拓展创造思维释放创造力的实践案例研究

李双勋　王展　许可

摘    要：文章研究的实验案例以系统集成和指标分解为抓手，重点突破学生对系统设计方法认知不足及提不出系统设计指标的问题。通过对监控区域移动目标所反射电磁波的计算分析，获取目标距离和方位信息，并在计算机（上位机）上实时显示目标位置，同时，实现对重点区域目标轨迹的跟踪和预警。在经历学习研究、总体设计、指标分解、系统搭建、编程调试、软件设计、数据分析、实测验证、报告总结等阶段后，复现了项目开发完整的研制过程。学生实验反馈表明，该项目充分发挥了学生的主体作用，锻炼了学生融会贯通和综合运用电子信息工程专业基础知识的能力，拓展了学生的创造性思维，释放了学生解决实际问题的创造力，培养并提高了学生的实操能力、创新意识和团队合作能力等。

关键词：系统集成；雷达；实践案例；电子信息工程专业

中图分类号：G642.1      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）05-0067-05

一、引言

受传统实验教学理念的影响，大部分教师没有正确认识实验教学的重要意义，因而，实验教学特有的育人作用没有得到充分发挥。随着课程改革的不断深入，许多实验教学内容和实验教学方法虽然得到了一定程度的优化，但部分高校教师在注重知识传授的思维下，往往容易忽略对学生创新思维和自主实践能力的培养。因此，目前实验课存在一些亟待解决的问题。

（一）如何充分发挥学生的主体作用

要尽量避免教师单向灌输和学生被动接受情形的发生，这将导致学生只能被动地接受知识，无法提高学生自身的学习效率和质量，无法充分发挥学生的主体作用。

（二）如何将理论与实践有机结合

要尽量避免把教学重点放在理论知识的浅层应用实验上，如只看滤波效果好不好，只看功率谱估计得准不准。这种方式对学生来说是生硬的，忽视与现实问题的结合，将导致学生无法做到融会贯通和学以致用。

（三）如何让学生实践自己独到的见解

要尽量避免机械地重复固定的实验步骤。在传统实验教学中，实验方法、过程都是教师提前制定的，这将导致学生对其他知识置若罔闻，束缚学生的创新思维发展，不利于培养和提高学生的创新能力。

（四）如何评价学生的综合实践能力

要尽量避免只追求唯一的正确实验结果，这将严重打击学生的学习积极性与自主性。应做到结果不唯一，让学生在实验过程中尽量展现出实验态度、操作能力、创新意识和团队合作能力等综合素质。

针对上述问题，文章围绕“电子信息工程专业设计”课程开展研究，对实验教学内容、方法加以改革与实践。通过解决工程实际问题，培养学生专业知识综合运用的能力。在实际教学设计中，重点突破学生对系统设计方法认知不足及提不出系统设计指标的问题（不懂系统，不懂指标），真正让学生明白电子系统应怎样设计、怎样对系统提出设计指标、怎样对系统总体指标进行分解、怎样得到分系统指标的约束，并以此为抓手，达到培养学生专业综合运用能力的目的。

二、设计内容与任务

（一）目的及目标

文章研究的实验案例通过完整的工程问题实践，引导学生建立系统与指标的概念，并以此为突破口，实现学生能够熟练运用电子信息工程专业知识，掌握电子信息系统设计方法、实施步骤和验证方法，熟练掌握实时信号处理程序开发和上位机软件开发方法的目的。

培养目标为培养学生自主开展电子信息系统研制和系统验证的能力，提升学生灵活运用计算机与嵌入式系统、通信与电磁场、信号与信息处理、电路与电子学等专业知识的技能，并进一步巩固学生对专业领域应用问题的综合处理能力。

