《微波電路設計的智能學習技術》課程內容設計與教學方法

北京工業大學 那偉聰 張萬榮 謝紅云 金冬月

隨著市場對微波產品的大量需求，微波電路設計的計算機輔助（Computer-Aided Design,CAD）技術越來越引起人們的重視，其中以人工神經網絡和深度學習技術為代表的人工智能方法以其模型精度高、計算速度快、適用性強等優勢，迅速成為一種新型的微波CAD技術。本文針對面向電子科學與技術專業學生開設的《微波電路設計的智能學習技術》的課程內容與教學方法展開討論，指導實際教學過程。

微波計算機輔助（Computer-Aided Design,CAD）技術是現代微波和射頻器件、電路和系統設計的基礎。隨著市場對微波產品的大量需求，為了有效地縮短產品設計周期，設計人員往往借助CAD技術來進行電路的仿真與驗證，導致微波電路的設計越來越依賴于CAD技術。人工神經網絡（Artificial Neural Network,ANN）技術自20世紀80年代成為人工智能領域的研究熱點以來，以其模型精度高、計算速度快、適用性強等優勢，迅速成為一種新型的微波CAD技術。此外，近年來在淺層神經網絡的基礎上，含有更多（三個及三個以上）隱藏層的深層神經網絡和深度學習（Deep Learning）概念也在快速引起工程界與學術界的極大關注。深層神經網絡被認為在大數據、復雜關系建模方面非常有效，已經在許多具有挑戰性的領域獲得了成功，例如圖像識別、語音識別、語言處理等。神經網絡和深度學習技術使大量生產高速微波系統成為可能，這對于無線通信、全球定位、雷達、遙感及相關的電氣和計算機工程領域都產生了深遠影響，也導致了對訓練有素的、具備高頻電路設計理論知識的工程師和專家的市場需求。因此，面向電子科學與技術專業的學生開設《微波電路設計的智能學習技術》課程十分有必要，作為現代科學技術與實踐應用十分緊密的電子工程類課程，該課程側重于應用技術理論和實踐的結合，重點培養學生科學的思維方式以及認識新技術和應用新技術的能力。課程從神經網絡和深度學習的基本結構和訓練方法出發，介紹利用人工智能技術進行微波電路設計的基本原理，并通過介紹最先進的研究成果，使學生了解人工智能技術在微波器件領域的最前沿技術和發展現狀。

1 課程地位與目標

本課程是電子科學與技術專業的選修課，屬于領域基礎及專業知識模塊。旨在繼電路分析基礎、模擬電子技術、數字電子技術、半導體器件原理等課程后，引導學生認識高頻電路設計領域最前沿的技術方法，培養科學原理和科學方法掌握能力、現代工程工具和信息技術工具使用能力、工程問題解決能力等三大專業基本能力。神經網絡的多種結構及深度學習中多種訓練方法的學習將增強學生對抽象、理論、設計三個學科形態/過程的理解，進而掌握基本的思維方法和研究方法；通過介紹神經網絡和深度學習技術在無源器件建模優化、非線性器件建模設計等領域的應用實例，引導學生追求從問題出發，采用現代工程設計工具去實現自動計算優化，強化專業核心意識的培養。除了學習知識外，還給學生提供實現簡單神經網絡的構建及模型訓練的編程機會，培養其工程意識和能力。此外，本課程采用雙語教學，把專業教學和外語教學有機地結合起來，使學生了解世界科技最新成果，提高國際學術交流能力，旨在培養國際性創新型人才。

本課程的總體教學目標是著重應用技術理論和實踐的結合，重點培養學生認識新技術和應用新技術的能力。通過本課程的學習，使學生了解人工智能技術在微波領域的應用，掌握神經網絡和深度學習的基本概念和建模方法，包括多層感知機、誤差反向傳播神經網絡、基于知識型神經網絡、空間映射神經網路、卷積神經網絡、受限玻爾茲曼機、循環神經網絡等基本模型結構，以及神經網絡和深度學習中的訓練算法等方面的知識，了解最前沿的人工智能技術的微波應用，從而使學生具備在相關領域運用前沿工具解決實際物理問題的能力。該目標分解為以下子目標：

（1）掌握人工神經網絡和深度學習的基本概念、體系結構以及設計應用方法。

（2）理解人工神經網絡和深度學習的訓練機制，掌握神經網絡中基本訓練算法的編程實現方法。

（3）增強理論結合實際能力，通過神經網絡和深度學習在三維電磁結構建模、射頻放大器建模等應用實例，獲得人工神經網絡的建模經驗。

（4）提高學生運用專業英語進行學術交流的能力。

2 課程內容設計

課程教學內容分章節列出如表1所示。

表1 課程教學內容分章節

3 教學方法與學習方法

在教學方法方面：首先，課堂教學中要使學生掌握課程教學內容中規定的一些基本概念、基本理論和基本方法。特別是通過講授，使學生能夠對這些基本概念和理論有更深入的理解，使之有能力將它們應用到一些問題的求解中。要注意對其中的一些基本方法的核心思想的分析，使學生能夠掌握其關鍵。其次，使用雙語教學，用英語作為課堂主要用語進行課堂教學，把專業教學和外語教學有機地結合起來，促使學生在學習專業知識的同時，用英語來思考、陳述、解決問題，了解世界科技最新成果，提高國際學術交流能力。再次，積極探索和實踐研究型教學。探索如何實現教師在對問題的求解中教，學生怎么在對未知的探索中學。從提出問題，到求解思路分析，培養學生抽象表示問題的能力，強化對“一類”問題進行求解的意識，進而培養學生的系統意識和能力。最后，使用多媒體課件，配合板書和范例演示講授課程內容。

在學習方法方面：建議學生在認真進行課堂學習的同時，認真完成設計訓練的編程作業，并撰寫實驗報告，使學生加深對人工智能技術的理解，并在編程和學術報告撰寫方面受到訓練。此外，建議學生適當閱讀相關外文書籍和資料，學習資料獲取途徑及檢索方法，培養自學能力。

本文對《微波電路設計的智能學習技術》課程內容設計與教學方法進行了一些思考。這種思考僅僅是開始，可能有些尚不成熟。今后將在實際教學實踐過程中，繼續深入領會和積極踐行工程教育理念，不斷加強專業教育研究，進一步修正該課程的內容設計與教學方法，為提高本科人才培養質量盡自己綿薄之力。