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憶阻器對電子信息的啟示論文
摘要:憶阻器被稱(chēng)為第四種基本電路元件,具有結構簡(jiǎn)單、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn),在高性能存儲器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中展現出良好的應用前景。作為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教師,在關(guān)注憶阻器技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí),更應該思考憶阻器的發(fā)現歷程對專(zhuān)業(yè)教學(xué)的啟示。文章以憶阻器概念的提出和憶阻器元件的發(fā)現為例,結合電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中發(fā)現的問(wèn)題,從教師和學(xué)生的角度,論述啟發(fā)式教學(xué)對激發(fā)學(xué)生探索精神的重要作用。
關(guān)鍵詞:憶阻器;電子信息;教學(xué)
1憶阻器概念的提出
憶阻器是近年來(lái)提出的繼電阻、電感及電容之后的第四種基本電路元件,用于表示磁通與電荷之間的關(guān)系,具有電阻的量綱。與電阻不同之處在于其阻值由流經(jīng)它的電荷確定,從而具有記憶電荷的作用。1971年,憶阻器理論的奠基人、美國加州大學(xué)蔡紹棠教授(LeonChua)在研究電荷、電流、電壓和磁通四者之間的關(guān)系時(shí)(圖1),依據電路基本組合完備性和物理對稱(chēng)性原理,提出在電阻、電容和電感之外,應該還存在一個(gè)代表電荷和磁通之間關(guān)系的元件(缺失的元件)。借助該元件,電阻會(huì )隨著(zhù)通過(guò)的電流量而改變;當電流停止時(shí),該電阻仍舊會(huì )停留在當前值。憶阻器的概念提出后,科學(xué)家一直在尋找能夠實(shí)現憶阻器功能的材料。
2憶阻器元件的發(fā)現
2008年,惠普實(shí)驗室的研究團隊在研究二氧化鈦的電阻特性時(shí),首次在實(shí)驗上證實(shí)憶阻器的存在。憶阻器具有尺寸小、能耗低的優(yōu)點(diǎn),并能夠高效地儲存和處理信息,引起了科技界的研究熱潮。此外,憶阻器是物理上實(shí)現人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )突觸的最好方式,可以模擬經(jīng)驗學(xué)習和記憶等多種生物復雜功能。由于憶阻的非線(xiàn)性性質(zhì),可以產(chǎn)生混沌電路,從而在保密通信中也有很多應用。近年來(lái),制備憶阻器的材料正在多樣化發(fā)展,氧化物、氮化物、固體電解質(zhì),有機聚合物等材料均可實(shí)現憶阻器性能。目前,憶阻器的研究已成為材料、物理、生物、電子等領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn),并呈現多學(xué)科交叉融合的特征。
3電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程與憶阻器的關(guān)聯(lián)
電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)涵蓋電子、信息、通信、控制、計算機等領(lǐng)域,基礎知識面寬、應用廣泛。專(zhuān)業(yè)課程中的《電路分析》、《大學(xué)物理》和《電磁場(chǎng)與電磁波》等均與電路、電場(chǎng)和磁場(chǎng)相關(guān)。其中《電路分析》使學(xué)生掌握電路理論的基本概念、基本定理和基本分析計算方法,在給定電路模型的情況下計算電路中各部分的電流或電壓。電路模型包括電路的拓撲結構、無(wú)源元件電阻、儲能元件電容及電感等!洞髮W(xué)物理》中的電磁學(xué)部分和《電磁場(chǎng)與電磁波》則重點(diǎn)講授電荷、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本規律及其相互之間的關(guān)系。上述三門(mén)課程中,電路的基本要素如電壓、電流、電阻、電容、電感等,電場(chǎng)的基本單元電荷和磁場(chǎng)的基本量磁通,都是課程的基礎知識,需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的。電路、電場(chǎng)、磁場(chǎng)各個(gè)基本量之間的關(guān)系都由簡(jiǎn)單的數學(xué)公式表達,也是課程考核的必然要求。憶阻器正是基于電荷、電流、電壓、磁通四者之間的關(guān)系,考慮到物理對稱(chēng)性而提出的。四者之間理應存在六個(gè)組合關(guān)系式,但是當時(shí)僅有五個(gè)關(guān)系式存在并被廣泛應用,也就是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中的基礎關(guān)系式,唯有磁通和電荷之間沒(méi)有建立關(guān)系式。憶阻器則代表著(zhù)磁通和電荷之間的關(guān)系,完善了四者之間的第六個(gè)關(guān)系式。但是跟很多新的理論一樣,由于缺少實(shí)驗上的驗證,憶阻器概念在提出后很長(cháng)一段時(shí)間,并未受到研究者的關(guān)注。隨著(zhù)半導體制備技術(shù)的進(jìn)步,憶阻器一經(jīng)實(shí)現,便得到迅速發(fā)展。
