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科學和技術論文范文1
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處。總而言之，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結構的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結構的功能性質相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術路徑來制造納米結構。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結構來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結構的優化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統而帶來的優點。怎樣優化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經預刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰性的技術難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統光刻所能達到的精度極限。有幾項技術可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通常可以用來制作特征尺度小至50納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術。但不同于電子束光刻的是這種技術并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復制鑄模法的可能優點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優點是不需要加熱。納米壓印術已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。
IV．納米制造所面對的困難和挑戰
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件。現在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
V.展望
科學和技術論文范文2
現代信息技術與學科教學的融合徹底改變了教師在教學活動中的權威地位，建立一種以學生為主體，教師為主導的新型師生關系，將教與學融為一體，營造和諧、高效的教學環境，實現教與學過程的可視化、互動化、智能化和個性化。教師從傳統的研究教學內容轉移到研究學生及其提出問題、解決問題上來，著重課前問題的創設和課中靈活的操控，運用多種教學策略，積極開發課程資源，讓學生在協作、探究的實踐中發現問題、解決問題，使學生成為學習的主人，教師只是學生學習的“陪伴者”、個別學生的“輔導者”、課堂交流和實驗教學活動的“組織者”。教師引導學生學會學習，為學生提供更多的時間和空間，為學生創造更多的實踐和協作探究的機會，使學生通過相互協作、探究來獲取知識，培養自我學習及獲取信息和知識的能力。教師要注重創設一個民主、寬松、和諧、愉悅的學習環境，時時、人人有提問、發表、交流、展示的機會，組織好學習過程，使每個學生都能獨立思考；組織好合作學習，既做到在互動中把學習引向深入，又做到因材施教，加強個別輔導；組織好全班交流，在交流中加強引導、調控，提高學習的效果；引導學生善于發現問題、分析問題、解決問題，全面提升學生的綜合素養。
二、現代信息技術與學生的學習方式相融合，創設學習情境，發展信息素養
