基于区块链技术的分布式学分银行系统构建与应用研究

摘要：在当前的教育体系中，学生跨校、跨专业、跨领域学习的需求日益增长，而传统的学分管理方式由于信息不对称、数据孤岛等问题，难以实现学分的有效认定和转换，不能满足学生多样化、个性化的学习需求。区块链技术以其去中心化、数据不可篡改和透明性的特点，为学分管理带来了新的可能性。通过构建基于区块链的分布式学分银行系统，可以实现学分的高效、安全和透明管理，促进学生学习的多样性和灵活性。文章旨在探讨基于区块链技术的分布式学分银行系统的构建与应用。

关键词：区块链；学分银行；分布式

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）24-0094-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着教育信息化的快速发展，学分制已成为高等教育改革的重要方向。分布式学分银行是一种新型的信用管理体系，它以区块链技术为基础，实现对学分的安全存储、转移、验证及兑换。然而，传统的学分银行制度在实践中存在一些问题，如学分认定标准不统一、学分转换困难、数据安全管理不到位等。这些问题在一定程度上制约了学分银行制度的发展。而区块链技术的出现，为学分银行制度的改革和创新提供了新的契机[1]。

1 区块链技术与分布式学分银行概念

1.1 区块链技术概念

区块链技术是一种去中心化、安全、可靠的数据存储和传输技术。其核心特点是去中心化，通过加密算法和网络共识机制，实现数据的一致性和完整性[2]。区块链技术已广泛应用于金融、供应链、物联网等领域，并逐渐渗透到教育行业。利用区块链技术构建分布式学分银行，可以实现学分的安全存储、透明传递和可信认证，为学习者提供终身学习档案，推动教育公平与质量的提升[3]。

1.2 分布式学分银行概念

分布式学分银行是一种新型的学分管理体系，它借鉴了区块链技术的去中心化、安全可靠等特点，将学分数据存储在区块链上，实现学分的全球流通与终身可追溯。相较于传统学分银行，分布式学分银行具有更高的安全性、透明度和可追溯性，有助于解决学分认证过程中的信任问题。此外，分布式学分银行还可以实现学分与技能、就业等多方面的有机结合，为学习者提供更加丰富多样的学习机会，推动教育创新发展[4]。

分布式学分银行借鉴了区块链技术的去中心化、安全可靠等特点，将学分数据存储在区块链上，实现学分的全球流通与终身可追溯。相较于传统学分银行，基于区块链技术的分布式学分银行具有更高的安全性、透明度和可追溯性，有助于解决学分认证过程中的信任问题。此外，分布式学分银行还可以实现学分与技能、就业等多方面的有机结合，为学习者提供更加丰富多样的学习机会，推动教育创新发展。

2 学分银行发展存在的瓶颈

2.1 学分认定标准不一

传统学分银行面临的首要问题是学分认定标准的不统一。由于缺乏统一的国家标准和行业规范，各个教育机构和课程之间的学分认定存在很大的差异。这种差异导致了学习者在不同机构之间学习成果的互认变得困难重重，严重影响了学分银行的运作效率和学习者的积极性。

2.2 学分转换机制不畅

学分转换是学分银行制度的核心环节，但传统学分银行在学分转换机制上存在着不畅的问题。由于缺乏有效的学分转换规则和算法，不同机构之间的学分转换往往难以实现，或者转换过程烦琐复杂，给学习者带来了很大的不便。同时，学分转换的不畅也制约了学分银行在推动终身教育和学习型社会中的作用发挥。

2.3 学分银行的管理与监管不到位

传统学分银行在管理与监管方面也存在不足。由于缺乏有效的管理机制和监管手段，学分银行在运行过程中容易出现混乱和不规范的现象。例如，学分认定的随意性、学分转换的不规范等都可能导致学分银行制度的失效。同时，监管的不到位也使得学分银行在运行过程中难以发现和纠正问题，进一步加剧了问题的严重性。

