微波电路教学的创新实践

微波电路设计课程中的主动学习、实验室和创客空间

摘要

电路设计课程，特别是作为子专业的微波电路设计课程，已经讲授了几十年。然而，直到最近，教师才开始尝试更现代的课内和课外教学方法。为了提高教学效果，我们采用了以下方法：a) 利用课堂互动系统和课堂协作学习，b) 实验室采用类似工作室的方法，鼓励学生通过简单结构的设计、仿真、搭建和测试来探索问题，c) 使用创客空间，实现相当复杂设计的完整设计‐构建‐测试‐再设计循环，以及 d) 针对选修课程的研究生开展系统的文献综述。
我们介绍了在设计和实施两门课程序列中的经验，提供了评估数据，讨论了影响学生学习的障碍，并提出了进一步改善学生学习效果的方法。

一、引言

微波电路设计是本科高年级和研究生课程中一个相当成熟的主题，有许多优秀的教科书可供参考，例如[1]。课程内容有所不同，但通常包括电磁波传播的基础知识、传输线（TL）、匹配与反射对传输线的影响、各种无源电路（匹配电路、滤波器、耦合器等）、线性放大器（通常是低噪声放大器）、混频器以及功率放大器。有源器件也会被深入讨论，因为需要处理许多寄生效应。
虽然没有明确的频率分界点，但我们所说的“微波”指的是从1吉赫兹到大约30吉赫兹的范围。
在该领域开设课程的主要困难之一是进行实际测量所需的昂贵仪器设备。因此，许多课程为学生提供的测量实验室非常有限，并严重依赖仿真。尽管许多初步设计仍可通过纸笔完成，但与其他电路课程一样，对于任何将要制造和测试的实际设计而言，仿真是不可或缺的。有趣的是，关于微波测量的大部分实用信息仍然以各种应用笔记的形式呈现，尽管这一情况正在缓慢改变（例如参见 [2]）。

A. 波特兰州立大学的微波电路设计

微带滤波器。第十周用于项目工作，通常是使用表面贴装器件和/或微带技术进行滤波器设计。每周实验活动包括：对表面贴装器件进行表征与建模；利用时域反射响应确定线路特性；检查使用时域反射仪和矢量网络分析仪（VNA）的反射情况；设计和测试 λ/4单支节匹配电路；在矢量网络分析仪上进行双端口测量；夹具去嵌入。
在学期中，学生还需完成两个使用安捷伦ADS软件的仿真作业。
第二季度主要涉及有源电路，包括：无源功率合成器；有源器件、增益与稳定性；增益与噪声设计；使用ADS进行放大器设计；晶体管偏置；非线性效应及其测量；功率放大器；混频器；完整接收机设计。
每周实验活动包括：威尔金森功分器和正交混合耦合器的设计与测试；有源器件的直流和S参数表征；放大器匹配电路设计；低噪声放大器设计与版图；放大器及其他器件的噪声系数测量；使用ADS设计放大器；利用探针台进行晶圆上测量。本学期的重点是制作一个有源电路的工作原型，例如根据所提供的[3]方法，设计、制造并测试一个低噪声放大器。这两门课程都高度依赖动手实践的基于实验室的练习、仿真作业以及最终团队项目。典型的注册人数为15至25名学生。

II. 课程设计

本课程的总体目标是培养学生不仅在微波电路设计这一专业领域具备胜任能力，而且能够成为能够自我导向学习的学生，使其能够轻松适应新技术的快速发展。具体的课程学习成果（LO‐s）包括：
1. 使用微带和表面贴装技术设计无源与有源电路
2. 使用仿真工具设计电路
3. 采用不同技术制造电路原型
4. 测量高达20 GHz的电路（印刷电路板与晶圆级）
5. 设计、构建与测试微波系统
6. 能够阅读、理解并报告发表在行业期刊（针对本科生）和科学期刊（研究生）上的论文
7. 撰写高质量的报告

