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[關鍵詞]紀錄片 創作理念 變化 趨向
[中圖分類號]J902 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349(2011)08-0078-02
在我國電視開播的時候就有紀錄片了,至今已有幾十年的歷史。但是真正蓬勃發展起來還是改革開放之后的事情。上個世紀80年代末到90年代初,我國改革開放逐步深入,我國進入一個社會的轉軌期,社會的經濟結構、倫理價值、道德觀念都發生了重大的轉移。那個時候,社會普遍的文化心態是:厭惡虛假,渴望真實;回避空談,力求實際;遠離夢幻,追求現實。也就是說,歷經苦難的國人活得越來越實在,要求越來越實際。所以,人們越來越關注自己所生存的社會,關注事態的變革和發展。而此時隨著電視成為每個家庭的必需品,電視紀錄片也深受歡迎。紀錄片反映了真實社會的生存狀態,也讓觀眾感到自己已經融入社會群體之中,同社會更貼近,紀錄片讓觀眾更加了解社會。所以,當時的電視紀錄片絕大多數是反映真實的社會生活,也適時地贏得了觀眾的青睞。
上世紀90年代初出現了紀實派,他們幾乎把“紀錄”與“紀實”等同,追求一種“新聞現實”,此類紀錄片也創造了我國紀錄片創作的高峰,引起了電視界甚至整個社會的關注和重視。不過近幾年,紀錄片的另一種創作理念正在悄然地形成。
2001年,在第六屆四川國際電視節“金熊貓”獎國際紀錄片的評選中,由湖北電視臺導演張以慶執導的紀錄片《英與白》獲四項大獎,引起了評委及觀眾的強烈反響。《英與白》似乎給沉寂許久的紀錄片界帶來一絲生機。
《英與白》一開頭就緊緊地鎖住了觀眾的目光:鏡頭中所有的景物和人都是180度的翻轉,觀眾眼前的世界都是正反顛倒的,這樣一組鏡頭增強了觀眾的好奇心,往下看才知道是出自一只大熊貓的視角,它隔著柵欄,在雜技團的飼養室里攀爬。喜歡仰臥的大熊貓看世界當然是反的。這是一組有趣然、也有指向的鏡頭,采用的是隱喻表現手法,是紀錄片常用的手法,但是這組鏡頭也為整部片子定下了不同于其他紀錄片的基調。英與白的錯位和所謂的異化都是由此發生和繼續的。創作者用熊貓的眼睛代替自己的眼睛和鏡頭,所以也可以說是創作者的主觀干預。《英與白》作者在《紀錄和現實》一文中說:“我們紀錄在錄像帶上幾百個小時的東西被我們稱為‘素材’。是什么東西的‘素材’呢?不就是‘想法’‘觀念’‘主題’這些主觀領域的素材嗎?”他由此斷言:“對于任何一部紀錄片,這個過程都是思想操作的過程。”
其實,導演張以慶的這種主體性,在他之前創作的《舟舟的世界》中就已經表現出來。在片中,創作者記錄舟舟的弱智生活,但并不是他最終的目的,他通過弱智青年指揮家舟舟,熱情地呼喚人性,贊美人性,這就是一種主觀抒情。紀錄片《英與白》也再一次生動地演繹了張以慶的這種主觀創作理念。所以有人說,在中國電視紀錄片創作界,張以慶是自覺地運用、公開地倡導主體理念的重要人物。
然而張以慶的創作理念也遭到了國內一些同仁的強烈反對。電視理論專家洪國航批評說,《英與白》不是真正意義上拍出來的,而是編出來或是想出來的,它逐步印證和闡述作者理性化的觀點。洪國航認為,紀錄片應該尊重和紀錄事實,不能因為自己的需求改造事實,紀錄片創作不允許虛構細節,否則就意味著紀錄片的消亡。
梁蓬飛、殷俊認為,張以慶的作品不僅突破了影像表現形式,而且還過度膨脹了紀錄片本體意義,使紀錄片偏向創作主體,而且是主觀表現,顛覆了作為獨特電視文藝形式的真正價值,他們認為這是創作主體的價值選擇和再現客體的本體元素的雙向異化。
縱觀人類歷史,凡有思想觀點的激烈沖突與爭論時,必然孕育著真理的萌芽和新的真理誕生。對《英與白》褒貶不一的評論中,或許可以發現我國電視紀錄片創作觀念的變化,以及基本創作新的趨向。在回顧我國電視紀錄片的發展歷程時,不難發現,電視紀錄片的創作理念是隨著時代的發展、社會的變遷、以及文化背景、大眾情緒的變化而變化的。
一、中國電視紀錄片的發展歷程
(一)上世紀60年代到80年代――注重教化和指導
列寧說紀錄片“是形象化的政論”。其實,列寧的這段話的原意是:新聞片要有適當的形象,就是說,它應該是形象化的政論。然而,卻被后人誤解為紀錄片的定義。
當時的創作特征是:第一,聲畫分離。既以解說為主、畫面為輔,大多是聲畫不一,也就是業內說的“聲畫兩張皮”。第二,注重文字。創造者往往根據作品要表達的思想和主題,事先寫好作品解說文字,再按次開始拍攝。第三,依賴解說。通過播音或解說,把要宣傳的思想直接灌輸給觀眾,達到說教的目的。這種紀錄片是順應當時的社會需要弘揚主旋律而創作的,也是對廣大受眾進行思想教化和行為指導的模式之一。
那時我國的電視紀錄片比較有影響的有以下幾個:一個是孔令鐸、龐一農在1958年拍攝的《英雄的信陽人民》,這是我國第一部電視紀錄片;第二個是1966年由陳漢元編輯、中央電視臺攝制的《收租院》,這部片子在全國造成強烈的反響;第三個是系列電視紀錄片《絲綢之路》,1981年中央電視臺攝制的,編輯、攝像孔令鐸、屠國壁;第四個是讓全國電視觀眾像看連續劇一樣看的紀錄片――《話說長江》,那是1983年由中央電視臺的戴維宇、王化南、喬廣禮等攝制的:時隔不到3年,中央電視臺又推出了《話說長江》的姊妹篇――《話說運河》。這些片子的基本特點是:通過介紹革命歷史、先進人物事跡、祖國錦繡河山和建設新貌進行愛國主義思想教育。
(二)上世紀80年代末到90年代初――講求客觀與再現
當時的理念基礎是巴贊的觀點,即“紀錄鏡頭,冷眼旁觀的鏡頭,擺脫我們對客體的習慣看法和偏見,從而激起我們的眷戀”。
1991年,中央電視臺推出了12集的電視紀錄片《望長城》(總導演劉效禮,總攝影韓金度,音樂音響總設計平),它是我國電視紀錄片創作歷史上的里程碑。它拋棄了“教化與指導”,尋求“客觀與再現”,在創作中,它有著全方位的、整體性的突破和創新。
當時的創作特征有以下幾點:
1.再現過程。此類紀錄片大多是以“順敘”的方式,再現生活的過程。在跟蹤拍攝的過程中,人物、情節、故事就會一一再現出來,完成客觀地再現真實生活的任務。
2.原生態的再現。紀錄片開始重視記錄生活的原生形態,對真實的生活不做太多的雕琢和粉飾,盡量保持生活的原汁原味。
3.聲畫并重。這時期的紀錄片重視采訪者的同期聲和拍攝時的現場聲,也是那時推出的一個紀錄片的創作觀點:“視同期聲為藝術生命”。
從《望長城》開始,我國的電視紀錄片創作理念無一不是“客觀與再現”。例如康健寧、高國棟編導,寧夏電視臺制作的《沙與海》獲1991年度“亞廣聯”紀錄片大獎;王海兵編導,四川電視臺制作的《藏北人家》獲1991年度四川國際電視節“金熊貓”大獎;孫增田編導,中央電視臺制作的《最后的山神》,獲1993年度亞廣聯大獎;王海兵編導,四川電視臺制作的《深山船家》,獲1993年度四川國際電視節“金熊貓”大獎。這些作品將我國的電視紀錄片創作推向了一個史無前例的,也就是所謂的“中國新紀錄片運動”。
(三)21世紀初――主觀與表現
臺灣紀錄片研究學者李道明的觀點:“紀錄片一般是指有個人觀點去詮釋世界的,以實有的事物為拍攝對象,經過藝術處理的影片。”在這種創作理論的指導下,紀錄片的創作思路一改“客觀再現”,變為強調主體意識,提升主觀思想,通過屏幕展現的客觀事物來闡釋創作者主觀的思想感情、觀念意識。我國紀錄片的理念也走向了主觀、表現的原則。創作特征是:
1.符號語言。大量運用暗示、象征、對比、強化、隱喻等符號語言和修辭手段,以此抒發創作者的主觀情感。
2.寄寓含意。片中通過客觀存在的事物表達深刻的含意,留給觀眾足夠的聯想空間,從而引發觀眾再創作的能力。
3.理性印證。片中所拍攝和記錄的事物,都化作了創作者的主觀思想,可以講是創造者印證和闡述的過程。
二、《英與白》的創作理念
張以慶就是這種主觀、表現創作理念創作的代表人物。他執導的電視紀錄片《英與白》主要內容是:在武漢雜技團里住著一只叫做“英”的大熊貓,它是世界上僅存的、被馴化可上臺表演的熊貓,也是惟一和人居住在一起的大熊貓。還有一個有著一半意大利血統的女馴獸師“白”。“英”和“白”組成的這個家庭已經14年了。片中是另一個主角是一臺不斷提供著外部世界信息的電視機。一只熊貓、一個人、一臺電視機――即是片子所要表現的全部生活。
