基于区块链的教学资源共享协同系统

Teaching Resource Sharing Collaborative System Based on Blockchain

摘要: 针对当前各院校教学资源共享难、协作应用效率低等问题，本文探索构建了基于区块链的教学资源共享协同系统。首先，提出了教学资源共享存证模型，对教学资源共享的全过程进行存证，能够确保资源发布者的数据权益。其次，设计了基于智能合约的教学资源共享激励模型，激励资源拥有者积极共享优质的数据资源。同时，对系统的部署模式和系统交互结构进行了设计，支撑开发基于区块链的教学资源共享协同原型系统。最后，将本文构建的系统与现有的资源共享系统进行系统性能测试，实验结果表明，本文所构建的教学资源共享协同系统在上链存证、资源查询等方面具有较低的延迟。

Abstract: In response to the current challenges of difficult sharing of teaching resources among various universities and low efficiency in collaborative applications, this paper explores the construction of a blockchain-based teaching resource sharing and collaborative system. Firstly, it proposes a teaching resource sharing certification model to certify the entire process of teaching resource sharing, ensuring the data rights of resource publishers. Secondly, it designs an incentive model for teaching resource sharing based on smart contracts to motivate resource owners to actively share high-quality data resources. Additionally, it designs the deployment mode and system interaction structure of the system to support the development of a blockchain-based teaching resource sharing collaborative prototype system. Finally, the system constructed in this paper is compared with existing resource sharing systems through systematic performance testing. The experimental results indicate that the teaching resource sharing collaborative system constructed in this paper has lower latency in on-chain certification and resource query aspects.

1. 引言

教学资源包括课程讲义、教案、教学视频、课件等众多资源，是课程建设必不可少的要素，也是院校教师在教学过程中的研究成果和经验积累。一门课程的设计在资料查询、知识检索、内容构建等方面都需要花费大量的时间和精力，教学资源共享能够极大地提高备课的效率和课程的质量 [1] 。目前，大部分高校建立校园内部的教学资源共享平台，教师可将各种教学资源上传到本校园内共享平台中，进行教学课程的共享和交流。但是目前高校之间的教学资源仍然处于相互独立的状态，未能实现教育资源的充分共享 [2] 。

目前已有许多研究对资源共享的方法进行了探索和研究，顾玮等 [3] 针对数字化资源共享的现状和问题，深入探究了数字化资源共享的实施措施，为高校专业课程数字资源共建提供了参考。李珊珊等 [4] 探究了在开放融合网络环境下高校优质教学资源共建共享的模式，并针对当前面临的挑战，提出了相应的解决策略。王亮 [5] 基于区块链技术构建了线上课程教育资源共享模型，能够实现高校线上教育资源的共享。同时，针对参与共享积极性不高的问题，提出了课程教育资源共享积分激励机制，来激励教师创作线上教育资源。杨孝天等 [6] 设计了基于IPFS+区块链的双数据库高校教育资源共享平台，可以实现教育资源的共享，并能保障教育资源在共享过程中的安全性。彭姣 [7] 设计了基于区块链和CP-ABE算法的数字教育资源安全共享模型，该模型能够实现细粒度的访问控制可以满足多样的数字教育资源共享场景。王锋等 [8] 针对高校图书馆资源共享建设中存在的问题，提出了基于区块链的校际联盟图书馆资源共享系统，可以实现高校之间图书的有效共享。上述文献虽然都实现了数据资源间的共享，但仍存在一些问题：1. 在资源共享过程中缺乏对资源流转和再利用全周期的可信记录和确权机制，容易发生知识产权侵权和资源权属不清等创作权纠纷问题 [9] [10] [11] [12] 。2. 上述方案设计的共享激励模型或算法激励模式较为简单，没有考虑共享资源质量、访问量等多种因素的影响，导致优质资源的共享较少，未能充分发挥共享平台的效能 [13] [14] [15] [16] 。

针对上述问题，本文基于区块链技术设计了教学资源共享存证模型，对资源共享全周期的行为和流转方向进行记录，确保教学资源共享过程的可信性和透明性，有效保护资源发布者的数据权益。同时，提出一种动态的基于贡献度的共享激励机制，综合考虑共享资源质量、访问量等多种因素评估用户的资源共享贡献度，基于贡献度评估结果动态计算激励积分，激励平台用户共享更多优质的资源。最后，本文基于设计的模型开发了基于区块链的教学资源共享协同系统，为高校师生提供课程资源共享和课程设计交流的平台，从而充分发挥教学资源的价值，确保安全有效的数据共享和协同应用。