基于这些学习成果和各种研究研究的结果，我们采用了以下指南，这些指南主要基于[4]，用于开发具体的教学方法。每条指南下均列出了具体的方法：

A. 学生需要积极参与到学习中，而不仅仅是被动的听讲者 [5]

• 使用课堂互动系统（“点击器”）
• 紧随讲座开展即时实验
• 鼓励同伴间相互学习与教学

B. 提供能够激发高阶认知功能的活动 [6]

• 布置阅读材料以扩展讲课内容
• 减少规定性实验作业
• 分配真实的团队项目

C. 即时反馈比延迟反馈更有效

• 在实验室中观察学生并探究他们的理解
• 利用点击器结果调整讲课内容和节奏

D. 提供多种方式来提取已学概念

• 理论与设计在实验室中立即得到应用

E. 应鼓励原型制作及伴随失败 [7]

• 快速原型制作是实验室和项目的一部分

III. STUDENT LEARNING

我们的学生具有多样化背景，例如，许多研究生在本地高科技公司工作，可能已经离开校园多年。国际学生可能完全不熟悉我们学生经常使用的仪器设备。此外，众所周知，学生容易知识分隔，我们需要通过明确要求学生回忆已学知识来唤醒他们先前掌握的知识。这一过程的一部分应包括某种形式的先验知识评估，这将在下面的评估部分简要讨论。理想情况下，我们会拥有可靠有效的工具来帮助完成这项任务，但在公开文献中似乎尚未存在此类工具。这一切都表明，应从一开始就为学生学习提供某种形式的学生学习支架，这也是我们尽可能引入主动学习的原因之一。
实际上，我们引入的最大变化是：a）增加实验室，b）项目角色的改变，以及 c）讲座的重新定位。这些内容，以及额外的课外作业，将在下文讨论。

A. 实验室

2010年，一个全新的实验室设施被设计并建成，使学生能够进行声学、电磁和光学测量[8]。我们购置了四台TDR示波器和四台20 GHz矢量网络分析仪。结合各教师研究实验室中已有的仪器设备，学生现在可以使用卓越的仪器设备。然而，这既是优势也是挑战。由于此类仪器设备非常昂贵，人们倾向于将其“锁起来”‐保管，导致学生的使用机会非常有限且需在监督下进行。这与我们希望学生能够自由地进行各种电路和系统的构建与测试的愿望背道而驰。目前，我们正尝试采用一种混合模式，即要求高度积极的学生参加一次“资格”考试，以便获得进入我们拥有类似高端仪器设备的研究实验室的权限。权衡条件是，他们必须帮助其他学生并随时提供支持。这种实验室管理模式与下文将讨论的创客空间（LID）实验室所采用的模式非常相似，但形式上更为宽松。实际的课程实验在系级电磁实验室进行，如图1所示。

使用带导电胶粘剂的铜箔胶带还能实现即时实验 [9]-[11]。结合廉价的FR4基板，学生可以设计和制作一些相当复杂的电路，例如分支线耦合器。增加焊接台和钻孔机后，还可加入0603尺寸的表面贴装器件，以提高电路的复杂性。该技术的不精确性使学生意识到应在设计过程中考虑这种不确定性。同样，他们必须开始思考影响其设计的主要因素是什么。这些内容在他们的项目中会得到更充分的体现。
在此过程中，学生还开始使用我们的创客空间设施（LID实验室），在那里他们可以更精确、更可预测地制作印刷电路板（PCB）。然而，许多现实问题仍然存在，例如FR4材料特性的不确定性、尺寸偏差等。
微波频率下的测量与低频下的测量有很大不同，而实验室提供了深入探讨各种问题的机会。我们从传输线的时域反射测量开始，因为我们发现学生对时域反射测量行为的理解比对矢量网络分析仪（VNA）上进行的频域测量理解得更快。然而，需要注意的是，学生很容易将两者混淆，从而开始将在时域中的波传播和信号延迟等时域概念引入错误的方式。消除这些误解很难[12]，而且这些误解也不容易定义和识别。开发微波电路领域的概念清单将受到欢迎[13]。目前，我们的方法是反复回顾一些关键概念，例如延迟与相位变化、电长度、单端口与双端口测量之间的差异以及端口终端的影响。
从早期开始，我们就设有涉及电路仿真的实验室，当时我们使用的是HP/安捷伦/是德科技 MDS/ADS。2013年，我们意识到教授学生如何使用ADS—意义不大，因为该公司提供了非常出色的视频和资料，使学生可以自学掌握。我们现在不再占用宝贵的面对面授课时间，而是要求学生观看这些视频，并提交两个与课程内容相关的实验，内容涉及无源元件建模和阻抗匹配。学生需要在实验课上通过构建和运行一些简单的仿真来展示其使用ADS的基本能力。到目前为止，学生没有提出任何抱怨，因为他们似乎能够相当快速地掌握该软件。