在片中反復出現的一組符號是鐵柵欄和木柵欄的意象,步步深入,層層遞進。片中首先出現的是大熊貓“英”在籠子里百無聊賴的情形,籠子在這里最先作為囚禁“英”的工具而出現,籠子里的“英”甚至時不時地有憂傷和迷茫的表情。編導在這里要告訴我們的是與同類隔離的“英”孤獨而憂傷的內心,以及他對自己的同類和叢林鄉愁似的向往。接下來出現的是“白”,透過鏡頭看,她日復一日,好似在鐵柵欄里活動,很明確的主觀視角,很強烈的暗示,借以暗示“白”內心的桎梏和困頓。第三個層次,是木柵欄后面同樣神情迷茫的小女孩娟。如果說前一層次白的孤獨還可以看作個體的孤獨,那么,娟作為符號的出現,則把這種孤獨感擴展到整個人類。一個小女孩,還沒有歷史,也沒有多少經歷,臉上的茫然和小小的孤獨的身影更像是一種與生俱來。第四個層次,即柵欄里的電視機。在片中電視機是作為整個人類社會的象征出現的,鏡頭經常貼著柵欄拍,顯得格外突兀,不由不讓人聯想到整個人類社會經常面對的困惑和無能為力。在此片中,柵欄是一個最重要的象征符號,沒有柵欄,創作者便無從傳達他的主觀意圖。
可以說,《英與白》所張揚和表達的人文主旨是深刻而明晰的。在“白”的生活中的“英”和“英”的世界里的“白”(人類)以及電視機所展示的人類社會的事件中,濃縮進了對人類的孤獨和人類文明發展過程中的失誤的思考,透出對人性和人格的關照。
三、《英與白》的獲獎情況
《英與白》在2001年四川國際電視節獲得金熊貓大獎。(參賽作品來自世界各地,共342部,423集)《英與白》一舉獲得四項大獎,獲得了國際的認可――
最佳長紀錄片獎評語:這是一部人文內涵豐富的影片。在變得越來越現代化的世界里,人類的情感元素卻頑強地沿襲著。這一發現,使得影片具有綿長的沖擊力。
最佳創意獎評語:影片以獨特的角度切入英與白的生活,又從他的平淡的生活中發掘出帶有普遍人性的美。
最佳導演獎評語:導演用心觀察、深刻思考生活,自由地運用紀錄片語言,將一個平常的故事講得有聲有色。
最佳音效獎評語:音效真實自然,與畫面融為一體,無可取代。
一部頑強進行“主觀表現”的電視紀錄片,得到了國際社會的認可,并獲得如此高的整體評價,這不能不引起我們的思索。《英與白》的成功鮮明地昭示:中國電視紀錄片的創作理念,將發生深刻的變化,而這種變化也許是具有顛覆性的。
【參考文獻】
[1]洪國舫.紀錄片的主觀干予――與張以慶商榷[J].電視研究,2002年,第2期:33-35頁.
[2]張以慶.記錄與現實――兼談紀錄片《英與白》[J].電視研究,2001年,第8期:12-16頁.
[3]梁蓬飛,殷俊.客觀與真實的異化――電視紀錄片《英與白》的批評[J].西部電視,2002年,第2期:24-27頁.
[4]高鑫.紀實型專題節目創作思辯[J].電視研究,1995年,第5期:29-32頁.
【關鍵詞】道路工程施工 技術特點 技術發展
當前階段,城市中的交通運輸主要是由不同的運輸形式共同組成,道路工程的施工中,一般是將鐵路與公路作為主要的施工對象,但是為了將城市交通的壓力進行有效的緩解,基于公路道路的環境下,進行道路工程的施工,是現階段保證城市交通暢通性的重要手段。道路工程的質量除了現代化交通運輸的可持續發展具有一定的影響,同時也對社會公共安全提供了保障。由此一來,道路工程施工技術則成為保證工程質量的重點,為此,掌握道路工程施工的技術特點,是有效運用施工技術的基本前提。為此,文章中針對道路工程施工技術特點,對其技術發展進行了分析。
一、道路工程施工技術特點
(一)施工過程中具有流動性
一般情況下,道路施工的線路具有較為廣泛的范圍,且分布狀況也十分不均勻,以此也會導致施工過程中余下的施工產品移動出現不便的現象。為此,在道路工程施工中,施工工序、方位以及線路的形狀都會出現一定的變化,以此便會導致施工人員出現持續性的流動現象,施工位置出現交換,以此也將施工管理的效率降低。
(二)道路施工具有技術性與經濟性
道路工程的施工本身兼備了技術性與經濟性,一般情況下在進行道路工程施工時,通常會受到施工技術、相關法律以及成本等一些因素的限制,除此之外,進行道路的施工,還需要考慮施工所處地周圍的地質條件,根據實際情況,道路工程施工中的原材料、規模以及成本投入、施工結構等均存在一定的差異性。為此,不同施工工程也會有不同的施工標準、要求,在具體的施工流程中也有其對應的工程,施工中的各個部門務必要全面合作,以此才能夠保證施工的順利,以此也為道路工程施工技術的控制創造了更為具體、嚴格的要求。
(三)道路混凝土施工具有普遍性
通常情況下因為水泥混凝土路面本身在使用期限、抗壓強度以及養護的成本上均具有一定的優勢,并且水泥混凝土道路也具有較好的耐水性,正因如此,水泥混凝土在道路的施工中也被普遍的運用。受近年來水泥混凝土施工的技術逐漸成熟,尤其是在道路過程的施工中,更是受到了廣泛的應用。在宏觀的角度進行分析,水泥混凝土路面的施工本身為剛性路面,路面本身的硬度較強,行車的適應性要小于瀝青路面,然而在路面的平整度進行考慮,水泥混凝土適應性要大于瀝青路面。出于對路面平整度的考慮,全新的路面施工技術,即滑膜攤鋪技術逐漸被應用其中,但是因為該技術的應用仍然存在一些不足之處,仍需摸索與優化,在施工設備投入方面也比較大。
(四)道路工程的施工的周期長
道路工程的施工通常會重點考慮成本與施工技術的相關問題,受近年來社會發展、經濟增長的影響,在現階段的道路工程施工中,一般會更加重視成本投入與施工技術的跟進問題。與此同時,在施工的過程中受當地環境的影響等一些因素也會適當的考慮。進行道路工程施工的過程中,如果施工現場的條件較差,那么則務必會受到天氣等因素的影響,一旦面臨熱交替或是低溫雨雪等惡劣天氣,也會對道路工程施工的進度造成影響,造成拖延工期的現象。
二、道路工程施工技術發展
在當今科技發展的環境之下,對于道路工程的施工也逐漸融入了一些新技術,以此也使得道路工程的施工技術逐漸成熟,傳統形式的技術也被新技術取代,全新的施工技術不僅提升了施工的效率,同時也將道路工程施工的成本減小,將道路工程的周期縮短,全面提升了道路工程的施工安全。
一方面,當前階段,我國已經擁有了極為先進的地基加固技術,與國際水平相差無幾。針對施工中的實際地基土質狀況,應用合適的加固材料與加固方式對地基進行復合型加固。例如將水泥碎石樁和石灰等原材料進行混合加固。從加固形式的角度進行分析,依然是樁基加固,然而傳統形式的混凝土樁基已經逐漸被管樁替代,進行護壁依然運用泥漿。
第二方面,混凝土施工技術已經達到了較高的水平,并且實現了自身技術的發展。這主要體現在混凝土性能的優化與高性能混凝土在道路工程中的運用。將道路路面強度提升。除此之外,為了保證混凝土路面質量,相關人員也對現澆模板進行大力研究,通過對模板的合理設計,將道路施工中的成本降低。另外,在攪拌混凝土技術的發展上,使用機械化的相關技術進行混凝土的整合攪拌,以此制作高性能的混凝土加以應用,對道路工程的施工質量進行保證。
第三方面,在施工的過程中,防水技術的也實現了前所未有的發展。防水技術主要是應用高分子材料,以此提升道路工程施工中的防水技術水平,進而全面提升道路工程的施工質量。受施工技術水平提高的影響,防水材料也逐漸進行了更新換代,一些新型防水材料逐漸應用于道路工程的施工中,其中主要包含了瀝青防水卷以及防水涂料、高分子片材等。先進防水技術在道路工程施工中的應用,也全面提升了防水性,在此基礎上將橡膠瀝青加以利用,涂抹防水涂膜或是密封砂漿進行防水,以此全面實現道路施工的防水。除此之外,節能技術也實現了發展,以此也全面推動了道路工程施工的進行,在可持續發展戰略落實的基礎上,發展和自然資源二者的聯系也逐漸得到相關人員的重視,節能技術的發展也進一步推動了道路施工技術的發展。
結束語:文章中針對道路工程施工,對其技術特點與技術發展進行了闡述,希望能夠通過文章中的分析,實現道路工程施工質量的提升,進而保證道路使用的安全性。
參考文獻:
[1]陶建平.公路道路工程施工技術的特點與發展研究[J].信
息化建設,2016,03:322.
