万物互联时代下的HarmonyOS嵌入式系统教学探索

项目批次：2021年第二批

项目编号：202102278057

项目类型：新工科建设项目

项目实施背景

HarmonyOS是新一代的智能终端操作系统，为不同设备的智能化、互联和协同提供了统一的语言，带来简洁、流畅、安全、连续、安全可靠的全场景交互体验。相对于Android系统、嵌入式Linux系统，HarmonyOS不仅是一个手机或某一设备的单一系统，还是一个可将所有设备串联在一起的通用性系统，这一特性使得HarmonyOS在物联网系统中具有强大的优势。

华中师范大学为物联网工程专业、软件工程专业和计算机科学技术专业的学生开设了《单片机技术与应用》、《操作系统原理》、《嵌入式操作系统》等课程，课程内容除了原理之外，还以Linux、Android等系统为主进行教学。在当前IoT以及AIoT高歌猛进过程中，这些系统逐渐暴露出一些不足，而适应万物互联大环境下具有1+8+N理念的HarmonyOS系统所具有的全场景等特性更契合未来需要。

当前课程体系和培养方案对嵌入式操作系统相关知识内容的支撑课程主要是《单片机技术与应用》、《操作系统原理》、《嵌入式系统》和《Web编程技术》等。

改革思路及举措

（一）主要思路：在课程内容中推广HarmonyOS技术和应用，以期打破操作系统长期依赖国外产品的现状。

具体举措：

1.课程内容优先选择华为等国内高科技企业研发的软硬件技术体系。

2.课程内容优先选择开源软硬件技术。在选择适配HarmonyOS系统的硬件系统同时，也选择了华为海思生产的以开源RISC-V内核SOC芯片Hi3861为主控CPU的核心板以及Pegasus物联网套件和智能小车套件。

（二）主要思路：注重基础和低成本投入，快速培养在物联网工程、软件工程、计算机网络以及计算机科学与技术领域的跨专业新工科人才。

具体举措：

1.注重基础内容。HarmonyOS系统相关技术并非一门课程能够完全覆盖。在课程内容取舍方面，我们优先选择相关技术中的基础内容。如在微内核的内容中，涵盖了微内核的基础功能，包括任务管理、内存管理、基本IPC功能、软定时器等操作系统的基础功能；设备开发接口选择方面，我们优先选择应用广泛的、最基本的GPIO、I2C、PWM等接口。在应用开发选择方面，我们则注重基础的编程能力、应用的基本架构和界面开发的控件。

另外，系统软件中关键函数功能，力争溯源到CPU的汇编程序的实现；和硬件接口相关的软件功能，也结合硬件功能一并讲解。

2.课程内容注重低成本投入。课程内容注重低成本投入，具体办法包括：学习LiteOS微内核基础功能时使用软件模拟器，不必须使用实验箱或者开发板；学习HarmonyOS应用UI开发时，使用模拟器或者华为提供的远程真机进行；学习OpenHarmony设备开发时，使用百元以下的Hi3861核心板。

3.加速人才培养。嵌入式操作系统课程的知识涉及多个课程和专业，按照以往培养方案，需要很长时间才能学习完这些课程。项目注重加快人才培养速度，把所需要的相关课程内容整合到一门课程中，抛弃掉原有培养方案中不再适合保留的内容，加速人才的培养过程。

具体举措包括：课程内容包含了所涉及的操作系统基本原理（如任务管理、内存管理等）；课程内容包括I2C总线原理和基本操作过程；课程内容包括了HTML、CSS、JS、TypeScript等开发语言的基础语法等。

（三）主要思路：得到基于HarmonyOS的相关课程一整套教学资源。

具体举措：

1.编著教材。项目建设时，尚未有合适的参考书，于是着手编著参考教材《HarmonyOS物联网开发基础》和《HarmonyOS物联网开发基础实践》，（已于2023年出版），为课程的顺利进行提供了基本条件。

2.制作授课幻灯片。项目提供了课程所需的、与参考书内容配套的基础版PowerPoint幻灯片和Web版幻灯片。

3.提供示例代码。项目提供了授课过程中的示例代码，方便授课过程中的程序演示。

4.其他教学资源。该项目课程提供了习题和答案、教学大纲、教学进度表等课程所需资源。

项目成果、创新点及成效

（一）项目成果和创新点

1.产学合作强深度融合理念。该项目坚定贯彻产学合作强深度融合的理念，在课程内容方面，项目设定的课程教学内容能够全面替代以往的内容。根据项目要求，编著并出版了《HarmonyOS物联网开发基础》和《HarmonyOS物联网开发基础实践》套书。该套书内容包含微内核、轻量设备开发和应用UI开发的基础知识，内容全面，理论和实践并重，和课程强深度融合。

2.适应新工科，变革课程知识结构。新工科背景下，新技术层出不穷，原有课程体系结构需要变革。原有课程的知识点非常多，有的知识点已经不适应技术的进展。该课程把相关课程中的关联知识点提取出来，重新组合为新的课程内容，适应新工科的要求。这些变革体现在《HarmonyOS物联网开发基础》和《HarmonyOS物联网开发基础实践》套书中，以及该课程的教学大纲和教学日历等教学资源中。

3.产学合作的先进性理念。课程内容反映产业界的新技术、新趋势。该项目的内容，选取万物互联大环境下具有1+8+N理念的HarmonyOS作为授课内容，更能反映产业界的新技术。同时HarmonyOS适用于各种类型的设备，是未来的新趋势。

4.重视思政因素。该项目本身重视思政因素。课程内容选取以华为公司开发的HarmonyOS为主的教学内容，有助于潜在地培养学生的爱国情怀，增强学生的民族自豪感和自信心。

