鴻蒙應用開發嵌入高職物聯網課程教學的實踐探究

倪峰，楊立志，蘇春芳，金海峰

（江陰職業技術學院計算機科學系，江蘇江陰 214400)

0 引言

當前對話與合作仍是中西方關系的主流，但西方國家在高新技術領域持續對我國進行打壓這是不爭的事實。《信息安全研究》2019年5月版刊登了中國工程院院士倪光南先生的論文《直面打壓放棄幻想加快推進國產自主可控可替代》[1],文中呼吁加快推進國產自主可控替代計劃，構建安全可控的信息技術體系。

伴隨著智能手機等移動端平臺的誕生，以Android 和IOS 兩大陣營的智能終端操作系統一直牢牢占據著統治地位，從華為公司生產智能手機之初，華為中央軟件研究院就居安思危，提出了構建分布式操作系統的設想，以防在手機操作系統方面被掣肘，2016年實現了分布式操作系統的內核構建，2019年8月，分布式操作系統1.0 版對外發布，并命名為“鴻蒙”，2020 年華為將核心代碼捐獻給開放原子開源基金會，形成Open Harmony 項目，同年9 月華為發布鴻蒙2.0版，并應用于華為Watch、華為智慧屏、車機系統等領域，2021年6月，鴻蒙2.0版正式適配華為和榮耀系列的手機，目前鴻蒙最新版本已升級到4.0。國內各大廠商紛紛加入鴻蒙生態，OPPO 宣布旗下IOT 設備可接入鴻蒙系統、魅族宣布旗下的Lipro 智能家居產品可接入鴻蒙系統，2022 年11 月4 日，在華為開發者大會主題演講中，華為常務董事余承東先生宣布搭載鴻蒙操作系統的華為設備已超過3.2億臺[2],鴻蒙操作系統的軟硬件生態日益健壯。鴻蒙軟硬件生態起步較晚，目前國內有少部分高校開始嘗試在課程體系中融入鴻蒙應用開發，但不論從軟硬件環境、教材建設、課程資源建設等各方面尚處于起步探索階段[3-4]。

1 鴻蒙操作系統的技術框架

鴻蒙系統的設計理念是面向未來的全場景智慧化體驗。它將分布式技術和多核高性能相結合，致力于提供更加流暢、安全和智能的用戶體驗。鴻蒙操作系統遵循分層式的系統架構，自頂向下依次分為：應用層、框架層、系統服務層、內核層，按照“系統-子系統-功能模塊”逐級展開，可根據實際部署場景對功能模塊進行裁剪[5]。

應用層由Feature Ability 或Particle Ability 組成，Feature Ability 提供用戶UI 界面進行交互，Particle Ability 無UI，主要負責后臺任務運行及數據抽象訪問，為Feature Ability進行用戶交互提供所需的后臺數據訪問功能。框架層為HarmonyOS 開發者提供了多種開發語言的用戶程序框架，支持ArkTS、JavaScript、Java、C/C++等主流開發語言，提供了ArkUI 和Java UI兩種UI 框架，其中ArkUI 是華為自研的方舟開發框架，支持ArkTS和JavaScript。Java UI使用Java開發語言，便于熟練使用Java 語言的Android 開發人員快速適應鴻蒙開發環境。系統服務層是HarmonyOS 的核心能力，通過框架層為應用程序提供服務，主要包括分布式軟總線、數據管理、任務調度、方舟多語言運行時、基礎庫類、系統事件通知等，并能為智慧屏、可穿戴設備、IOT 設備提供相應的軟硬件服務。內核層分為內核子系統和驅動子系統兩部分，內核子系統通過內核抽象層KAL屏蔽多內核差異，為上層提供基本的操作系統功能，如進程與線程的管理，內存的管理，文件系統、外設及網絡設備的管理等。驅動子系統通過硬件驅動框架HDF 提供設備驅動開發和外設訪問與管理功能。

2 鴻蒙應用開發課程的可行性分析

2.1 課程設置的意義

目前國內高校電子信息類學科培養體系中，教學內容主要參考國外先進技術，學生容易養成對國外技術的依賴，并產生認同感，在西方國家對我國高新技術行業普遍采取技術封鎖和打壓的形勢下，這種依賴國外技術的課程體系的設置方式對我國的信息安全極為不利。在國家提出科技自立自強的背景下，優化物聯網專業的課程體系，兼顧行業主流技術路線與國產可替代化軟硬件生態，響應國家的方針政策，值得深入研究。本文對江陰職業技術學院計算機系物聯網應用技術專業課程體系中融入鴻蒙軟件生態展開教改探索與實踐，通過合理調配課時比例，融入國產軟硬件生態，在緊跟行業主流技術路線的同時，拓寬學生對國產軟硬件生態的認知。在部分專業課程中以國產軟硬件生態作為課程主線。通過課程體系的調整，在潛移默化中讓學生了解國產軟硬件生態，并能在國產平臺上進行軟硬件開發，通過與國外技術的對比，增強民族自豪感的同時認清差距，培養學生家國情懷，從自我做起奮起直追。