[2]彭燕.公路道路工程施工技術特點與發展探析[J].價值工
程,2014,12:124-125.
一、西安在“絲綢之路經濟帶”中的定位
陜西省把“打造以西安國際化大都市為核心的絲綢之路經濟帶新起點”作為自己的戰略定位。西安作為陜西的省會城市,作為西北部經濟、文化和社會發展的領頭羊,在沿線城市中已經被國家賦予了最高定位――“國際化大都市”,由西安帶動絲綢之路經濟帶建設責無旁貸。因此,西安的基本思路應很明確,要充分發揮在絲綢之路經濟帶中的地理區位、交通樞紐、歷史文化、科教資源優勢,著力打造“一高地六中心”,努力把西安建設成最具發展活力、最具創新能力、最具輻射帶動作用的絲綢之路經濟帶新起點。
二、曲江新區和哄鄙態區在新絲路起點城市承擔的功能
(一)曲江新區在新絲路起點城市承擔的功能
曲江新區位于西安市東南部,是陜西省西安市確立的以文化產業和旅游產業為主導的城市發展新區,是西安市“五區一港兩基地”的重要組成部分,是西安建設國際化大都市的重要承載區,是國家文化部授予的首個國家級文化產業示范區。曲江新區的定位是國家級文化產業示范區、西部文化資源整合中心、西安旅游生態度假區和綠色文化新城。曲江新區核心區域面積51.5平方公里,同時輻射帶動大明宮遺址保護區、西安城墻景區、臨潼國家旅游休閑度假區和樓觀道文化展示區等區域,形成文化產業全新發展格局[1]。
1、文化的聯通者
西安作為古絲綢之路的起點,留下了許多絲綢文化的遺跡,而曲江新區近年來深挖文化資源、在文化方面大做文章,打造了一批極具影響力的文化產業項目,如大雁塔北廣場、大唐芙蓉園、曲江池遺址公園、大唐不夜城等,曲江可以利用這些文化資源把絲綢之路上文化相近的區域聯系起來開辟出新的文化旅游線路。通過文化的聯通帶動人員、政策等的聯通,從而發揮西安在“絲綢之路經濟帶”中聯通作用。
2、文化產業的領跑者
“絲綢之路經濟帶”沿線的國家和地區大部分都處于經濟欠發達的狀態,但它們大部分處于古絲綢之路的沿線上,文化資源比較豐富,但由于缺乏資金和技術的支持,發展速度和規模都極不理想。而曲江新區踐行的“充分依托陜西、西安大文化、大旅游、大文物的優勢,以城市運營收益大力投資文化產業和公共設施,以大項目為帶動,文化產業、公共文化事業和城市新區建設齊頭并進、協調發展”的模式,取得了可觀的效益,被國家文化部授予“首個國家級文化產業示范區”,為沿線城市提供了可以借鑒的成功經驗。沿線國家和地區可以結合自身的文化資源特色,借鑒曲江新區的發展模式,在曲江新區的帶領下把各自的文化產業發展起來。
(二)哄鄙態區在新絲路起點城市承擔的功能
哄鄙態區位于西安城區東部,北到渭河,南到繞城高速,包括哄焙恿膠鈾陌兜哪媳畢虼狀區域,規劃總面積129平方公里,其中集中治理區89平方公里,是西北地區首個國家生態區、國家水生態系統保護與修復示范區,也是歐亞經濟論壇永久會址、2011西安世界園藝博覽會、西安金融商務區和西安領事館區所在地。
1、金融服務的領航者
對西安金融商務區在絲綢之路經濟帶建設中的作用,陜西亦有明確定位。2013年11月,陜西省委書記趙正永在 “加快絲綢之路經濟帶新起點建設座談會”上的講話中明確提出,要“加快建設面向中亞、服務西部的區域性金融中心”。
西安金融商務區作為陜西省重點建設的區域性國際金融中心,是西安國際大都市的金融核心區,關中――天水經濟區金融服務支持基地,中國西部區域金融創新實驗區,它已初具規模。
2、綠色發展的引領者
哄鄙態區圍繞水環境建設和生態保護,以骸㈠焙游軸線,以雁鳴湖、世博園、桃花潭、國家濕地公園為輻射點,構建河湖相連的生態水系網絡,形成了大水大綠的城市生態廊道,成為全國生態文明建設試點區。并使2007 F1摩托艇世錦賽、2011西安世園會、2013環中國自行車賽等大型活動在哄彼忱舉辦,且使被譽為西安國際化開篇之作的歐亞經濟論壇永久會址于2007年落戶哄薄U廡┒忌動地體現了生態的價值,也為西安國際大都市增添了靚麗一筆――“綠色”,從而,哄鄙態區承擔起了展示國際大都市西安生態文明的重任。同時,為“絲綢之路經濟帶”上的還在徘徊茫然不知如何走生態之路的地區指明了方向,提供了可以借鑒的經驗。
三、曲江新區與哄鄙態區的協同發展
(一)兩區協同發展的含義
赫爾曼?哈肯指出,“協同學是一門橫斷學科(交叉學科),
它研究系統中子系統之間怎樣合作以產生宏觀的空間結構、時間結構或功能結構”。“協同作用”是協同學與協同理論的基本概念,實際上就是系統內部各要素或各子系統相互作用和有機整合的過程[3]。
本文研究的兩區協同發展正是基于赫爾曼?哈肯所提出的協同學思想,是指西安市兩個新區之間協調與共生,自成一體,形成高效和高度有序化的整合,實現兩區“一體化”運作的經濟發展方式。通過兩區的協同發展,充分發揮曲江新區的文化產業優勢和哄鄙態區的生態資源、會展業及金融產業的優勢,帶動兩區文化旅游、生態旅游、會展旅游、金融服務業等現代服務業的發展,使西安國際化大都市的文化、生態和金融形象更加鮮明、突出。
(二)兩區協同發展的有利條件
1、區位條件
曲江新區和哄鄙態區所處的位置臨近,如圖1所示,交通便利,為文化產業、旅游、會展和金融業等產業的跨區協同發展提供了便利的交通條件。
1微電子技術的發展歷史和現狀
微電子技術是19世紀末,20世紀初開始發展起來的新興技術,它在20世紀迅速發展,成為近代科技的一門重要學科。其發展史實際就是集成電路的發展史。
衡量微電子技術發展的重要標志是大規模集成電路的集成度,至今為止微電子技術的發展基本上都在遵循著“摩爾定律”即單個芯片上的器件數每18個月增長1倍,DRAM儲存量3年提高到原來的4倍,其發展歷程如下。1947年底,美國貝爾實驗室研制成了世界上第一個晶體管,微電子技術開始萌芽。體積微小的晶體管使集成電路的出現有了可能。之后,美國得克薩斯儀器公司的基比爾于1958年制成了第一個集成電路的模型,1959年德州儀器公司宣布發明集成電路。同年,美國著名的仙童子公司將一整套制造微型晶體管的“平面工藝”移到集成電路的制作中,很快集成電路由實驗室實驗階段轉到工業生產階段。1962年MOS場效應管試制成功,1964年成功制出PMOS集成電路。與分立元件電路相比,集成電路的體積大大減小,同時功耗低,可靠性好,工藝簡單,更適合于大量生產。
至今集成電路的集成度已提高了500萬倍左右,特征尺寸縮小了近200倍,單個器件成本下降了約100萬倍,單片集成度達到數億個晶體管。
2微電子技術的應用
微電子技術的應用非常廣泛,可以說微電子無處不在。美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人的手工工作量;日本每個家庭平均擁有100個芯片;無論是日常生活的電視機,洗衣機,手機,計算機,銀行儲蓄卡和信用卡,小區智能卡,電子手表,玩具等家用消耗品,還是大到傳統工業的汽車工業、印刷工業和國防工業的導彈、衛星、火箭等都離不開這小小的芯片,可以說應用及其廣泛。微電子技術滲透到了人們生活的各個領域,在人們的生產生活中發揮著極其重要的作用,已經和社會建立了一種相互依存的某種關系。