2. 系统设计

2.1. 系统架构

为了能与现有业务信息系统适配融合，做到裂而不破的同时，形成安全共享协同应用能力。本文设计基于区块链的教学资源共享协同系统体系架构，该架构分为存储服务层、区块链服务层、网关服务层、接口服务层、应用服务层等5层，如图1所示。

Figure 1. System architecture diagram

图1. 系统架构图

存储服务层主要包括区块链存储、非结构化数据库、结构化数据库、系统日志存储等存储服务。区块链存储主要用于存储资源的元数据、资源哈希值以及资源共享过程关键行为等小体量数据，资源哈希值上链存储可提供资源的防篡改能力，通过对资源哈希值进行链上比对，可检测出原始资源是否被修改；资源共享过程关键行为上链存储，可对资源的发布和所有权信息进行存证，从而支持资源的版权和创作权可追溯和可信查验，保护教学资源的所有权和创作权。非结构化数据库用于存储音频、视频、PDF等非结构化教学资源完整内容。结构化数据库用于存储教学课表、教材列表等结构化教学资源。系统日志存储则主要用于存储本系统在运行过程中产生的一些日志等信息。

区块链服务层提供联盟链节点服务、共识机制、数据上链、智能合约、激励机制等区块链底层核心功能支撑服务，联盟链服务为各高校机构提供节点注册、邻居节点发现、数据存储同步、事务验证以及网络通信等区块链基础服务，确保联盟链的稳定运行与数据一致性；共识机制确保在联盟链网络中节点间达成一致的事务顺序，以维护区块链的去中心化和安全性；数据上链功能是将数据安全可信地记录到区块链中；智能合约服务提供智能合约创建、部署等服务；激励机制提供积分激励体系设置功能，实现资源的共享激励。

网关服务层为用户提供系统核心功能服务，包括资源上传、资源发布、资源检索、资源访问、溯源查询、资源目录、数据处理、权限管理管理、积分服务、用户管理等服务功能。通过服务层提供的核心功能，响应并完成应用服务层服务请求，同时与区块链服务层进行交互，可完成资源共享全流程，支撑资源协同应用。

接口服务层层是应用服务层与网关服务层之间通信的桥梁，提供功能调用请求服务，用户终端可通过直接调用相关接口请求资源上传、资源发布、资源检索、资源访问、溯源查询等核心功能服务。

应用服务层则通过终端为用户提供简单、灵活的资源共享和协同应用的可视化操作界面。

2.2. 系统模型

本模板可直接用于论文及其文字的编排，有的页边距、行距、字体都严格符合规定，请勿修改！尤其是页边距，由于期刊在后期制作过程中需要在页眉、页脚添加各种信息，所以所有论文务必确保现有的页边距不被修改，页面空白不被占用。

2.2.1. 存储模型

在教育领域，教学资源更多是以视频、音频、图片、文本等更加复杂和多样化的非结构化形式存在，非结构化数据的体量大、数据内容丰富，占用存储空间大，为数据上链存储和共享带来了难度。为此，我们提出链上链下协同存储的解决方案，设计一种基于资源目录的链上链下协同存储共享模型，如图2所示。

Figure 2. On-chain-off-chain cooperative storage sharing model

图2. 链上链下协同存储共享模型

在上述模型中，目录信息的内容及描述如表1所示。通过链上共享的目录信息，数据需求者可对资源发布者发起资源访问请求，通过数据引接、资源访问等服务对资源的原内容进行共享。

Table 1. Resource directory information content and description

表1. 资源目录信息内容及描述

2.2.2. 共享存证模型

此外，为保护教学资源的知识产权，系统还应对资源的共享访问过程进行存证，在课程设计资源存在使用纠纷时提供确权依据，从而更好的保障资源的数据权益。教学资源共享行为包括资源发布、资源访问、资源购买等多种行为。通过对上述多种行为的存证，记录资源共享的全周期流程，为资源溯源提供参考依据。教学资源共享存证模型如图3所示。

Figure 3. Integrated incentive model diagram of teaching resources based on smart contract

