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“區塊鏈+AI”助力高校學生評價體系研究



引言


摘要:目前學生評價工作透明度不高、公正性不強,根源在于未充分利用互聯網思維、技術和模式提升評價質量。文章以區塊鏈技術實現的數據安全共享、AI實現的智能處理為切入點,對學生評價體系進行融合度分析,從應用、技術兩方面進行可行性分析,初探設計基于聯盟鏈的學生評價系統,通過Ethereum開發DAPP應用,開拓性整合數據資源,系統性說明EB共識算法,智能合約升級,自毀、隱私數據處理等問題。系統的構造解決了學生數據難共享、易篡改,學生評價不透明、效率低的問題,呈現了“以學生為中心”的教育生態,實現了家庭、高校、用人單位間的無縫銜接,進一步助力學生評價向精確化、信息化、智能化轉變。

  關鍵詞:區塊鏈;學生評價;人工智能;Ethereum;智能合約



高校作為培養高素質人才的搖籃,學生的關注點較多,近年來,“三通兩平臺”、智慧校園等信息化建設成果,對提升教學質量起著重要的引領作用,但計算機技術對學生評價體系的滲透度不高。經過文獻的查閱和各職能部門的調研,發現存在以下四方面問題:①學生評價體系的構建意識薄弱,學生評比過程中傳統的紙質記錄采用人工方式來評定、公示、記入檔案,過多的主觀評判無法保證客觀公正地給出結果。[1]②構建學生評價體系是一個龐大的工程,學院學生眾多,體量較大,需要教務處、財務處、學生處等多個部門協作溝通,而各部門獨立運作,信息的共享成為瓶頸,過多的人力浪費在信息交叉錄入。③網絡攻擊手段不斷更新,但運維人員的能力和安全意識仍停留在原水平,中心化存儲的數據易被篡改,共享性差,削弱了系統的公信力。④學生管理系統數據不對外公開,缺乏有效的技術手段來解決數據對外開放的安全性和有效性。總之,由于數據共享不健全,信息化建設投入不夠等原因,現有系統存在效率不高、覆蓋面不廣、更新不及時等問題,不利于大數據驅動下教育工作多元整合的實現。

本研究從學生評價的視角,梳理現有工作的不足之處,利用區塊鏈保存數據,實現可信的數據共享,利用AI的安全計算平臺產生更智能的安全空間,以區塊鏈和AI為抓手,設計一種網絡架構,實現學生管辦評分離,構建信任的協同創新模式。[2][3]結合區塊鏈、AI的技術優勢,實現區塊鏈讓AI更加自主性、AI讓區塊鏈更加智能化。文章主要完成三方面任務:①學生評價體系準確記錄學生在校表現情況,提供可溯源的、可靠的數據記錄。②學生評價體系作為家庭、高校、單位的媒介,家庭可以準確把握孩子在校表現,單位可以精準招聘所需人才。[4]③建立一個智能安全的體系,對高校學生多維數據進行整合、清洗,形成統一的數據視圖;[5]使用AI技術優化精準評價,有效解決學生數據管理的低效化、碎片化等難題。[1]


“區塊鏈+AI”與學生評價體系的融合度分析


1.區塊鏈的去中心化助力解決信息共享問題

區塊鏈是去中心化的,利用點到點的通信技術實現節點與節點間的對等連接。系統中將各個職能部門的數據信息集成到區塊鏈中,數據共享后的權限問題通過數據加密哈希算法來解決。

2.區塊鏈的不可篡改性助力解決信任風險

根據中本聰提出的泊松分布概率論模型,攻擊者篡改記錄的概率隨著區塊數的增多而逐步減小,當某區塊后面連接6個區塊后,其處于無法被篡改的狀態。[6]系統中基于區塊鏈的不可篡改性實現數據的安全、可靠、真實、完整。

3.區塊鏈時間戳技術助力實現可追溯性

區塊鏈以時間戳為指針形成一個鏈,實現數據有效追蹤和溯源。系統中按記錄的時間先后性保存學生數據,若學生對某一項數據有疑問,可回溯記錄,從而實現數據的取證操作。[7]

4.區塊鏈的自治性助力塑造學生管理生態環境

區塊鏈記錄了經過全網共識產生的記錄,節點自主監聽其它節點的行為并形成共識,整個過程自主實現,沒有任何人有優先權。系統中各部門主動錄入數據,實現了教務處、學生處于鏈上的可信操作,進一步提升了數據的透明度和記錄的認可度。