現代信息技術與學科教學的融合強調以學生學習為中心，以學生以往的經驗和知識為支撐，幫助學生“內化”，促進舊知識遷移，新知識形成。信息技術是作為學生獲取信息、探索問題、合作學習、解決問題和構建知識的認知工具、情感激勵工具，而不僅僅是教師的演示工具?？茖W的運用信息技術，教師要從學生已有的知識能力出發，在學生已有的生活經驗與給定目標之間設置障礙，創設各種有效的情景化學習環境，讓學生根據自己的興趣愛好和知識能力，自由選擇適合自己認知風格的學習資源，通過“身臨其境”來獲取真實體驗，誘發內心發現問題、解決問題的學習意愿，激發創造性思維意識，積極主動探究解決問題。這樣的自主、探究的學習方式符合現代學生的學習心理特點，學生可以在一種積極有效、輕松愉快的氣氛中學習，像扮演游戲角色一樣置身其中，學生不僅學會、會學，而且學生好學、樂學，從而達到一種輕松愉快高質高效的學習效果。學生還可以在網上與老師、同學和朋友直接對話和交流，在論壇中發表存在的問題、追尋解決方案、答疑解惑，通過微信、微博、QQ、電子郵件等通訊工具向一些專家學者請教，交流面變大，知識面變廣，實現自主、合作、探究式學習，學會發現、構想和綜合應用，同時培養學生的信息素養以及創造能力。
三、現代信息技術與教學的評價方式的融合，拓寬評價渠道，達成學習目標
評價和反饋是現代信息技術與學科教學融合中不可或缺少的環節。在傳統教學中，評價方式往往是由教師組織的對學生的評價即師評，比如批改作業、階段性測試等，學生自評和互評很少。而自評、互評這兩種評價對學生體驗學習成就感、激發學生學習興趣是非常有效的。在現代信息技術環境下，教師運用專用評測軟件、評測管理系統平臺等工具，可以及時準確地對學生階段性的學習結果進行判斷，重要的是可以如實地記錄下教與學的軌跡。教師可以全面跟蹤、掌握學生的學習行為、學習過程和學習特點等信息，從而可以有針對性地對學生學習過程中的表現和出現的一些偏離學習目標的情況，及時調整教學策略和學習方案等，以滿足學生個性化的學習需求，使學生在學習過程中獲得更好的個性化學習體驗。更為重要的是，學生可以利用信息技術所記錄的個人學習成長過程情況，進行自我評價、小組評價、教師評價和家長評價，根據評價及時調整學習方向和學習重點，以便更好地達到預期學習目標。
科學和技術論文范文3
關鍵詞： 信息技術 語文學科 整合 創新
21世紀是信息化時代，信息技術已經滲透到社會生活的方方面面，基礎教育也必然受到其深刻影響。傳統教育因教育因教學形式單一，教學手段落后，效率低下，日益顯示其弊端，大膽地進行教學手段革新，運用現代化的信息技術手段輔助教學，努力提高教學信息化水平，強化課堂教學效果的呼聲越來越高。
提高教育信息化水平，促進語文教學與計算機教學的有機融合，激發學生學習語文的興趣，增加課堂的容量，大力提高語文學科教學質量，是當前語文教學實踐中需要解決的一個現實問題。
語文老師緊緊抓住提高學生素質和教學質量這一中心任務，努力探索信息技術與語文學科整合的契合點，認真做好以下幾方面工作。
一、要充分認識信息技術與語文學科的優化整合的重要性
當今世界，信息化是社會發展的必然要求，教育信息化也將成為教育發展的總趨勢。可是，傳統教育模式對我國教育的影響仍然很大，素質教育口號已經提出來，但實施起來難度很大，不少學生厭學情緒嚴重，語文課堂仍然是方法簡單，結構單一，效率低下。實現信息技術與學科教學工作的優化整合，全面推動素質教育的實施，是改變這一現狀的一條最佳途徑。信息技術的運用會帶來語文課堂教學的一系列變化：首先是教學方式的變化，其次是教師角色的變化，再次是學生思維過程的變化。
信息技術教育是語文學科教育的重要輔助手段。在語文學科教學過程中，適當地運用現代信息技術手段，既能拓寬學生的視野和知識面，又能促進語文學習的綜合效應，改善學生參與語文教學的條件，提高學習興趣，增強學生自主學習能力與創新精神。語文教學與信息技術教育的整合，可以極大地拓展語文教學空間，為師生提供直觀和便捷的教學手段，讓師生在教學中多向互動，共享優質的教育資源，從而大大提高語文教學質量。
