鴻蒙應(yīng)用開發(fā)嵌入高職物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的實(shí)踐探究

倪峰，楊立志，蘇春芳，金海峰

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，江蘇江陰 214400)

0 引言

當(dāng)前對(duì)話與合作仍是中西方關(guān)系的主流，但西方國家在高新技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)對(duì)我國進(jìn)行打壓這是不爭的事實(shí)?！缎畔踩芯俊?019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(jìn)國產(chǎn)自主可控可替代》[1],文中呼吁加快推進(jìn)國產(chǎn)自主可控替代計(jì)劃，構(gòu)建安全可控的信息技術(shù)體系。

伴隨著智能手機(jī)等移動(dòng)端平臺(tái)的誕生，以Android 和IOS 兩大陣營的智能終端操作系統(tǒng)一直牢牢占據(jù)著統(tǒng)治地位，從華為公司生產(chǎn)智能手機(jī)之初，華為中央軟件研究院就居安思危，提出了構(gòu)建分布式操作系統(tǒng)的設(shè)想，以防在手機(jī)操作系統(tǒng)方面被掣肘，2016年實(shí)現(xiàn)了分布式操作系統(tǒng)的內(nèi)核構(gòu)建，2019年8月，分布式操作系統(tǒng)1.0 版對(duì)外發(fā)布，并命名為“鴻蒙”，2020 年華為將核心代碼捐獻(xiàn)給開放原子開源基金會(huì)，形成Open Harmony 項(xiàng)目，同年9 月華為發(fā)布鴻蒙2.0版，并應(yīng)用于華為Watch、華為智慧屏、車機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域，2021年6月，鴻蒙2.0版正式適配華為和榮耀系列的手機(jī)，目前鴻蒙最新版本已升級(jí)到4.0。國內(nèi)各大廠商紛紛加入鴻蒙生態(tài)，OPPO 宣布旗下IOT 設(shè)備可接入鴻蒙系統(tǒng)、魅族宣布旗下的Lipro 智能家居產(chǎn)品可接入鴻蒙系統(tǒng)，2022 年11 月4 日，在華為開發(fā)者大會(huì)主題演講中，華為常務(wù)董事余承東先生宣布搭載鴻蒙操作系統(tǒng)的華為設(shè)備已超過3.2億臺(tái)[2],鴻蒙操作系統(tǒng)的軟硬件生態(tài)日益健壯。鴻蒙軟硬件生態(tài)起步較晚，目前國內(nèi)有少部分高校開始嘗試在課程體系中融入鴻蒙應(yīng)用開發(fā)，但不論從軟硬件環(huán)境、教材建設(shè)、課程資源建設(shè)等各方面尚處于起步探索階段[3-4]。

1 鴻蒙操作系統(tǒng)的技術(shù)框架

鴻蒙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是面向未來的全場(chǎng)景智慧化體驗(yàn)。它將分布式技術(shù)和多核高性能相結(jié)合，致力于提供更加流暢、安全和智能的用戶體驗(yàn)。鴻蒙操作系統(tǒng)遵循分層式的系統(tǒng)架構(gòu)，自頂向下依次分為：應(yīng)用層、框架層、系統(tǒng)服務(wù)層、內(nèi)核層，按照“系統(tǒng)-子系統(tǒng)-功能模塊”逐級(jí)展開，可根據(jù)實(shí)際部署場(chǎng)景對(duì)功能模塊進(jìn)行裁剪[5]。

應(yīng)用層由Feature Ability 或Particle Ability 組成，F(xiàn)eature Ability 提供用戶UI 界面進(jìn)行交互，Particle Ability 無UI，主要負(fù)責(zé)后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行及數(shù)據(jù)抽象訪問，為Feature Ability進(jìn)行用戶交互提供所需的后臺(tái)數(shù)據(jù)訪問功能?？蚣軐訛镠armonyOS 開發(fā)者提供了多種開發(fā)語言的用戶程序框架，支持ArkTS、JavaScript、Java、C/C++等主流開發(fā)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(fā)框架，支持ArkTS和JavaScript。Java UI使用Java開發(fā)語言，便于熟練使用Java 語言的Android 開發(fā)人員快速適應(yīng)鴻蒙開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)服務(wù)層是HarmonyOS 的核心能力，通過框架層為應(yīng)用程序提供服務(wù)，主要包括分布式軟總線、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)調(diào)度、方舟多語言運(yùn)行時(shí)、基礎(chǔ)庫類、系統(tǒng)事件通知等，并能為智慧屏、可穿戴設(shè)備、IOT 設(shè)備提供相應(yīng)的軟硬件服務(wù)。內(nèi)核層分為內(nèi)核子系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)兩部分，內(nèi)核子系統(tǒng)通過內(nèi)核抽象層KAL屏蔽多內(nèi)核差異，為上層提供基本的操作系統(tǒng)功能，如進(jìn)程與線程的管理，內(nèi)存的管理，文件系統(tǒng)、外設(shè)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理等。驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)通過硬件驅(qū)動(dòng)框架HDF 提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)和外設(shè)訪問與管理功能。