图3. 教学资源共享存证模型

区块链行为存证事务包含的字段和描述如表2所示。

Table 2. Behavioral transaction fields and descriptions

表2. 行为存证事务字段及描述

2.2.3. 共享激励模型

教学资源的共享协同需要各院校和教师积极参与，只有这样才能形成一套有效的教学资源共享机制体制。为提高教学资源共享系统应用过程中用户的参与度，本文设计资源共享激励模型，通过设计积分激励智能合约来自动对资源发布者分发积分奖励，如图4所示。用户发布资源可直接获得积分奖励，资源需求者通过对发布的资源进行下载、收藏等行为也可以使资源拥有者获得积分奖励。资源拥有者可以使用已获得的积分兑换网络中的其它资源，以此产生良性循环。

Figure 4. Integrated incentive model diagram of teaching resources based on smart contract

图4. 基于智能合约的教学资源积分激励模型图

本文构建的数据共享积分激励智能合约算法如下：

资源发布者的积分由定量积分和贡献积分组成，如公式(1)，定量积分只要资源所有者发布资源即可获取2个积分的定量奖励，贡献积分 $R$ 是根据资源发布者在平台的活跃度动态计算出的额外贡献奖励，主要包含收藏奖励 $R_X$ 和下载奖励 $R_Y$ 。

$I=2+R=2+R_X+R_Y$ (1)

下面将详细介绍贡献积分的量化方案设定规则：

(1) 贡献积分发放方式

资源共享平台以24小时为一个贡献积分结算周期，通过用户在平台中的资源共享行为，计算每个用户在一个结算周期内的平台贡献值。

(2) 贡献积分奖励分配比例

平台在每个贡献积分结算周期发放定量的贡献积分奖励 $T$ ，这部分贡献奖励被分为收藏奖励C和下载奖励 $L$ 两部分，这两部分贡献积分的数量计算方式如公式(2)和公式(3)所示，其中 $\alpha$ 表示资源下载贡献奖励占总奖励的比例。

$C=T\times \left(1-\alpha \right)$ (2)

$L=T\times \alpha$ (3)

(3) 贡献度与获得积分计算方式

$C$ 和 $L$ 分别根据用户的资源收藏v值和资源下载贡献值m按比例发放给资源发布者。v和m的计算方式分别如公式(4)和公式(5)所示：

其中，d代表资源拥有者发布的资源得到收藏次数，p代表一个结算周期内平台所有资源被收藏的历史总数。

$m=e/q$ (5)

其中，e代表资源拥有者发布的资源被下载的次数，q表示一个结算周期内平台所有资源被下载的历史总数。

由此可得，资源发布者在一个结算周期内获得的收藏奖励 $R_X$ 和下载奖励 $R_Y$ 计算方式分别如公式(6)和公式(7)所示：

$R_X=v\times C$ (6)

$R_Y=m\times L$ (7)

该方案中用户获得的奖励由平台进行认证背书，具有更高的认可价值。从而提升各院校、教师的参与度，增加系统的用户群体和资源数量，提高系统的使用率和使用价值。

2.3. 系统部署

各高校机构通过部署联盟链，注册节点搭建高校教学资源共享联盟链，形成分布式共享网络，为系统提供分布式共享信任环境。系统部署如图5所示，各机构需要部署用户终端、数据服务网关、链下存储数据库、高校联盟链节点等4个部分。

高校联盟链节点：联盟链节点与数据服务网关相连接，用于接收和打包经数据服务网关处理后的本机构内部系统用户发起的资源发布、资源共享行为等事务信息。

用户终端：用户终端为高校教师等用户提供资源上传、资源发布、资源检索、资源访问等共享服务，用户终端与数据服务网关连接，通过数据服务网关对用户操作请求进行执行和处理，并将执行结果返回至用户终端进行可视化展示。

Figure 5. System deployment diagram

图5. 系统部署示意图

数据服务网关：数据服务网关接收并执行从用户终端发起的事务操作请求，对不同的事务请求类型执行相应处理，并将处理后的信息发送至机构内部联盟链节点，通过节点打包上传至联盟链平台。

链下存储数据库：链下存储数据库用于存储体量较大、类型丰富的非结构化数据，如课程教学PDF、视频、音频、图片等非结构化数据，以便于缓解链上存储压力。本文链下存储数据库采用分布式存储系统并保证实时在线，分布式存储系统具有良好的冗余备份和容错机制，同时对数据进行安全加密，结合数据服务网关的访问控制机制，可保证数据存储的可用性和安全性。

