块链技术助力教育数据共享溯源
区块链是区块按时间顺序生成、以链的方式组合在一起的分布式账本系统，一旦新区块完成共识并加⼊到区块链，则教育数据记录就再也不能被改变或删除，保证了教育数据库的完整性和真实性。区块链利用时间戳、共识机制等技术手段，保证了溯源环节上各节点上链教育数据的真实不可篡改。应用了区块链技术的“去中心化分布式记账法”将所有教育数据公开记录在“公共账本”上，并只能录⼊无法修改，同时通过复杂的加密算法，使得教育数据难以被攻击和篡改。 应用区块链技术构建教育数据共享账本后，教育者、受教育者以及教育机构能够随时监测各个节点数据的传输与流通，保证了存储数据受多方监督，有利于教育部门进行教育数据溯源监管，达到责任可究的目标。
2.3 区块链助力教育数据授权访问机制
利用区块链技术的数字签名和代理签密能够有效地保护教育数据在共享过程中的安全，区块链技术中共识的算法，实用拜占庭容错算法可以帮助用户在互不信任的网络中达到记账的公平性和一致性，解决访问控制中集中化管理问题。利用区块链去中心化存储的优势，做出一个加密的访问控制机制，该机制将数据的访问控制权归还给数据提供者，将访问策略公开存储到区块链网络中，利用智能合约对数据申请和授权进行全网监督。帮助用户处理教育数据在共享过程中的数据授权访问环节，减少传统教育数据管理系统中的人工成本和时间成本。
3 基于区块链技术的教育数据共享平台设计方案
教育数据共享在提升教育质量、促进教育公平、实现个性化学习、优化教育资源、帮助教育科学决策等方面有着重要作用。基于区块链技术去中心化、透明化以及安全性等特点，可以有效解决当前教育数据共享过程中的一系列问题，为教育者、受教育者、教育机构以及企业等多方提供更为标准和坚实的数据基础，提高教育数据的精度并实施决策，以及更为深度地挖掘教育教学潜力，推进教育信息化发展[3]。基于区块链的教育数据共享平台架构如图1所示。
各参与管理方以节点的方式加⼊区块链网络，各节点之间消息互通，确保数据层教育数据的真实性和一致性。区块链服务层的关键技术是应用服务部分各模块的基础支撑，基于区块链的智能合约和时间戳技术，给教育数据共享提供更安全高效的执行环境，利用区块链技术的电子身份功能，对用户、设备进行区块链认证，同时对多用户的私钥进行管理。应用服务在关键技术的支撑之上，每个服务是由一组相关的规范、流程和配套的交互接口构成。通过区块链层应用服务，经再次开拓对接特定场景。基于区块链的教育数据共享平台如图2所示。
利用非对称加密算法中的公开密钥和私有密钥，通过共享私有密钥给某个或某部分节点用户，开放共享教育数据，得到私钥的机构或者用户便可以直接访问获取对应的教育数据，实现教育数据共享的有效性和准确性，最大限度发挥教育数据自身的应用价值，促进教育数据的智慧性流转。而且基于区块链技术，可以记录教育资产数据、教学数据、管理数据以及教育者、受教育者数据和教学活动等真实过程，使教育数据透明化，实现教学环节追溯、教务管理追溯、相关视频或文字追溯以及考试测验等活动的全程追溯。
4 区块链技术在教育数据共享中的应用场景
4.1 线上学习成果认证平台
线上学习成果认证多用于非正式学习场合，能够在在线环境下认证学习者取得的成果技能或为有质量的工作和学习提供证明。这种学习认证尤其适合成人在职学习者。学习者在区块链系统平台上将自己在不同场合所获取的学分进行汇总，平台上记录学习者学习内容的完成情况，利用互联网进行公布[4]。基于区块链技术的在线学习认证的框架包含证书记录查询平台和底层区块链分布式账本两大部分。其中核心是证书记录查询平台，而底层区块链分布式账本技术是整个框架的技术基础，通过全网广播和数字加密技术实现分布式账本记录的不可撤销性和安全性。将线上学习认证与区块链技术体系相结合，能够突破在线学习领域学习成果认证技术上的难点，并且达到优化整个体系的效果。使用者通过用户接口对某一学习者的学习经历进行查询，能够查询完整的线上学习过程以及成果，实现线上学习的全过程追溯。基于区块链的线上学习成果认证平台如图3所示。