二、如何讓信息技術與語文學科實現優化整合
信息技術與語文學科的優化整合才能充分發揮現代信息技術優勢，信息技術與語文學科教學過程融合在一起，可以加深學生對語文學科學習內容的理解，更好地培養學生的素質、認知能力和創新能力。
只有實現信息技術與語文學科的優化整合，才能使學生更好地掌握語文知識，利用現代信息技術手段及時獲取信息，分析、綜合并熟練表達信息。
為了最大限度地優化整合信息技術與語文學科教學，我們必須找準二者的最佳整合點：
1.要優化整合課堂教學資源
多媒體教學對語文學習極為重要。我充分利用最新的“班班通”教學設備，搜集整理網上教育資源，對“無憂無慮語文網”、“真語文網”、“yuwen789”、“優教通網”、“福建教育資源公共服務平臺”、“網易教育頻道”、“搜狐教育頻道”等網站上的有關資料進行下載，加以分類整理，并不斷更新，建立自己系統的教學資源庫和學生教學資源庫。
我努力嘗試在語文教學中運用信息技術手段。例如，在教學《蘇州園林》時，為了讓身處學生對文中的意境有直觀體會，我從網上下載了一些蘇州園林的圖片提供給學生參考，使學生得到真實而直觀的體驗，提高閱讀說明文的興趣。又如，在教學戲劇《放下你的鞭子》一課中，播放相關影音資料，并和學生一起交流、欣賞劇中演員的精彩表演。這樣，有效拓寬了學生視野，激發了學生自主學習興趣。
網絡環境下的課堂教學，我與學生之間進行了充分交流，努力營造融洽、活躍、雙向交流的課堂氣氛，提高學生參與欲望，激發學生創新思維，培養學生的自主探究能力。
2.指導學生課外自主學習
課外自主學習是課堂教學的延伸和必要補充。利用好網絡信息平臺，師生可以共享優質教育資源。
我在網上指導學生自學，我把語文閱讀方法的材料和課件在班級公共郵箱、QQ郵箱或班級微信平臺上，并下載了多部課文影音資料，刻錄在光盤上，免費供學生使用，使部分條件好的學生可以利用家中電腦播放多媒體課件，自主復習學過的知識，理清知識點之間的相互關系。通過我精心設計的習題鞏固學到的知識，學生還可以結合自身情況，掌握學習進度和內容，最大限度地提高學習有效性。
社會的發展，網絡的普及要求我們培養出具備多種渠道獲取信息能力的人才。因此，我們必須最大限度地優化整合信息技術與語文學科教學，讓學生從網絡資源中學到豐富多彩的知識。我們必須努力培養學生的問題意識、實踐能力及創新精神，讓全體學生的整體素質和能力都得到全面的、和諧發展。
3.及時反饋教育信息
語文教師要教會學生正確運用祖國的語言文字。為完成這一任務，必須加快教學過程中的考試反饋速度。我認真研讀《語文課程標準》（2011年修訂版），對學生在每個階段、每個學期、每個學年所必須掌握的教學內容，所必須具備的各種能力做到心里有數，只有這樣，才能適時調整教學方式、進度、難易度，避免在教學中出現偏差。
為了迅速及時地反饋學生學習情況，我們可以借助計算機網絡，在網絡環境下運用教學測評系統組題、評測；學生作完試題后，可以利用網絡進行試題正誤的初步估算并找出原因。教師可以在最短時間內分析試題，得出正確結論，進而指導自己的教學，從而取得良好效果。
三、學科整合要求高素質的語文教師
新時代的到來、新技術的應用對語文老師提出了更高要求。
1.要有相應的理論素養
語文教師要認真學習新課程理論，吸收他人研究成果，積極參加教育理論的進修培訓，接受先進的教育理論，用先進理論武裝頭腦，用先進理論指導教學實踐，做研究型教師、專家型教師。
2.要具備教學基本功
教師必須具備研究教材，創造性地使用教材的基本功。采取不同的教學方法，選擇最佳教學內容，采用最佳的教學方式，從而達到最理想的教學效果。
3.要掌握高超的授課藝術
教師必須通過自學或進修培訓，熟練掌握多媒體教學手段，讓信息技術與學科課程完美整合，提高授課藝術，努力構建高效課堂。
4.要掌握設計和制作多媒體課件的能力
教師必須能夠獨立制作出符合學生實際的多媒體作品，在授課過程中才能應用自如。
5.要加強師生雙方的互動活動