4課程教學(xué)中存在的問(wèn)題
憶阻器概念的提出是突破性的科研成果,它完善了電路理論,開(kāi)拓了研究人工智能的新模式。憶阻器領(lǐng)域具有重要的科研價(jià)值,但對于高等教育而言,教師和學(xué)生有必要在憶阻器的發(fā)展歷程中,審視自己的角色,查找“教”與“學(xué)”中存在的問(wèn)題:為什么不是我們提出“憶阻器”這個(gè)概念?作為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教師,研讀教材并把握課程的目標體系,了解課程發(fā)展脈絡(luò ),做到居高臨下、高屋建瓴,再靈活應用教學(xué)方法,調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣,即可將專(zhuān)業(yè)知識完美呈現給學(xué)生,使學(xué)生掌握課程大綱規定的教學(xué)內容,從而在課程考核中得到較好的成績(jì)。以電荷、電流、電壓、磁通四者的關(guān)系為例,教師可以采用多種教學(xué)方法,將教材中存在的五個(gè)關(guān)系式以理論和實(shí)驗的形式教授給學(xué)生。特別是《電磁場(chǎng)與電磁波》課程,圍繞電荷、電場(chǎng)、電流、磁場(chǎng)的相互關(guān)系,建立靜態(tài)和交變的電磁方程組,但方程組中缺少電荷和磁場(chǎng)的關(guān)系式。另外,教材中特別提到電場(chǎng)與磁場(chǎng)中各個(gè)物理量的對應關(guān)系,至今沒(méi)有發(fā)現與電荷對應的“磁荷”。因此,該課程具有憶阻器發(fā)現的理論基礎:物理量之間的關(guān)系式和物理對稱(chēng)性關(guān)系,但卻沒(méi)有引起教師的重視,與發(fā)現“憶阻器”失之交臂,值得專(zhuān)業(yè)教師深思。因此,將專(zhuān)業(yè)知識教授給學(xué)生,使學(xué)生掌握課程大綱規定的內容,只能是教育的初級階段,更重要的是如何在教學(xué)過(guò)程中啟發(fā)學(xué)生,發(fā)現問(wèn)題,學(xué)以致用,融會(huì )貫通。相比于注入式教育,啟發(fā)式教育在提高學(xué)生學(xué)習積極性和思維創(chuàng )新能力方面可以起到更大的作用。啟發(fā)式教學(xué)對教師提出了更高的要求。教師在研讀教材的基礎上,通過(guò)梳理課程脈絡(luò ),結合自己的專(zhuān)業(yè)知識,設置情景問(wèn)題,一步步引導學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中獲得知識。比如在《電磁場(chǎng)與電磁波》的教學(xué)過(guò)程中,靜態(tài)電場(chǎng)和磁場(chǎng)講述后,設置開(kāi)放性問(wèn)題:“如何建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系”,從而引導學(xué)生進(jìn)入交變電磁場(chǎng)的學(xué)習。在有關(guān)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基礎知識之后,引導學(xué)生推導電荷、電場(chǎng)、電流、磁場(chǎng)的相互關(guān)系,在強化知識點(diǎn)記憶的基礎上,完善知識體系。
5激發(fā)學(xué)生的探索精神
創(chuàng )新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂,但提到科技創(chuàng )新,很多學(xué)生都覺(jué)得遙不可及,事不關(guān)己,認為創(chuàng )新是科學(xué)家的事情。究其原因就是在專(zhuān)業(yè)知識學(xué)習中缺乏探索精神。好奇是探索的源泉,好奇之心生而有之,當代大學(xué)生不缺乏好奇,但卻很少用于專(zhuān)業(yè)知識的獲取中。因此,在專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中,激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神,是亟待解決的重要問(wèn)題。