北京工業(yè)大學(xué) 那偉聰 張萬榮 謝紅云 金冬月

隨著市場對微波產(chǎn)品的大量需求，微波電路設(shè)計的計算機(jī)輔助（Computer-Aided Design,CAD）技術(shù)越來越引起人們的重視，其中以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)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(qiáng)等優(yōu)勢，迅速成為一種新型的微波CAD技術(shù)。本文針對面向電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的《微波電路設(shè)計的智能學(xué)習(xí)技術(shù)》的課程內(nèi)容與教學(xué)方法展開討論，指導(dǎo)實際教學(xué)過程。

微波計算機(jī)輔助（Computer-Aided Design,CAD）技術(shù)是現(xiàn)代微波和射頻器件、電路和系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。隨著市場對微波產(chǎn)品的大量需求，為了有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，設(shè)計人員往往借助CAD技術(shù)來進(jìn)行電路的仿真與驗證，導(dǎo)致微波電路的設(shè)計越來越依賴于CAD技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network,ANN）技術(shù)自20世紀(jì)80年代成為人工智能領(lǐng)域的研究熱點以來，以其模型精度高、計算速度快、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢，迅速成為一種新型的微波CAD技術(shù)。此外，近年來在淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，含有更多（三個及三個以上）隱藏層的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）概念也在快速引起工程界與學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為在大數(shù)據(jù)、復(fù)雜關(guān)系建模方面非常有效，已經(jīng)在許多具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域獲得了成功，例如圖像識別、語音識別、語言處理等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)使大量生產(chǎn)高速微波系統(tǒng)成為可能，這對于無線通信、全球定位、雷達(dá)、遙感及相關(guān)的電氣和計算機(jī)工程領(lǐng)域都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，也導(dǎo)致了對訓(xùn)練有素的、具備高頻電路設(shè)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(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)《微波電路設(shè)計的智能學(xué)習(xí)技術(shù)》課程十分有必要，作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與實踐應(yīng)用十分緊密的電子工程類課程，該課程側(cè)重于應(yīng)用技術(shù)理論和實踐的結(jié)合，重點培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式以及認(rèn)識新技術(shù)和應(yīng)用新技術(shù)的能力。課程從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的基本結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練方法出發(fā)，介紹利用人工智能技術(shù)進(jìn)行微波電路設(shè)計的基本原理，并通過介紹最先進(jìn)的研究成果，使學(xué)生了解人工智能技術(shù)在微波器件領(lǐng)域的最前沿技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀。

1 課程地位與目標(biāo)

本課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課，屬于領(lǐng)域基礎(chǔ)及專業(yè)知識模塊。旨在繼電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件原理等課程后，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識高頻電路設(shè)計領(lǐng)域最前沿的技術(shù)方法，培養(yǎng)科學(xué)原理和科學(xué)方法掌握能力、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具使用能力、工程問題解決能力等三大專業(yè)基本能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多種結(jié)構(gòu)及深度學(xué)習(xí)中多種訓(xùn)練方法的學(xué)習(xí)將增強(qiáng)學(xué)生對抽象、理論、設(shè)計三個學(xué)科形態(tài)/過程的理解，進(jìn)而掌握基本的思維方法和研究方法；通過介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)在無源器件建模優(yōu)化、非線性器件建模設(shè)計等領(lǐng)域的應(yīng)用實例，引導(dǎo)學(xué)生追求從問題出發(fā)，采用現(xiàn)代工程設(shè)計工具去實現(xiàn)自動計算優(yōu)化，強(qiáng)化專業(yè)核心意識的培養(yǎng)。除了學(xué)習(xí)知識外，還給學(xué)生提供實現(xiàn)簡單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及模型訓(xùn)練的編程機(jī)會，培養(yǎng)其工程意識和能力。此外，本課程采用雙語教學(xué)，把專業(yè)教學(xué)和外語教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，使學(xué)生了解世界科技最新成果，提高國際學(xué)術(shù)交流能力，旨在培養(yǎng)國際性創(chuàng)新型人才。

本課程的總體教學(xué)目標(biāo)是著重應(yīng)用技術(shù)理論和實踐的結(jié)合，重點培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識新技術(shù)和應(yīng)用新技術(shù)的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解人工智能技術(shù)在微波領(lǐng)域的應(yīng)用，掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的基本概念和建模方法，包括多層感知機(jī)、誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于知識型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、空間映射神經(jīng)網(wǎng)路、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、受限玻爾茲曼機(jī)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等基本模型結(jié)構(gòu)，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)中的訓(xùn)練算法等方面的知識，了解最前沿的人工智能技術(shù)的微波應(yīng)用，從而使學(xué)生具備在相關(guān)領(lǐng)域運用前沿工具解決實際物理問題的能力。該目標(biāo)分解為以下子目標(biāo)：

（1）掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)以及設(shè)計應(yīng)用方法。

（2）理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練機(jī)制，掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中基本訓(xùn)練算法的編程實現(xiàn)方法。

（3）增強(qiáng)理論結(jié)合實際能力，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)在三維電磁結(jié)構(gòu)建模、射頻放大器建模等應(yīng)用實例，獲得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模經(jīng)驗。

（4）提高學(xué)生運用專業(yè)英語進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的能力。

2 課程內(nèi)容設(shè)計

課程教學(xué)內(nèi)容分章節(jié)列出如表1所示。

表1 課程教學(xué)內(nèi)容分章節(jié)

3 教學(xué)方法與學(xué)習(xí)方法

在教學(xué)方法方面：首先，課堂教學(xué)中要使學(xué)生掌握課程教學(xué)內(nèi)容中規(guī)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(xué)生能夠?qū)@些基本概念和理論有更深入的理解，使之有能力將它們應(yīng)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(xué)生能夠掌握其關(guān)鍵。其次，使用雙語教學(xué)，用英語作為課堂主要用語進(jìn)行課堂教學(xué)，把專業(yè)教學(xué)和外語教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)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(xué)術(shù)交流能力。再次，積極探索和實踐研究型教學(xué)。探索如何實現(xiàn)教師在對問題的求解中教，學(xué)生怎么在對未知的探索中學(xué)。從提出問題，到求解思路分析，培養(yǎng)學(xué)生抽象表示問題的能力，強(qiáng)化對“一類”問題進(jìn)行求解的意識，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)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(nèi)容。

在學(xué)習(xí)方法方面：建議學(xué)生在認(rèn)真進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)的同時，認(rèn)真完成設(shè)計訓(xùn)練的編程作業(yè)，并撰寫實驗報告，使學(xué)生加深對人工智能技術(shù)的理解，并在編程和學(xué)術(shù)報告撰寫方面受到訓(xùn)練。此外，建議學(xué)生適當(dāng)閱讀相關(guān)外文書籍和資料，學(xué)習(xí)資料獲取途徑及檢索方法，培養(yǎng)自學(xué)能力。

本文對《微波電路設(shè)計的智能學(xué)習(xí)技術(shù)》課程內(nèi)容設(shè)計與教學(xué)方法進(jìn)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(xué)實踐過程中，繼續(xù)深入領(lǐng)會和積極踐行工程教育理念，不斷加強(qiáng)專業(yè)教育研究，進(jìn)一步修正該課程的內(nèi)容設(shè)計與教學(xué)方法，為提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量盡自己綿薄之力。