憶阻器對電子信息的啟示論文
摘要：憶阻器被稱為第四種基本電路元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、易于集成等優(yōu)點，在高性能存儲器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。作為電子信息類專業(yè)的教師，在關(guān)注憶阻器技術(shù)迅速發(fā)展的同時，更應(yīng)該思考憶阻器的發(fā)現(xiàn)歷程對專業(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(xiàn)為例，結(jié)合電子信息類專業(yè)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，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（圖1），依據(jù)電路基本組合完備性和物理對稱性原理，提出在電阻、電容和電感之外，應(yīng)該還存在一個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，電阻會隨著通過的電流量而改變；當(dāng)電流停止時，該電阻仍舊會停留在當(dāng)前值。憶阻器的概念提出后，科學(xué)家一直在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)憶阻器功能的材料。
2憶阻器元件的發(fā)現(xiàn)
2008年，惠普實驗室的研究團(tuán)隊在研究二氧化鈦的電阻特性時，首次在實驗上證實憶阻器的存在。憶阻器具有尺寸小、能耗低的優(yōu)點，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，憶阻器是物理上實現(xiàn)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(xí)和記憶等多種生物復(fù)雜功能。由于憶阻的非線性性質(zhì)，可以產(chǎn)生混沌電路，從而在保密通信中也有很多應(yīng)用。近年來，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(jī)聚合物等材料均可實現(xiàn)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，并呈現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的特征。
3電子信息類專業(yè)課程與憶阻器的關(guān)聯(lián)
電子信息類專業(yè)涵蓋電子、信息、通信、控制、計算機(jī)等領(lǐng)域，基礎(chǔ)知識面寬、應(yīng)用廣泛。專業(yè)課程中的《電路分析》、《大學(xué)物理》和《電磁場與電磁波》等均與電路、電場和磁場相關(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無源元件電阻、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《電磁場與電磁波》則重點講授電荷、電場和磁場的基本規(guī)律及其相互之間的關(guān)系。上述三門課程中，電路的基本要素如電壓、電流、電阻、電容、電感等，電場的基本單元電荷和磁場的基本量磁通，都是課程的基礎(chǔ)知識，需要學(xué)生重點掌握的。電路、電場、磁場各個基本量之間的關(guān)系都由簡單的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，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，考慮到物理對稱性而提出的。四者之間理應(yīng)存在六個組合關(guān)系式，但是當(dāng)時僅有五個關(guān)系式存在并被廣泛應(yīng)用，也就是電子信息類專業(yè)課程中的基礎(chǔ)關(guān)系式，唯有磁通和電荷之間沒有建立關(guān)系式。憶阻器則代表著磁通和電荷之間的關(guān)系，完善了四者之間的第六個關(guān)系式。但是跟很多新的理論一樣，由于缺少實驗上的驗證，憶阻器概念在提出后很長一段時間，并未受到研究者的關(guān)注。隨著半導(dǎo)體制備技術(shù)的進(jìn)步，憶阻器一經(jīng)實現(xiàn)，便得到迅速發(fā)展。
4課程教學(xué)中存在的問題
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)”中存在的問題：為什么不是我們提出“憶阻器”這個概念？作為電子信息類專業(yè)的教師，研讀教材并把握課程的目標(biāo)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(yīng)用教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，即可將專業(yè)知識完美呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生掌握課程大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，從而在課程考核中得到較好的成績。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關(guān)系式以理論和實驗的形式教授給學(xué)生。特別是《電磁場與電磁波》課程，圍繞電荷、電場、電流、磁場的相互關(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的關(guān)系式。另外，教材中特別提到電場與磁場中各個物理量的對應(yīng)關(guān)系，至今沒有發(fā)現(xiàn)與電荷對應(yīng)的“磁荷”。因此，該課程具有憶阻器發(fā)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)：物理量之間的關(guān)系式和物理對稱性關(guān)系，但卻沒有引起教師的重視，與發(fā)現(xiàn)“憶阻器”失之交臂，值得專業(yè)教師深思。因此，將專業(yè)知識教授給學(xué)生，使學(xué)生掌握課程大綱規(guī)定的內(nèi)容，只能是教育的初級階段，更重要的是如何在教學(xué)過程中啟發(fā)學(xué)生，發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)以致用，融會貫通。相比于注入式教育，啟發(fā)式教育在提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(chǔ)上，通過梳理課程脈絡(luò)，結(jié)合自己的專業(yè)知識，設(shè)置情景問題，一步步引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中獲得知識。比如在《電磁場與電磁波》的教學(xué)過程中，靜態(tài)電場和磁場講述后，設(shè)置開放性問題：“如何建立電場和磁場之間的關(guān)系”，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入交變電磁場的學(xué)習(xí)。在有關(guān)電場和磁場的基礎(chǔ)知識之后，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)電荷、電場、電流、磁場的相互關(guān)系，在強(qiáng)化知識點記憶的基礎(chǔ)上，完善知識體系。