高校教学资源共享联盟链：联盟链为各联盟参与节点提供分布式共享基础服务设施和智能合约可信执行环境，促进资源的共享流通，为系统提供存证溯源能力。

2.4. 系统交互

系统各组成部分之间的交互如图6所示。首先，由用户终端发起服务请求，通过接口层提供的应用服务接口向数据服务网关发起服务调用，数据服务网关根据收到的事务类型执行相应的响应。若本次服务类型为资源发布服务，则数据服务网关将资源原数据上传至链下存储数据库，并将共享字段信息传至联盟链节点，由其打包上链；若此次服务请求类型为资源访问请求，则数据服务网关会进行访问权限的控制，权限通过后根据资源ID信息向链下存储数据库调用资源返回给用户终端，同时将访问事务信息传至联盟链节点，由其打包上链进行存证。事务执行完成和数据上链后，返回用户终端结果。

Figure 6. Diagram of the practical teaching system of automation major

图6. 系统内部交互结构示意图

3. 系统对比与测试

3.1. 系统对比

如表3所示，将本文系统和其他系统进行对比。本文系统和文献 [5] 、 [8] 都是基于区块链技术构建的资源共享方案，都能够实现去中心化。同时文献 [5] 对于资源发布者也构建了相应的激励机制，但在该方案中缺乏数据确权机制，来保障资源发布者的数据权益。文献 [8] 构建了链上链下的区块链数据资源共享方案，能够有效减轻区块链的存储负担。但在该方案没有考虑到数据资源共享过程中存在的共享意愿不高、数据滥用的问题。本文构建的系统能够充分保证教学资源共享过程中的资源发布者的数据权益，调动资源拥有者参与教学资源共享。

Table 3. System resulting data of standard experiment

表3. 系统对比

3.2. 系统测试

本文通过系统架构、模型、部署、交互等设计，采用天河链进行了原型系统开发。系统部署在3台64核内存256G的服务器中，磁盘空间为1 T，系统使用的CPU型号为国产FT-2000，操作系统版本为银河麒麟4.19.90-24.4.v2101.ky10.aarch64。采用Jemeter5.4.3测试工具对关键性能指标进行测试，在本次测试环境中，搭建了4个主节点，100个用户节点，数据规模为10万份的视频、音频、PDF等非结构化教学资源，采用PBFT共识算法。

数据资源发布者可通过选择要发布的数据资源以及填写数据资源描述信息进行教学资源发布上链。如图7所示为数据资源发布上链系统界面。

Figure 7. Data resource publishing link system interface diagram

图7. 数据资源发布上链系统界面图

为了证明本文所设计的系统的性能，将本文系统与现有系统进行性能对比。由于在资源共享协同系统中主要涉及资源发布者的上链存证、资源需求者的资源查询行为，因此，本文主要对系统的上链存证、资源查询功能进行测试。

如表4所示，将本文系统与现有的资源共享系统文献 [8] 的上链存证延迟进行对比，本文测试了不同交易数量所对应的延迟，分别模拟3组数据进行测试，发送速率分别为1000笔/秒、3000笔/秒、5000笔/秒，测试的成功率为100%。每组测试100次取平均值，通过测试结果显示，随着发送速率的增大，吞吐量也在增大，本文设计的系统3组测试的平均延迟均在0.2 s以下，而对比系统 [8] 的平均延迟均在0.3 s以下，说明本文设计的基于区块链的教学资源共享协同系统具备可行性和合理性。

Table 4. Comparison of average delay test results

表4. 平均延迟测试结果对比

如表5所示，将本文系统与文献 [7] 所设计的系统的资源查询服务响应延迟时间进行对比测试，分别模拟3组数据进行测试，并发量分别设置为100、300和600，每组测试100次取平均值。通过测试结果显示，本文的响应延迟明显低于文献 [7] 所设计的系统，说明本系统设计具备科学性，系统部署模式合理、系统交互顺畅。

Table 5. Comparison of response delay time test results

表5. 响应延迟时间测试结果对比

4. 结论

本文设计了基于区块链的教学资源共享协同系统，通过设计基于区块链的共享应用模式，建立分布式共享网络，实现教学资源在不同院校教师之间的共建共享。同时，提出基于资源目录的非结构化资源链上链下协同共享方法，解决非结构化数据上链难的问题。最后，通过对核心功能测试，验证系统架构、模型、部署以及交互的科学性、合理性，为下一步更多资源的安全可信共享协同探索出了可行的方法路径。