拓展創造思維釋放創造力的實踐案例研究

李雙勛　王展　許可

摘? ? 要：文章研究的實驗案例以系統集成和指標分解為抓手，重點突破學生對系統設計方法認知不足及提不出系統設計指標的問題。通過對監控區域移動目標所反射電磁波的計算分析，獲取目標距離和方位信息，并在計算機（上位機）上實時顯示目標位置，同時，實現對重點區域目標軌跡的跟蹤和預警。在經歷學習研究、總體設計、指標分解、系統搭建、編程調試、軟件設計、數據分析、實測驗證、報告總結等階段后，復現了項目開發完整的研制過程。學生實驗反饋表明，該項目充分發揮了學生的主體作用，鍛煉了學生融會貫通和綜合運用電子信息工程專業基礎知識的能力，拓展了學生的創造性思維，釋放了學生解決實際問題的創造力，培養并提高了學生的實操能力、創新意識和團隊合作能力等。

關鍵詞：系統集成；雷達；實踐案例；電子信息工程專業

中圖分類號：G642.1? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）05-0067-05

一、引言

受傳統實驗教學理念的影響，大部分教師沒有正確認識實驗教學的重要意義，因而，實驗教學特有的育人作用沒有得到充分發揮。隨著課程改革的不斷深入，許多實驗教學內容和實驗教學方法雖然得到了一定程度的優化，但部分高校教師在注重知識傳授的思維下，往往容易忽略對學生創新思維和自主實踐能力的培養。因此，目前實驗課存在一些亟待解決的問題。

（一）如何充分發揮學生的主體作用

要盡量避免教師單向灌輸和學生被動接受情形的發生，這將導致學生只能被動地接受知識，無法提高學生自身的學習效率和質量，無法充分發揮學生的主體作用。

（二）如何將理論與實踐有機結合

要盡量避免把教學重點放在理論知識的淺層應用實驗上，如只看濾波效果好不好，只看功率譜估計得準不準。這種方式對學生來說是生硬的，忽視與現實問題的結合，將導致學生無法做到融會貫通和學以致用。

（三）如何讓學生實踐自己獨到的見解

要盡量避免機械地重復固定的實驗步驟。在傳統實驗教學中，實驗方法、過程都是教師提前制定的，這將導致學生對其他知識置若罔聞，束縛學生的創新思維發展，不利于培養和提高學生的創新能力。

（四）如何評價學生的綜合實踐能力

要盡量避免只追求唯一的正確實驗結果，這將嚴重打擊學生的學習積極性與自主性。應做到結果不唯一，讓學生在實驗過程中盡量展現出實驗態度、操作能力、創新意識和團隊合作能力等綜合素質。

針對上述問題，文章圍繞“電子信息工程專業設計”課程開展研究，對實驗教學內容、方法加以改革與實踐。通過解決工程實際問題，培養學生專業知識綜合運用的能力。在實際教學設計中，重點突破學生對系統設計方法認知不足及提不出系統設計指標的問題（不懂系統，不懂指標），真正讓學生明白電子系統應怎樣設計、怎樣對系統提出設計指標、怎樣對系統總體指標進行分解、怎樣得到分系統指標的約束，并以此為抓手，達到培養學生專業綜合運用能力的目的。

二、設計內容與任務

（一）目的及目標

文章研究的實驗案例通過完整的工程問題實踐，引導學生建立系統與指標的概念，并以此為突破口，實現學生能夠熟練運用電子信息工程專業知識，掌握電子信息系統設計方法、實施步驟和驗證方法，熟練掌握實時信號處理程序開發和上位機軟件開發方法的目的。

培養目標為培養學生自主開展電子信息系統研制和系統驗證的能力，提升學生靈活運用計算機與嵌入式系統、通信與電磁場、信號與信息處理、電路與電子學等專業知識的技能，并進一步鞏固學生對專業領域應用問題的綜合處理能力。

