邊緣計算在教育領域應用的研究

摘要：邊緣計算在教育領域具有廣泛的應用潛力。通過在網絡邊緣進行數據處理和分析，它能夠提供個性化學習體驗、改善教學效果、擴大教育資源覆蓋范圍，并提升數據安全、降低延遲、增強靈活性和可擴展性。未來，邊緣計算將與新興技術深度融合，滿足不斷增長的教育需求，提升師生學習體驗，推動教育創新。

關鍵詞：邊緣計算；個性化學習；遠程教育；數據安全；網絡負載

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0126-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

數字化時代，教育領域面臨著個性化學習需求迫切、教學效果有待提升、教育資源覆蓋范圍有限等挑戰。邊緣計算作為一種新興的計算模式，為應對這些挑戰提供了新的解決方案，正逐漸引起教育界的關注[1]。通過利用邊緣計算分析學生學習數據，根據學生的需求定制學習內容，為學生提供個性化的學習體驗[2]。同時，邊緣計算還可以改善教學效果，通過實時反饋和評估，教師可以及時調整教學策略，為學生提供更好的教學體驗[3]。此外，邊緣計算還可以擴大教育資源的覆蓋范圍，通過在線教育平臺和遠程教育，讓更多的學生獲得高質量的教育資源[4]。

1 邊緣計算在教育領域的應用

1.1 邊緣計算的概述

1.1.1 邊緣計算的特點

邊緣計算是一種分布式計算模式，將計算和數據處理推向網絡邊緣，更靠近數據源和終端設備，以提供更快速、可靠的服務。與依賴于云計算中心處理和存儲數據的傳統模式不同，邊緣計算則將計算資源和數據存儲分布在更靠近用戶的邊緣設備和節點，如智能手機、物聯網設備、路由器等。這種分布式計算模式減少了延遲和網絡擁塞[5]。

邊緣計算的特點包括以下幾點：1） 響應速度快：由于計算和數據存儲發生在網絡邊緣，使得數據處理和傳輸的速度得到大幅提升，從而提高了系統的響應速度。2） 帶寬需求降低：將數據處理和分析移至設備或終端，有效降低了對網絡帶寬的需求，使得網絡擁堵問題得到緩解。3） 數據安全性提高：在邊緣計算的場景下，數據在本地處理，無須傳輸到云端，從而提高了數據的安全性和隱私保護。4） 系統協同性增強：通過智能邊緣計算，各種設備和系統可以更好地協同工作，實現了智能化的管理和服務。

1.1.2 邊緣計算與云計算的區別

在當今數字化時代，邊緣計算和云計算作為兩大重要的計算范式，正在推動著信息技術的快速發展。邊緣計算和云計算代表了不同的數據處理和存儲模型，各自在特定場景中發揮著重要作用。兩者之間的區別如表1所示。

1.2 邊緣計算的應用場景

邊緣計算的應用場景非常廣泛，主要包含以下應用領域。1） 智慧城市：邊緣計算在智慧城市的應用包括交通流量監控、智能路燈控制、公共安全監控等。通過在城市的邊緣設備上進行數據處理，可以實時響應各種城市管理和服務需求，提高城市運營效率。2） 工業互聯網（IIoT） ：在制造業中，邊緣計算可以用于實時監控生產線，預測設備故障，優化生產流程。通過在工廠現場處理數據，可以減少機器停機時間，提高生產效率和產品質量。3） 自動駕駛：自動駕駛車輛需要實時處理大量的傳感器數據，包括視頻、雷達和激光雷達（LiDAR） 數據。邊緣計算能夠在車輛或車輛的邊緣節點上快速處理這些數據，支持實時決策和車輛控制。4） 遠程醫療和健康監測：邊緣計算可以實時監測患者的健康狀況，支持遠程醫療服務。通過在患者身邊的設備上處理數據，及時發現健康問題并進行干預。5） 智能家居：邊緣計算可以用于智能家居設備的數據處理和分析，支持語音識別、面部識別、環境監控等功能。通過在家庭內部署邊緣計算設備，提高智能家居系統的響應速度和安全性。6） 教育：邊緣計算在教育領域的應用包括個性化學習、虛擬實驗室、遠程教育等。通過在學校或學生設備上進行數據處理，可以提供更加豐富和高效的學習體驗。邊緣計算的主要應用場景如圖1所示。