3 基于区块链技术的分布式学分银行设计

区块链技术在分布式学分银行中发挥着至关重要的作用。首先，区块链技术可以为学分提供安全的存储和传输环境。通过加密算法，确保学分数据在传输过程中不被篡改，保障学分的安全性。其次，区块链技术可以实现学分的高效转移。分布式学分银行中的节点可以实时查看学分信息，实现学分在不同学习者、不同学校之间的快速转移。此外，区块链技术还可以提高学分管理的透明度。所有学分交易记录都在区块链上公开，便于监督和管理[5]。

3.1 总体架构设计

分布式学分银行系统采用去中心化的架构，确保数据的安全性和可用性。系统包括用户层、应用层、服务层和数据层等多个层次，以满足不同用户的需求。基于区块链技术的分布式学分银行总体架构包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，如图1所示。

其中，数据层是区块链技术的基础，封装了区块链上的原始数据，包括各个区块的信息和链上的交易数据，主要负责存储学分数据和其他相关信息，确保每个节点都拥有完整的区块链副本。网络层负责实现各教育机构之间的信息传输，它通过各种网络协议，如P2P协议，实现了节点之间的去中心化通信，确保数据的实时同步和更新。

共识层是区块链技术的核心，解决了在去中心化网络中如何达成一致性的问题，主要负责确保各教育机构对学分数据的共识。激励层负责挖矿奖励，通过挖矿奖励，给予节点一定的经济激励，确保网络的稳定运行和持续发展。

合约层为智能合约的执行提供了环境，主要负责提供智能合约功能。智能合约是一种自动执行的计算机程序，它在满足预设条件时自动执行相应的操作。合约层的存在使得区块链技术能够支持更为复杂的业务逻辑和应用场景。应用层是区块链技术与具体应用场景的结合点，主要负责提供各种学分银行应用服务。

3.2 基于区块链的学分银行的关键技术

1）共识算法选择。在分布式学分银行建设中，选择一个合适的共识算法至关重要。分布式学分银行是一个去中心化的系统，用于记录和验证学生的学习成果和信用。考虑到教育领域的特殊性，需要一种既能确保数据安全性，又能提高系统运行效率的共识算法。因此，可以采用一种基于PoS和委托权益证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）相结合的共识算法。这种算法既能够保证学分数据的安全性，又能够提高系统的运行效率。

PoS算法能够确保学分数据的安全性。在这种算法中，节点通过持有权益（如学分）来获得验证和添加新数据的权利。持有越多权益的节点，获得验证权的概率就越高。这使得系统更加安全，因为攻击者要想篡改数据，就需要掌握足够多的学分权益。

DPoS算法提高了系统的运行效率。在DPoS算法中，节点选民通过投票选择若干个代表节点（见证人），这些见证人负责验证交易和添加新区块。

2）智能合约设计。智能合约是区块链技术的重要组成部分，可以用于实现学分的自动认定和转换。智能合约的设计应遵循简洁、高效和可扩展的原则。在学分银行场景中，可以设计一种基于事件触发的智能合约，当学生满足特定条件时（如修满一定学分），合约自动触发学分转换操作。

3）加密算法。在学分银行建设中，要充分考虑数据安全和隐私保护问题。可以采用SHA-256等加密算法对学分信息进行加密，保证数据的安全性，确保数据在传输和存储过程中的安全性。

4 基于区块链技术学分银行功能实现

本文借鉴EOS区块链设计思路，EOS是一个区块链底层公链系统。它采用授权权益证明机制和超级节点轮流生成区块的方式，实现了区块链的高效、稳定和安全运行。同时，通过赋予持股人投票更换见证人的权利，增强了系统的灵活性和适应性[6]。

EOS采用21个主节点+100个备用节点的方式，为了在分布式和验证区块速度方面寻求一个平衡点，使TPS（每秒交易量）达到一个量级的情况下也能兼顾分布式原则。这种设计使得每秒处理百万级交易成为可能，同时也更加节约资源。

本文在实现分布式的区块链学分银行时，采用与EOS相同的方式，选择21个主节点+100个备用节点的方式。教育部、监督机构、法律机构、大学联盟、银行等机构具备担任运营主节点的潜力。引入这些机构相对于民间选举的节点而言，它们具有公信力，且没有作恶的动机。分布式区块链学分银行的组成部分见表1。