5.AI助力實現智慧化的學生評價體系

區塊鏈中的智能合約按預先編寫的程序自動觸發執行,對突發狀況沒有處理能力,因此系統中增加AI技術,通過機器學習模擬人的思維,應用現有數據不斷改進戰略;對威脅快速識別,并為系統部署更準確的決策支持;對學生成績分析,精準推送相關知識;對學生日常行為記錄分析,實施數據追責溯源和風險預警;[8]實現數據流驅動下的清晰權責,生成學生評價報告,進一步發揮智慧化數據的科學性。[9]


學生評價體系可行性分析


1.相關成果

索尼全球教育開發的基于區塊鏈的教育產品,實現清晰記錄學習軌跡,由第三方評判學生最需要學的內容;[10]伍爾夫大學利用區塊鏈的智能合約技術為學生提供學習支持服務,從而減少管理人員;[11]]文獻[12]提出了一個基于區塊鏈的MeDShare系統,實現有效保存醫療數據并分享到云存儲庫中;文獻[8]通過結合AI和區塊鏈的力量構建一個通用網絡架構來支持動態更新和提升數據安全性。

2.應用可行性分析

區塊鏈的分布式賬本完整記錄不同部門的學生數據,學生評比中做到有據可依;入學注冊時,貧困學生上傳當地民政部門出具的證明,為日后助學金的發放提供參考;教育培訓、文體表現信息記錄在鏈,可實時溯源,有效避免成果造假;在保護隱私的前提下實現學生多維度檔案公開透明,如獲得獎勵全網公開,學生你追我趕,形成一種積極向上的良好氛圍;校園貸迫使青春期少年誤入歧途,破壞了很多家庭,通過綁定學生賬號流水,出現異常及時警告;任課教師普遍認為學生的平時成績較難把握,將學生的每節課的平時學習記錄作為一個區塊,數據來源于課題討論或者測試,這些全過程記錄可信度極高,可作為期末考試的評分依據。[13]

3.技術可行性分析

區塊鏈的去中心化,實現了個別壞節點無法影響鏈上數據的安全;區塊鏈的時間戳實現了鏈上數據的可追溯;區塊鏈的分布式存儲,提升了并發處理的效率;區塊鏈的共識機制,提升了信息透明度;區塊鏈的加密算法,保證了鏈上數據無法被篡改。[14][15]


學生評價體系設計


在學生處統籌引導下,經眾多部門參與,對學生開展多維度數據分析,使學生評優評先、助學金申請、勤工儉學、學生輿情風險評估更加智能化。筆者在學習眾多方案基礎上,重點對文獻[1]進行研究,借鑒其思想,設計出一種學生評價方案。

1.學生評價系統流程設計

搭建以聯盟鏈方式實現的半開放式系統,前端界面包括教師登錄界面、學生登錄界面、用人單位和家長登錄界面。主要功能如下:①教師登錄后進入后臺錄入信息,數據庫保存鏈下完整學生信息,包括教務處負責的教學事務(課堂點名、課堂討論、作業批改、成績錄入等)、學生處負責的綜合事務(公益活動、文體活動、校外拓展學習等)、財務處負責的財務事務(一卡通消費信息、銀行流水等)。區塊鏈保存鏈上摘要信息,使用哈希函數計算電子數據的“數字指紋”,既保證了數字校驗,又壓縮了數據長度。[16]②基于AI智能分析生成的學生評價報告,為學生的未來發展指明方向,學生可于前端查看自己的全部數據信息,也可將審核通過的信息錄入后臺系統(資格證書、校外實踐、獲獎證書等),通過激勵機制鼓勵學生積極錄入個人獎勵等信息,其中心思想是“良好表現即賺錢”。③用人單位和家長分別由展示頁面查看基于AI生成的學生評價表和學生綜合表現,查詢操作只需過濾權限,無需建塊記錄。[13]④監管機構負責發布合約、審核訪問權限、處理訴訟請求等,為全網協同提供可操作性。[17]具體流程如圖1所示。

圖1 “區塊鏈+AI”系統流程示意圖

2.“區塊鏈+AI”技術架構

數據是高校人才培養質量評估的重要依據,依托區塊鏈技術設計全新的基礎設施,實現分布式存儲日常表現行為,打破傳統的學校壟斷的局面,重塑全面開放、協同創建的學生評價生態。