B. 项目

项目的主要目的是整合学生的知识，并推动他们的学习在认知复杂性层次上向创造、综合和批判性思维发展。多年来，我们逐渐转向更多基于项目的学习，但并未放弃面对面教学的部分。由于存在相互冲突的标准，项目实施存在困难：它们应足够简单以便在相对较短的时间内完成，但又必须具备足够的复杂性和真实性，以促进学生学习和激发学习动机。此外，项目在组织和评估方面也存在较大的后勤难度。
为了提升项目体验并简化后勤工作，我们引入了三个新组件：
1. 使用CATME进行团队组建和同伴互评
2. 初始小型项目
3. 使用Scrum和Trello进行项目管理

我们在其他课程中使用过CATME，事实证明它在团队组建和收集同伴反馈方面非常有用[14]。在每门课程的前半段，我们会开展一个小型项目，例如构建和测试SMA电缆[15]，旨在凝聚团队，并让他们有机会参与规模较小但相关的小型项目。团队在小型项目结束时提交报告以及同伴互评。通常很容易识别出哪些团队遇到了问题，此时我们可以介入，极少数情况下甚至解散团队。最终项目报告完成后，团队会在CATME上提交第二次同伴互评，评分将用于分配个人分数，即未完成应有工作量的学生将获得较低的分数和成绩。我们还可以结合实验室课上的观察结果以及最终项目演示的情况来交叉验证这些结果。
目前，我们正在将Scrum方法引入项目管理，并使用Trello作为项目规划与跟踪的可视化辅助工具。我们在新生课程和毕业设计（高年级）团队中已取得了良好的成效[16]但在微波电路设计课程中，我们没有任何确凿的数据或观察结果可以报告。一个潜在的障碍是学生必须学习另一个软件工具，因此我们将Scrum和Trello的介绍和使用延伸到了两个学期。
众所周知，积极主动的学生可以完成出色的项目，图2展示了一个示例。这是一个完整的FSK接收器，包含天线、低噪声放大器、分频器、滤波器、检波器和读出电路，首次在[17]中描述。钟形结构是利用管件制成的2.4和2.6 GHz谐振器，左侧的独立电路板是学生设计的低噪声放大器，右侧则是读出电路。

C. 主动式讲授

此前已描述过引入课堂互动系统的初步经验，详见 [8]。总体而言，我们发现这种方式对于营造课堂上人人参与的氛围非常有帮助。一个观察结果是，我们的活动仍然过于侧重于个体回答，我们需要扩展所提问题的类型，以便学生个人提交答案后，能够以小组形式展开讨论。最初提出一些非常简单的问题非常重要，因为我们多次对学生存在的误解类型感到惊讶。开放式文本问题最有助于揭示这些错误理解。Learning Catalytics系统的一个优势是能够收集图形类问题的答案，这在解释史密斯图等工具时非常有帮助。

