拓展創(chuàng)造思維釋放創(chuàng)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(tǒng)集成和指標分解為抓手，重點突破學生對系統(tǒng)設計方法認知不足及提不出系統(tǒng)設計指標的問題。通過對監(jiān)控區(qū)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(xiàn)對重點區(qū)域目標軌跡的跟蹤和預警。在經(jīng)歷學習研究、總體設計、指標分解、系統(tǒng)搭建、編程調(diào)試、軟件設計、數(shù)據(jù)分析、實測驗證、報告總結(jié)等階段后，復現(xiàn)了項目開發(fā)完整的研制過程。學生實驗反饋表明，該項目充分發(fā)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(yè)基礎知識的能力，拓展了學生的創(chuàng)造性思維，釋放了學生解決實際問題的創(chuàng)造力，培養(yǎng)并提高了學生的實操能力、創(chuàng)新意識和團隊合作能力等。

關鍵詞：系統(tǒng)集成；雷達；實踐案例；電子信息工程專業(yè)

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(tǒng)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(fā)揮。隨著課程改革的不斷深入，許多實驗教學內(nèi)容和實驗教學方法雖然得到了一定程度的優(yōu)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(chuàng)新思維和自主實踐能力的培養(yǎng)。因此，目前實驗課存在一些亟待解決的問題。

（一）如何充分發(fā)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(fā)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(zhì)量，無法充分發(fā)揮學生的主體作用。

（二）如何將理論與實踐有機結(jié)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(xiàn)實問題的結(jié)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(tǒng)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(chuàng)新思維發(fā)展，不利于培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)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(jié)果，這將嚴重打擊學生的學習積極性與自主性。應做到結(jié)果不唯一，讓學生在實驗過程中盡量展現(xiàn)出實驗態(tài)度、操作能力、創(chuàng)新意識和團隊合作能力等綜合素質(zhì)。

針對上述問題，文章圍繞“電子信息工程專業(yè)設計”課程開展研究，對實驗教學內(nèi)容、方法加以改革與實踐。通過解決工程實際問題，培養(yǎng)學生專業(yè)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(tǒng)設計方法認知不足及提不出系統(tǒng)設計指標的問題（不懂系統(tǒng)，不懂指標），真正讓學生明白電子系統(tǒng)應怎樣設計、怎樣對系統(tǒng)提出設計指標、怎樣對系統(tǒng)總體指標進行分解、怎樣得到分系統(tǒng)指標的約束，并以此為抓手，達到培養(yǎng)學生專業(yè)綜合運用能力的目的。

二、設計內(nèi)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(tǒng)與指標的概念，并以此為突破口，實現(xiàn)學生能夠熟練運用電子信息工程專業(yè)知識，掌握電子信息系統(tǒng)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(fā)和上位機軟件開發(fā)方法的目的。

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

（二）內(nèi)容與任務

1.任務名稱及背景

①任務名稱。監(jiān)控區(qū)域目標軌跡實時測量系統(tǒng)設計。②任務背景。人員軌跡跟蹤是車站、商場、機場等場所區(qū)域安防和人流量統(tǒng)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(huán)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(jiān)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(xiàn)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(huán)境條件也都沒有限制，可連續(xù)不間斷地工作，安裝隱蔽性和隱私保護性也優(yōu)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(yōu)勢[1-5]。

2.任務要求

利用電子信息工程專業(yè)的專業(yè)知識和提供的雷達傳感器、信號調(diào)理板、DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理）開發(fā)板等硬件組件，通過對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)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(jiān)控界面輸出目標距離和方向的同時，實現(xiàn)軌跡跟蹤。上位機顯示界面及系統(tǒng)實際應用效果如圖1所示。

三、實驗內(nèi)容與任務

（一）實驗內(nèi)容

文章研究的實驗案例服務于“電子信息工程專業(yè)設

計”課程，強調(diào)綜合設計屬性，因此，在實驗內(nèi)容設置上安排系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)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(nèi)容，力爭覆蓋電子信息工程專業(yè)涉及的所有專業(yè)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(tǒng)的設計、開發(fā)、應用和集成的重要課程。電子信息工程專業(yè)是集信息技術、通信技術和現(xiàn)代電子技術于一體的專業(yè)[6]。