（二）内容与任务

1.任务名称及背景

①任务名称。监控区域目标轨迹实时测量系统设计。②任务背景。人员轨迹跟踪是车站、商场、机场等场所区域安防和人流量统计的重要手段。目前，人员检测设备中普遍使用被动红外探测器、主动红外对射、光学摄像头等传感器技术，但在准确性、隐私保护和环境适应性等方面受到一定的限制，而雷达传感器可通过对监控人员反射的电磁波进行计算与分析，得到各人员的距离和方位，输出人员位置信息并实现人员轨迹的跟踪。雷达传感器不仅可以高精度测量目标的速度、角度和距离，对于烟雾或雨水、黑暗或白天等环境条件也都没有限制，可连续不間断地工作，安装隐蔽性和隐私保护性也优于摄像头及其他光学设备，因此，应用雷达技术进行人员检测更有优势[1-5]。

2.任务要求

利用电子信息工程专业的专业知识和提供的雷达传感器、信号调理板、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）开发板等硬件组件，通过对监控区域内移动目标所反射电磁波的计算分析，得到目标当前的距离和方位信息，并在计算机（上位机）的监控界面输出目标距离和方向的同时，实现轨迹跟踪。上位机显示界面及系统实际应用效果如图1所示。

三、实验内容与任务

（一）实验内容

文章研究的实验案例服务于“电子信息工程专业设

计”课程，强调综合设计属性，因此，在实验内容设置上安排系统方案设计、系统硬件设计、DSP实时处理程序设计、上位机显控软件设计、实验验证方案设计等多项设计内容，力争覆盖电子信息工程专业涉及的所有专业知识。

“电子信息工程”是一门利用电子技术和信息技术，研究信息的获取与处理，进行电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成的重要课程。电子信息工程专业是集信息技术、通信技术和现代电子技术于一体的专业[6]。

在实验过程中，各个实验设计环节涵盖的专业基础知识应用关联情况如下。

1.计算机与嵌入式系统知识领域

●微机原理与技术支撑上位机显控软件设计中通信接口的驱动设计。

●单片机原理与应用支撑DSP实时处理程序设计中存储、中断、定时器、接口等设计。

●C语言程序设计支撑DSP实时处理程序设计中测距、测角算法设计。

●嵌入式系统与应用支撑DSP实时处理程序设计中通信接口、协议、低功耗等设计。

2.通信与电磁场知识领域

●通信原理支撑上位机显控软件和DSP程序设计中通信编解码的设计。

●电磁波与电磁场支撑系统硬件设计中天线的设计。

●微波技术基础支撑系统硬件设计中射频发射与接收的设计。

●现代无线通信技术支撑系统硬件设计中无线通信摄像头的应用。

3.信号与信息处理知识领域

●信号与系统支撑系统方案设计中系统工作原理分析。

●数字信号处理支撑系统方案设计中采样、窗函数、滤波器和FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）的设计。

●电子测量技术支撑系统方案设计中雷达工作系统参数的设计。

●传感器支撑系统硬件设计中雷达传感器工作参数的设计。

4.电路与电子学知识领域

●电路分析支撑系统方案设计中系统电源、模拟电路的设计。

●模拟电子技术支撑系统方案设计中模拟滤波器的设计。

●数字电子技术支撑系统方案设计中雷达系统工作时序、逻辑的设计。

●高频电子技术支撑系统硬件设计中雷达发射与接收的设计。

（二）实验任务

实验过程的每一步均要求与设计相关，具体操作过程设计如图2所示。

1.根据课题发布的任务要求，自主开展区域监控任务需求分析，包括背景资料收集、任务需求研究等，要求形成系统设计方案（含理论推导计算）。方案内容要求包含以下几方面。①概述：用途、功能与组成、技术指标、使用要求等。②总体设计：系统组成、分系统设计、原理及精度分析等。③关键技术：所采用的关键技术及能力。

2.根據提出的设计方案及实验室提供的硬件组件，完成系统硬件设计，包含各硬件组件工作参数的选择，并利用实验室的仪器，对雷达传感器的输出信号进行观察和分析。

3.利用DSP开发板和便携式计算机，完成DSP实时处理程序设计（含程序设计流程图），要求系统可以实时输出目标测量结果。设计和搭建实验条件、环境，并对DSP实时处理程序进行实测验证，对测量结果进行分析。