D. 课外作业

这类作业通常是从教科书课后习题中选取的各种计算题作为作业。我们发现，由于评分过程耗时以及评分方式的限制，这些作业在提供形成性反馈方面的效果有限。同样，由于作弊现象普遍（无论是有意的，例如抄袭习题解答手册，还是无意的，例如学生协作和结果共享），作业也不太适合用于总结性评估目的。最后，批改作业非常耗时。我们已将作业重新用作“学习指南”的一部分，以帮助学生准备测验，每个学期通常举行三次测验。作业不进行评分，但会纳入参与分中。
学生花费大量时间的一项任务是撰写所谓的实验报告。这些报告旨在回答实验课期间出现的一些具体问题，学生需要展示他们收集的数据。我们发现，学生在文本和图形展示方面都存在困难，而这两者都是他们应掌握的关键沟通技能为了帮助他们发展这些技能，允许他们在获得反馈后重新提交第一份报告，提供详细的反馈。理想情况下，应有多次这样的修改机会，但由于时间限制，这是不可能的。总体而言，我们看到学生在两门课程中的写作能力有显著提高，但很难确定学生是否能将这些技能迁移到其他课程中。
为了提高批判性思维和写作能力，我们正在尝试一种撰写研究报告的新方法，该报告是研究生必须完成的。这一想法最初来自医学领域，在那里系统性的文献综述被用于元分析并指导政策决策。后来该方法被引入软件工程领域，并通过发展迭代系统文献综述（ISLR）扩展为主要的教育用途（参见[18]及其中的参考文献）。简而言之，要求研究生小组提出一个研究问题，制定文献检索的搜索词串，评估论文的质量，并对相关文献进行批判性总结。鉴于我们有两个学期，我们已将这项任务分为两个部分，以便学生首先总结一组论文以获得写作练习，然后再完成完整的ISLR项目。确定一个好的ISLR主题是最困难的部分，到目前为止，我们使用了Doherty功率放大器设计领域的主题，效果参差不齐。一些学生对此方法存在抵触情绪，因为他们看不到其与自身工作的直接关联或益处。同时，我们目前正在开发一些元认知方法，希望帮助学生更好地理解自己的学习过程。
最后一点说明：长期以来，尤其是在研究生教育中，布置阅读材料是一种常见做法。我们发现这种做法效果有限，因为缺乏一种简便高效的方法来监控学生的学习情况。今年，我们正在试用在线工具Perusall[19]，它不仅能监控学生的完成情况（即学生是否打开了文件并进行了阅读），还能评估他们所写评论的质量和数量，同时鼓励读者之间的社交互动。到目前为止，该工具在这些方面的表现非常出色，我们将继续使用它。

IV. 创客空间

工程教育中一个相对较新的发展是使用所谓的创客空间，作为学生发展自己想法或开展班级项目的场所。正如所述：“希望将设计和原型制作更深入地融入工程实践体验，这促成了佐治亚理工学院‘创新工作室’的建立，这是一个可免费使用的3000平方英尺的创客空间及其文化”[20]。大约在同一时期，我们在宾州州立大学启动了一个非常类似的实验室，名为“互联设备实验室”[21]。电子与计算机工程系提供一名工作人员来管理该实验室，但大部分工作由志愿者完成，这些志愿者在成为实验室管理员之前会接受所有可用工具的培训。
电路生产所需的一切设备均可使用，包括过孔电镀。工具与各种软件集成，以生成适用于版图或3D打印的适当文件。我们的学生通常在到达实验室后几小时内即可完成电路板和其他物品的制作。
互联设备实验室组织了关于各种主题的研讨会，并鼓励学生参加。所有围绕互联设备实验室开展的活动都培养了亟需的归属感工科学生之间的社区。虽然我们没有数据来证明这一点，但依我们之见，这个创客空间的建立极大地提升了学生们的积极性和学习效果。图2所示的示例项目完全是在LID中建造的，参与的两名学生是LID的管理人员。图3[21]展示了LID实验室的一部分。

V. 评估

我们最初的一些学生调查结果已在[8]中展示。我们继续使用相同的调查，但删除了几个看似重复的问题。我们最近的调查问题见表I。第一部分询问学生的自我效能，即他们对自己能力的信念，以执行产生特定绩效成就所需的行为[22]，例如设计微波电路。
在2012年、2013年和2016年进行的调查结果汇总于图4。请注意，2012年和2013年的结果被合并在一起，以获得更大的受访者群体：2016年有19个回复，而2012+2013中有31个。

从图4来看，我们的学生在设计、构建与测试以及写作方面的能力表现出合理的自信，且他们的信心随时间变化不大。然而，在两组数据之间，阅读自我效能明显下降。一种可能的解释是，我们为研究生引入了SLR项目，该项目需要大量的阅读材料。这一活动可能让学生意识到他们对文献并不十分熟悉，并且在阅读方面存在困难。幸运的是，今年我们将使用阅读管理软件[19]，这将使阅读任务更加有意义，并便于对其进行评估。

