区块链综合实验教学系统

一、成果简要介绍

随着新兴数字技术的快速发展和商业应用，区块链技术被认为是现代生产关系的核心支撑技术，是彻底改变现有业务乃至机构运作方式的重大突破技术，被国家定义为构建新型信息基础设施的核心技术之一，成为现代国家抢占科技创新制高点的关键领域。因此，为满足区块链行业日益增长的人才需求，培养区块链领域应用人才具有重要意义。

北京航空航天大学杭州创新研究院区块链平台依托北航网络空间安全学院的专业教学优势，打造出集“在线课程”、“在线实验”、“在线考试”、“后台综合实验管理”和“自主研发配套教材《区块链工程实验与实践》”等为一体的区块链综合实验教学系统，为区块链教学群体提供一站式在线教学服务，包括区块链在线实验环境、教学资源和互动社区，服务各大教学机构与不同层次的学习群体。

二、成果介绍

1、所属领域

数字教育领域、区块链领域

2、主要应用场景

区块链综合实验教学系统是一个面向区块链教学群体的一站式在线教学服务平台，可以应用于以下主要场景：

① 高校教育：该系统可为区块链相关专业的学生提供实践和实验环境，帮助他们深入理解区块链技术的原理和应用。学生可通过参与实验，了解区块链工作机制、智能合约的编写和部署，以及区块链应用的开发和部署等方面知识。

② 虚拟/线上实验室：区块链综合实验教学系统可以构建虚拟的实验室环境，让学生在模拟的区块链网络中进行实验和操作。这种虚拟实验室可以提供可控的环境，方便学生进行各种实验，如共识算法对比、交易模拟和智能合约测试等。

③ 企事业单位培训：区块链综合实验教学系统也可以应用于企业和事业单位的培训场景。企业员工可以通过这个系统学习区块链的基本概念、工作原理和应用案例，以及如何利用区块链技术解决实际业务问题。员工可以通过实验和模拟操作，加深对区块链技术的理解和应用能力。

④ 技术研究和开发：区块链综合实验教学系统也可以作为技术研究和开发的平台。研究人员和开发者可以使用这个系统进行新的区块链算法、协议和应用的实验和验证。

⑤ 社区学习和分享：区块链综合实验教学系统可以让用户共享实验和项目成果，交流和合作。这种社区学习和分享的模式将促进区块链知识的传播和交流，激发创新思维，并促进吸引更多的人参与到区块链技术的学习和应用中来。

因此，区块链综合实验教学系统能够解决传统课堂教学难以与新兴技术快速发展的步伐同步更新难题，通过该系统，学生、教师、企业员工、研究人员和开发者可以更好地学习、掌握和应用区块链技术，有助于培养更多区块链领域的专业人才，促进区块链领域生态人才队伍的发展和壮大。

3、市场背景及痛点

目前各大高校相继开设了区块链相关课程，但是由于区块链的特殊性，高校已有的各种实验室或课程管理系统无法满足快速搭建区块链实验环境的要求。北航杭研院区块链综合实验教学系统旨在解决区块链教学信息化发展中的各种痛点，丰富高校和教育机构已有教学平台的信息化生态体系。

痛点一：在课程体验方面，区块链课程缺少学生动手实际体验的实验平台。由于区块链系统特点，传统搭建方式需要有多个共识节点参与，教师需花费大量时间来进行试验平台搭建，而学生又很难独自去搭建相关试验环境，给实操区块链技术带来困难。为解决该痛点，区块链综合实验教学系统能够为学生提供区块链在线实验环境，实现能联网就能做实验。

痛点二：在实验管理方面，区块链技术繁多，现有实验管理系统无法同时支持多种区块链。目前主流区块链技术有比特币、以太坊、Fabric等，教师在教学过程中需要在各个区块链技术中切换，现有实验室管理系统很难同时支持多种不同技术的区块链体系。为解决该痛点，区块链综合实验教学系统支持比特币、以太坊、Fabric等主流区块链的一键搭建功能。

痛点三：在教程管理方面，现有实验室管理系统与评测、课程管理结合不够紧密。忽视了与实验管理密切相关的课程管理、学生评测等环节，造成与实际教学流程脱离，教师需操作多个信息系统才可以达到目的，整个教学管理流程结合性弱。为解决该痛点，区块链综合实验教学系统提供后台管理系统，为教师提供高效便捷的教务管理和课程-实验-考试体系。

痛点四：在系统维护方面，现有实验操作平台普遍以课程为主，针对支持区块链技术的需求维护成本过高。现有实验平台的底层很难兼容或需要做大量改造来支持新的区块链应用，造成区块链相关教学维护性较差，无法持续升级。为解决该痛点，区块链综合实验教学系统的专业针对性强，拥有区块链团队进行维护和功能升级。

图1 现有难点痛点和对应案例解决方案对比图

综上所述，区块链综合实验教学系统能够解决现有区块链教学方面的不足，为学生提供在线区块链基础知识教学和在线区块链应用开发服务，为教师提供便捷的教务管理和“课程-实验-考试”体系以及区块链专业技术教学的数字教育领域新模式，帮助学习者更好地理解和应用区块链技术。