4.利用便携式计算机，结合DSP开发板输出的实测数据，完成上位机显控软件设计（含程序设计流程图）。要求上位机显控软件至少包含以下功能：①区分不同用户登录和操控权限。②目标测量结果可实时显示。③目标测量数据可记录。④雷达工作参数可设置。⑤其他更加丰富的功能。利用所设计和搭建的实验条件、环境，对上位机显控软件各项功能进行实测验证，并给出验证结果分析。

5.根据课题发布的任务要求，针对所设计的监控区域目标轨迹实时测量系统，提出系统实验验证方案。方案内容要求包含以下几方面。①概况：目的、对象、设备、项目、内容、要求、方法、分工等。②实施计划（含方法）：布站设计、进度安排、功能检测、性能检测、软件检测、环境检测、其他检测等。③检测记录表格设计。④文档、图纸资料构成等。

6.指标实测验证与结果分析。按照所设计的实验数

据记录表格，逐项对测试项目进行验证和测量，并对测试结果进行处理和分析。

7.实验总结。完成实验报告，并进行经验分享及讨论。

四、实验要求与条件

（一）实验过程与要求

1.以区域监控为任务需求，结合雷达测距、测角工作原理，综合运用电子信息工程专业知识，完成目标轨迹实时测量系统方案设计，并利用雷达传感器、信号调理板、DSP开发板等实验器材，完成实时测量系统的搭建。

2.利用信号调理板，设置雷达传感器的工作参数，编写并调试DSP开发板的程序，进行户外近距离目标（角散射体）及远距离目标（操场大型照明灯）的距离测量，并验证测距结果。

3.利用所搭建的系统，完成指定区域内移动目标距离和角度测量，在计算机上显示目标移动的轨迹，并完成项目设计报告（含系统设计方案、硬件设计方案、DSP程序设计方案、上位机显控软件设计方案、实验验证设计方案、指标实测检验与结果分析、总结报告等内容）。

（二）实验环境及条件

鉴于雷达的工作特点，建议实验安排在室内走廊或较为空旷的教室、大厅等展开实施。如果实验条件受限制，也可安排在户外进行。实验以集成度较高的雷达传感器、信号调理板、DSP开发板为主要硬件器材，还需要配合使用一些辅助的实验器材，具体清单如下。

●雷达传感器

●信号调理板

●DSP开发板及仿真器

●便携式计算机

●CCS（Code Composer Studio，代码设计工作室）编辑环境（DSP程序开发）

●MATLAB（Matrix Laboratory，矩阵实验室）编辑环境（上位机显控软件开发）

●雷达角散射体

●激光测距仪

●三脚架

●户外移动电源

●便携式桌椅

●互联线缆、插线板、摄像头（支持wifi、云台）、示波器等其他配件。

（三）教学设计与实施

实验的过程是一个较完整的工程实践过程，须要经历学习研究、方案设计、系统搭建、编程调试、软件设计、问题解答、精度分析、验收测试、报告总结等过程。在教学实施过程中，教师应在以下几方面加强对学生的引导。

1.通过课堂上对雷达传感器测距、测角原理知识的讲解，在扩展学生对信号处理应用领域认知的同时，让学生明白，虽然雷达传感器输出差频信号中包含目标距离、角度信息，但如何利用好电磁场、电路、信号、计算机等专业知识，如何有效提取包含在差频信号中的目标信息，才是解决问题的关键所在（图3）。

2.在指导学生完成方案设计的过程中，教师应强调系统和指标的概念，使学生突破对理论与实践不能建立联系的障碍。让学生体会，电子系统的设计与课程理论知识是紧密相关的，只有站在全系统的角度，把系统总体指标合理分解成各分系统指标和参数，才能实现系统潜在的测量性能。以系统指标（测距范围、精度）与分系统指标（调制带宽、调制周期、采样频率、FFT点数等）的制约关系为例（图4）。

3.在硬件搭建环节，采用集成度较高的模块化组件

（雷达传感器、信号调理板、DSP开发板），可以帮助学生快速完成实验硬件系统的搭建。

4.制作详细的实验指导书，使学生能够通过简单的连接和直观的参数设置即可开展实验。这种短时间就可以让学生获得的成就感，有利于学生快速进入攻克难题的状态，打消先前可能存在的畏难情绪。