2 鴻蒙應(yīng)用開發(fā)課程的可行性分析

2.1 課程設(shè)置的意義

目前國內(nèi)高校電子信息類學(xué)科培養(yǎng)體系中，教學(xué)內(nèi)容主要參考國外先進(jìn)技術(shù)，學(xué)生容易養(yǎng)成對(duì)國外技術(shù)的依賴，并產(chǎn)生認(rèn)同感，在西方國家對(duì)我國高新技術(shù)行業(yè)普遍采取技術(shù)封鎖和打壓的形勢(shì)下，這種依賴國外技術(shù)的課程體系的設(shè)置方式對(duì)我國的信息安全極為不利。在國家提出科技自立自強(qiáng)的背景下，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系，兼顧行業(yè)主流技術(shù)路線與國產(chǎn)可替代化軟硬件生態(tài)，響應(yīng)國家的方針政策，值得深入研究。本文對(duì)江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)課程體系中融入鴻蒙軟件生態(tài)展開教改探索與實(shí)踐，通過合理調(diào)配課時(shí)比例，融入國產(chǎn)軟硬件生態(tài)，在緊跟行業(yè)主流技術(shù)路線的同時(shí)，拓寬學(xué)生對(duì)國產(chǎn)軟硬件生態(tài)的認(rèn)知。在部分專業(yè)課程中以國產(chǎn)軟硬件生態(tài)作為課程主線。通過課程體系的調(diào)整，在潛移默化中讓學(xué)生了解國產(chǎn)軟硬件生態(tài)，并能在國產(chǎn)平臺(tái)上進(jìn)行軟硬件開發(fā)，通過與國外技術(shù)的對(duì)比，增強(qiáng)民族自豪感的同時(shí)認(rèn)清差距，培養(yǎng)學(xué)生家國情懷，從自我做起奮起直追。

2.2 課程設(shè)置的條件與思路

根據(jù)前文分析，HarmonyOS 應(yīng)用開發(fā)使用的主流開發(fā)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(fā)語言，Java 版本的SDK 后續(xù)將不再繼續(xù)演進(jìn)，最高版本停留在API7,使用API7及以前的Java SDK 開發(fā)的應(yīng)用可以兼容后續(xù)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(fā)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(fā)范式，為開發(fā)者提供更便捷的開發(fā)體驗(yàn)。因此進(jìn)行鴻蒙應(yīng)用軟件開發(fā)，必須具備Java 或JavaScript 語言的基礎(chǔ)。

圖1 HarmonyOS開發(fā)語言

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備安裝調(diào)試及運(yùn)維、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目規(guī)劃與管理等方面的能力[6]。其中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)是貫穿學(xué)生培養(yǎng)方案的一條主線，如圖2所示，主要包括傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與設(shè)備管理、云平臺(tái)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)承載、應(yīng)用層軟件傳感數(shù)據(jù)獲取與控制等方面。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件開發(fā)教學(xué)脈絡(luò)

在現(xiàn)有的教學(xué)計(jì)劃中，在前兩個(gè)學(xué)期系統(tǒng)學(xué)習(xí)了“程序設(shè)計(jì)入門”“可視化程序設(shè)計(jì)”“物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)”“Web前端技術(shù)”等平臺(tái)專業(yè)課程。如表1所示，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的程序設(shè)計(jì)開發(fā)的思維能力，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(fā)語言，具備通過HTML+CSS 技術(shù)構(gòu)建基本頁面的能力，對(duì)XML、JSON等常見的數(shù)據(jù)格式較為熟悉，已完成HarmonyOS應(yīng)用開發(fā)所需的知識(shí)儲(chǔ)備。