在實驗過程中，各個實驗設計環(huán)節(jié)涵蓋的專業(yè)基礎知識應用關聯(lián)情況如下。

1.計算機與嵌入式系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)與應用支撐DSP實時處理程序設計中通信接口、協(xié)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(tǒng)硬件設計中天線的設計。

●微波技術基礎支撐系統(tǒng)硬件設計中射頻發(fā)射與接收的設計。

●現(xiàn)代無線通信技術支撐系統(tǒng)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(tǒng)支撐系統(tǒng)方案設計中系統(tǒng)工作原理分析。

●數(shù)字信號處理支撐系統(tǒng)方案設計中采樣、窗函數(shù)、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(tǒng)方案設計中雷達工作系統(tǒng)參數(shù)的設計。

●傳感器支撐系統(tǒng)硬件設計中雷達傳感器工作參數(shù)的設計。

4.電路與電子學知識領域

●電路分析支撐系統(tǒng)方案設計中系統(tǒng)電源、模擬電路的設計。

●模擬電子技術支撐系統(tǒng)方案設計中模擬濾波器的設計。

●數(shù)字電子技術支撐系統(tǒng)方案設計中雷達系統(tǒng)工作時序、邏輯的設計。

●高頻電子技術支撐系統(tǒng)硬件設計中雷達發(fā)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(jù)課題發(fā)布的任務要求，自主開展區(qū)域監(jiān)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(tǒng)設計方案（含理論推導計算）。方案內(nèi)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(tǒng)組成、分系統(tǒng)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(jù)提出的設計方案及實驗室提供的硬件組件，完成系統(tǒng)硬件設計，包含各硬件組件工作參數(shù)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(fā)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(tǒng)可以實時輸出目標測量結(jié)果。設計和搭建實驗條件、環(huán)境，并對DSP實時處理程序進行實測驗證，對測量結(jié)果進行分析。

4.利用便攜式計算機，結(jié)合DSP開發(fā)板輸出的實測數(shù)據(jù)，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(qū)分不同用戶登錄和操控權限。②目標測量結(jié)果可實時顯示。③目標測量數(shù)據(jù)可記錄。④雷達工作參數(shù)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(huán)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(jié)果分析。

5.根據(jù)課題發(fā)布的任務要求，針對所設計的監(jiān)控區(qū)域目標軌跡實時測量系統(tǒng)，提出系統(tǒng)實驗驗證方案。方案內(nèi)容要求包含以下幾方面。①概況：目的、對象、設備、項目、內(nèi)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(huán)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(gòu)成等。

6.指標實測驗證與結(jié)果分析。按照所設計的實驗數(shù)

據(jù)記錄表格，逐項對測試項目進行驗證和測量，并對測試結(jié)果進行處理和分析。

7.實驗總結(jié)。完成實驗報告，并進行經(jīng)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(qū)域監(jiān)控為任務需求，結(jié)合雷達測距、測角工作原理，綜合運用電子信息工程專業(yè)知識，完成目標軌跡實時測量系統(tǒng)方案設計，并利用雷達傳感器、信號調(diào)理板、DSP開發(fā)板等實驗器材，完成實時測量系統(tǒng)的搭建。

2.利用信號調(diào)理板，設置雷達傳感器的工作參數(shù)，編寫并調(diào)試DSP開發(fā)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(jié)果。

3.利用所搭建的系統(tǒng)，完成指定區(qū)域內(nèi)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(tǒng)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(jié)果分析、總結(jié)報告等內(nèi)容）。

（二）實驗環(huán)境及條件

鑒于雷達的工作特點，建議實驗安排在室內(nèi)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(diào)理板、DSP開發(fā)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(diào)理板

●DSP開發(fā)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(huán)境（DSP程序開發(fā)）

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

●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(lián)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(jīng)歷學習研究、方案設計、系統(tǒng)搭建、編程調(diào)試、軟件設計、問題解答、精度分析、驗收測試、報告總結(jié)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(yè)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(diào)系統(tǒng)和指標的概念，使學生突破對理論與實踐不能建立聯(lián)系的障礙。讓學生體會，電子系統(tǒng)的設計與課程理論知識是緊密相關的，只有站在全系統(tǒng)的角度，把系統(tǒng)總體指標合理分解成各分系統(tǒng)指標和參數(shù)，才能實現(xiàn)系統(tǒng)潛在的測量性能。以系統(tǒng)指標（測距范圍、精度）與分系統(tǒng)指標（調(diào)制帶寬、調(diào)制周期、采樣頻率、FFT點數(shù)等）的制約關系為例（圖4）。

