北京工业大学 那伟聪 张万荣 谢红云 金冬月

随着市场对微波产品的大量需求，微波电路设计的计算机辅助（Computer-Aided Design,CAD）技术越来越引起人们的重视，其中以人工神经网络和深度学习技术为代表的人工智能方法以其模型精度高、计算速度快、适用性强等优势，迅速成为一种新型的微波CAD技术。本文针对面向电子科学与技术专业学生开设的《微波电路设计的智能学习技术》的课程内容与教学方法展开讨论，指导实际教学过程。

微波计算机辅助（Computer-Aided Design,CAD）技术是现代微波和射频器件、电路和系统设计的基础。随着市场对微波产品的大量需求，为了有效地缩短产品设计周期，设计人员往往借助CAD技术来进行电路的仿真与验证，导致微波电路的设计越来越依赖于CAD技术。人工神经网络（Artificial Neural Network,ANN）技术自20世纪80年代成为人工智能领域的研究热点以来，以其模型精度高、计算速度快、适用性强等优势，迅速成为一种新型的微波CAD技术。此外，近年来在浅层神经网络的基础上，含有更多（三个及三个以上）隐藏层的深层神经网络和深度学习（Deep Learning）概念也在快速引起工程界与学术界的极大关注。深层神经网络被认为在大数据、复杂关系建模方面非常有效，已经在许多具有挑战性的领域获得了成功，例如图像识别、语音识别、语言处理等。神经网络和深度学习技术使大量生产高速微波系统成为可能，这对于无线通信、全球定位、雷达、遥感及相关的电气和计算机工程领域都产生了深远影响，也导致了对训练有素的、具备高频电路设计理论知识的工程师和专家的市场需求。因此，面向电子科学与技术专业的学生开设《微波电路设计的智能学习技术》课程十分有必要，作为现代科学技术与实践应用十分紧密的电子工程类课程，该课程侧重于应用技术理论和实践的结合，重点培养学生科学的思维方式以及认识新技术和应用新技术的能力。课程从神经网络和深度学习的基本结构和训练方法出发，介绍利用人工智能技术进行微波电路设计的基本原理，并通过介绍最先进的研究成果，使学生了解人工智能技术在微波器件领域的最前沿技术和发展现状。

1 课程地位与目标

本课程是电子科学与技术专业的选修课，属于领域基础及专业知识模块。旨在继电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术、半导体器件原理等课程后，引导学生认识高频电路设计领域最前沿的技术方法，培养科学原理和科学方法掌握能力、现代工程工具和信息技术工具使用能力、工程问题解决能力等三大专业基本能力。神经网络的多种结构及深度学习中多种训练方法的学习将增强学生对抽象、理论、设计三个学科形态/过程的理解，进而掌握基本的思维方法和研究方法；通过介绍神经网络和深度学习技术在无源器件建模优化、非线性器件建模设计等领域的应用实例，引导学生追求从问题出发，采用现代工程设计工具去实现自动计算优化，强化专业核心意识的培养。除了学习知识外，还给学生提供实现简单神经网络的构建及模型训练的编程机会，培养其工程意识和能力。此外，本课程采用双语教学，把专业教学和外语教学有机地结合起来，使学生了解世界科技最新成果，提高国际学术交流能力，旨在培养国际性创新型人才。

本课程的总体教学目标是着重应用技术理论和实践的结合，重点培养学生认识新技术和应用新技术的能力。通过本课程的学习，使学生了解人工智能技术在微波领域的应用，掌握神经网络和深度学习的基本概念和建模方法，包括多层感知机、误差反向传播神经网络、基于知识型神经网络、空间映射神经网路、卷积神经网络、受限玻尔兹曼机、循环神经网络等基本模型结构，以及神经网络和深度学习中的训练算法等方面的知识，了解最前沿的人工智能技术的微波应用，从而使学生具备在相关领域运用前沿工具解决实际物理问题的能力。该目标分解为以下子目标：

（1）掌握人工神经网络和深度学习的基本概念、体系结构以及设计应用方法。

（2）理解人工神经网络和深度学习的训练机制，掌握神经网络中基本训练算法的编程实现方法。

（3）增强理论结合实际能力，通过神经网络和深度学习在三维电磁结构建模、射频放大器建模等应用实例，获得人工神经网络的建模经验。

（4）提高学生运用专业英语进行学术交流的能力。

2 课程内容设计

课程教学内容分章节列出如表1所示。

表1 课程教学内容分章节

3 教学方法与学习方法

在教学方法方面：首先，课堂教学中要使学生掌握课程教学内容中规定的一些基本概念、基本理论和基本方法。特别是通过讲授，使学生能够对这些基本概念和理论有更深入的理解，使之有能力将它们应用到一些问题的求解中。要注意对其中的一些基本方法的核心思想的分析，使学生能够掌握其关键。其次，使用双语教学，用英语作为课堂主要用语进行课堂教学，把专业教学和外语教学有机地结合起来，促使学生在学习专业知识的同时，用英语来思考、陈述、解决问题，了解世界科技最新成果，提高国际学术交流能力。再次，积极探索和实践研究型教学。探索如何实现教师在对问题的求解中教，学生怎么在对未知的探索中学。从提出问题，到求解思路分析，培养学生抽象表示问题的能力，强化对“一类”问题进行求解的意识，进而培养学生的系统意识和能力。最后，使用多媒体课件，配合板书和范例演示讲授课程内容。

在学习方法方面：建议学生在认真进行课堂学习的同时，认真完成设计训练的编程作业，并撰写实验报告，使学生加深对人工智能技术的理解，并在编程和学术报告撰写方面受到训练。此外，建议学生适当阅读相关外文书籍和资料，学习资料获取途径及检索方法，培养自学能力。

本文对《微波电路设计的智能学习技术》课程内容设计与教学方法进行了一些思考。这种思考仅仅是开始，可能有些尚不成熟。今后将在实际教学实践过程中，继续深入领会和积极践行工程教育理念，不断加强专业教育研究，进一步修正该课程的内容设计与教学方法，为提高本科人才培养质量尽自己绵薄之力。