集成電路被廣泛應用于社會的各個行業。微電子技術對各種傳統產業具有強有力的帶動作用,幾乎所有的傳統產業與微電子技術結合,利用芯片更新技術,都可給傳統產業注入活力。例如,像汽車的電子化使傳統的汽車工業滲透進了微電子技術,采用微電子技術的電子引擎監控系統、汽車安全防盜系統、出租車的計價器等已得到廣泛應用,現代汽車上有時甚至要有十幾個到幾十個微處理器1。又如,印刷工業采用了微電子技術排版不再采用鉛字,文字的增添、刪除、編排,字體的選取等都在計算機上進行,在很短的時間內就可以全部按需要設置完成,與傳統印刷工業改動一字就要涉及全局已不可同日而語。
集成電路的應用不僅在工業方面,在商業方面,由于微電子技術及計算機的應用,使傳統的賬冊產生了根本的變化,賬目的登錄、統計、查詢、存儲都產生了根本的改變,于是有了大超市、大商場,這在20年前是不可想象的。如果說傳統行業引入微電子技術后提高了生產效率,那么微電子技術與其他技術的結合和滲透又發展成新的技術。
微電子技術在輕武器中的許多應用正在研制中,如數字地圖計劃:為了給士兵提供需要的一切信息,可把天氣數據、情報、敵友軍的位置、空中成像等一切信息融合到一起,以數字方式存儲,并通過無線計算機網絡送到任何需要的地方,甚至是前線。如果將這種數字地圖直接接入武器,不僅可以大大提高武器的精度,而且能使后勤得到可靠保障。隨著電子、材料、光學、機械等各方面技術的發展,微電子技術必將廣泛地應用于輕武器,發揮更大的作用。
總之,微電子技術已經滲透到諸如現代通信、計算機技術、醫療衛生、環境工程、能源、交通、自動化生產等各個方面,成為一種既代表國家現代化水平又與人民生活息息相關的高新技術。
3國內微電子技術的發展現狀
近幾年,在國家相關政策的大力支持下,國內硅基微電子技術水平不斷提高,與國際先進水平的距離逐漸縮小。
我國微電子技術發展的特點:一、超深亞微米集成技術研究逐漸接近國際先進水平。二、集成電路設計水平提高,規模增大。經過近幾年的發展,芯片設計水平明顯提高,目前我國自主設計的芯片產品已涉及CPU、數字信號處理器、高端IC卡、數字電視和多媒體、3G手機以及信息安全等六大領域。IC設計水平已達到0.13pm,具有自主知識產權的核心芯片的開發及其產業化也取得了可觀的突破。逐漸從過去的“低端模仿”走向以技術創新為主的“高端替代”。
微電子技術是當代科學技術中發展速度最快的技術之但是由于我國的微電子技術與國際先進水平差距較大,要在短期內趕上或超過是很不現實的,我國微電子各方面都落后于國外。國家正在逐步加大扶持力度,制定一系列相關政策去吸引資金和人才,形成可持續發展的微電子產業和科研體系。
4微電子技術的發展趨勢
21世紀的微電子技術將從目前的3G時代逐步發展到3T時代,即存儲量由Gb發展到Tb,集成電路中器件的速度由GHz發展到THz,數據傳輸速率由Gbps發展到Tbps。以硅基CMOS電路為主流工藝,21世紀硅微電子技術的發展趨勢主要體現在三方面:_是繼續增大晶圓尺寸和縮小器件的特征尺寸。發達國家和地區正在向納米階段進軍。二是集成電路(IC)將發展成為系統集成芯片(SOC)。SOC進一步發展,可以將各種物理的、化學的和生物的敏感器和執行器與信息處理系統集成在一起,從而完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸到執行的系統功能,這是_個更廣義上的系統集成芯片。SOC是微電子設計領域的_場革命,21世紀將是SOC技術真正快速發展的時期。三是微電子技術與其它學科相結合。典型例子是微機電系統技術(MEMS)和生物芯片2。前者是微電子技術與機械、材料、傳感器等多學科交叉產生的,后者則是與生物工程技術結合的產物。
21世紀人類將全面進入信息化社會,對微電子信息技術將不斷提出更高的發展要求,微電子技術仍將繼續是21世紀中最為重要的和最有活力的高科技領域之1。
參考文獻
[1]余修武.微電子技術與新技術革命J.制造業自動化,2010,32(11):95-96.
自從20世紀50代世界上第一臺數控機床問世至今已經歷50余年。數控機床經過了2個階段和6代的發展歷程。
第1階段是硬件數控(NC):第1代1952年的電子管;第2代1959年晶體管(分離元件);第3代1965年小規模集成電路;
第2階段是軟件數控(CNC):第4代1970年的小型計算機,中小規模集成電路;第5代1974年的微處理器,大規模集成電路。
2、數控(NC)階段(1952~1970年)
早期計算機的運算速度低,雖然對當時的科學計算和數據處理影響還不大,但不能適應機床實時控制的要求。
人們不得不采用數字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數控系統,被稱為硬件連接數控(HARD-WIREDNC),簡稱為數控(NC)。隨著元器件的發展,這個階段歷經了三代,即1952年的第一代--電子管;1959年的第二代--晶體管;1965年的第三代--小規模集成電路。
常見的電子管是真空式電子管:不管是二極,三極還是更多電極的真空式電子管,它們都具有一個共同結構就是由抽成接近真空的玻璃(或金屬,陶瓷)外殼及封裝在殼里的燈絲,陰極和陽極組成。直熱式電子管的燈絲就是陰極,三極以上的多極管還有各種柵極。以電子管收音機為例,這種收音機普遍使用五六個電子管,輸出功率只有1瓦左右,而耗電卻要四五十瓦,功能也很有限。打開電源開關,要等1分多鐘才會慢慢地響起來。如果用于數控機床可想而知其耗電量、控制速度。
晶體管是用來控制電路中的電流的重要元件。1956年,晶體管是由貝爾實驗室發明的,榮獲諾貝爾物理學獎,創造了企業研發機構有史以來因技術發明而獲諾貝爾獎的先例,晶體管的發明對今后的技術革命和創新具有重要的啟示意義。晶體管的發明,終于使由玻璃封裝的、易碎的真空管有了替代物。同真空管相同的是,晶體管能放大微弱的電子信號;不同的是,它廉價、耐久、耗能小,并且幾乎能夠被制成無限小。
晶體管是現代科技史上最重要的發明之一,究其原因有三個方面。第一,它取代了電子管,成為電子技術的最基本元件,原因是性能好、體積小、可靠性大和壽命長。第二,它是微電子技術革命的發動者,而信息時代至今的發展就是由微電子技術、光子技術和網絡技術三次技術革命組成的,所以它的出現成為報曉信息時代的使者。第三,晶體管是集成電路和芯片的組成單元,也是光電器件和集成光路的基本組成單元,更是網絡技術的基礎,只不過光電子晶體管是微電子晶體管的演變或發展罷了。由于這三方面的原因,晶體管的發明在信息科技的迅速發展中起了決定性的重要作用,它的意義遠遠超出了一種元器件的發明范圍,而成為揭開現代技術新領域和變革幾乎各種技術基礎的關鍵。所以晶體管發明過程中的突出特點,對于其他科技的產生和發展有重要的參考和啟示意義。