表1 前導(dǎo)課程與知識(shí)儲(chǔ)備

按原教學(xué)計(jì)劃，在第三學(xué)期開設(shè)“移動(dòng)終端應(yīng)用軟件開發(fā)”，系統(tǒng)介紹Android 平臺(tái)下的App 開發(fā)，原計(jì)劃96學(xué)時(shí)，使用Java作為開發(fā)語言，使用基于IntelliJ IDEA 的官方應(yīng)用開發(fā)集成開發(fā)環(huán)境Android Studio。開設(shè)此課程的目的是通過Android 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的展示及控制命令的下發(fā)。為拓寬學(xué)生的知識(shí)面，在第三學(xué)期還開設(shè)了“微信小程序開發(fā)”課程，在微信端進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)的展示。自從鴻蒙系統(tǒng)問世以來，課程組對(duì)鴻蒙應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了深入研究。鴻蒙應(yīng)用軟件開發(fā)與Android應(yīng)用軟件開發(fā)的環(huán)境高度相似，鴻蒙使用的開發(fā)環(huán)境為DevEco Studio，也是一款基于IntelliJ IDEA 的集成開發(fā)環(huán)境，Android 使用Java或Kotlin 開發(fā)，鴻蒙使用Java 或ArkTS,Android 使用XML標(biāo)記語言實(shí)現(xiàn)UI布局、控件定義、權(quán)限設(shè)置等功能，而鴻蒙則使用JSON 數(shù)據(jù)格式完成上述功能。從程序開發(fā)的難度、學(xué)生知識(shí)體系支撐等各方面都能滿足鴻蒙應(yīng)用開發(fā)的條件，且具備濃厚的課程思政元素，因此從2021級(jí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)開始嘗試進(jìn)行教學(xué)改革，在移動(dòng)終端應(yīng)用軟件開發(fā)課程中融入鴻蒙應(yīng)用軟件開發(fā)的知識(shí)內(nèi)容，修改物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)計(jì)劃，削減一門32學(xué)時(shí)的選修課，將本課程增加到128學(xué)時(shí)，其中Android應(yīng)用軟件開發(fā)和HarmonyOS應(yīng)用軟件開發(fā)兩大板塊各占64學(xué)時(shí)。通過課程的學(xué)習(xí)和對(duì)比，讓同學(xué)們對(duì)Android 開發(fā)和HarmonyOS 的開發(fā)有清晰的對(duì)比，拓寬就業(yè)面，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)國產(chǎn)的鴻蒙軟硬件生態(tài)使用的習(xí)慣，堅(jiān)定科技自立自強(qiáng)的信心，增強(qiáng)民族自豪感。

3 鴻蒙應(yīng)用開發(fā)課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

課程以“智慧社區(qū)”項(xiàng)目為依托，在介紹HarmonyOS 基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，完成基于智慧社區(qū)的移動(dòng)端App。課程組自主研發(fā)了“智慧社區(qū)”項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)沙盤，如圖3所示智慧社區(qū)實(shí)訓(xùn)沙盤安裝了溫度、濕度、光照等多路傳感器，同時(shí)通過中間繼電器控制燈光照明、窗簾、風(fēng)扇等執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)通過Zig-Bee通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的組建，通過NB-IoT技術(shù)將傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。移動(dòng)端App 通過訪問華為云提供的API 接口，獲取傳感器數(shù)據(jù)并顯示，同時(shí)可以進(jìn)行控制命令的下發(fā)，進(jìn)而控制燈光、風(fēng)扇、窗簾等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖3 智慧社區(qū)功能結(jié)構(gòu)圖

課程以項(xiàng)目導(dǎo)入任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式開展，分別實(shí)現(xiàn)在鴻蒙和Android 兩種移動(dòng)端應(yīng)用程序，在前導(dǎo)課程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上報(bào)華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，本課程的主要任務(wù)是通過移動(dòng)端App 對(duì)接華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)API接口，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)獲取及控制命令下行的功能。如表2 所示，對(duì)照鴻蒙和Android 兩個(gè)不同的開發(fā)平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)6個(gè)功能相同的任務(wù)模塊。以鴻蒙端為例，任務(wù)一實(shí)現(xiàn)鴻蒙移動(dòng)端登錄鑒權(quán)，創(chuàng)建登錄相關(guān)的Ability，將輸入的華為云平臺(tái)IAM用戶信息打包成JSON格式的數(shù)據(jù)，通過POST請(qǐng)求提交給華為云平臺(tái)指定的URI，華為云認(rèn)證通過后生成Token 回傳給移動(dòng)端。任務(wù)二實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的查詢，將Token 包裝到HTTP 請(qǐng)求的Header 中，通過GET 請(qǐng)求向華為云平臺(tái)對(duì)應(yīng)的URI請(qǐng)求指定設(shè)備的影子數(shù)據(jù)，華為云將數(shù)據(jù)以JSON格式推送給移動(dòng)端。任務(wù)三實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，將任務(wù)二請(qǐng)求得到的JSON 格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和提取，通過消息機(jī)制將數(shù)據(jù)回傳主UI線程，更新界面顯示，并通過輕量級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Preferences 實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的保存。任務(wù)四實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)，下發(fā)的命令經(jīng)華為云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到傳感層，控制對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)燈光、風(fēng)扇等執(zhí)行器的運(yùn)行。任務(wù)五模擬實(shí)現(xiàn)App 的數(shù)字簽名和應(yīng)用市場(chǎng)上架。任務(wù)六實(shí)現(xiàn)設(shè)備差異化，通過一次開發(fā)，分別在模擬器上實(shí)現(xiàn)華為Watch、華為手機(jī)端、華為智慧屏的程序部署。

