拓展创造思维释放创造力的实践案例研究

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，可连续不间断地工作，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.根据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。