1.3 邊緣計算的優勢

1.3.1 提供個性化學習體驗

個性化學習體驗是指學生根據自己的習慣、興趣和能力，學生選擇個性化的學習內容，教師選擇合適的教學策略。而邊緣計算通過其在網絡邊緣的數據處理能力，為教育領域帶來了個性化學習體驗的新機遇[6]。第一，實時數據分析。邊緣計算能夠在學生使用的設備上即時處理數據，如智能平板、電子書包等。這意味著教育應用可以實時收集和分析學生的學習行為和表現，如閱讀速度、習題完成時間、視頻觀看習慣等。通過這些數據，教育應用可以即時調整學習內容的難度和形式，以更好地適應學生的學習需求。第二，定制化學習路徑。基于邊緣計算的實時數據分析，教育平臺可以為每個學生設計個性化的學習路徑。例如，如果一個學生在學習中表現出對某個概念的掌握不足，系統可以自動推薦更多相關練習或解釋視頻，幫助學生加深理解。相反，對于掌握得較快的部分，系統可以減少重復練習，節省學生的時間，讓他們可以更快地進入新的學習內容。第三，互動和反饋。邊緣計算還可以提高教育應用中互動性和反饋的即時性。例如，在線課堂中，可以實時收集學生的問題和需求，通過數據分析教師可以調整教學節奏和教學內容。此外，通過邊緣計算，可以實現更高效的互評機制和自我評價機制，促進學生之間的互動和學習。第四，增強現實（AR） 和虛擬現實（VR） 。通過在本地設備上處理復雜的圖像和數據，邊緣計算可以提供更流暢和沉浸式的AR/VR學習體驗，極大提升學生的學習興趣，幫助他們理解授課內容[7]。

1.3.2 改善教學效果

邊緣計算通過其高效的數據處理能力和低延遲的特性，在教育領域中扮演著至關重要的角色，尤其是在改善教學效果方面。第一，實時反饋和評估。邊緣計算使得教育應用能夠在學生學習的同時收集和分析數據，提供即時的反饋和評估。教師可以根據系統提供的實時數據，掌握學生的學習進度和理解程度，及時調整教學策略，確保教學內容更符合學生的學習需求。第二，個性化教學資源。邊緣計算可以根據學生的學習表現和偏好，自動推薦最適合的教學資源，如視頻、文章、習題等。這種個性化的資源匹配，不僅可以提高學生的學習興趣，還能有效提升學習效率。第三，促進互動學習。邊緣計算支持的應用和設備能夠提供更加豐富和互動的學習體驗。例如，通過智能設備和邊緣計算技術，實現虛擬實驗室、互動式模擬等教學活動，通過這些活動增強學生的實踐能力和理解深度，從而提升教學效果。第四，支持混合式學習。邊緣計算為混合式學習（結合線上和線下教學） 提供了技術支持。通過邊緣設備，學生可以無縫接入線上資源和活動，即使在網絡連接不穩定的環境下也能保證學習體驗的連貫性和質量。學校能夠根據實際情況，靈活調整教學模式，提高教學質量[8]。