（二）內容與任務

1.任務名稱及背景

①任務名稱。監控區域目標軌跡實時測量系統設計。②任務背景。人員軌跡跟蹤是車站、商場、機場等場所區域安防和人流量統計的重要手段。目前，人員檢測設備中普遍使用被動紅外探測器、主動紅外對射、光學攝像頭等傳感器技術，但在準確性、隱私保護和環境適應性等方面受到一定的限制，而雷達傳感器可通過對監控人員反射的電磁波進行計算與分析，得到各人員的距離和方位，輸出人員位置信息并實現人員軌跡的跟蹤。雷達傳感器不僅可以高精度測量目標的速度、角度和距離，對于煙霧或雨水、黑暗或白天等環境條件也都沒有限制，可連續不間斷地工作，安裝隱蔽性和隱私保護性也優于攝像頭及其他光學設備，因此，應用雷達技術進行人員檢測更有優勢[1-5]。

2.任務要求

利用電子信息工程專業的專業知識和提供的雷達傳感器、信號調理板、DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）開發板等硬件組件，通過對監控區域內移動目標所反射電磁波的計算分析，得到目標當前的距離和方位信息，并在計算機（上位機）的監控界面輸出目標距離和方向的同時，實現軌跡跟蹤。上位機顯示界面及系統實際應用效果如圖1所示。

三、實驗內容與任務

（一）實驗內容

文章研究的實驗案例服務于“電子信息工程專業設

計”課程，強調綜合設計屬性，因此，在實驗內容設置上安排系統方案設計、系統硬件設計、DSP實時處理程序設計、上位機顯控軟件設計、實驗驗證方案設計等多項設計內容，力爭覆蓋電子信息工程專業涉及的所有專業知識。

“電子信息工程”是一門利用電子技術和信息技術，研究信息的獲取與處理，進行電子設備與信息系統的設計、開發、應用和集成的重要課程。電子信息工程專業是集信息技術、通信技術和現代電子技術于一體的專業[6]。

在實驗過程中，各個實驗設計環節涵蓋的專業基礎知識應用關聯情況如下。

1.計算機與嵌入式系統知識領域

●微機原理與技術支撐上位機顯控軟件設計中通信接口的驅動設計。

●單片機原理與應用支撐DSP實時處理程序設計中存儲、中斷、定時器、接口等設計。

●C語言程序設計支撐DSP實時處理程序設計中測距、測角算法設計。

●嵌入式系統與應用支撐DSP實時處理程序設計中通信接口、協議、低功耗等設計。

2.通信與電磁場知識領域

●通信原理支撐上位機顯控軟件和DSP程序設計中通信編解碼的設計。

●電磁波與電磁場支撐系統硬件設計中天線的設計。

●微波技術基礎支撐系統硬件設計中射頻發射與接收的設計。

●現代無線通信技術支撐系統硬件設計中無線通信攝像頭的應用。

3.信號與信息處理知識領域

●信號與系統支撐系統方案設計中系統工作原理分析。

●數字信號處理支撐系統方案設計中采樣、窗函數、濾波器和FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）的設計。

●電子測量技術支撐系統方案設計中雷達工作系統參數的設計。

●傳感器支撐系統硬件設計中雷達傳感器工作參數的設計。

4.電路與電子學知識領域

●電路分析支撐系統方案設計中系統電源、模擬電路的設計。

●模擬電子技術支撐系統方案設計中模擬濾波器的設計。

●數字電子技術支撐系統方案設計中雷達系統工作時序、邏輯的設計。

●高頻電子技術支撐系統硬件設計中雷達發射與接收的設計。

（二）實驗任務

實驗過程的每一步均要求與設計相關，具體操作過程設計如圖2所示。

1.根據課題發布的任務要求，自主開展區域監控任務需求分析，包括背景資料收集、任務需求研究等，要求形成系統設計方案（含理論推導計算）。方案內容要求包含以下幾方面。①概述：用途、功能與組成、技術指標、使用要求等。②總體設計：系統組成、分系統設計、原理及精度分析等。③關鍵技術：所采用的關鍵技術及能力。

2.根據提出的設計方案及實驗室提供的硬件組件，完成系統硬件設計，包含各硬件組件工作參數的選擇，并利用實驗室的儀器，對雷達傳感器的輸出信號進行觀察和分析。

3.利用DSP開發板和便攜式計算機，完成DSP實時處理程序設計（含程序設計流程圖），要求系統可以實時輸出目標測量結果。設計和搭建實驗條件、環境，并對DSP實時處理程序進行實測驗證，對測量結果進行分析。