(1)關鍵技術

智能合約經程序編碼轉為字節碼輸入以太坊專用虛擬機EVM(Ethereum specific Virtual Machine),處理區塊鏈和共識機制的事務,并基于RPC無需了解底層網絡協議,利用網絡與遠程計算機交互實現網絡層的交互。[9]利用共識機制使交易短時間內迅速驗證并確認,實現一致性和有效性,傳統的共識方法有PoW、PoS、DPoS、PBFT等,也可根據自身需要來定義新的共識機制,還可利用若干個共識機制結合起來產生區塊的共識,[18]系統中采用EB(Encrypt,Byzantine Fault Tolerance)共識機制,即對稱加密方法來加密隨機值,拜占庭容錯機制實現快速共識,避免分叉的發生,[19]通過EB共識使用結構體類型封裝于主鏈,鏈上驗證,鏈下授權,原則是需要分布式協作的數據上鏈、敏感數據脫敏或者加密后上鏈,通過編碼轉成字節碼,利用levelDB存儲信息。

(2)主要功能

系統以固定應用接口API(Application Proguamming Interface)的形式向外提供服務,利用OSS使基于AI的安全計算自動完成智能評價,實現考核的良性循環,進行不同維度信息關聯分析,建立學生綜合畫像,進行綜合預警,實現學校統籌規劃學生管理,利用模型化持續拓展整合數據資源,使業務處理與區塊鏈平臺相互獨立,構建學生的多維度檔案,充分發揮“數據取之于學生,用之于學生”的教育理念。[20]技術架構如圖2所示。

圖2 “區塊鏈+AI”技術架構圖


應用開發過程





  1.運行環境

基于Ethereum開發構建DAPP應用。首先構建一條鏈進行數據讀寫請求,然后用Solidity編寫DAPP,進行合約的編譯和部署。前端界面用html/css/javascript設計,為用戶呈現可視化Web界面,實現通過瀏覽器進行信息錄入和查詢;智能合約的編程語言是Solidity,后端界面Web3j用JSON_RPC形式調用智能合約,用Solc工具編譯后部署到網絡。[16]

2.智能合約

智能合約是一種按照預先定義好的規則自動執行的數字化合約,智能合約由函數和數據組成,使用Solidity將復雜的邏輯編程為函數,[21]工作原理與編程語句中的if-then類似,[22]由交易觸發執行,運行環境為EVM,如圖3所示。

圖3 智能合約執行過程

(1)智能合約升級

系統中為避免合約升級而出現數據遷移隱患,采用經典的三層結構獨立的合約存儲層。

數據合約:在合約中保存數據,并提供對數據的操作接口,代碼如下。

管理合約:設置控制權限,保證只有控制合約才可修改數據合約,代碼如下。

控制合約:真正需要對數據進行操作的合約,代碼如下。

(2)智能合約自毀

3.隱私數據處理

系統中的個人隱私數據轉化為不可識別的數據,鏈上代碼實現權限分配,使用SHA256加密算法,將用戶按照權限控制分為實權限、特殊權限、虛權限,[7]持有密鑰的訪問者才能解密和訪問數據,學生能夠查詢在校期間的完整評價并且可以錄入課外拓展培訓等部分信息,如圖4所示。

圖4 “區塊鏈+AI”數據權限分層設計

面向接口編程,而不依賴具體的實現細節,如利用接口功能定義一個判斷權限的抽象接口。

采用Ownership模式管控權限,保證某些函數只有合約的擁有者才可調用,定義Owned合約的代碼如下。

4.系統性能比較

基于B/S系統架構,在Windows下安裝虛擬機Vmware,硬盤為30GB,內存為2GB,操作系統為Ubuntu,使用IE瀏覽器進行仿真實驗,部分效果如圖5、圖6所示。

圖5 學生評價系統登錄界面


圖6 用人單位查詢結果

在不使傳統教務系統復雜化的基礎上,引入區塊鏈和AI技術,實現了在保證數據安全的前提下有針對性地對學生數據進行有效共享、智能評價,借助AI解決了傳統區塊鏈運行中節點過多而工作重復,造成的電力消耗大、運行效率低的問題,鑒于很少高校有專門評價系統,筆者對教務系統性能進行了對比分析,如表1所示。

結語


“區塊鏈+AI+中臺+學生評價”實現了科技與教育問題的結合,通過探索構建基于大數據、人工智能和區塊鏈技術的去中心化應用,拓展管理模塊化、優化學生數據管理、改善學生認定工作、提升學生管理透明度,實現學生、教師、家長、用人單位角色平行化,塑造學生管理生態,通過多渠道整合各職能部門的數據資源,把精準評價切實落實到學生工作中,解決學生管理中的“老大難”問題,為大數據時代的高校學生評價體系提供創新模式研究。文章設計了“區塊鏈+AI”的兩位一體的學生評價體系,構建“家庭+高校+單位”的學習閉環,精準評價學生的個人能力和綜合素養,準確追蹤正面和負面行為記錄,用規范的制度來約束青春期少年,使他們在人生的道路上少走彎路,完備學生評價體系,進一步打造高校學生評價服務生態圈。區塊鏈的特征具有可期的教育前景,“區塊鏈+教育”進行著各種嘗試,依托區塊鏈技術,教育領域正在發生改變,但區塊鏈的應用開發時間不長,行業競爭還不規范,技術流失普遍存在,要實現學生數據治理推動教育流程再造,打通學生數據大動脈,真正實現“以學生為中心”,還需一個逐步完善的過程。