我有信心我可以：	我认为这种技术是：
1. 设计微波电路 2. 搭建和测试微波电路 3. 撰写高质量的报告 4. 阅读并理解技术出版物 量级：强烈同意，同意，中立，不同意，强烈不同意	5. 构建和测试电路 6. 运行电路仿真 7. 进行课堂练习和问题 8. 解决家庭作业问题 9. 在课堂上听讲座 10. 观看预先录制的视频（专题内容） 11. 班级项目 程度：非常有帮助，somewhat 有帮助，中立，没有帮助，浪费时间。

2012+2013（31个回复），和 b) 2016年（19个回复）)

作为同一项期末调查的一部分，我们要求学生评估各种教学方法对自身学习的帮助程度。与之前的结果一样，这些结果也存在解释空间。此外，关于学生如何实际理解各个问题，仍存在lingering的疑问。具体来说，根据图5中的数据，我们可以看到，多年来学生认为动手实践类内容——“构建与测试”、“仿真”和“项目”——是最有帮助的。对于课堂活动，其perceived有用性有所下降，对此我们目前尚无合理解释。值得注意的是，学生每周在实验室花费2‐3小时，且他们正在进行小型项目（课程前半部分）或大型项目（课程后半部分）。因此，学生在各类活动上投入的时间并非均匀分布。这种安排是刻意为之，因为我们相信某些活动比其他活动更有效果，但分配的时间可能会影响学生对其有用性的感知。即便如此，仿真的评分仍然很高，这尤其值得注意，因为在课堂上并未专门花时间讲解仿真，仅在实验中要求进行简短的演示。作业会被收集，但不评分，仅计入参与度，这再次可能影响学生对其有用性的看法。
我们制作了一些专题视频，例如关于去嵌入的内容，但看起来学生并不感兴趣。此外，我们录制了部分课程供课后观看，但学生对此也未表现出太大兴趣。虽然有可能让讲座录像更具吸引力和效果，但这需要额外的时间和资源投入。此外，它们必须服务于明确的教学目的。

2012+2013 （31个回复），和 b) 2016年（19个回复）)

我们还进行了其他评估，特别是关于写作能力方面的评估，目前我们仍在试验，并试图确定一套可在不同课程和作业中使用的评分标准。一个普遍缺乏评估工具的领域是学习成效的测量。这些测量不仅有助于确定我们教学的有效性，还有助于发现学生的误解。
鉴于目前尚无任何类型的电路设计概念清单，我们正在尝试设计一种前后测，以帮助我们在上述两个评估领域取得进展。然而，结果仍处于非常初步的阶段，将在以后另行报告。

VI. 结论与未来工作

我们的微波电路设计课程在过去20年中经历了几次重大转变。第一次转变始于1990年代末，随着仿真的引入，使得能够处理的问题的复杂性和真实性显著提高。大约在2010年，我们开始了第二次转变，重点是在课堂中引入主动学习。第三次也是最近的一次转变是转向动手实践，从而实现真正意义上的设计‐构建‐测试循环。在某些情况下，这还支持重新设计，具有显著的教育优势。创客空间的发展是推动第三次转变的主要推动力，正如功能强大且价格合理的软件推动了第二次转变一样。
我们已经描述了课程各个组成部分如何相互配合以及引入这些内容的理由。我们还提供了一些来自学生调查的数据，这些数据说明了我们在多大程度上实现了课程学习目标。学生似乎更重视动手实践活动——无论是硬件还是软件设计形式的活动——以及项目，胜过课程的其他部分。我们将探讨进一步朝这一方向扩展的可能性，同时不牺牲其他重要的学习目标。新的工具，如Perusall和ISLR，有望帮助我们设计适当的阅读和写作任务，我们在实施这些工具方面已有良好的初步经验。Finally，评估需要扩展为对技术表现和技术理解的更正式评估，以及对写作的更正式评估。
当今各级教育都处于快速变化的时代。对于任何希望为学生提供最有效学习体验的教师而言，实施基于研究的教学方法是不可避免的。本文提出了一些关于如何在微波电路设计课程中实现这一目标的想法，但这些方法同样适用于许多其他电子设计或类似课程。