4.利用便攜式計算機，結合DSP開發板輸出的實測數據，完成上位機顯控軟件設計（含程序設計流程圖）。要求上位機顯控軟件至少包含以下功能：①區分不同用戶登錄和操控權限。②目標測量結果可實時顯示。③目標測量數據可記錄。④雷達工作參數可設置。⑤其他更加豐富的功能。利用所設計和搭建的實驗條件、環境，對上位機顯控軟件各項功能進行實測驗證，并給出驗證結果分析。

5.根據課題發布的任務要求，針對所設計的監控區域目標軌跡實時測量系統，提出系統實驗驗證方案。方案內容要求包含以下幾方面。①概況：目的、對象、設備、項目、內容、要求、方法、分工等。②實施計劃（含方法）：布站設計、進度安排、功能檢測、性能檢測、軟件檢測、環境檢測、其他檢測等。③檢測記錄表格設計。④文檔、圖紙資料構成等。

6.指標實測驗證與結果分析。按照所設計的實驗數

據記錄表格，逐項對測試項目進行驗證和測量，并對測試結果進行處理和分析。

7.實驗總結。完成實驗報告，并進行經驗分享及討論。

四、實驗要求與條件

（一）實驗過程與要求

1.以區域監控為任務需求，結合雷達測距、測角工作原理，綜合運用電子信息工程專業知識，完成目標軌跡實時測量系統方案設計，并利用雷達傳感器、信號調理板、DSP開發板等實驗器材，完成實時測量系統的搭建。

2.利用信號調理板，設置雷達傳感器的工作參數，編寫并調試DSP開發板的程序，進行戶外近距離目標（角散射體）及遠距離目標（操場大型照明燈）的距離測量，并驗證測距結果。

3.利用所搭建的系統，完成指定區域內移動目標距離和角度測量，在計算機上顯示目標移動的軌跡，并完成項目設計報告（含系統設計方案、硬件設計方案、DSP程序設計方案、上位機顯控軟件設計方案、實驗驗證設計方案、指標實測檢驗與結果分析、總結報告等內容）。

（二）實驗環境及條件

鑒于雷達的工作特點，建議實驗安排在室內走廊或較為空曠的教室、大廳等展開實施。如果實驗條件受限制，也可安排在戶外進行。實驗以集成度較高的雷達傳感器、信號調理板、DSP開發板為主要硬件器材，還需要配合使用一些輔助的實驗器材，具體清單如下。

●雷達傳感器

●信號調理板

●DSP開發板及仿真器

●便攜式計算機

●CCS（Code Composer Studio，代碼設計工作室）編輯環境（DSP程序開發）

●MATLAB（Matrix Laboratory，矩陣實驗室）編輯環境（上位機顯控軟件開發）

●雷達角散射體

●激光測距儀

●三腳架

●戶外移動電源

●便攜式桌椅

●互聯線纜、插線板、攝像頭（支持wifi、云臺）、示波器等其他配件。

（三）教學設計與實施

實驗的過程是一個較完整的工程實踐過程，須要經歷學習研究、方案設計、系統搭建、編程調試、軟件設計、問題解答、精度分析、驗收測試、報告總結等過程。在教學實施過程中，教師應在以下幾方面加強對學生的引導。

1.通過課堂上對雷達傳感器測距、測角原理知識的講解，在擴展學生對信號處理應用領域認知的同時，讓學生明白，雖然雷達傳感器輸出差頻信號中包含目標距離、角度信息，但如何利用好電磁場、電路、信號、計算機等專業知識，如何有效提取包含在差頻信號中的目標信息，才是解決問題的關鍵所在（圖3）。

2.在指導學生完成方案設計的過程中，教師應強調系統和指標的概念，使學生突破對理論與實踐不能建立聯系的障礙。讓學生體會，電子系統的設計與課程理論知識是緊密相關的，只有站在全系統的角度，把系統總體指標合理分解成各分系統指標和參數，才能實現系統潛在的測量性能。以系統指標（測距范圍、精度）與分系統指標（調制帶寬、調制周期、采樣頻率、FFT點數等）的制約關系為例（圖4）。

3.在硬件搭建環節，采用集成度較高的模塊化組件

（雷達傳感器、信號調理板、DSP開發板），可以幫助學生快速完成實驗硬件系統的搭建。

4.制作詳細的實驗指導書，使學生能夠通過簡單的連接和直觀的參數設置即可開展實驗。這種短時間就可以讓學生獲得的成就感，有利于學生快速進入攻克難題的狀態，打消先前可能存在的畏難情緒。