2.2 課程設置的條件與思路

根據前文分析，HarmonyOS 應用開發使用的主流開發語言為ArkTS和Java，但HarmonyOS 從API8開始不再推薦使用Java 作為首選的開發語言，Java 版本的SDK 后續將不再繼續演進，最高版本停留在API7,使用API7及以前的Java SDK 開發的應用可以兼容后續的HarmonyOS 版本。從中可以察覺華為將主推自研的ArkTS 作為首選的開發語言，如圖1 所示ArkTS 是TypeScript 與JavaScript 語言的超集，是一種聲明式的開發范式，為開發者提供更便捷的開發體驗。因此進行鴻蒙應用軟件開發，必須具備Java 或JavaScript 語言的基礎。

圖1 HarmonyOS開發語言

江陰職業技術學院物聯網應用技術專業主要培養學生物聯網系統應用軟件開發、物聯網系統設備安裝調試及運維、物聯網項目規劃與管理等方面的能力[6]。其中物聯網系統應用軟件開發是貫穿學生培養方案的一條主線，如圖2所示，主要包括傳感網絡的構建、數據采集與設備管理、云平臺的構建與數據承載、應用層軟件傳感數據獲取與控制等方面。

圖2 物聯網應用軟件開發教學脈絡

在現有的教學計劃中，在前兩個學期系統學習了“程序設計入門”“可視化程序設計”“物聯網感知層技術”“Web前端技術”等平臺專業課程。如表1所示，學生已經具備了一定的程序設計開發的思維能力，對物聯網數據采集、傳輸體系的整體框架有所了解，掌握C、Java、JavaScript 等基本的開發語言，具備通過HTML+CSS 技術構建基本頁面的能力，對XML、JSON等常見的數據格式較為熟悉，已完成HarmonyOS應用開發所需的知識儲備。

表1 前導課程與知識儲備

按原教學計劃，在第三學期開設“移動終端應用軟件開發”，系統介紹Android 平臺下的App 開發，原計劃96學時，使用Java作為開發語言，使用基于IntelliJ IDEA 的官方應用開發集成開發環境Android Studio。開設此課程的目的是通過Android 平臺，實現傳感數據的展示及控制命令的下發。為拓寬學生的知識面，在第三學期還開設了“微信小程序開發”課程，在微信端進行傳感數據的展示。自從鴻蒙系統問世以來，課程組對鴻蒙應用開發進行了深入研究。鴻蒙應用軟件開發與Android應用軟件開發的環境高度相似，鴻蒙使用的開發環境為DevEco Studio，也是一款基于IntelliJ IDEA 的集成開發環境，Android 使用Java或Kotlin 開發，鴻蒙使用Java 或ArkTS,Android 使用XML標記語言實現UI布局、控件定義、權限設置等功能，而鴻蒙則使用JSON 數據格式完成上述功能。從程序開發的難度、學生知識體系支撐等各方面都能滿足鴻蒙應用開發的條件，且具備濃厚的課程思政元素，因此從2021級物聯網技術應用專業開始嘗試進行教學改革，在移動終端應用軟件開發課程中融入鴻蒙應用軟件開發的知識內容，修改物聯網技術應用專業教學計劃，削減一門32學時的選修課，將本課程增加到128學時，其中Android應用軟件開發和HarmonyOS應用軟件開發兩大板塊各占64學時。通過課程的學習和對比，讓同學們對Android 開發和HarmonyOS 的開發有清晰的對比，拓寬就業面，培養學生對國產的鴻蒙軟硬件生態使用的習慣，堅定科技自立自強的信心，增強民族自豪感。

3 鴻蒙應用開發課程設計與實施

課程以“智慧社區”項目為依托，在介紹HarmonyOS 基礎知識的同時，完成基于智慧社區的移動端App。課程組自主研發了“智慧社區”項目實訓沙盤，如圖3所示智慧社區實訓沙盤安裝了溫度、濕度、光照等多路傳感器，同時通過中間繼電器控制燈光照明、窗簾、風扇等執行器。傳感器和執行器已經通過Zig-Bee通信協議實現傳感網絡的組建，通過NB-IoT技術將傳感數據實時上傳到華為物聯網云平臺。移動端App 通過訪問華為云提供的API 接口，獲取傳感器數據并顯示，同時可以進行控制命令的下發，進而控制燈光、風扇、窗簾等執行機構。