4、产品或技术成果介绍

区块链综合实验教学系统面向区块链教学群体，提供一站式线上教学服务。系统集在线课程、在线实验、在线考试、后台综合实验管理和自主研发配套教材《区块链工程实验与实践》等为一体。在线课程、在线实验和在线考试模块面向系统学员用户提供在线区块链教学与实训服务，后台综合实验管理系统面向教师用户以及管理员用户提供课程、实验、考试等的教学管理功能。

图2 在线实验教学系统界面

图3 后台综合实验管理系统界面

区块链综合实验教学系统提供了优质的区块链理论与实验课程，配套教材基于北航网安学院的专业教学优势进行自主研发和改良，包括《分布式共识与区块链理论基础》、《现代密码学基础》、《区块链原理与技术》、《信息安全网络》、《区块链技术指南》、《区块链工程实验与实践》、《超级账本应用开发实战》、《以太坊DApp开发实战》八大核心课程，课程知识点的讲解由浅入深，实验指导清晰，选择的区块链实验全面、具有代表性。

图4 配套教材《区块链工程实验与实践》

区块链综合实验教学系统构建了强大的区块链仿真实验环境，通过在线终端实现对区块链节点的实时操作。实验环境融合了主流区块链智能合约IDE，支持多语言智能合约在线开发、部署、测试、升级等全生命周期管理。核心功能包括：

支持比特币、以太坊、Fabric等主流区块链的一键搭建功能

配套专业的实验教材，线上教学，能联网就能做实验

提供课程-实验-考试体系，全面提升区块链技能

支持教师在线评卷、自动打分，提供便捷的教务管理

图5 以太坊实验操作及合约编辑界面

5、核心优势：技术、产品、解决方案及其他方面

区块链综合实验教学系统采用前后台分离的架构，整体架构如图6所示，分为用户层、服务层、存储层和基础层。用户层为面向学员的实验教学前台和面向教师以及系统管理员的综合实验管理后台。服务层为资源管理服务，依托大型服务器资源构建了强大的区块链仿真实验环境，所有资源请求由资源管理服务进行处理，整个系统运行在k8s集群中，采用容器化提高服务器资源利用率。存储层包括Redis缓存、MySQL数据库、OSS对象存储和NAS文件存储。基础层用到的持续集成和容器技术有Docker、Maven、Gitlab和K8s等。

图6 区块链综合实验教学系统整体架构

区块链综合实验教学系统角色共有两种，如图7所示，分别为学员、教师/系统管理员。学员使用实验教学前台学习区块链理论知识与实操，其中具体包括在线课程、在线实验、在线考试、在线论坛和资源管理；教师以及系统管理员使用综合实验管理后台进行区块链教学及管理，具体包括课程管理、实验管理、考试管理、论坛管理、系统管理和资源管理。

图7 区块链综合实验教学系统角色功能示意图

系统拥有强大的区块链仿真实验环境，支持比特币、以太坊、Fabric主流区块链的实时仿真，支持国密化算法插件，通过在线终端实现对节点的实时操作。实验环境融合了主流区块链智能合约的IDE，支持Go、Solidity的多语言智能合约在线开发、部署、测试、升级等全生命周期管理。

图8 使用Go语言编程实现常见共识算法实验操作界面

图9 以太坊实验操作及合约编辑界面

区块链综合实验教学系统作为一个支持自主研发的区块链教学应用系统，在区块链课程实验中添加了自主知识产权联盟链的动态创建链、IDE编辑器，如图10所示。该联盟链是首个完成账本数据层与网络通信层完整国密适配的区块链。

图10 自主知识产权联盟链的实验操作界面

系统在安全性保障方面，系统在交互过程中进行防止重复提交，在系统接口交互中，需要通过RSA加解密验签方式，保证系统交互安全；系统设置了相对应的用户角色，角色不同权限不同，用户权限不会出现权限越界问题；用户账户的数据安全机密，不会出现盗取的情况；系统数据及时进行备份，有对应的应急响应措施解决突发情况。

系统在性能方面，能够至少满足10000用户数，100并发数，并支持用户数扩容；页面响应及加载时间≤2秒，视频课件加载时间≤5秒，实验操作响应时间≤3秒；实验仿真链链上交易的响应时间≤1秒；峰值响应时间≤3秒；且在达到系统性能指标峰值要求的同时，系统处理能力仍留有余量，CPU、内存等系统资源的使用率低于80%。保证系统的长期稳定运行。

6、技术成熟度及应用情况

区块链综合实验教学系统已在工信部完成系统域名备案，可通过网址www.knowonchain.com试用。目前系统设置了密码学与区块链的科普、理论和实践等相关课程，已在国内多所双一流高校推广使用。另外，区块链综合实验教学系统目前申请获得软件著作权。

图11 系统首页备案成功显示界面

图12 区块链综合教学系统软著证书