5.實驗加裝支持wifi、云臺的攝像頭（圖5）。連接手機后，可以利用手機在線控制云臺，實現測量方向場景的觀察，這樣不僅增加了趣味性，還能夠輔助雷達傳感器的陣面快速指向被測目標，起到瞄準的作用（被測目標只有在電磁波的主瓣內，才能高精度地測量到目標）。另外，在實驗過程中，要求學生養成記錄的習慣，不僅便于實驗數據的整理，也避免由于沒有記錄結果，重復相同實驗而浪費時間。

6.在實驗操作環節（圖6），首選戶外的開闊地，以靜止角散射體作為測量目標，可以起到固化測量環境，減少外部干擾的目的。讓學生專心調試程序，盡量避免外部復雜環境對測量結果的影響。

7.以學生人體或移動的散射體作為測量目標，開展移動目標測量實驗。動態距離的結果輸出，既體現出DSP實時處理的重要性，又增加了實驗的趣味性。此時，要求學生對測距的精度進行分析，并現場用實測結果加以驗證，讓學生進一步認識到，理論知識與實際系統性能是緊密聯系的，并再次加深系統和指標的概念。

8.在戶外開闊環境下，布置一個現場測量難題，要求學生對遠處的操場照明燈進行測量（圖7）。此時，在所有工作參數都不變的情況下，是無法測得操場照明燈的距離的。因此，需要調整雷達傳感器的工作參數或調整信號調理板濾波器的截止頻率，才能測量得到操場照明燈的距離。通過這樣一個現場實際問題的解決，不僅鍛煉了學生理論聯系實際的能力，還鍛煉了學生現場應對突發狀況的能力。

9.在軌跡測量環節，除距離測量外，實際增加了角度測量的內容。教師應注意引導學生了解如何利用數字方法計算得到兩通道信號的相位差值。需要提醒的是，相位差值的計算，可以利用復數a點乘復數b的共軛值所得乘積結果的相位來代替，簡化計算的同時，開拓了學生解決問題的思路。

10.上位機對目標軌跡的顯示，可以利用MATLAB GUI 工具，也可以直接編寫腳本實現。在實際工程項目中，該工作被稱為系統終端軟件的設計，其不僅增加了系統的可觀賞性，還讓學生再次加深對系統的理解，因為小型雷達系統構成就是由前端（天線頭）和終端（顯控計算機）構成。軌跡測量上位機顯示結果如圖8所示。

11.考核評價。①考核方式：考查；現場測試。②成績評定：形成性考核百分制。③評分標準：采取形成性考核評分規則，對課程中所有實驗分別進行評分，然后取平均分作為最終考核成績。每個實驗采取百分制，計分標準如下。

●能否按照實驗內容、要求形成實驗方案？（15%）

●能否按照實驗方案安排時間節點，合理安排團隊成員有效工作？（5%）

●能否有效地進行實驗準備，獨立操作，在實驗進行過程中發現問題、解決問題、討論問題？（20%）

●能否掌握實驗所需的理論知識，正確運用，并根據問題特征提出恰當的見解？（20%）

●能否熟練操作實驗所需軟件，鞏固相關理論，掌握正確的實驗方法，提出不同的見解？（30%）

●能否根據實驗初步結果，提出完善意見，并不斷持續改進？（10%）

④考核獎勵標準如下。

●完成近距離目標（角散射體）測距任務的前3個小組給予加分。

●完成遠距離目標（操場大型照明燈）測距任務的前3個小組給予加分。

●首先完成目標軌跡測量任務的小組，在加分的同時給予課題研究支持。

另外，在教學實施過程中，要關注學生系統設計方案是否規范，硬件連接、操作是否遵守規則，DSP程序的修改、調試是否符合要求，實驗條件的設計是否合理，實驗過程和實驗結果的記錄是否及時，實驗測試的用例是否完備，實驗結果的分析是否正確，實驗報告的整理是否認真、完整。

