忆阻器对电子信息的启示论文.doc

忆阻器对电子信息的启示论文 摘要：忆阻器被称为第四种基本电路元件具有结构简单、功耗低、易于集成等优点在高性能存储器和神经网络中展现出良好的应用前景作为电子信息类专业的教师在关注忆阻器技术迅速发展的同时更应该思考忆阻器的发现历程对专业教学的启示文章以忆阻器概念的提出和忆阻器元件的发现为例结合电子信息类专业教学中发现的问题从教师和学生的角度论述启发式教学对激发学生探索精神的重要作用 关键词：忆阻器；电子信息；教学 1忆阻器概念的提出 忆阻器是近年来提出的继电阻、电感及电容之后的第四种基本电路元件用于表示磁通与电荷之间的关系具有电阻的量纲与电阻不同之处在于其阻值由流经它的电荷确定从而具有记忆电荷的作用1971年忆阻器理论的奠基人、美国加州大学蔡绍棠教授（LeonChua）在研究电荷、电流、电压和磁通四者之间的关系时（图1）依据电路基本组合完备性和物理对称性原理提出在电阻、电容和电感之外应该还存在一个代表电荷和磁通之间关系的元件（缺失的元件）借助该元件电阻会随着通过的电流量而改变；当电流停止时该电阻仍旧会停留在当前值忆阻器的概念提出后科学家一直在寻找能够实现忆阻器功能的材料 2忆阻器元件的发现 年惠普实验室的研究团队在研究二氧化钛的电阻特性时首次在实验上证实忆阻器的存在忆阻器具有尺寸小、能耗低的优点并能够高效地储存和处理信息引起了科技界的研究热潮此外忆阻器是物理上实现人工神经网络突触的最好方式可以模拟经验学习和记忆等多种生物复杂功能由于忆阻的非线性性质可以产生混沌电路从而在保密通信中也有很多应用近年来制备忆阻器的材料正在多样化发展氧化物、氮化物、固体电解质有机聚合物等材料均可实现忆阻器性能目前忆阻器的研究已成为材料、物理、生物、电子等领域的前沿和热点并呈现多学科交叉融合的特征 3电子信息类专业课程与忆阻器的关联 电子信息类专业涵盖电子、信息、通信、控制、计算机等领域基础知识面宽、应用广泛专业课程中的电路分析、大学物理和电磁场与电磁波等均与电路、电场和磁场相关其中电路分析使学生掌握电路理论的基本概念、基本定理和基本分析计算方法在给定电路模型的情况下计算电路中各部分的电流或电压电路模型包括电路的拓扑结构、无源元件电阻、储能元件电容及电感等大学物理中的电磁学部分和电磁场与电磁波则重点讲授电荷、电场和磁场的基本规律及其相互之间的关系上述三门课程中电路的基本要素如电压、电流、电阻、电容、电感等电场的基本单元电荷和磁场的基本量磁通都是课程的基础知识需要学生重点掌握的电路、电场、磁场各个基本量之间的关系都由简单的数学公式表达也是课程考核的必然要求忆阻器正是基于电荷、电流、电压、磁通四者之间的关系考虑到物理对称性而提出的四者之间理应存在六个组合关系式但是当时仅有五个关系式存在并被广泛应用也就是电子信息类专业课程中的基础关系式唯有磁通和电荷之间没有建立关系式忆阻器则代表着磁通和电荷之间的关系完善了四者之间的第六个关系式但是跟很多新的理论一样由于缺少实验上的验证忆阻器概念在提出后很长一段时间并未受到研究者的关注随着半导体制备技术的进步忆阻器一经实现便得到迅速发展 4课程教学中存在的问题 忆阻器概念的提出是突破性的科研成果它完善了电路理论开拓了研究人工智能的新模式忆阻器领域具有重要的科研价值但对于高等教育而言教师和学生有必要在忆阻器的发展历程中审视自己的角色查找“教”与“学”中存在的问题：为什么不是我们提出“忆阻器”这个概念作为电子信息类专业的教师研读教材并把握课程的目标体系了解课程发展脉络做到居高临下、高屋建瓴再灵活应用教学方法调动学生的学习兴趣即可将专业知识完美呈现给学生使学生掌握课程大纲规定的教学内容从而在课程考核中得到较好的成绩以电荷、电流、电压、磁通四者的关系为例教师可以采用多种教学方法将教材中存在的五个关系式以理论和实验的形式教授给学生特别是电磁场与电磁波课程围绕电荷、电场、电流、磁场的相互关系建立静态和交变的电磁方程组但方程组中缺少电荷和磁场的关系式另外教材中特别提到电场与磁场中各个物理量的对应关系至今没有发现与电荷对应的“磁荷”因此该课程具有忆阻器发现的理论基础：物理量之间的关系式和物理对称性关系但却没有引起教师的重视与发现“忆阻器”失之交臂值得专业教师深思因此将专业知识教授给学生使学生掌握课程大纲规定的内容只能是教育的初级阶段更重要的是如何在教学过程中启发学生发现问题学以致用融会贯通相比于注入式教育启发式教育在提高学生学习积极性和思维创新能力方面可以起到更大的作用启发式教学对教师提出了更高的要求教师在研读教材的基础上通过梳理课程脉络结合自己的专业知识设置情景问题一步步引导学生在解决问题的过程中获得知识比如在电磁场与电磁波的教学过程中静态电场和磁场讲述后设置开放性问题：“如何建立电场和磁场之间的关系”从而引导学生进入交变电磁场的学习在有关电场和磁场的基础知识之后引导学生推导电荷、电场、电流、磁场的相互关系在强化知识点记忆的基础上完善知识体系 5激发学生的探索精神 从理论上看电子信息类专业的学生对电荷、电流、电压、磁通非常熟悉也是专业必修的基础知识教师在讲授过程中也会进行归纳总结方便学生理顺四者之间的相互关系假如教师能在教学过程中引导学生关注教科书中唯一尚未建立的电荷和磁通的关系虽然学生未必能提出新的概念但相信学生也能在自主学习中提出自己特有的见解从实验上看由于材料和器件制备技术的限制忆阻器概念提出后相当长的一段时间里发展缓慢但科学家一直在探索直到年惠普公司的研究人员首次做出纳米尺寸的忆阻器件并使得类脑计算芯片的研究有了突飞猛进的发展离开探索和思考创新是不可能成功的激发和培养探索精神是衡量学生专业知识获取程度的重要指标探索精神也是学生学习和工作的必备能力有的毕业生感慨专业对口工作岗位少或者自己的工作与大学期间的课程关系不大从而衍生课程无用论殊不知大学期间培养的知识探究精神和解决问题的能力正是用人单位所希望人才具有的品质任何课程都不可能解决工作中遇到的所有问题唯有不断探索和创新才是解决问题的金钥匙虽然探索精神主要取决于学生自身的主观培育但教师的启发和课程考核方式的指引也会起到推动作用目前忆阻器的研究如火如荼但由忆阻器组建电路实现新型神经网络系统尚有难度有待我们发挥探索精神实现忆阻器的理论和实践创新 6总结 电子