小規模集成電路:晶體管誕生后,首先在電話設備和助聽器中使用.逐漸地,它在任何有插座或電池的東西中都能發揮作用了。將微型晶體管蝕刻在硅片上制成的集成電路,在20世紀50年展起來后,以芯片為主的電腦很快就進入了人們的辦公室和家庭。
3、計算機數控(CNC)階段(1970年~現在)
到1970年,通用小型計算機業已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統的核心部件,從此進入了計算機數控(CNC)階段(把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了)。
到1971年,美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器,采用大規模集成電路技術集成在一塊芯片上,稱之為微處理器(MICROPROCESSOR),又可稱為中央處理單元(簡稱CPU)。
到1974年微處理器被應用于數控系統。這是因為小型計算機功能太強,控制一臺機床能力有富裕(故當時曾用于控制多臺機床,稱之為群控),不如采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高,但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件,故仍稱為計算機數控。
到了1990年,PC機(個人計算機,國內習慣稱微機)的性能已發展到很高的階段,可以滿足作為數控系統核心部件的要求。數控系統從此進入了基于PC的階段。最常用的形式:CNC嵌入PC型,在PC內部插入專用的CNC控制卡。
將計算機用于數控機床是數控機床史上的一個重要里程碑,因為它綜合了現代計算機技術、自動控制技術、傳感器技術及測量技術、機械制造技術等領域的最新成就,使機械加工技術達到了一個嶄新的水平。(隨著科技的發展晶體管的體積越來越小,已達到納米級。(1納米為1米的10億分之一),納米晶體管的出現將導致未來可以制造出更強勁的計算機芯片。把20納米的晶體管放進一片普通集成電路,形同一根頭發放在足球場的中央。現代微處理器包含上億的晶體管。
CNC與NC相比有許多優點,最重要的是:CNC的許多功能是由軟件實現的,可以通過軟件的變化來滿足被控機械設備的不同要求,從而實現數控功能的更改或擴展,為機床制造廠和數控用戶帶來了極大的方便。
關鍵詞 科技史;計算機發展史;信息科技課程
【中圖分類號】G424 【文獻標識碼】A
【論文編號】1671-7384(2014)03-0040-03
人為什么要學習歷史?有人說,以史為鑒,知興衰,使人明智;有人說可以傳承文化。科技史從屬于歷史,揭示了科學技術的產生、發展及其規律,不僅再現了科學技術艱難曲折的發展歷程,還展現了科學家求真務實的精神。計算機軟硬件以及因特網的發展歷程作為科技史的一部分內容,是當前高中信息科技課程中為數不多的“非技術”內容,為課程增加了一抹人文色彩,卻又存在嚴重的不足。那么,高中信息科技課程中學習科技史的意義何在?怎樣才能更好地學習呢?本文以計算機硬件的發展歷程為例,談談對高中信息科技課程中科技史的思考。
在信息科技課程中學習科技史的意義
1. 有助于感悟科學精神
通過對信息科技發展歷程的回顧,讓學生了解科學技術發展的真實過程,科技史并不是科學家和工程師們的成功史,其中有大量的失敗經歷。德國哲學家韋伯爾曾講過:“在每一歷史事件背后,必須有一種精神。”巴貝奇為把“分析機”的圖紙變成現實,耗盡了自己的全部財產,使他一貧如洗。晚年的巴貝奇已經不能準確地發音,甚至不能有條理地表達自己的意思,但他仍然百折不撓。1871年,巴貝奇懷著對“分析機”無言的悲愴離開了人世,但他為計算機科學留下了一份極其珍貴的精神遺產,包括30種不同設計方案,近2000張組裝圖和50000張零件圖……更包括在逆境中自強不息以及為追求理想奮不顧身的精神。學生能在科技史的學習中,了解科學歷程的艱辛,感悟求真、求實、敢于懷疑、敢于創新、不怕失敗的科學精神。
2. 有助于促進理解知識
科學技術發展的歷程中有許多有趣和動人的故事,有助于提高學習的趣味性。對科技史的學習能讓學生從源頭上學習知識,而不只是學習現成結論的知識片斷,有助于學生更準確地理解科學概念。了解知識的來龍去脈是學習的最佳途徑,只有仔細研究這些知識產生的艱難歷程,即研究清楚早期的一切錯誤假定,才有可能真正徹底而又正確地理解這些知識。信息科技課程中,無論是計算機硬件還是軟件,無論是因特網還是數字化,都有大量的概念和術語必須在一定的時代背景中才能體會和理解。
3. 有助于提高人文素養
科學技術呼喚“理解”科學技術的人才,對待科學技術知識不但要有橫向的了解,還要有縱向的理解。正如萊布尼茨在書里“找到”帕斯卡一樣,艾肯也是在圖書館里“發現”巴貝奇和阿達,他們的論文令年輕人心馳神往,并為之奮斗。帕斯卡、萊布尼茨、巴貝奇、圖靈、馮?諾依曼等科學家,他們的研究精神,他們面對問題時的遠見,他們在解決問題中迸發的智慧,能都打動學生的心靈,啟發學生的思考。
科技史是溝通科學文化與人文文化的載體,它立足于過去與未來、自然與社會的交叉點上。通過了解信息科技演進的歷程,理解科學技術與社會的互動關系,更了解到人類的文明與進步,這是單純掌握某一門科學或某一項技術所不能帶來的人文精神。
當前信息科技課程中科技史教育存在的問題
《上海中小學信息科技課程標準》中對科技史沒有明確的規定,《普通高中信息技術課程標準(實驗稿)》中對此的要求也較為簡略,但大部分教材對此都有所描述。以計算機發展史為例,關于硬件,學生學習的主要內容是:從世界上第一臺電子計算機問世以來,計算機經歷了電子管、晶體管、集成電路、大規模與超大規模集成電路等四個時代。
盡管不同的教材在描述以上內容時詳略不一,但學生閱讀這些文字時都會遇到同樣的困難,如電子管、晶體管、集成電路等術語。對學生而言,由于缺乏足夠的知識基礎,因此難以理解使用這樣的元器件究竟意味著什么。而課堂教學調查表明,80%的學生閱讀后往往只得出“計算機的體積越來越小,功能越來越強了”的結論。僅僅從計算機制造的元器件來講述計算機的發展史,僅僅告訴學生計算機發展過程中的進步是體積越來越小、性能越來越好,難道這就是讓學生學習計算機發展史的目標嗎?
關于計算機軟件的發展,學生學習的主要內容是:“計算機軟件也經歷了二進制編程、匯編語言、高級語言、結構化程序設計、面向對象程序設計等幾個時期”。從閱讀角度看,學生既缺乏對這些編程語言的基本知識,也缺少編程經驗,即使教師可以花一些時間進行演示和解釋,幫助學生理解,但是大部分學生得到的結論也僅僅是“編寫軟件越來越方便了”。學習軟件的發展歷程難道僅僅是得到這樣的結論嗎?
在科技史中選擇有意義的內容
《說文解字》云,“史,記事者也”。歷史本身是真實的,但是面對紛繁復雜的歷史事實,在短暫的學習時間、有限的課時內,學生究竟應該學習哪些事實?如何選擇有意義的內容供學生學習呢?