1.3.3 擴大教育資源覆蓋范圍

邊緣計算通過其獨特的數據處理能力和網絡架構，為教育資源的普及和覆蓋提供了新的可能性。第一，提高遠程教育的可接入性。邊緣計算通過在網絡邊緣進行數據處理，減少了對中心服務器的依賴，這意味著即使在網絡條件較差的地區，學生也能夠順暢地訪問在線教育資源。這種技術特性使得邊緣計算成為提高遠程教育可接入性的關鍵技術，尤其對于那些位于偏遠地區、網絡基礎設施不完善地區的學生學習提供了極大的幫助。第二，降低在線學習的延遲。邊緣計算通過在離用戶更近的地方處理數據，顯著降低了數據傳輸的延遲。這對于需要實時互動的在線教學活動尤為重要，如在線討論、實時反饋等。通過邊緣計算，教師和學生之間的互動更加流暢，提高了在線學習的效果和體驗。第三，支持更豐富的教學內容。邊緣計算的高效數據處理能力使得教育應用可以支持更豐富、更高質量的教學內容，包括高清視頻、交互式模擬實驗等。這些內容在傳統的網絡環境下可能因為帶寬限制而難以實現，但利用邊緣計算，可以為學生提供更加豐富和多樣化的學習資源。第四，促進教育公平。邊緣計算通過提高遠程教育的可接入性和在線學習的質量，有助于縮小城鄉、地區之間的教育差距。所有學生，無論他們身處何地，都能夠獲得高質量的教育資源和學習體驗，這對于促進教育公平具有重要意義。第五，靈活的教育模式。邊緣計算支持的教育應用和服務可以根據不同地區的網絡條件和學生需求進行靈活配置和優化。能夠根據實際情況，提供最適合的教育資源和學習方式，進一步擴大教育資源的覆蓋范圍。

2 邊緣計算在教育領域應用的優勢

2.1 提高數據安全性和隱私保護

首先，邊緣計算的核心特點是數據局部處理，即在數據產生的網絡邊緣進行處理，減少了敏感數據傳輸到遠程服務器或云中心的風險。減少遠程數據傳輸降低了數據外泄風險，增強了數據安全性。第二，實時安全監控。邊緣計算設備可以實施實時的安全監控和威脅檢測，及時發現和響應安全威脅。這對于保護教育環境中的敏感數據尤為重要，可以防止數據泄露和濫用。第三，減少中心化風險。傳統的云計算模式下，數據集中存儲于云服務器，一旦遭受攻擊，將面臨數據外泄風險。邊緣計算通過分散數據存儲和處理，降低了單點故障的風險，提高了系統的整體安全性。

2.2 降低延遲和減輕網絡負載

首先，通過在靠近數據源頭的網絡邊緣進行數據處理，邊緣計算降低了數據傳輸延遲，提高了響應速度。這對于需要實時反饋的在線教學活動，如虛擬實驗室、實時在線課堂討論等，尤為重要。通過邊緣計算，學生和教師之間的互動更加即時，提高了教學效果和學習體驗。第二，減輕網絡負載和節約帶寬。與之相比，傳統云計算模型需要將所有數據上傳至遠程服務器處理，增加了網絡負載和帶寬消耗。邊緣計算通過在本地處理數據，減少了對遠程數據中心的依賴，從而顯著減輕了網絡負載，節約了帶寬。這對于帶寬有限或網絡連接不穩定的地區尤為重要，能夠確保所有學生順暢訪問在線教育資源。第三，支持更多并發用戶。由于邊緣計算能夠減輕網絡負載和節約帶寬，支持更多的并發用戶訪問在線教育平臺和資源。這對于大規模開放在線課程（MOOC） 和大型在線教育平臺尤為重要，可以提供更穩定和可靠的學習體驗給廣大學生。第四，提升多媒體教學內容的質量。邊緣計算使得教育機構能夠提供高質量的視頻和多媒體教學內容，而不必擔心網絡延遲或帶寬限制。這能夠持續提升學生的學習熱情和積極性。

2.3 提供靈活性和可拓展性

第一，邊緣計算可以根據具體的教學場景和學生需求，靈活部署和管理教育應用和服務，適應多樣化的教學需求。第二，支持教育創新。邊緣計算的靈活性和可擴展性為教育創新提供了技術基礎。高等院校可以輕松嘗試和部署增強現實（AR） 、虛擬現實（VR） 教學、智能教室等新興教學技術，無須擔心基礎設施限制。第三，支持遠程和分布式教育。邊緣計算通過在網絡邊緣處理數據，支持遠程和分布式教育模式。這對于提供教育資源給偏遠地區的學生、支持學生的在線學習等場景尤為重要。邊緣計算的靈活性和可擴展性使得教育機構能夠跨越地理限制，擴大教育資源的覆蓋范圍。第四，提高系統的健壯性。邊緣計算的分布式特性增強了教育系統的健壯性。即使某個邊緣節點發生故障，也不會影響到整個系統的運行，保證了教育服務的連續性和穩定性。這對于維護高質量的教育體驗至關重要。