5激發(fā)學(xué)生的探索精神
創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，但提到科技創(chuàng)新，很多學(xué)生都覺得遙不可及，事不關(guān)己，認(rèn)為創(chuàng)新是科學(xué)家的事情。究其原因就是在專業(yè)知識學(xué)習(xí)中缺乏探索精神。好奇是探索的源泉，好奇之心生而有之，當(dāng)代大學(xué)生不缺乏好奇，但卻很少用于專業(yè)知識的獲取中。因此，在專業(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題。眾所周知，教學(xué)過程應(yīng)貫徹教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的思想，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、學(xué)會求知。教師是實現(xiàn)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和促進(jìn)者，帶領(lǐng)學(xué)生找到學(xué)習(xí)的樂趣，使學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的開放問題情境中主動探求知識，圍繞專業(yè)知識調(diào)查搜索、加工處理相關(guān)信息，從而獲得新知識、解決新問題，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單傳遞，更重要的是引導(dǎo)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業(yè)知識點，尋找適合學(xué)生探討的話題，又要把握課堂節(jié)奏，有效控制話題延伸，落實學(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，采用問題論述、課程設(shè)計、中期論文等多種方式相結(jié)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?jǐn)?shù)論成敗的傳統(tǒng)觀念，杜絕高分低能的現(xiàn)象。偏重理論的課程，重點考察學(xué)生對知識的理解能力，以開放性問題為主導(dǎo)；偏重實驗的課程，重點考察學(xué)生解決實際問題的能力，以課程設(shè)計為主導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)習(xí)的主觀能動性，在解決問題和設(shè)計實踐中尋找探索的樂趣，實現(xiàn)專業(yè)知識的接替。憶阻器的發(fā)現(xiàn)便是科學(xué)家對知識的探索、思考和歸納。
從理論上看，電子信息類專業(yè)的學(xué)生對電荷、電流、電壓、磁通非常熟悉，也是專業(yè)必修的基礎(chǔ)知識，教師在講授過程中也會進(jìn)行歸納總結(jié)，方便學(xué)生理順?biāo)恼咧g的相互關(guān)系。假如教師能在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注教科書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(xí)中提出自己特有的見解。從實驗上看，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(dāng)長的一段時間里發(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，并使得類腦計算芯片的研究有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。離開探索和思考，創(chuàng)新是不可能成功的，激發(fā)和培養(yǎng)探索精神，是衡量學(xué)生專業(yè)知識獲取程度的重要指標(biāo)。探索精神也是學(xué)生學(xué)習(xí)和工作的必備能力。有的畢業(yè)生感慨專業(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，從而衍生課程無用論。殊不知，大學(xué)期間培養(yǎng)的知識探究精神和解決問題的能力，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題，唯有不斷探索和創(chuàng)新，才是解決問題的金鑰匙。雖然探索精神主要取決于學(xué)生自身的主觀培育，但教師的啟發(fā)和課程考核方式的指引也會起到推動作用。目前憶阻器的研究如火如荼，但由憶阻器組建電路實現(xiàn)新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)尚有難度，有待我們發(fā)揮探索精神，實現(xiàn)憶阻器的理論和實踐創(chuàng)新。
6總結(jié)
電子信息類專業(yè)課程的設(shè)置具備憶阻器概念提出的理論基礎(chǔ)，但憶阻器卻不是由國內(nèi)本專業(yè)的教師和學(xué)生提出的，暴露出專業(yè)教學(xué)和學(xué)習(xí)中存在的缺乏創(chuàng)新意識的問題。專業(yè)教學(xué)應(yīng)該轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)至上、重在解題的錯誤觀念，教學(xué)過程應(yīng)以啟發(fā)式教學(xué)為主，改革課程考核方式，著重激發(fā)學(xué)生的探索精神，適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)的要求。
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