信息科技的發展史,離不開計算機的發明,因此我們不妨回顧一下計算機從無到有的主要發展歷程。20世紀整個技術發展中,研制一臺自動化機器,使之能夠模擬人腦運算、解決邏輯問題等,是人們長久以來的期盼。相當多的人從事著運算、排序、計數、檢索和分類方面的工作,在單調重復的工作中不可避免地要發生一些錯誤。因此,謀求降低此類人工勞動的舉措,在科學領域變得十分迫切。
1642年,法國哲學家兼數學家帕斯卡制造出第一臺計算機器,俗稱“加法機”,“加法機”主要由一系列齒輪組成。30年后,德國數學家萊布尼茨制造出能進行加減乘除運算的機械式計算機。但是這些機器的運算執行都離不開操作員的輔助工作,需要人工輸入數字,并指示機器進行下一步工作。
18世紀30年代,英國的巴貝奇思考自動計算的問題,設計了機械計算機“差分機”,此后熱衷于更有抱負的設想“分析機”。“分析機”是一臺真正意義上的自動計算機器,主要由兩個部分組成:執行運算的設備以及保存數據及運算中間結果的存儲器。由于整個過程的控制由一套穿孔卡片來實現,因此,也有人認為“分析機”由三個部分組成:運算器、存儲器和控制器組成,若再加上輸入、輸入設備,就和現代電子計算機的硬件結構幾乎一樣。
此外,巴貝奇設想一種現在稱之為“條件轉移”的指令,可以根據某個被計算結果的正負號,從可能繼續運算的兩條路線中選擇一條做下去。這一重大的創新,標志著機器不僅能代替人的具體計算,而且開始代替人的邏輯判斷,它是實現現代電子計算機設計很關鍵的思想。巴貝奇的一生都在為制造一臺自動計算機器而勞碌,但最終卻勞而無獲,另一位女性阿達在翻譯他的論文時認識到,許多計算中存在條件轉移需求,她提出了我們現在稱為“循環”和“子程序”的概念,被公認為世界上第一位軟件工程師。
在巴貝奇死后的很長一段時間,關于自動計算幾乎無人問津,直到1950年,英國科學家圖靈發表了計算機史上里程碑式的論文Can machine think 。1848年,英國數學家布爾吸收了萊布尼茨的二進制思想,創立二進制代數學,布爾將形式邏輯歸結為一種代數演算,布爾代數特別適合于具有斷開與接通兩種狀態的電路系統。布爾本人并沒有把邏輯代數與計算機聯系起來,但他創造的邏輯代數卻對現代計算機的發展產生了深刻的影響。
1906年,電子管問世,并在20世紀20~30年代得到巨大發展。美國哈佛大學的艾肯設想運用卡片穿孔以及借助電流進行運算的部件,制造出一臺巴貝奇曾經構想過的自動計算機,1944年這臺機器制造出來,被稱為MARK I。1946年,ENIAC誕生,有人說這是第一臺真正意義上的數字電子計算機。但是,人們仍然被十進制這種人類習慣的計數方法所困擾。
當人們還在苦苦尋找制造基于十進制的計算機解決方案時,馮?諾依曼看到了二進制的長處,他在構思計算機的結構時,運用了萊布尼茨和布爾的成果。馮?諾依曼意識到,二進制的優點不僅在于它強調計算機和邏輯機的等價性,還在于從電學和電子學的觀點看,完成二進制運算所需要的兩種狀態很容易用電壓和電流的有與無來實現,更為重要的是,他認識到程序和存儲器的重要性。此后,越來越多的人認識到二進制計算機的優點,這催生了電子技術的發展,制造計算機元器件不斷更新,從電子管到晶體管再到集成電路,最終發展成為現代計算機。
信息科技課程中關于科技史的學習建議
1. 信息科技的發展歷程應從機械計算機開始
人們一般從ENIAC開始介紹計算機的發展歷程,也就是說是從電子計算機開始講起,同時引入馮?諾依曼的二進制思想和存儲程序思想。但是調查顯示,幾乎沒有學生能較為合理地解釋這兩個思想的價值何在。究其原因,在于離開當時的背景去描述一個思想的價值,學生缺失理解某概念的情境,缺少對計算機發展脈絡的了解。
從哪里開始講述計算機的發展史呢?計算機從無到有經歷了幾百年,考慮到現代計算機對早期計算工具的繼承關系,因此有必要簡述計算機(器)的早期發展史。然而早到什么時候,有人認為應該從中國的算盤開始,但是算盤僅是計算的一個記憶助手,類似于一張紙和一支鉛筆,并不是真正的機器。有人認為,應該從1642年帕斯卡的加法機開始,也有人認為應該從1840年巴貝奇的機械計算機開始講起。筆者認為,從哪里開始講述,取決于怎樣才能有利于學生從無到有建構自己的知識。巴貝奇的機械式計算機思想較為復雜,學生可能會一下子難以理解,早期計算機主要解決的是單純的數據計算問題,因此,從帕斯卡的加法機開始講述,逐步過渡到巴貝奇的分析機,適時引入存儲數據以及邏輯運算的知識,再到電子計算機以及馮?諾依曼思想,是個較為合理的思路。
2. 從計算機的邏輯結構梳理計算機發展的脈絡
同樣的歷史,既可以是編年史,也可以是文明史,還可以是文化史等。科學技術的發展史也如此,計算機發展的脈絡如何梳理?有的教材從計算機使用的部件來劃分,分為電子管、晶體管等五個時代,但這種劃分意義不大。有的教材以編年史的形式來描述,但是過于龐雜,難以體現重點以及繼承與發展的內在聯系。筆者認為,馮?諾依曼在19世紀40年代提出的計算機結構、二進制以及存儲程序的思想,歷經近百年依然使用,并成為信息科技領域中的重要思想,也應是學生學習的重點。因此,從計算機的邏輯結構來梳理脈絡更為合理。
人們從提花編織機中得到指揮機器工作的“程序”的靈感,以穿孔卡片的形式記載最早的“程序”,而存儲程序的思想,使計算機最終成為可以處理不同任務的通用計算機。按照計算機邏輯結構不斷發展這樣的學習線索,聚焦計算機需要解決的問題以及科學家解決問題的創新,有助于理解計算機從無到有的過程,有助于理解二進制的意義。其中涉及的一些重要概念,如“運算器”、“控制器”、“存儲器”、“輸入輸出”、“二進制”等,學生都能在相應的歷史背景中得以理解。而“程序”、“指令”、“邏輯運算”等概念,也給學生后續學習算法奠定基礎。
3. 精簡內容有利于在課堂教學中實施
隨著人們生活水平的提高,計算機越來越成為人們生活和工作中密不可分的一部分,而對比計算機剛開始研制出來的時候,現代計算機已經發生了翻天覆地的變化。我們不妨根據計算機幾十年的發展歷程展望一下未來人們的生活狀態。1946年2月14日,在美國賓夕法尼亞大學,世界上第一臺電子數字計算機ENIAC誕生,從此開啟了計算機技術的繽紛發展史。自第一臺計算機ENIAC誕生至今,計算機已經經歷了幾代的發展,不管是體積、功能還是性能,都發生了翻天覆地般的變化,簡單介紹如下:第一代,電子管計算機(1946-1957),這一階段計算機的主要特征是采用電子管元件作基本器件,體積大、耗電量大、速度慢、存儲容量小、可靠性差、維護困難且價格昂貴,這一代的計算機主要用于科學計算。第二代,晶體管計算機(1958-1964)這一階段是由晶體管代替電子管作為計算機的基礎器件,在整體性能上,比第一代計算機有了很大的提高。同時程序語言也相應的出現了,這一代計算機被用于科學計算的同時,也開始在數據處理、過程控制方面得到應用。第三代,中小規模集成電路計算機(1965-1971)20世紀60年代中期,中小規模集成電路成為計算機的主要部件,計算機的體積更小,功耗更低,可靠性更高。在軟件方面,有了標準化的程序設計語言和人機會話式的Basic語言,其應用領域也進一步擴大。第四代,大規模和超大規模集成電路計算機(1971-2015)隨著大規模集成電路的成功制作并用于計算機硬件生產過程,計算機的體積進一步縮小,性能進一步提高。微型計算機在社會上的應用范圍進一步擴大,幾乎所有領域都能看到計算機的“身影”。現階段,計算機已經基本普及到我們生活和工作的各個角落,而且目前計算機技術基本能滿足大眾的日常應用需要,但不可反駁的是,計算機技術仍然在以極高的速度進行著更新和發展。
2現在及未來高新技術
從計算機的發展歷程中可以看到,當每次電子科技出現重大發展的時候,計算機都會出現跨時代的進步,而現階段科技在電子技術、生物技術、計算機軟件技術的帶領下,擁有極快速的發展。可以預料,計算機技術將持續處于一種高速發展的狀態。相信在不久的未來,計算機在性能更加可靠、運算更加快速、攜帶更加方便的基礎上,將逐漸向人性化和智能化發展。目前,可以對計算機技術產生影響的技術主要有以下幾個:
2.1微電子技術
微電子技術在半導體技術和納米技術、集成電路技術等的推動下,又掀起了新一輪的發展浪潮,其主要趨勢為器件尺寸不斷縮小、集成度不斷提高和新材料的試驗及運用等,每個方面都會帶給計算機很大的成長空間。
2.2納米技術
納米技術(nanotechnology)是用單個原子、分子制造物質的科學技術,研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。由于納米技術會產生不同于原有物質的特殊性能,用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強、壽命更長、維修費更低、設計更方便,故其對未來計算機的新型材料領域將產生巨大的推動作用。
2.3生物工程技術
生物技術是一門新興的、綜合性的學科,它是人們以現代生命科學為基礎,結合其他基礎科學的科學原理,采用先進的科學技術手段,按照預先的設計改造生物體或加工生物原料,為人類生產出所需產品或達到某種目的的一門技術。隨著生物技術的逐漸發展,其對計算機技術領域的影響也越來越大,如DNA芯片、分子芯片、蛋白質存儲器和基于分子間的核磁共振以及量子力學的相互作用而產生的量子計算機等等。生物技術和計算機技術都是具有極大潛力的技術學科,二者也相互促進、相互影響,必定會將未來計算機技術推動到一個新的高度。可以預見的是,計算機在各種高科技技術的推動下,將發展成人們不可缺少的生活和工作的工具,而且未來計算機也必定會更加方便人們的使用,體積更小、速度更快、準確性更高、應用形式更加多樣化等等將成為計算機發展的必然趨勢。
3未來生活展望
在幾十年前,在計算機剛剛出現的一段時間,其對人們的影響只局限于科學研究和數學計算等方面,甚至很多人提起計算機都沒有一個清楚的概念。但很快,計算機就逐漸進入了人們的生活和工作之中;現在,計算機已經逐漸融入了很多人的生活,實現了很多以前不可能實現的事情。而計算機技術的發展腳步從沒有停止,在很多新興科學技術的發展過程中,計算機也在不斷嘗試融入新的元素以達到更優的設計,從而方便人們的使用。我們可以想象,十幾甚至幾十年后,計算機將融入我們生活和工作的每一個角落。在家里,計算機控制的家用電器可以更加智能化的遙控,不管是休息還是娛樂,不管是鍛煉還是和親朋好友通訊,都能輕松駕馭和管理自己的生活。在工作中,計算機在工作中,各種自動化機器均能在計算機的控制調動下完成指定的工作,更加節約人力物力而且使得工作質量更加可靠有保證。出行時,計算機控制下的交通工具使得行程更加輕松便捷,安全舒適。科研上,計算機的發展使得科學家們可以更加精確的進行科學計算,或是進行現在所不能解決的問題研究,更進一步推動科學的進步和發展。不管如何,我們都應該相信,隨著計算機的不斷發展,我們未來的生活將更加豐富多彩,安全便捷。
作者:趙雅昕 單位:北京理工大學附中分校
參考文獻:
[1]顧華哲.微電子技術在計算機方面的研究和應用[J].電子技術與軟件工程,2014(17):153-153.