基金項目:本文受國家自然科學基金(編號:61702109)、2020年廣東大學生科技創新培育專項資金(“攀登計劃”專項資金)(編號:pdjh2020b1034)資助。

參考文獻:

[1]李健思,邢立瑩,龐帥,孫雪峰,姚文清,楊佐森.基于區塊鏈和AI技術的健康數據治理與技術應用[J/OL].中國公共衛生:1-5.http://kns.cnki.net /kcms/detail/21.1234.R.20200110.1356.002.html.

[2]胥月,馬小峰.基于區塊鏈的學生行為綜合評價體系的研究與實現[J].信息技術與信息化, 2016(12): 131-133.

[3]蔣余浩,賈開.區塊鏈技術路徑下基于大數據的公共決策責任機制變革研究[J]. 電子政務, 2018(2):26-35.

[4]周小韻.區塊鏈技術在學生檔案管理中的應用模式探究[J].南京理工大學學報(社會科學版), 2019(6): 52-57.

[5]李文俊,楊學強,杜家興.基于數據中臺的裝備保障數據集成[J].系統工程與電子技術, 2020(6): 1-9.

[6]劉敖迪,杜學繪,王娜,李少卓.區塊鏈技術及其在信息安全領域的研究進展[J].軟件學報, 2018(7): 2092-2115.

[7]劉宗妹.“區塊鏈+”智慧監獄應用研究[J].通信技術,2019(9):2271-2277.

[8]Wang K,Dong J,Wang Y,et al.Securing Data with Blockchain and AI[J].IEEE Access, 2019(7):77981-77989.

[9]史文斌.基于Hyperledger Fabric的區塊鏈應用系統云服務化[D].杭州:浙江大學,2018.

[10]陳坤,譚英磊.區塊鏈:思政課翻轉課堂開放發展路徑研究[J].黑龍江高教研究,2019(9):152-156.

[11]蔣明蓉,安素芳,李繼梅.遠程教育中基于區塊鏈技術的學習支持服務新模式探索——伍爾夫(Woolf)個案研究[J].成人教育,2019(11):16-22.

[12]Q.Xia,E.B.Sifah,K.O.Asamoah,J.Gao,X. Du,and M.Guizani.MeDShare: Trust-less medical data sharing among cloud service providers via blockchain[J].IEEE Access, 2017(5):14757-14767.

[13]陳金育,李瑞光.一種基于區塊鏈的學業信息管理系統設計[J].軟件導刊,2018(11):90-93.

[14]劉宗妹.大數據時代的網絡安全及防護研究[J].山東農業工程學院學報,2020(2):20-21,29.

[15]劉宗妹.區塊鏈的應用:安全威脅與解決策略[J].通信技術,2020(1):142-149.

[16]冒小樂.基于區塊鏈技術的電子數據存證系統[D].南京:南京郵電大學,2019.

[17]吳遠.基于區塊鏈技術的食品安全追溯方法研究[D].上海:上海應用技術大學,2019.

[18]鄭旭東,楊現民.基于區塊鏈技術的學生綜合素質評價系統設計[J].現代遠程教育研究, 2020(1):23-32.

[19]H.Yin,D.Guo,K.Wang,Z.Jiang,Y.Lyu,and J.Xing.Hyperconnected network:A decentralized trusted computing and networking paradigm[J]. IEEE Netw, 2018(1): 112-117.

[20]Y.-A.deMontjoye, E.Shmueli, S. S. Wang, and A. S. Pentland openPDS: Protecting the privacy of metadata through SafeAnswers[J]. PLoS ONE, 2014(7).

[21]付永貴.基于區塊鏈的供應鏈信息共享機制與管理模式研究[D].北京:中央財經大學,2018.

[22]Wu S,Chen Y,Wang Q,et al.CReam: a smart contract enabled collusion-resistant e-auction[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2018,14(7).

  (作者:劉宗妹,廣東司法警官職業學院信息管理系。文章來源:《中國教育信息化》雜志2020年第21期)

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文章分類: 行業動態
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