4.1 基础信息管理

专业管理、专业规则管理等可以由主节点投票来决定治理规则。课程超市的建设可以充分利用区块链的特性，由教育机构发起，国家机构审核，也可采取其他方式。始终坚持服务于全民终身教育理念，这样的建设将更贴近学习需求，也符合目前发展的要求，可以提高全民学习效率。

4.2 学分存储与累积

学分的存储和累积可根据实际情况分为两种设计：一是直接存储在链上，学分的持有和授予均可被视为交易并存储在链上。可以通过学分钱包来查询整个学分银行链，实现学分查询。二是存储在由主节点提供的分布式存储上。将学分/证书直接存储在链上是一种简单直接的方法，但选择将学分/证书及其相关的元数据存储在链下，可以获取与学分相关的元数据。

4.3 学分认定与转换

主节点作为拥有投票权的权威机构，负责制定学分认定与转换的详细规则，并将这些规则编码成智能合约。

4.4 学分兑换

学分银行将对学分进行严格的评估认定，将认定的学分转换规则（例如学分当量，即不同学分间的转换比率）精确无误地写入智能合约，并部署到分布式的区块链学分银行链上。这些规则不仅公开透明，而且具有不可篡改的特性，确保了学分系统的公正性和稳定性。此外，学分的兑换和证书的发放过程也可以通过智能合约来实现，进一步提高了整个系统的自动化和效率。

4.5 学习者服务

对于意图投身在线教育事业的实体，其参与门槛不高，仅需下载并安装全节点软件，完成同步操作，便可升级为全节点。在此基础上，实体可以依托自主搭建的全节点，实现便捷接入、事务提交以及结果查询等功能，继而展开二次开发与个性化定制。

由于区块链所具备的鲜明特质，其网络架构内的节点构成呈现出多元化的特征，不仅涵盖了政府，还囊括了监督机构、企业实体、媒体平台、各高等院校以及其他各类社会机构。在这样的架构下，各方均能够基于共同的规则与原则，携手共建、共管、共治，形成紧密的协作关系，并共享由此带来的收益。

同时，通过引入国家教育管理机构、国家监督机构、国家金融机构作为主节点，由于政府带着公权力进入区块链共识体系，具有相当的公信力，可以大大提高共识形成的效率和权威性。

5 结束语

分布式学分银行作为一种新型的学分管理体系，基于区块链技术实现学分的全球流通与终身可追溯，具有更高的安全性、透明度和可追溯性。在我国教育改革的大背景下，分布式学分银行有望为教育事业发展注入新的活力，推动教育公平与质量的提升。然而，从概念走向现实，分布式学分银行还需克服诸多挑战，如技术层面的问题、推广和应用的政策支持、行业协同等。在政策支持、技术研发、人才培养、宣传推广等多方面的共同努力下，分布式学分银行将逐步改变传统的教育模式，为学习者提供更加灵活、多样化的学习机会。分布式学分银行的成功实践，也将为其他领域的改革与发展提供有益的借鉴。在新时代背景下，分布式学分银行将成为推动我国教育事业创新发展的重要力量。

参考文献：

[1] 徐梦月.学分银行若干元问题的再探讨[J].江苏高职教育，2021，21（4）：26-30.

[2] 刘双印，雷墨鹥兮，王璐，等.区块链关键技术及存在问题研究综述[J].计算机工程与应用，2022，58（3）：66-82.

[3] 熊艾莎，盛湘君.基于终身学习的职业教育学分银行建设[J].教育与职业，2021，994（18）：27-34.

[4] 王然，陈凤英，安涛.基于区块链技术的国家学分银行系统研究与设计[J].成人教育，2024，44（1）：54-60.

[5] 陈利利.基于区块链技术的终身教育学分银行建设[J].安徽开放大学学报，2023（1）：1-6.

[6] 嘉文，周华丽.教育区块链分布式学习时代的教育模式创新[M].北京：机械工业出版社，2020.

【通联编辑：谢媛媛】