五、實驗效果

實踐案例有效破解了前述實驗課亟待解決的4個問題。

1.針對“如何充分發揮學生的主體作用”這個問題，采用問題切入式的案例設計策略，主張學生自主研究并開展系統方案的設計、制作和驗證。取得的實際效果可參考以下來自學生的反饋：“增強了我們的動手能力、實踐能力、思考能力。面對未知領域首先的想法是如何攻克，而不是退縮?！?/p>

2.針對“如何將學生的理論與實踐有機結合”這個問題，強調注重系統和指標的概念，引導學生把系統指標的實現，映射成雷達系統中各工作部件的參數設計，讓學生充分體會知識的融會貫通和學以致用。取得的實際效果可參考以下來自學生的反饋：“理論和實踐差距很大。有時理論在下一番苦功夫解決之后，實踐又有很多困難，過程中要是有一個小點沒有做好、做對，得到的結果便將會是天差地別?！?/p>

3.針對“如何讓學生實踐自己獨到的見解”這個問題，預置潛在實驗過程中的困難、問題，讓學生實踐自己獨到的見解，有效拓展學生的創造性思維，釋放學生解決實際問題的創造力。取得的實際效果可參考以下來自學生的反饋：“只有更多地動手實踐并且深入思考問題才能提高自己分析問題、解決問題的能力，如果只停留在書本上而不去實踐，那是沒什么進步的?！?/p>

4.針對“如何評價學生的綜合實踐能力”這個問題，重視實驗過程的評價和分層次評價，避免追求唯一的正確實驗結果，保護好學生實驗的積極性和自主性，能夠有效考查學生的學習態度、操作能力、創新意識和團隊合作能力。取得的實際效果可參考以下來自學生的反饋：“兩人之間既要分工明確，各司其職，又要相互交流討論與相互鼓勵。實驗中細枝末節的問題不能花費太多的時間，要抓住主要矛盾。實現目的的手段一開始并不一定是最好的，在不斷嘗試中會得到優化?！?/p>

六、結束語

文章研究的實驗教學案例設計的核心目的，是通過項目發布式的課題研究與實踐，充分發揮學生的主體作用，以系統集成和指標分解為抓手，鍛煉學生綜合運用電子信息工程專業基礎知識的能力，培養和提高學生的創新意識和團隊合作能力等綜合素質。

從學生整體的實際效果反饋可以看出，該實踐案例讓學生建立了系統和指標的概念，體驗了電子系統怎么實現，明白了電子系統指標怎么分解，充分發揮了學生的主體作用，讓學生充分體會到知識的融會貫通和學以致用，拓展了學生的創造性思維，釋放了學生解決實際問題的創造力，有效培養了學生的實操能力、創新意識和團隊合作能力，提升了學生的工程實踐創新能力[7]，取得了良好的實驗教學效果。

參考文獻：

[1]? 周翔，趙婷，張靜思，等.基于被動紅外傳感器的室內人行為機器學習模型[J].同濟大學學報（自然科學版），2022，50（3）：446-454.

[2]? 徐文璐，劉猛，劉歡.基于主動紅外入侵探測的在室人數測試方法[J].重慶大學學報，2023，46（6）：51-60.

[3]? 韓萌.面向交通監測的毫米波雷達與攝像頭聯合標定及關聯方法研究[D].北京：北方工業大學，2022.

[4]? 丁傳威.基于雷達傳感器的人體姿態識別理論與技術研究[D].南京：南京理工大學，2020.

[5]? 巍泰技術（武漢）有限公司.巍泰技術微波/毫米波雷達人員存在感知、數量統計、軌跡跟蹤解決方案[EB/OL].（2022-05-10）[2023-04-20]. https：//www.afzhan.com/tech_news/detail/448821.html.

[6]? 孔玲玲，高飛，邢傳璽，等.電子信息工程專業學生創新能力培養路徑研究[J].高教學刊，2022，8（11）：34-37.

[7]? 呂曉蘭，崔得龍，謝玉鵬.“層次遞進式”電信專業實踐教學改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2021，75（5）：92.

編輯∕王力

收稿日期：2023-09-19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-10-19

作者簡介：李雙勛，男，副研究員，博士，研究方向為雷達信號處理；許可，男，副教授，博士，研究方向為智能感知與處理。

通信作者：王展，男，教授，博士，研究方向為雷達信號處理。

基金項目：2021年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“教育新基建背景下的‘智適應實驗教學模式研究”（HNJG-2021-0270）