3.在硬件搭建環(huán)節(jié)，采用集成度較高的模塊化組件

（雷達傳感器、信號調(diào)理板、DSP開發(fā)板），可以幫助學生快速完成實驗硬件系統(tǒng)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(shù)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(tài)，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(xiàn)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(nèi)，才能高精度地測量到目標）。另外，在實驗過程中，要求學生養(yǎng)成記錄的習慣，不僅便于實驗數(shù)據(jù)的整理，也避免由于沒有記錄結(jié)果，重復相同實驗而浪費時間。

6.在實驗操作環(huán)節(jié)（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(huán)境，減少外部干擾的目的。讓學生專心調(diào)試程序，盡量避免外部復雜環(huán)境對測量結(jié)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(tài)距離的結(jié)果輸出，既體現(xiàn)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(xiàn)場用實測結(jié)果加以驗證，讓學生進一步認識到，理論知識與實際系統(tǒng)性能是緊密聯(lián)系的，并再次加深系統(tǒng)和指標的概念。

8.在戶外開闊環(huán)境下，布置一個現(xiàn)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(shù)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(diào)整雷達傳感器的工作參數(shù)或調(diào)整信號調(diào)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(xiàn)場實際問題的解決，不僅鍛煉了學生理論聯(lián)系實際的能力，還鍛煉了學生現(xiàn)場應對突發(fā)狀況的能力。

9.在軌跡測量環(huán)節(jié)，除距離測量外，實際增加了角度測量的內(nèi)容。教師應注意引導學生了解如何利用數(shù)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(shù)a點乘復數(shù)b的共軛值所得乘積結(jié)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(xiàn)。在實際工程項目中，該工作被稱為系統(tǒng)終端軟件的設計，其不僅增加了系統(tǒng)的可觀賞性，還讓學生再次加深對系統(tǒng)的理解，因為小型雷達系統(tǒng)構(gòu)成就是由前端（天線頭）和終端（顯控計算機）構(gòu)成。軌跡測量上位機顯示結(jié)果如圖8所示。

11.考核評價。①考核方式：考查；現(xiàn)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(guī)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(nèi)容、要求形成實驗方案？（15%）

●能否按照實驗方案安排時間節(jié)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(fā)現(xiàn)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(jù)問題特征提出恰當?shù)囊娊?？?0%）

●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(jù)實驗初步結(jié)果，提出完善意見，并不斷持續(xù)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(tǒng)設計方案是否規(guī)范，硬件連接、操作是否遵守規(guī)則，DSP程序的修改、調(diào)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(jié)果的記錄是否及時，實驗測試的用例是否完備，實驗結(jié)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(fā)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(tǒng)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(jié)合”這個問題，強調(diào)注重系統(tǒng)和指標的概念，引導學生把系統(tǒng)指標的實現(xiàn)，映射成雷達系統(tǒng)中各工作部件的參數(shù)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(jié)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(chuàng)造性思維，釋放學生解決實際問題的創(chuàng)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(jié)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(tài)度、操作能力、創(chuàng)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(jié)的問題不能花費太多的時間，要抓住主要矛盾。實現(xiàn)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(yōu)化?！?/p>

六、結(jié)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(fā)布式的課題研究與實踐，充分發(fā)揮學生的主體作用，以系統(tǒng)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(yè)基礎知識的能力，培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新意識和團隊合作能力等綜合素質(zhì)。

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(tǒng)和指標的概念，體驗了電子系統(tǒng)怎么實現(xiàn)，明白了電子系統(tǒng)指標怎么分解，充分發(fā)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(chuàng)造性思維，釋放了學生解決實際問題的創(chuàng)造力，有效培養(yǎng)了學生的實操能力、創(chuàng)新意識和團隊合作能力，提升了學生的工程實踐創(chuàng)新能力[7]，取得了良好的實驗教學效果。

參考文獻：

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[6]? 孔玲玲，高飛，邢傳璽，等.電子信息工程專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(yè)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）