忆阻器对电子信息的启示

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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

2008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

创新是一个民族进步的灵魂，但提到科技创新，很多学生都觉得遥不可及，事不关己，认为创新是科学家的事情。究其原因就是在专业知识学习中缺乏探索精神。好奇是探索的源泉，好奇之心生而有之，当代大学生不缺乏好奇，但却很少用于专业知识的获取中。因此，在专业课程教学中，激发学生的求知欲和探索精神，是亟待解决的重要问题。众所周知，教学过程应贯彻教师为主导、学生为主体的思想，促进学生自主学习、学会求知。教师是实现学生自我学习的引导者和促进者，带领学生找到学习的乐趣，使学生在教师创设的开放问题情境中主动探求知识，围绕专业知识调查搜索、加工处理相关信息，从而获得新知识、解决新问题，完成知识的更新和跃变。教师的角色至关重要，不单单承载知识的简单传递，更重要的是引导学生释放探求真知的潜能，这对教师提出了更高要求。教师需要在教材、教法上下功夫，既要涵盖课程大纲要求的专业知识点，寻找适合学生探讨的话题，又要把握课堂节奏，有效控制话题延伸，落实学生获取知识的程度。对于学生关心的课程考核，制定鼓励学生探索精神的考核方式，采用问题论述、课程设计、中期论文等多种方式相结合，不再以单纯的试题和参考答案约束学生的思维能力，摒弃以分数论成败的传统观念，杜绝高分低能的现象。偏重理论的课程，重点考察学生对知识的理解能力，以开放性问题为主导；偏重实验的课程，重点考察学生解决实际问题的能力，以课程设计为主导，充分调动学习的主观能动性，在解决问题和设计实践中寻找探索的乐趣，实现专业知识的接替。忆阻器的发现便是科学家对知识的探索、思考和归纳。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2008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

电子信息类专业课程的设置具备忆阻器概念提出的理论基础，但忆阻器却不是由国内本专业的教师和学生提出的，暴露出专业教学和学习中存在的缺乏创新意识的问题。专业教学应该转变分数至上、重在解题的错误观念，教学过程应以启发式教学为主，改革课程考核方式，着重激发学生的探索精神，适应新时代人才培养的要求。

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作者:赵波 单位:江苏师范大学