圖3 智慧社區功能結構圖

課程以項目導入任務驅動方式開展，分別實現在鴻蒙和Android 兩種移動端應用程序，在前導課程中已經實現傳感數據上報華為物聯網云平臺，本課程的主要任務是通過移動端App 對接華為物聯網云平臺API接口，實現傳感數據獲取及控制命令下行的功能。如表2 所示，對照鴻蒙和Android 兩個不同的開發平臺，分別實現6個功能相同的任務模塊。以鴻蒙端為例，任務一實現鴻蒙移動端登錄鑒權，創建登錄相關的Ability，將輸入的華為云平臺IAM用戶信息打包成JSON格式的數據，通過POST請求提交給華為云平臺指定的URI，華為云認證通過后生成Token 回傳給移動端。任務二實現傳感設備數據的查詢，將Token 包裝到HTTP 請求的Header 中，通過GET 請求向華為云平臺對應的URI請求指定設備的影子數據，華為云將數據以JSON格式推送給移動端。任務三實現數據的顯示，將任務二請求得到的JSON 格式的數據進行解析和提取，通過消息機制將數據回傳主UI線程，更新界面顯示，并通過輕量級數據存儲Preferences 實現傳感數據的保存。任務四實現控制命令的下發，下發的命令經華為云平臺轉發到傳感層，控制對應的繼電器動作，實現燈光、風扇等執行器的運行。任務五模擬實現App 的數字簽名和應用市場上架。任務六實現設備差異化，通過一次開發，分別在模擬器上實現華為Watch、華為手機端、華為智慧屏的程序部署。

表2 實訓任務分解及開發平臺對比

4 課程思政建設

黨的二十大報告中提出，到2035年我國要實現高水平科技自立自強，進入創新型國家前列[7]。物聯網技術作為信息技術產業的生力軍，是實現高水平科技自立自強的一條主賽道，在課程的實施中，任課教師既為“人師”也為“經師”，必須在課程中融入思政元素，激發學生科技報國的熱情。

鴻蒙作為國產自研操作系統，是信息技術產業中的高精尖產品，契合高水平科技自立自強的發展路線，課程組深挖思政元素，通過以下幾個方面進行課程思政的融入。一、舉案例，以英阿馬島戰爭、我國核武器研制、光刻機設備的制約等為例，強調科技自立自強的重要性。二、樹典型，介紹兩彈一星的元勛科學家們、電磁彈射專家馬偉明院士等，發揮榜樣的作用，激勵學生努力學習，科技報國。三、立規矩，培養學生良好的職業素養，從實驗器具擺放、實訓環境打掃、節約實驗耗材等日常行為進行教育，以平時成績作為約束。四、樹信心，以鴻蒙操作系統、華為海思芯片、長江存儲等為例，讓學生看到我國近年來在電子信息產業中取得的成就，樹立科技報國信心。

5 實施效果

以2021級物聯網技術應用專業為試點進行教學改革試驗，整個教學實施過程通過翻轉課堂的方式展開，課前教師錄制教學視頻上傳泛雅平臺，并要求學生自學，通過平臺反饋及課堂教學效果分析，如表3所示大部分同學能及時預習并完成課前預習任務，部分優秀學生能提前完成實訓任務，并對任務進行分析講解。通過匿名問卷調查反饋，學生對鴻蒙應用軟件開發的學習熱度高于Android 平臺，對華為系列產品的認可度也更高。

表3 課程實施情況

6 結束語

鴻蒙操作系統的誕生，打破了Android和IOS的壟斷地位，經過近幾年的孕育，鴻蒙軟硬件生態進一步完善，在國家力推高水平科技自立自強的背景下，OpenHarmony 項目必將取得良好的發展，越來越多的廠商也將融入這個生態中來，從高職院校學生的認知能力角度出發，在高職院校電子信息類專業開設鴻蒙應用軟件開發相關課程是可行的，從國家信息安全和自主可控的層面以及人才培養需求層面，都有很大的潛力可以挖掘。目前存在的問題是由于鴻蒙生態建立不久，適合高職院校層次的鴻蒙應用開發相關教材尚不完備，目前筆者在鴻蒙應用開發相關內容的授課過程中主要依靠華為官方提供的開發文檔作為教學資料，這也是后續值得去進一步完善的地方。