5.实验加装支持wifi、云台的摄像头（图5）。连接手机后，可以利用手机在线控制云台，实现测量方向场景的观察，这样不仅增加了趣味性，还能够辅助雷达传感器的阵面快速指向被测目标，起到瞄准的作用（被测目标只有在电磁波的主瓣内，才能高精度地测量到目标）。另外，在实验过程中，要求学生养成记录的习惯，不仅便于实验数据的整理，也避免由于没有记录结果，重复相同实验而浪费时间。

6.在实验操作环节（图6），首选户外的开阔地，以静止角散射体作为测量目标，可以起到固化测量环境，减少外部干扰的目的。让学生专心调试程序，尽量避免外部复杂环境对测量结果的影响。

7.以学生人体或移动的散射体作为测量目标，开展移动目标测量实验。动态距离的结果输出，既体现出DSP实时处理的重要性，又增加了实验的趣味性。此时，要求学生对测距的精度进行分析，并现场用实测结果加以验证，让学生进一步认识到，理论知识与实际系统性能是紧密联系的，并再次加深系统和指标的概念。

8.在户外开阔环境下，布置一个现场测量难题，要求学生对远处的操场照明灯进行测量（图7）。此时，在所有工作参数都不变的情况下，是无法测得操场照明灯的距离的。因此，需要调整雷达传感器的工作参数或调整信号调理板滤波器的截止频率，才能测量得到操场照明灯的距离。通过这样一个现场实际问题的解决，不仅锻炼了学生理论联系实际的能力，还锻炼了学生现场应对突发状况的能力。

9.在轨迹测量环节，除距离测量外，实际增加了角度测量的内容。教师应注意引导学生了解如何利用数字方法计算得到两通道信号的相位差值。需要提醒的是，相位差值的计算，可以利用复数a点乘复数b的共轭值所得乘积结果的相位来代替，简化计算的同时，开拓了学生解决问题的思路。

10.上位机对目标轨迹的显示，可以利用MATLAB GUI 工具，也可以直接编写脚本实现。在实际工程项目中，该工作被称为系统终端软件的设计，其不仅增加了系统的可观赏性，还让学生再次加深对系统的理解，因为小型雷达系统构成就是由前端（天线头）和终端（显控计算机）构成。轨迹测量上位机显示结果如图8所示。

11.考核评价。①考核方式：考查；现场测试。②成绩评定：形成性考核百分制。③评分标准：采取形成性考核评分规则，对课程中所有实验分别进行评分，然后取平均分作为最终考核成绩。每个实验采取百分制，计分标准如下。

●能否按照實验内容、要求形成实验方案？（15%）

●能否按照实验方案安排时间节点，合理安排团队成员有效工作？（5%）

●能否有效地进行实验准备，独立操作，在实验进行过程中发现问题、解决问题、讨论问题？（20%）

●能否掌握实验所需的理论知识，正确运用，并根据问题特征提出恰当的见解？（20%）

●能否熟练操作实验所需软件，巩固相关理论，掌握正确的实验方法，提出不同的见解？（30%）

●能否根据实验初步结果，提出完善意见，并不断持续改进？（10%）

④考核奖励标准如下。

●完成近距离目标（角散射体）测距任务的前3个小组给予加分。

●完成远距离目标（操场大型照明灯）测距任务的前3个小组给予加分。

●首先完成目标轨迹测量任务的小组，在加分的同时给予课题研究支持。

另外，在教学实施过程中，要关注学生系统设计方案是否规范，硬件连接、操作是否遵守规则，DSP程序的修改、调试是否符合要求，实验条件的设计是否合理，实验过程和实验结果的记录是否及时，实验测试的用例是否完备，实验结果的分析是否正确，实验报告的整理是否认真、完整。

