憶阻器對電子信息的啟示
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;當電流停止時,該電阻仍舊會停留在當前值。憶阻器的概念提出后,科學(xué)家一直在尋找能夠?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撲結(jié)構(gòu)、無源元件電阻、儲能元件電容及電感等。《大學(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,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,摒棄以分數(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行歸納總結(jié),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。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)變分數(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。
參考文獻:
[1]ChuaLO.Memristor-Themissingcircuitelement[J].IEEETransCircuitTheory,1971,18(5):507-519.
[2]劉東青,程海峰,朱玄,等.憶阻器及其阻變機理研究進展[J].物理學(xué)報,2014,63(18):16-24.
[3]馮平,豆興偉.從憶阻器的發(fā)現(xiàn)看在電工理論的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2012(s1):86-87.
[4]張晨曦,陳艷,儀明東,等.基于憶阻器模擬的突觸可塑性的研究進展[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2018(2):115-142.
[5]趙正平.納電子學(xué)與神經(jīng)形態(tài)芯片的新進展[J].微納電子技術(shù),2018(1):73-83.
[6]殷一民,程海峰,劉東青,等.氧化物憶阻器材料及其阻變機理研究進展[J].電子元件與材料,2016,35(9):9-14.
[7]李清江,劉海軍,徐暉.憶阻器的發(fā)展現(xiàn)狀與未來[J].國防科技,2016,37(6):9-16.
作者:趙波 單位:江蘇師范大學(xué)

責任編輯:電力交易小郭
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