在信息技術輔助語文教學過程中，必須充分發揮學生主體性和教師主導性，鼓勵學生積極參與教學整個過程，倡導教學過程中的雙向和多向互動，同時教師適時地加以指導、點撥，力求做到精講和善導，以強化課堂教學效果。
四、學科整合必須遵循幾個基本原則
1.科學性原則
科學性原則主要有兩個方面內涵：一是教育理論，二是設計制作。
教育理論要科學合理，符合教育規律。設計制作也要符合學生認知規律，結構合理，操作便捷。語文教學課件的制作應特別注意這一點。課件的知識體系要科學和完整，內容要正確和規范，不能漏洞百出，不能對學生有誤導作用。
2.適用性原則
適用性包括信息技術應用的適用性和教學過程的適用性兩個方面。不論利用網絡還是制作課件，都要根據教學目標，依據學生認知規律，完成各種資源素材的選擇和教學內容的確定，并就結構安排和呈現方式提出最佳方案，最終完成制作。
現代信息技術手段始終只是一種重要的教學輔助手段，教師使用多媒體技術輔助教學不是越多越好，而要適度。教師應當把主要精力投放到鉆研教材和學生、研究教法和學法上，才有可能選擇最佳的教學途徑、科學的教學方法和符合教學要求的授課形式。信息技術手段使用過多反而會分散學生注意力，嘩眾取寵，華而不實，事倍功半，最終影響課堂教學實際效果。
3.靈活性原則
科學和技術論文范文4
根據案件現場的勘查情況，參考物證檢驗鑒定，綜合分析案情，并通過對案件的認識劃定偵查方向、范圍。當案件的性質確定下來之后，就要對犯罪嫌疑人予以定位，并分析作案時間以及案發過程。模擬綜合實訓進入這個階段，刑事科學技術專業的學生要學習制作法律文書。按照公安部統一標準制作刑事案件卷宗。
二、模擬綜合實訓教學方法
按照犯罪情節設計模擬犯罪現場，并布置好與犯罪有關的物證。
（一）開展實訓教學前的培訓
在實訓課程開展之前，學科教師以及刑事科學技術專家要集體備課，主要討論綜合實訓的思路、方案，如何將專業知識和技能通過實訓體現出來。將實訓的內容設計為案例，要圍繞著教學內容設計犯罪現場、案情的演變以及物證，以培養學生的現場勘驗和物證處理能力?，F成勘驗能力包括筆錄、繪圖、照相、攝像；物證的處理，主要是物證的檢驗鑒定，即物證的發現、提取、保存。
（二）模擬犯罪案例的抽取
為了讓學生熟悉模擬犯罪現場，并對現場的勘察做好準備，在實訓的前一個天，就讓學生抽取設計好的案例，教師則根據學生所抽取的案例布置模擬現場。學生以小組為單位，15個人為一個小組，要求學生自行根據案例進行分工，并分別承擔著不同的工作。學生所扮演的角色分別為案發現場勘察指揮、案件痕跡檢查、法醫、攝影和照相以及案件現場的保護工作等等，并根據情節需要準備必要的勘驗器材。
（三）模擬案發現場的勘驗
模擬案發現場的勘驗環節占有45%的評分。平均每一個模擬現場都有4名教師在場監督。在進行案發現成勘驗的時候，要嚴格按照勘驗程序進行。犯罪現場物證的提取包括發現物證、做好現場記錄、提取證據并做好包裝工作。
（四）模擬物證檢驗鑒定
模擬物證檢驗鑒定環節占有30%的評分。學生從模擬犯罪現場所提取的各種物證，經過分類后，包括痕跡物證、文件資料、法醫提取證據等等，這些證據都要經過檢驗鑒定后，制作為鑒定文書。每一個鑒定科目都由兩名教師參與檢驗鑒定評分。
（五）模擬匯報
模擬匯報環節占有25%的評分。學生對模擬犯罪現場所獲得的資料，包括勘驗情況、“三錄”材料以及現場物證檢驗鑒定資料經過分類、匯總之后，制作成卷宗。在模擬匯報環節，要將匯報內容制作成PPT課件，發表自己的案件分析思路，并提出案件偵查措施。模擬匯報考核組由5名教師組成。教要根據學生的匯總材料以及案件匯報情況評分。
（六）模擬綜合實訓考核評分
模擬綜合實訓考核的成績，即為模擬案發現場的勘驗、模擬物證檢驗鑒定和模擬匯報三項成績匯總。將模擬實訓的考核評分列入到評分表中。評分表制作標準以及評分項目和評分標準都要嚴格規定，給教師以明確的評分提供參考依據。為了防止教師在考核評分中缺乏客觀性，還需要請科學技術專家對模擬實訓的實施情況進行綜合，提出其中尚需改進和完善之處，以督促教師對綜合實訓課程不斷地調整。
三、刑事科學技術綜合實訓的意義