關鍵詞:農村電網 繼電保護 配置 可靠性
1、繼電保護技術發展的歷史階段
電力系統技術的發展對繼電保護提出了新的要求,電子技術、計算機技術與通信技術的發展又為繼電保護技術的發展注入了新的動力,繼電保護技術的發展,也是科技實力的發展。
建國后,我國繼電保護學科、繼電保護設計、繼電器制造工業和繼電保護技術隊伍從無到有,在大約10年的時間里走過了先進國家半個世紀走過的道路。50年代,我國工程技術人員創造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術,建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍,對全國繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用。在引進消化了當時國外先進的繼電器制造技術后,建立了我國自己的繼電器制造業。在60年代中期我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學的完整體系。這是機電式繼電保護繁榮的時代,為我國繼電保護技術的發展奠定了堅實基礎。
50年代末,晶體管繼電保護已開始研究。6O年代中期到80年代中期是晶體管繼電保護蓬勃發展和廣泛采用的時代。我國研制的500kV晶體管方向高頻保護和晶體管高頻閉鎖距離保護的成功運行,結束了500kV線路保護依靠進口的時代。從7O年代中期,基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到8O年代末集成電路保護已形成完整系列,逐漸取代晶體管保護。到9O年代初集成電路保護的研制、生產、應用仍處于主導地位,這是集成電路保護時代。
70年代末開始計算機繼電保護的研究,高等院校和科研院所起著先導的作用。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定,并在系統中獲得應用,揭開了我國繼電保護發展史上新的一頁,為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面,東南大學和華中理工大學研制的發電機失磁保護、發電機保護和發電機變壓器組保護也相繼于l989年、l994年通過鑒定并投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護,西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護也相繼于l993年、l996年通過鑒定。至此,不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色,為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究,在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代,開始走上高科技的發展時代。
2、農村電網保護配置存在的問題
(1)由于系統運行方式變化大,利用簡單的電流、電壓型保護有時很難同時滿足快速性、選擇性和靈敏性的要求。
(2)隨著農村電網的改造,環形網、雙回路網的增加,現有保護配置(非方向元件)難以適應運行方式的要求。
(3)保護采用的電磁型、晶體管型、集成電路型繼電保護比微機保護可靠性差。
(4)隨著線路長度的縮短,電流速斷保護范圍相應縮短,短線路一般無保護范圍,影響了快速性和靈敏性。
3、繼電保護技術的發展前景
智能化進入2O世紀90年代以來,人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規劃、模糊邏輯等在電力系統各個領域都得到了應用,電力系統保護領域內的一些研究工作也轉向人工智能的研究。專家系統、人工神經網絡(ANN)和模糊控制理論逐步應用于電力系統繼電保護中,為繼電保護的發展注入了活力。隨著計算機技術的飛速發展以及計算機在電力系統繼電保護領域中的普遍應用,新的控制原理和方法被不斷應用于計算機繼電保護中,以期取得更好的效果,從而使微機繼電保護的研究向更高的層次發展,其未來趨勢向計算機化,網絡化,智能化,保護、控制、測量和數據通信一體化發展。微計算機硬件的更新和網絡化發展在計算機領域,發展速度最快的當屬計算機硬件,按照著名的摩爾定律,芯片上的集成度每隔18~24個月翻一番。其結果是不僅計算機硬件的性能成倍增加,價格也在迅速降低。微處理機的發展主要體現在單片化及相關功能的極大增強,片內硬件資源得到很大擴充,單片機與DSP芯片二者技術上的融合,運算能力的顯著提高以及嵌入式網絡通信芯片的出現及應用等方面。這些發展使硬件設計更加方便,高性價比使冗余設計成為可能,為實現靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺創造了條件。硬件技術的不斷更新,使微機保護對技術升級的開放性有了迫切要求。未來的繼電保護技術、變電所綜合自動化技術現代計算機技術、通信技術和網絡技術為改變變電站目前監視、控制、保護和計量裝置及系統分割的狀態提供了優化組合和系統集成的技術基礎。高壓、超高壓變電站正面臨著一場技術創新。實現繼電保護和綜合自動化的緊密結合,它表現在集成與資源共享、遠方控制與信息共享。以遠方終端單元(RTu)、微機保護裝置為核心,將變電所的控制、信號、測量、計費等回路納入計算機系統,取代傳統的控制保護屏,能夠降低變。
電所的占地面積和設備投資,提高二次系統的可靠性。自適應控制技術在繼電保護中的應用自適應繼電保護的概念始于20世紀80年代,它可定義為能根據電力系統運行方式和故障狀態的變化而實時改變保護性能、特性或定值的新型繼電保護。自適應繼電保護的基本思想是使保護能盡可能地適應電力系統的各種變化,進一步改善保護的性能。這種新型保護原理的出現引起了人們的極大關注和興趣,是微機保護具有生命力和不斷發展的重要內容。自適應繼電保護具有改善系統的響應、增強可靠性和提高經濟效益等優點,在輸電線路的距離保護、變壓器保護、發電機保護、自動重合閘等領域內有著廣泛的應用前景。隨著電力系統的高速發展和計算機技術、通信技術的進步,繼電保護技術面臨著進一步發展的趨勢。其發展將出現原理突破和應用革命,由數字時代跨入信息化時代,發展到一個新的水平。未來中國電力系統繼電保護技術的發展前景,會以嶄新的姿態走在世界前列。
4、10KV線路保護中容易被忽視的問題及解決方法
(1)10kV線路如裝有大量的配電變壓器,在線路投入時,這些配電變壓器是掛在線路上,在合閘瞬間,各變壓器所產生的勵磁涌流在線路上相互迭加、來回反射,產生了一個復雜的電磁暫態過程,在系統阻抗較小時,會出現較大的涌流,時間常數也較大。二段式電流保護中的電流速斷保護由于要兼顧靈敏度,動作電流值往往取得較小,特別在長線路或系統阻抗大時更明顯。勵磁涌流值可能會大于裝置整定值,使保護誤動。這種情況在線路變壓器個數少、容量小以及系統阻抗大時并不突出,因此容易被忽視,但當線路變壓器個數及容量增大后,就可能出現。
勵磁涌流的特征,就是它含有大量的二次諧波,另一特征就是它的大小隨時間而衰減,一開始涌流很大,一段時間后涌流衰減為零,流過保護裝置的電流為線路負荷電流,利用涌流這個特點,在電流速斷保護加入一短時間延時,一般為0.15~0.2s的時限,就可以防止勵磁涌流引起的誤動作,這樣雖然會增加故障時間,但在對穩定運行影響較小的地方還是適用的。
(2)10kV線路出口處短路電流一般都較小,特別是農網中的變電所,它們往往遠離電源,系統阻抗較大。對于同一線路,出口處短路電流大小會隨著系統規模及運行方式改變而改變。隨著系統規模的不斷擴大,10kV系統短路電流會隨著變大,可以達到TA一次額定電流的幾百倍,系統中原有一些能正常運行的變比小的TA就可能飽和;另一方面,短路電流中含大量非周期分量,又會進一步加速TA飽和。在10kV線路短路時,由于TA飽和,感應到二次側的電流會很小或接近于零,使保護裝置拒動,影響供電可靠性,而且嚴重威脅運行設備的安全。