5.可持续性理念。可持续性理念贯穿于该项目，该项目在2023年初结题后，作为项目的延伸，项目建设的课程内容一直在推广，包括：在2023年6月底至7月初为武汉工程大学鸿蒙全场景应用实践开发毕业实习实训；2023年8月在清华科技大讲堂公众号进行了一次课程内容的直播；在2024年4月 “全国高校计算机类课程能力提升高级研修班（2024年第三期）”中以该课程内容为基础进行师资培训；在“2024物联网教育高峰论坛”中进行了课程内容的交流。

6.教学资源齐全。经过该项目建设，形成了丰富的教学资源，包括所编著的参考书《HarmonyOS物联网开发基础》和《HarmonyOS物联网开发基础实践》、教学大纲、教学PPT、习题与答案、示例代码等，满足课程快速投入使用的要求。

7.全方位能力培养的理念。项目注重学生的全方位能力培养，除了在课堂上进行学习之外，以课程内容为基础进行扩展，鼓励学生参加学科竞赛、提供相关毕业设计的选题、参加专业资格证书认证。其中，在第八届华为ICT大赛创新赛全球总决赛获特等奖的我校“ICT小队冲冲冲”队伍的作品和获得此次全国总决赛创新赛特等奖的我校“塔塔姜火”队伍的作品中均应用了和该课程相关的技术。部分学生通过学习，获得了开放原子开源基金会“OpenAtom OpenHarmony Talent Certification”认证。近两年来，均有本科生进行HarmonyOS相关的毕业论文。

（二）项目成效

人才培养：有30人选修该课程，7人次在此项目内容基础上做毕业论文，3支学生团队获得华为ICT大赛创新赛国赛二等奖以上奖励，3人次在清华计算机学堂公众号发表了技术文章。

师资培训：以该项目内容为核心的师资培训，为来自7个省市、26个高校的42名教师进行了培训。

专业资格认证：超过50人通过学习该课程获得开放原子开源基金会的OpenHarmony资格证书OFCA。

应用及推广情况

（一）本校课程开设情况

在2021年和2023年为我校本科生开设了《嵌入式操作系统》课程，选课学生来自于物联网工程专业、软件工程专业和信息安全专业，课程的学习内容、考核内容和项目内容契合度很高。课程受到学生的欢迎，学生评教得分93分。

（二）本校学生培养

除课程学习外，部分同学进一步做了毕业论文，如2023届本科生毕业论文《基于鸿蒙的智能农场设备开发》，2024届本科生毕业论文《开源鸿蒙的天气预报软件设计与实现》、《基于鸿蒙的噪音监测系统设计与开发》等；部分同学参与了学术竞赛并获得奖项，如在“华为ICT大赛2021”创新赛全国总决赛中荣获二等奖。一些学生的优秀成果，如 “E-Art简单电子美术鉴赏App-基于ArkTS声明式UI开发的简单原型”、“HarmonyOS噪声监测APP设计与开发”和“案例分析-智慧农田基本设备硬件设计”发布在清华计算机学堂公众号上。

（三）校外学生培养

项目内容在2023年武汉工程大学鸿蒙全场景应用实践开发毕业实习实训中得到了使用。通过该实训，该校物联网专业的70余名同学学习到了鸿蒙操作系统和轻量设备开发的诸多技术，并能够在博赛网络的“全场景HarmonyOS创新开发实验箱”上开发智慧台灯等物联网应用。

（四）师资培训

在全国高校计算机类课程能力提升高级研修班（2024年第三期）中开设了基于本项目内容的“基于OpenHarmony的物联网开发基础”课程，招募50位教师，签到42位教师，分别来自于26所院校，覆盖北京、华东和华中地区7个省市。

（五）物联网教育高峰论坛

参加2024年5月31日至6月2日在江南大学举办的第四届物联网教育高峰论坛并作“本科课程《嵌入式操作系统》教学思考”的报告。该报告内容涵盖了OpenHarmony培训内容应用于物联网专业相关教学中的一些经验和思考。

（六）图书销量

自2023年2月及2023年6月出版以来，所编著的《HarmonyOS物联网开发基础实践》已印刷3次共2500本，《HarmonyOS物联网开发基础》已印刷2次共1800本。

（七）专业证书认证

参加师资培训的老师和我校部分本科生经过学习，通过了开放原子开源基金会的OFCA-OpenHarmony认证考试，并获得证书。

（八）网络推广

2023年8月，部分课程内容在清华科技大讲堂进行直播并获清华大学出版社2023年度最受欢迎直播奖。

（九）其他

项目结题优秀，2023年获教育部产学合作协同育人项目华为优秀成果奖，负责人获得2023年鸿蒙生态高校人才领域年度优秀教师。

经验总结

（一）一些经验

1.新工科项目内容应具有技术先进性。HarmonyOS是近年来崛起的自主知识产权操作系统，具有一些先进特性。2024年5月数据显示有超过8亿设备运行了鸿蒙系统，说明该系统有强劲的竞争力。该项目将业界先进的技术带入课堂，缩小学校课堂知识和企业技术之间的差距，是该项目成功最主要的经验。

2.项目应加速新工科人才培养。该项目涉及多个课程和专业的知识，在授课内容上必须有取舍，需要把相关课程内容整合到一门课程中，抛弃掉原有培养方案中不再适合的内容，加速人才培养。

（二）下一步举措

课程面向未来可做进一步调整。一个调整方向是增加面向不同设备需求的小型系统及标准系统开发技术;另一个调整方向是在课程内容中融入系统高级应用的内容，如物联网端侧AI能力等。