4.2 教育资产数据共享
教育资产数据是教育数据的来源之一。当前学校教育资产数量庞大，各部门管理过程不透明，数据共享不及时，时常会发生设备闲置、重复采购以及领用人遗忘等问题。区块链技术可以解决各个部门间数据共享不及时、不透明的问题，实现教育资产所产生的教育数据全民监督、人人共享。利用区块链技术的分布式记账本及数据溯源技术，将采购过程中信息和流程公示，确认采购的一致性和准确性。区块链下的每个节点都独立保留交易以及使用记录等的所有教育资产数据信息，利用区块链的时间戳功能连续性追溯，管理员可以实时掌握教育资产的使用情况、利用率以及设备技术参数。基于区块链技术可以增强教育资产管理的信任度和透明度，有效解决教育资产共享和管理过程中效率低下的问题，减少人工成本，工作效率大幅提高。区块链在教育资产管理中的应用平台如图4所示。
4.3 学生综合素质评价
随着考学和就业竞争的加剧，越来越多的用人单位和教育机构看重学生的综合素质。学生综合素质评价主要依靠教育教学活动过程中直接产生的数据和学生直接产生的数据来评测。基于区块链技术构建学生综合素质评价系统，将学生的关键或代表性事件、获奖情况以及学生活动数据采用非对称加密等技术传输在分布式账簿上，通过智能合约确保了教育数据信息的安全与不可篡改，利用智能算法编写评价算法，根据分布式账本上的教育数据进行个人评价，通过共识机制完成各类用户在评价过程中的交易请求，而非中心化的认证机构完成确保了综合素质评价过程难以被欺骗，维系系统的持续稳定运行。学生综合素质评价系统可以促进学生教育数据共享，帮助用人单位或教育机构实时查询学生在校期间的教育数据以及评价，有利于推进教育数据共享过程中的诚信化，促进学生综合素质发展[5]。学生素质评价平台如图5所示。
5 区块链技术在教育数据共享中的展望
综合考虑教育行业产业情况、发展状况、基础设施等因素，在重点领域和关键环节，积极探索开展“区块链+教育”数据共享应用试点示范工作。鼓励、支持相关企业、研究院及教育机构开展“区块链+教育”数据应用，形成示范效应，如京津冀大数据教育区块链试验区搭建廊坊教育大数据区块链平台，辐射带动周围地区区块链发展，推动“区块链+教育”数据共享应用规模化，推进区块链与教育数据共享融合发展，带动更多应用场景落地。
区块链技术能够保障链上记录教育数据的真实性、完整性和不可篡改性，但在涉及线下场景时，可能存在链上数据和链下资产实际信息不一致的问题。还需要结合其他如物联网、大数据等技术手段，在链外信息数字化上链过程中，减少人为干预，保证相关教育数据真实可靠，才能切实保证教育数据共享。
6 结束语
尽管区块链技术在教育数据中的发展和应用还面临众多难题和挑战，如区块链技术基础设施和平台的建设、维护和管理，学生学习数据的应用、所有权和隐私保护等。毋庸置疑的是，区块链技术的教育数据共享应用，正在迎接新的教育教学变革，但教育依然需要传统教育机构以保证学习与个人、职业和社会发展的相关性。目前，基于区块链技术的教育数据共享应用尚处于起步阶段，期待教育机构、教育者、教育研究者和学习者都抱着开放、包容的心态，积极迎接区块链技术可能给教育教学带来的冲击、影响和变革，从心理、知识和技能上为推动区块链技术广泛而深⼊的应用做好相应的准备，满足人类在日趋技术赋能的学习时代实现新型去中心化学习的需要[6]。