學生在校學習期間，以理論知識為主。知識的抽象性，加之刑事科學技術的應用性，導致學生對于知識的掌握存在著漏洞。實施刑事科學技術綜合演練，可以培養學生提高團隊精神，進而認識到面對刑事案件如何有調理地解決問題。學生參與到綜合演練中，憑借自身的能力完成各項任務，可以提高現場勘驗操作水平，同時還能彌補自身專業的不足。教師在監督模擬實訓現場的時候，對學生所掌握的知識有所了解，以在今后的教學中適當改進。學生經歷了綜合實訓之后，不僅培養了自我學習能力，還提升了技術創新能力。
四、結語
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問題一：多多益善，走入“泛濫成災”的誤區
多媒體技術廣泛而深入地走進小語課堂，對提高教學質量，促進教學改革等產生了巨大影響，應用多媒體輔助教學已蔚然成風，在日常課堂教學中，我們常見到這樣的課堂：有的老師根本不從實際教學需要出發，不管學科特點，不論什么類型什么內容的課，整個教學過程成了幻燈片的播放與講解；有的學校大部分課程都排在多媒體教室，學生一天下來少者要聽三四節課的多媒體教學，學生每節課都始終盯著屏幕，仰著脖子當觀眾，語文課幾乎成了錄像放映課，老師成了放映員，也成了鼠標的仆人，教學效果只能適得其反。
【策略】把握學科特點，提高學習效率
北京師范大學王鵬遠教授指出：“不是所有的課都需要用多媒體、網絡……關鍵是看技術用得是否恰到好處。”語文是一門基礎學科，工具性和人文性是其重要的學科特點。語文的教學任務就是要落實好聽、說、讀、寫等訓練，提升學生的語文素養。所以信息技術與小學語文的整合強調信息技術服務于語文教學，不能因為在語文科教學中應用了信息技術而抹殺了語文的學科特點。但在實際教學中，有的教師固守多多必定益善的錯誤思想，盲目地，不切實際地，加大課件的使用率，加長課件的使用時間，而遠離“語”和“文”兩字，忽略了學科特點。
以下是兩節關于《荷花》一文的教學。
案例一：執教老師在教學時通過課件描繪出一幅幅未開、待開、盛開的荷花動靜結合的美麗畫面，并配極優美的樂曲，同時又展現重點段的內容，學生看畫面聽音樂大聲朗讀文本，學生入情入境體驗，情緒受到感染，收到了很好的效果。
案例二：執教老師教學此文前，花了很多工夫，廣泛收集資料并做成了專題學習網頁。學生在網上一會兒欣賞荷葉的風光，一會兒查詢荷花茶的生產工藝，一會兒聽《荷塘月色》……氣氛可真熱鬧。交流時，學生把荷花的生長過程講了半天，唯獨沒有涉及對文本的理解感悟，缺失對語言文字的推敲，感悟不到語言文字的魅力。
案例一的整合過程中結合語文的學科特點，找準整合點。而案例二有意無意間美文賞析課變成了荷花知識課，導致學生丟掉課本，拋棄語言，專心看精美的課件和課文的補充資料，顯然這是違反語文學科的特點，也違背以認識教材為基礎的語文學習規律。
問題二：追求美感，走入“華而不實”的誤區
我們發現部分老師在運用多媒體進行教學時，一味追求表面上的新穎、花哨、動感，加入大量的文字、圖片、動畫、音頻、視頻等資料，把課件裝點得美不勝收。教師每次點擊鼠標都會發出聲音，產生動畫，導致學生上課時，一味看課件中的圖案和動畫效果，而無暇關心教師的講解和知識點，影響了學生對知識的理解感受。更有甚者，其課件中的動畫和聲音跟本課教學內容沒有絲毫的關系，學生如霧里看花，聽者也心煩意亂，這樣大大分散了學生的注意力，更別提對知識點的理解能起到作用。
【策略】明確整合目的，提高教學效果
信息技術與學科整合的目的是利用多媒體這一輔助手段，更好地解決在傳統教學中不能或難以解決的問題，提高教學效益。這就意味著并不是所有的課型都適合使用信息技術。在小語課堂中，課件的設計和運用要充分結合教材和學生的實際情況，凸顯輔助手段，服務于課堂教學的目的，幫助學生理解語言材料，強化訓練，培養學生適應未來社會的語文能力。
如著名語文特級教師王崧舟老師在教學《一夜的工作》時，整堂課只是在課始時通過課件展示了詩人宋小明的詩歌《你是這樣的人》配上的照片，別無其他。通過老師飽含感情的誦讀，有效渲染課文的情感基調，使學生對有了大體的了解，為學習整篇課文架起了一座橋梁。又在課末，再次借助課始的整合方法，反復誦讀，漸漸地，那鞠躬盡瘁，死而后已的公仆形象永遠樹立在學生心中。如此整合，目的明確，方法可謂極其簡單，卻收到極其好的教學效果。