避免TA飽和一是在選擇TA時,變比不能選得太小,要考慮線路短路時TA飽和問題,一般10kV線路保護TA變比最好大于300/5。另一方面要盡量減少TA二次負載阻抗,盡量避免保護和計量共用TA,縮短TA二次電纜長度及加大二次電纜截面等,就能很好的防止TA飽和現象。
關鍵詞:半導體平面工藝;實踐教學;教學方法
中圖分類號:G642.41 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)40-0150-02
一、引言
半導體器件平面工藝技術是60年展起來的一種非常重要的半導體技術[1]。半導體器件平面工藝即:在半導體芯片上通過氧化、光刻、擴散、電極蒸發等一系列流程,制作出晶體管和集成電路;制作的器件和電路都是在芯片表面一層附近處,整個芯片基本上保持是平坦的(實際上,表面存在許多臺階);制作出的晶體管稱為平面晶體管(相對于臺面晶體管而言),故稱相應的制作工藝為平面工藝[2]。迄今為止,平面工藝已經是制造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術。因此,讓相關專業的本科生了解平面工藝的基本制作工藝有著非常重要的現實意義。
二、平面工藝的發展史
同許多重要的工藝進展一樣,平面工藝也是從前幾代工藝中演變、發展來的。下面分別介紹這幾種半導體器件的制造方法及工藝[3]。
1.生長結方法。該方法是在摻有某種雜質的半導體熔液中生長半導體單晶。通過在生長過程中的某一時刻,突然改變熔液的導電類型來達到生長P-N結的目的。舉例說明如下:例如在含有P型雜質的溶液中生長了一段時間后,投入一顆含有施主雜質的小球,結果,單晶的其余部分長成N型。生長完成后,再把晶體切成含有P-N結的小條。在結型晶體管發明之后的頭幾年,這個方法是極其重要的,但從大批量生產的角度來看,生長結方法不如合金結方法更有效。
2.合金結方法。為了更好理解,我們將舉例說明。在一個N型的半導體片子上放入一個含有受主型雜質的小球,并將它們一起加熱到足夠高的溫度,使得小球以融解或合金的形式摻入到半導體片子中,晶體冷卻之后,小球下面會形成一個受主型雜質飽和的再分布結晶區,這樣就得到了一個P-N結。
這種方法不僅在發明之初是,而且現在仍然是二極管和晶體管(主要是鍺器件)大批量生產中廣為使用的一種方法。但是,隨著科技的發展,對半導體器件性能的要求越來越高,而合金結方法的局限性就暴露出來了,比如,其結的位置總是難以控制。
3.平面工藝。為了探索一種能夠精確控制P-N結位置的方法,擴散結方法就應運而生了。擴散結的形成方式與合金過程有相似之處,即片子的表面是暴露于高濃度雜質源之中的。但擴散結,在這種情況下不發生相變,雜質依靠固態擴散的方式進入半導體晶體內部,而固態擴散則是能夠非常精確地加以控制的。此外,由于二氧化硅薄層能夠有效地掩蔽大多數最重要的受主和施主雜質的擴散,因而半導體幾何圖形的控制精度也大大提高了;另外,二氧化硅薄層還具有能鈍化半導體器件表面的作用,因此,器件受周圍環境影響的弱點可以得到極大的克服,從而提高器件的重復性和穩定性得到了較大的提高。
綜上所述,平面工藝就是利用掩蔽膜,通過光刻技術控制幾何圖形,進行選擇擴散形成P-N結,制造半導體器件的工藝。其具有用固態擴散方法形成結和利用二氧化硅掩膜精確控制器件幾何圖形的優點。
三、課程教學探討
1.課程內容設置。本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝實驗的主要目的是應用平面工藝技術制作半導體二極管,通過對最基本的半導體單元器件的制作來達到讓學生熟悉平面工藝流程,深刻理解平面工藝原理并掌握簡面工藝操作技能的目的。
本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝的具體實驗流程如圖2所示。
(1)首先在Si外延片的表面利用熱氧化的方法生長一層SiO2的氧化層,這層SiO2既起到對雜質的屏蔽作用,又能起到絕緣等保護作用。生長氧化層的時候采用干濕氧交替的方法來達到既保證氧化層厚度又保證氧化層致密性的目的。
(2)通過濕法刻蝕的方法在SiO2層表面刻蝕出擴散窗口,或者稱為P區窗口。
(3)以BN為源,向擴散窗口中進行B擴散。這里一般有兩個過程:一是B預沉積,即,在表面雜質濃度恒定的條件下,將雜質B沉積在Si表面的一無限薄層內,通過擴散時間的控制可以決定雜質總量的多少。這一過程之后,我們通過測量樣片方塊電阻的方法,以確定雜質總量是否合適。二是B再分布,即在雜質總量恒定的條件下,向Si深層進行B擴散,通過擴散時間的控制可以決定雜質擴散的深度。這一過程之后,進行擴散深度的測量,又叫結深測量。
(4)B擴散之后,含有B雜質的區域就成為P型Si,稱為P區。由于B再分布過程是在通氧氣的環境下進行的,因此會在P區表面形成一薄層SiO2,必須通過二次光刻,刻蝕出電極引線孔。
(5)二次光刻后,利用真空蒸發工藝,在器件表面沉積一層金屬Al作為電極。
(6)再進行三次光刻,去掉多余部分的Al,最終形成Al電極。這樣一個簡單的二極管就制作完成了。
(7)最后進行二極管正反向偏置條件下結特性的測量,以確定二極管的性能。
2.課堂教學方法探討。本實驗課的教學方法采用實驗前集中講解和實驗后答疑分析講解相結合的方法。
實驗前的集中講解:講解本實驗的實驗原理、實驗目的、實驗步驟,并提出一些實驗中要涉及到的相關知識,讓學生提早預習。答疑和分析講解:實驗完成后,每個小組要針對自己的實驗過程和結果進行小結,由老師解答學生還存在的疑問,并對實驗結果進行分析。由于本實驗是一個綜合性,研究型的實驗,所以我們在實驗報告的寫作上也進行了一些改革,要求學生以科技論文的方式來完成本課程實驗的實驗報告。這樣的教學方法和形式,能達到教與學的互動和融洽,使師生在教與學的過程中真正溝通,教師能動態地了解學生的實驗情況和要求,也讓教師動態地了解自己的教學效果。
本實驗課的目的是通過氧化、擴散、光刻這三個最基本的半導體平面工序制造出一個完整的半導體二極管,是一個典型的綜合性、研究型實驗。本實驗的功能主要鞏固相關專業的本科生所學的專業基礎知識,了解和掌握半導體器件制備工藝的主要過程,具有一定分析、解決實際工藝問題的能力,激發學生對微電子行業的興趣。因此,在完成本學院本科生必修實驗課程的基礎上,可以部分面向全校學生開放,為跨專業的學生提供與此技術相關的課外選修實驗項目,大學生創新創業項目和開放創新實驗項目等。學生可以根據自己的興趣愛好選修實驗中心提供的實驗項目,也可以根據自己的一些想法,提出完整的實驗方案,實驗中心可以為具有可行性的實驗方案提供場地與儀器設備。畢業班的學生則可以根據自己就業的需要,進行一些實用性的實驗項目或參與科研工作,在實驗教師的指導下,完成科研項目中的一些子項目或功能模塊。使得參與實驗項目學生的動手實踐能力得到較好的鍛煉,培養學生的創新意識,強化學生的動手能力,全面提高學生的綜合素質,為他們今后走向社會,迎接信息時代的挑戰作好充分準備。
四、結論
半導體器件平面工藝實驗課程的開設可以讓學生更加直觀的了解這個行業,加深對前面幾門課程的理解。該實踐課程主要是應用平面工藝技術制作半導體中最基本的器件二極管。學生通過氧化、光刻、擴散、蒸發、結特性測量等一系列實驗,掌握半導體器件的工藝流程。培養學生實際動手能力、獨立處理問題和解決問題的能力,提高學生就業競爭力。
參考文獻:
[1]阮剛.集成電路工藝和器件的計算機模擬――IC TCAD技術概論[M].上海:復旦大學出版社.