表2 實(shí)訓(xùn)任務(wù)分解及開發(fā)平臺(tái)對(duì)比

4 課程思政建設(shè)

黨的二十大報(bào)告中提出，到2035年我國要實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，進(jìn)入創(chuàng)新型國家前列[7]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生力軍，是實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的一條主賽道，在課程的實(shí)施中，任課教師既為“人師”也為“經(jīng)師”，必須在課程中融入思政元素，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的熱情。

鴻蒙作為國產(chǎn)自研操作系統(tǒng)，是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的高精尖產(chǎn)品，契合高水平科技自立自強(qiáng)的發(fā)展路線，課程組深挖思政元素，通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行課程思政的融入。一、舉案例，以英阿馬島戰(zhàn)爭、我國核武器研制、光刻機(jī)設(shè)備的制約等為例，強(qiáng)調(diào)科技自立自強(qiáng)的重要性。二、樹典型，介紹兩彈一星的元?jiǎng)卓茖W(xué)家們、電磁彈射專家馬偉明院士等，發(fā)揮榜樣的作用，激勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)，科技報(bào)國。三、立規(guī)矩，培養(yǎng)學(xué)生良好的職業(yè)素養(yǎng)，從實(shí)驗(yàn)器具擺放、實(shí)訓(xùn)環(huán)境打掃、節(jié)約實(shí)驗(yàn)耗材等日常行為進(jìn)行教育，以平時(shí)成績作為約束。四、樹信心，以鴻蒙操作系統(tǒng)、華為海思芯片、長江存儲(chǔ)等為例，讓學(xué)生看到我國近年來在電子信息產(chǎn)業(yè)中取得的成就，樹立科技報(bào)國信心。

5 實(shí)施效果

以2021級(jí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)為試點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)改革試驗(yàn)，整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式展開，課前教師錄制教學(xué)視頻上傳泛雅平臺(tái)，并要求學(xué)生自學(xué)，通過平臺(tái)反饋及課堂教學(xué)效果分析，如表3所示大部分同學(xué)能及時(shí)預(yù)習(xí)并完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)，部分優(yōu)秀學(xué)生能提前完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析講解。通過匿名問卷調(diào)查反饋，學(xué)生對(duì)鴻蒙應(yīng)用軟件開發(fā)的學(xué)習(xí)熱度高于Android 平臺(tái)，對(duì)華為系列產(chǎn)品的認(rèn)可度也更高。

表3 課程實(shí)施情況

6 結(jié)束語

鴻蒙操作系統(tǒng)的誕生，打破了Android和IOS的壟斷地位，經(jīng)過近幾年的孕育，鴻蒙軟硬件生態(tài)進(jìn)一步完善，在國家力推高水平科技自立自強(qiáng)的背景下，OpenHarmony 項(xiàng)目必將取得良好的發(fā)展，越來越多的廠商也將融入這個(gè)生態(tài)中來，從高職院校學(xué)生的認(rèn)知能力角度出發(fā)，在高職院校電子信息類專業(yè)開設(shè)鴻蒙應(yīng)用軟件開發(fā)相關(guān)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(yǎng)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(tài)建立不久，適合高職院校層次的鴻蒙應(yīng)用開發(fā)相關(guān)教材尚不完備，目前筆者在鴻蒙應(yīng)用開發(fā)相關(guān)內(nèi)容的授課過程中主要依靠華為官方提供的開發(fā)文檔作為教學(xué)資料，這也是后續(xù)值得去進(jìn)一步完善的地方。