問題三：主次顛倒，走入“喧賓奪主”的誤區
信息技術集聲、光、形、色等多種傳播媒介于一體，為教師和學生提供了生動活潑，靈活多樣人機交互的信息環境。于是很多語文教師便以多媒體為中心，為課件而教學，課堂上學生讀書的時間越來越少，讀書聲越來越小。由此出現了教學目標偏移，課堂成了技術和資源的展示，學生成為多媒體教學過程中的旁觀者，學習的主體地位部分性缺失，興趣也逐漸減弱。難怪很多老師在聽了這樣的語文課之后都會感嘆：我們的語文課已越來越不像語文課，越來越沒有語文味了。
【策略】重視學習主體，提高學生素養
葉圣陶先生指出教學必須確定學生的主體地位，他說：“最要緊的是看學生，而不是光看老師講課?！毙畔⒓夹g無論多么優越，都應是為了服務于教學，即在多媒體教學環境中，學生作為學習的主體，教師是主導者，信息技術只能是起了輔助教學的作用。教師要充分利用信息技術創設學習情境、設計主體活動，激發學生的主體意識，發展學生的主體能力，讓學生成為學習的主人。
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一、不宜忽視語文學科特點，過分追求課件展示游戲
現代教育技術作為促進語文教學的一種手段，無疑能使某些抽象概念的教學變得生動活潑。但語文教學中必須借助形象色彩才能解決的問題并不太多，必須從語文教學自身的特點來考慮，它對課件的使用通常不在于把某些知識結論展示出來，而在于得出結論的過程是否得到優化，這也就要求我們對現代教育技術的應用做到以下幾點。
1.內容的選擇上要有利于教學目標的實現。本人認為凡是能用語言、文字等表現清楚的內容，就沒有必要花費大量時間和精力去搜集影像資料、制作動畫，這樣不但投入過大，也顯得得不償失。
2.形式的選擇上要有利于語文能力的培養。圖片、影像等直觀性較強的媒體，在必要的時候才使用，也就是在不足以幫助學生理解或想象的時候不用，并不是所有內容都需要直觀化；而音樂等媒體的使用，也不僅僅是用以“湊熱鬧”“活躍氣氛”，它們在培養感受力、想象力方面有著重要的作用。
3.課件使用的時機要有利于教學效果的提高。例如《再別康橋》的教學，如果在學生未接觸本詩的情況下，先播放課件中有關康橋旖旎迷人的風光，以看代替讀，那么，學生在讀原詩時，由于形象先入為主的原因，頭腦中出現的是畫面上的風景畫，再也無法從詩的描寫中產生輕盈柔和、融情于景的感受。這種效果削弱了語文教學要培養學生形象思維的功能，弊大于利。
二、不宜取代傳統語文教學手段中的合理成分，做到優勢互補
雖然現代教育技術與語文教學整合具有傳統教學手段所不具有的很多優勢，但傳統教學手段，無論是物質形態的手段，還是智能形態的手段，之所以可以延續至今，是因為有它巨大的教育功能。現代教育技術不可能簡單地、完全地取代傳統教學手段。
現實中不少老師利用現代教育技術教學時脫離了粉筆和黑板。作為傳統課堂教學象征的黑板，有些方面仍是現代教學媒體所無法替代的，教學應針對教學內容采取與之相應的教學方法、方式，合理地綜合利用各種教學媒體，包括傳統媒體，取長補短，這樣才能發揮各種教學手段的綜合功能，取得最佳效果。在教學活動中，教師產生突然而至的靈感是常有的，這些靈感往往是教學藝術的動人之處，有的需要以板書表現出來；此外，不同學生的知識面，表達的能力等是有差異的，他們對同一現象的認識和表述不同，教師不可能課前完全預見，需要在課堂上生成板書。這時黑板板書就能得心應手了――板書可以隨寫隨看，內容還可以方便地增刪。這
給學生留有了思考、想象的空間，又給他們提供了展示自己的舞臺。再一方面，因為計算機窗口的大小有限，展示的內容有限，在進行課件設計時，將能描繪現象、提示規律的音、畫表現出來，學生思考后的結論，則用學生的語言板書出來。這樣現象和結論同時展現，學生會感到結論更易接受，又獲得了成功的體驗。