3 未來和展望

隨著物聯網（IoT） 、人工智能（AI） 、5G通信等技術的快速發展，邊緣計算正迅速崛起，將在未來數字化轉型中扮演重要角色。隨著5G網絡的全球部署，邊緣計算與5G技術的結合將進一步加強。在智慧工廠的場景中，5G技術與邊緣計算的結合能夠實現高效、靈活的生產流程和實時監控，5G技術提供了高帶寬、低延遲的通信能力，使得大量工業物聯網（IIoT） 設備能夠實時傳輸數據。結合邊緣計算，這些數據可以在工廠現場近實時處理，實現對生產線的即時調整和優化。同時隨著智能設備的迭代升級，邊緣設備將能夠自主進行數據分析、決策制定和任務執行，減少對中心云的依賴，提高系統的響應速度和效率。例如一個城市的交通管理部門利用邊緣計算技術對交通信號系統進行升級，通過在交叉口部署邊緣計算節點，可以實時分析交通流量和行人流量數據，動態調整信號燈的時長，以優化交通流和減少擁堵。

邊緣計算在教育領域的應用也在進一步擴大。第一，個性化的學習需求。在教育領域，個性化學習體驗的重要性日益凸顯，以滿足學生們多樣化的學習需求。邊緣計算能夠實時處理學生的學習數據，為每個學生提供個性化的學習方案，從而大大提升學習效率和體驗。第二，遠程教育的普及。疫情加速了遠程教育的發展，學生和教師越來越依賴在線平臺進行教學和學習。邊緣計算通過降低延遲和提高響應速度，能夠提供更加流暢和互動的在線教育體驗。第三，智能教室和虛擬實驗室的發展。智能教室和虛擬實驗室利用物聯網（IoT） 、增強現實（AR） 和虛擬現實（VR） 等新技術，為學生提供更加豐富和互動的仿真環境。邊緣計算在本地處理大量數據，確保了教學活動的高效和流暢。第四，數據安全和隱私保護的重視。教育領域涉及大量敏感的個人信息和學習數據，數據安全和隱私保護成為重要議題。邊緣計算通過在設備或本地進行數據處理和存儲，減少了數據在網絡傳輸過程中的暴露和存儲在云端的風險。這種方式可以有效降低數據泄露的潛在風險，保護用戶的隱私和數據安全。第五，技術融合和創新教育模式的探索。未來的教育將更加注重技術的融合和創新教育模式的探索，如游戲化學習、協作式學習等。邊緣計算提供的高效數據處理和低延遲通信能力，為這些創新教育模式提供了技術支持。例如，成都航空職業技術學院提出基于邊緣計算和Wi-Fi6技術進行智慧校園建設，包含智慧教學場景、校園管理場景及教學管理場景共三大場景，通過感知交換層、接入管理層、分析展示層和數據存儲層四個關鍵層進行分層管理，能夠提升計算服務能力，提高網絡穩定性，保障內部數據安全性，可滿足師生智慧課堂教學、智慧生產實訓、智慧校園生活等需求[9]。

4 總結

邊緣計算是一種新型的計算架構模式，它將計算任務從云端推向網絡邊緣，使得計算更接近終端設備，從而提高計算效率并降低網絡帶寬需求。在高等教育中應用邊緣計算，可以為學校提供更智能化、更個性化的服務，從而提高學生的學習體驗和生活質量。未來，邊緣計算也將融合更多的新興技術，如量子計算、區塊鏈等，進一步提高系統的性能和安全性。

【通聯編輯：王 力】

基金項目：杭州市哲學社會科學規劃課題“后疫情時代基于邊緣計算的職業教育數字化學習平臺的研究”（M23JC073）