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，具有結構簡單、功耗低、易于集成等優點，在高性能存儲器和神經網絡中展現出良好的應用前景。作為電子信息類專業的教師，在關注憶阻器技術迅速發展的同時，更應該思考憶阻器的發現歷程對專業教學的啟示。文章以憶阻器概念的提出和憶阻器元件的發現為例，結合電子信息類專業教學中發現的問題，從教師和學生的角度，論述啟發式教學對激發學生探索精神的重要作用。
關鍵詞：憶阻器；電子信息；教學
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系，具有電阻的量綱。與電阻不同之處在于其阻值由流經它的電荷確定，從而具有記憶電荷的作用。1971年，憶阻器理論的奠基人、美國加州大學蔡紹棠教授（LeonChua）在研究電荷、電流、電壓和磁通四者之間的關系時（圖1），依據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，應該還存在一個代表電荷和磁通之間關系的元件（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，科學家一直在尋找能夠實現憶阻器功能的材料。
2憶阻器元件的發現
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人工神經網絡突觸的最好方式，可以模擬經驗學習和記憶等多種生物復雜功能。由于憶阻的非線性性質，可以產生混沌電路，從而在保密通信中也有很多應用。近年來，制備憶阻器的材料正在多樣化發展，氧化物、氮化物、固體電解質，有機聚合物等材料均可實現憶阻器性能。目前，憶阻器的研究已成為材料、物理、生物、電子等領域的前沿和熱點，并呈現多學科交叉融合的特征。
3電子信息類專業課程與憶阻器的關聯
電子信息類專業涵蓋電子、信息、通信、控制、計算機等領域，基礎知識面寬、應用廣泛。專業課程中的《電路分析》、《大學物理》和《電磁場與電磁波》等均與電路、電場和磁場相關。其中《電路分析》使學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、無源元件電阻、儲能元件電容及電感等�！洞髮W物理》中的電磁學部分和《電磁場與電磁波》則重點講授電荷、電場和磁場的基本規律及其相互之間的關系。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，都是課程的基礎知識，需要學生重點掌握的。電路、電場、磁場各個基本量之間的關系都由簡單的數學公式表達，也是課程考核的必然要求。憶阻器正是基于電荷、電流、電壓、磁通四者之間的關系，考慮到物理對稱性而提出的。四者之間理應存在六個組合關系式，但是當時僅有五個關系式存在并被廣泛應用，也就是電子信息類專業課程中的基礎關系式，唯有磁通和電荷之間沒有建立關系式。憶阻器則代表著磁通和電荷之間的關系，完善了四者之間的第六個關系式。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注。隨著半導體制備技術的進步，憶阻器一經實現，便得到迅速發展。
4課程教學中存在的問題
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。憶阻器領域具有重要的科研價值，但對于高等教育而言，教師和學生有必要在憶阻器的發展歷程中，審視自己的角色，查找“教”與“學”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的教師，研讀教材并把握課程的目標體系，了解課程發展脈絡，做到居高臨下、高屋建瓴，再靈活應用教學方法，調動學生的學習興趣，即可將專業知識完美呈現給學生，使學生掌握課程大綱規定的教學內容，從而在課程考核中得到較好的成績。以電荷、電流、電壓、磁通四者的關系為例，教師可以采用多種教學方法，將教材中存在的五個關系式以理論和實驗的形式教授給學生。特別是《電磁場與電磁波》課程，圍繞電荷、電場、電流、磁場的相互關系，建立靜態和交變的'電磁方程組，但方程組中缺少電荷和磁場的關系式。另外，教材中特別提到電場與磁場中各個物理量的對應關系，至今沒有發現與電荷對應的“磁荷”。因此，該課程具有憶阻器發現的理論基礎：物理量之間的關系式和物理對稱性關系，但卻沒有引起教師的重視，與發現“憶阻器”失之交臂，值得專業教師深思。因此，將專業知識教授給學生，使學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過程中啟發學生，發現問題，學以致用，融會貫通。相比于注入式教育，啟發式教育在提高學生學習積極性和思維創新能力方面可以起到更大的作用。啟發式教學對教師提出了更高的要求。教師在研讀教材的基礎上，通過梳理課程脈絡，結合自己的專業知識，設置情景問題，一步步引導學生在解決問題的過程中獲得知識。比如在《電磁場與電磁波》的教學過程中，靜態電場和磁場講述后，設置開放性問題：“如何建立電場和磁場之間的關系”，從而引導學生進入交變電磁場的學習。在有關電場和磁場的基礎知識之后，引導學生推導電荷、電場、電流、磁場的相互關系，在強化知識點記憶的基礎上，完善知識體系。
5激發學生的探索精神
創新是一個民族進步的靈魂，但提到科技創新，很多學生都覺得遙不可及，事不關己，認為創新是科學家的事情。究其原因就是在專業知識學習中缺乏探索精神。好奇是探索的源泉，好奇之心生而有之，當代大學生不缺乏好奇，但卻很少用于專業知識的獲取中。因此，在專業課程教學中，激發學生的求知欲和探索精神，是亟待解決的重要問題。眾所周知，教學過程應貫徹教師為主導、學生為主體的思想，促進學生自主學習、學會求知。教師是實現學生自我學習的引導者和促進者，帶領學生找到學習的樂趣，使學生在教師創設的開放問題情境中主動探求知識，圍繞專業知識調查搜索、加工處理相關信息，從而獲得新知識、解決新問題，完成知識的更新和躍變。教師的角色至關重要，不單單承載知識的簡單傳遞，更重要的是引導學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知識點，尋找適合學生探討的話題，又要把握課堂節奏，有效控制話題延伸，落實學生獲取知識的程度。對于學生關心的課程考核，制定鼓勵學生探索精神的考核方式，采用問題論述、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生的思維能力，摒棄以分數論成敗的傳統觀念，杜絕高分低能的現象。偏重理論的課程，重點考察學生對知識的理解能力，以開放性問題為主導；偏重實驗的課程，重點考察學生解決實際問題的能力，以課程設計為主導，充分調動學習的主觀能動性，在解決問題和設計實踐中尋找探索的樂趣，實現專業知識的接替。憶阻器的發現便是科學家對知識的探索、思考和歸納。
從理論上看，電子信息類專業的學生對電荷、電流、電壓、磁通非常熟悉，也是專業必修的基礎知識，教師在講授過程中也會進行歸納總結，方便學生理順四者之間的相互關系。假如教師能在教學過程中引導學生關注教科書中唯一尚未建立的電荷和磁通的關系，雖然學生未必能提出新的概念，但相信學生也能在自主學習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的限制，憶阻器概念提出后相當長的一段時間里發展緩慢，但科學家一直在探索，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展。離開探索和思考，創新是不可能成功的，激發和培養探索精神，是衡量學生專業知識獲取程度的重要指標。探索精神也是學生學習和工作的必備能力。有的畢業生感慨專業對口工作崗位少，或者自己的工作與大學期間的課程關系不大，從而衍生課程無用論。殊不知，大學期間培養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。任何課程都不可能解決工作中遇到的所有問題，唯有不斷探索和創新，才是解決問題的金鑰匙。雖然探索精神主要取決于學生自身的主觀培育，但教師的啟發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新型神經網絡系統尚有難度，有待我們發揮探索精神，實現憶阻器的理論和實踐創新。
6總結
電子信息類專業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業的教師和學生提出的，暴露出專業教學和學習中存在的缺乏創新意識的問題。專業教學應該轉變分數至上、重在解題的錯誤觀念，教學過程應以啟發式教學為主，改革課程考核方式，著重激發學生的探索精神，適應新時代人才培養的要求。
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