眾所周知,教學(xué)過(guò)程應貫徹教師為主導、學(xué)生為主體的思想,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習、學(xué)會(huì )求知。教師是實(shí)現學(xué)生自我學(xué)習的引導者和促進(jìn)者,帶領(lǐng)學(xué)生找到學(xué)習的樂(lè )趣,使學(xué)生在教師創(chuàng )設的開(kāi)放問(wèn)題情境中主動(dòng)探求知識,圍繞專(zhuān)業(yè)知識調查搜索、加工處理相關(guān)信息,從而獲得新知識、解決新問(wèn)題,完成知識的更新和躍變。教師的角色至關(guān)重要,不單單承載知識的簡(jiǎn)單傳遞,更重要的是引導學(xué)生釋放探求真知的潛能,這對教師提出了更高要求。教師需要在教材、教法上下功夫,既要涵蓋課程大綱要求的專(zhuān)業(yè)知識點(diǎn),尋找適合學(xué)生探討的話(huà)題,又要把握課堂節奏,有效控制話(huà)題延伸,落實(shí)學(xué)生獲取知識的程度。對于學(xué)生關(guān)心的課程考核,制定鼓勵學(xué)生探索精神的考核方式,采用問(wèn)題論述、課程設計、中期論文等多種方式相結合,不再以單純的試題和參考答案約束學(xué)生的思維能力,摒棄以分數論成敗的傳統觀(guān)念,杜絕高分低能的現象。偏重理論的課程,重點(diǎn)考察學(xué)生對知識的理解能力,以開(kāi)放性問(wèn)題為主導;偏重實(shí)驗的課程,重點(diǎn)考察學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,以課程設計為主導,充分調動(dòng)學(xué)習的主觀(guān)能動(dòng)性,在解決問(wèn)題和設計實(shí)踐中尋找探索的樂(lè )趣,實(shí)現專(zhuān)業(yè)知識的接替。憶阻器的發(fā)現便是科學(xué)家對知識的探索、思考和歸納。
從理論上看,電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對電荷、電流、電壓、磁通非常熟悉,也是專(zhuān)業(yè)必修的基礎知識,教師在講授過(guò)程中也會(huì )進(jìn)行歸納總結,方便學(xué)生理順四者之間的相互關(guān)系。假如教師能在教學(xué)過(guò)程中引導學(xué)生關(guān)注教科書(shū)中唯一尚未建立的電荷和磁通的關(guān)系,雖然學(xué)生未必能提出新的概念,但相信學(xué)生也能在自主學(xué)習中提出自己特有的見(jiàn)解。從實(shí)驗上看,由于材料和器件制備技術(shù)的限制,憶阻器概念提出后相當長(cháng)的一段時(shí)間里發(fā)展緩慢,但科學(xué)家一直在探索,直到2008年惠普公司的研究人員首次做出納米尺寸的憶阻器件,并使得類(lèi)腦計算芯片的研究有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。離開(kāi)探索和思考,創(chuàng )新是不可能成功的,激發(fā)和培養探索精神,是衡量學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識獲取程度的重要指標。探索精神也是學(xué)生學(xué)習和工作的必備能力。有的畢業(yè)生感慨專(zhuān)業(yè)對口工作崗位少,或者自己的工作與大學(xué)期間的課程關(guān)系不大,從而衍生課程無(wú)用論。殊不知,大學(xué)期間培養的知識探究精神和解決問(wèn)題的能力,正是用人單位所希望人才具有的品質(zhì)。任何課程都不可能解決工作中遇到的所有問(wèn)題,唯有不斷探索和創(chuàng )新,才是解決問(wèn)題的金鑰匙。雖然探索精神主要取決于學(xué)生自身的主觀(guān)培育,但教師的啟發(fā)和課程考核方式的指引也會(huì )起到推動(dòng)作用。目前憶阻器的研究如火如荼,但由憶阻器組建電路實(shí)現新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統尚有難度,有待我們發(fā)揮探索精神,實(shí)現憶阻器的理論和實(shí)踐創(chuàng )新。
6總結
電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的設置具備憶阻器概念提出的理論基礎,但憶阻器卻不是由國內本專(zhuān)業(yè)的教師和學(xué)生提出的,暴露出專(zhuān)業(yè)教學(xué)和學(xué)習中存在的缺乏創(chuàng )新意識的問(wèn)題。專(zhuān)業(yè)教學(xué)應該轉變分數至上、重在解題的錯誤觀(guān)念,教學(xué)過(guò)程應以啟發(fā)式教學(xué)為主,改革課程考核方式,著(zhù)重激發(fā)學(xué)生的探索精神,適應新時(shí)代人才培養的要求。
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