五、实验效果

实践案例有效破解了前述实验课亟待解决的4个问题。

1.针对“如何充分发挥学生的主体作用”这个问题，采用问题切入式的案例设计策略，主张学生自主研究并开展系统方案的设计、制作和验证。取得的实际效果可参考以下来自学生的反馈：“增强了我们的动手能力、实践能力、思考能力。面对未知领域首先的想法是如何攻克，而不是退缩。”

2.针对“如何将学生的理论与实践有机结合”这个问题，强调注重系统和指标的概念，引导学生把系统指标的实现，映射成雷达系统中各工作部件的参数设计，让学生充分体会知识的融会贯通和学以致用。取得的实际效果可参考以下来自学生的反馈：“理论和实践差距很大。有时理论在下一番苦功夫解决之后，实践又有很多困难，过程中要是有一个小点没有做好、做对，得到的结果便将会是天差地别。”

3.针对“如何让学生实践自己独到的见解”这个问题，预置潜在实验过程中的困难、问题，让学生实践自己独到的见解，有效拓展学生的创造性思维，释放学生解决实际问题的创造力。取得的实际效果可参考以下来自学生的反馈：“只有更多地动手实践并且深入思考问题才能提高自己分析问题、解决问题的能力，如果只停留在书本上而不去实践，那是没什么进步的。”

4.针对“如何评价学生的综合实践能力”这个问题，重视实验过程的评价和分层次评价，避免追求唯一的正确实验结果，保护好学生实验的积极性和自主性，能够有效考查学生的学习态度、操作能力、创新意识和团队合作能力。取得的实际效果可参考以下来自学生的反馈：“两人之间既要分工明确，各司其职，又要相互交流讨论与相互鼓励。实验中细枝末节的问题不能花费太多的时间，要抓住主要矛盾。实现目的的手段一开始并不一定是最好的，在不断尝试中会得到优化。”

六、结束语

文章研究的实验教学案例设计的核心目的，是通过项目发布式的课题研究与实践，充分发挥学生的主体作用，以系统集成和指标分解为抓手，锻炼学生综合运用电子信息工程专业基础知识的能力，培养和提高学生的创新意识和团队合作能力等综合素质。

从学生整体的实际效果反馈可以看出，该实践案例让学生建立了系统和指标的概念，体验了电子系统怎么实现，明白了电子系统指标怎么分解，充分发挥了学生的主体作用，让学生充分体会到知识的融会贯通和学以致用，拓展了学生的创造性思维，释放了学生解决实际问题的创造力，有效培养了学生的实操能力、创新意识和团队合作能力，提升了学生的工程实践创新能力[7]，取得了良好的实验教学效果。

参考文献：

[1]  周翔，赵婷，张静思，等.基于被动红外传感器的室内人行为机器学习模型[J].同济大学学报（自然科学版），2022，50（3）：446-454.

[2]  徐文璐，刘猛，刘欢.基于主动红外入侵探测的在室人数测试方法[J].重庆大学学报，2023，46（6）：51-60.

[3]  韩萌.面向交通监测的毫米波雷达与摄像头联合标定及关联方法研究[D].北京：北方工业大学，2022.

[4]  丁传威.基于雷达传感器的人体姿态识别理论与技术研究[D].南京：南京理工大学，2020.

[5]  巍泰技术（武汉）有限公司.巍泰技术微波/毫米波雷达人员存在感知、数量统计、轨迹跟踪解决方案[EB/OL].（2022-05-10）[2023-04-20]. https：//www.afzhan.com/tech_news/detail/448821.html.

[6]  孔玲玲，高飞，邢传玺，等.电子信息工程专业学生创新能力培养路径研究[J].高教学刊，2022，8（11）：34-37.

[7]  呂晓兰，崔得龙，谢玉鹏.“层次递进式”电信专业实践教学改革[J].黑龙江教育（理论与实践），2021，75（5）：92.

编辑∕王力

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

作者简介：李双勋，男，副研究员，博士，研究方向为雷达信号处理；许可，男，副教授，博士，研究方向为智能感知与处理。

通信作者：王展，男，教授，博士，研究方向为雷达信号处理。

基金项目：2021年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“教育新基建背景下的‘智适应实验教学模式研究”（HNJG-2021-0270）