关键词： 特征选择验证算法   计算电磁学   小波函数变换   可信度评估   卷积神经网络模型  

摘要： 特征选择验证算法是IEEE标准1597.1确立的电磁仿真可信度评估体系的核心方法,用以代替有电磁计算专业背景专家进行仿真结果评估,其凭借着准确性高、实用性好等优势获得了机构和学者们的认可与推广应用。然而,特征选择验证算法在瞬态数据失效、智能化推广以及不确定性仿真结果评估等基础理论问题有待解决,本文以此开展深入研究。首先,本文针对特征选择验证算法与电磁兼容专家对含有瞬态分量的数据的可信度评估结果差异较大的问题,实现了详细的失效机理分析,并采用DB6小波函数变换代替了原有的傅里叶变换环节,提出了基于DB小波函数的改进特征选择验证算法。与此同时,引入遗传算法实现了改进特征选择验证算法的关键参数优化,既保证了与传统特征选择验证算法在基础问题可信度评估上的一致性,又解决了特征选择验证算法含有瞬态分量数据的评估失效问题,提高了特征选择验证算法的准确性。其次,特征选择验证算法是基于人工智能思想提出的,但其本身并没有学习能力,因此需要研究者们根据对具有计算电磁学背景专家的调查问卷结果,人为地对算法进行改进,该方式无法适应计算电磁学模型和方法的发展速度。本文提出了基于卷积神经网络模型的改进DB特征选择验证算法,根据认可度最高的八组专家调查问卷问题构建海量评估数据集,并采用传统特征选择验证算法进行标注,定量验证了训练好的卷积神经网络模型具备与传统特征选择验证算法相同的评估视角,这证明了所提可信度评估方法具有强大的学习能力,本算法的提出进一步提高了计算电磁学背景专家评估经验的传承能力。最后,不确定性分析方法是电磁兼容领域近几年的热点研究方向,但对其结果的可信度评估问题仍有待解决。为解决此问题,本文提出了基于特征选择验证算法的不确定性电磁兼容仿真结果可信度评估公式。为验证所提新型可信度评估方法的准确性,在含有几何随机性的捆扎线缆束串扰预测算例中,分别实现基于蒙特卡洛方法和随机模型降阶法的电磁兼容仿真不确定性分析。在此基础上,将所提可信度评估方法创新性的应用于解决不确定性分析方法的收敛判定问题中,实现了蒙特卡洛方法和随机模型降阶法的收敛判定,提高了不确定性分析方法在使用过程中的整体性能。

关键词： 高中物理   电磁学   课外探究性实验  

摘要： 根据教育部发布的《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》和新高考的实行,物理教学越来越重视实验。实验着重考察学生的探究意识与深度思维,探究性实验在其中发挥了重要作用。新高考要求学生在生活情境中学习,在生活情境中解决实际问题,真正实现人的培养。然而高中阶段学习内容多,教学任务重,特别是高二学业水平考试阶段,教师对实验的教学时间较少。课外探究性实验对实验教学及学生的能力发展起到了很大的作用,特别是复杂难懂的电磁学知识,更需要实验辅以理解学习。所以本文利用文献研究法、问卷调查法、访谈法、实验研究法对高中物理电磁学课外探究性实验进行研究,主要有以下部分:(1)本研究通过文献研究法发现,课外探究性实验对学生能力的发展以及教师教学具有重要意义,目前对物理课外探究性实验的研究还是比较多的,说明本文的研究具有一定的研究价值。但是对于高中的探究性实验,特别是电磁学课外探究性实验的设计与创新的研究比较少,高中物理电磁学课外探究性实验的设计与实践值得大家去研究。通过学生问卷调查与教师的访谈发现,无论是学生还是教师都对课外探究性实验持积极的态度,特别是电磁学内容。课外探究性实验在一定程度上可以培养学生的核心素养。因此,针对高中物理电磁学课外探究性实验的设计与实践研究具有重要意义。本文尝试设计案例并进行实践,给广大一线教师的教学提供一定的参考。(2)针对高中物理电磁学课外探究性实验,本文设计了人体感应电压检测、电磁炮、自制发电机、自感拓展小实验、电子温度计五个案例并带领学生进行分组实践。学生在真实情境中解决问题,在一定程度上增加了对课内知识的理解,实验能力有所提高,创新与团队协作能力有所提升,拉近了学生与现实生活的距离。将学生实验的结果应用于新课教学中,教学效果有很好的反响。表明电磁学课外探究性实验对学生能力的发展与教师的教学有一定的帮助。

关键词： 神经网络   人工智能   耦合矩阵   阵列天线  

摘要： 近年来,基于神经网络的Alpha Fold、Chat GPT等人工智能的发展,为科学研究带来了新的思路,若能将神经网络应用在工程电磁学领域,将具有巨大的潜力和广泛的应用前景。一方面,许多电磁问题使用一些传统的方法需要耗费大量时间,并且难以解决一些复杂的问题,另一方面,神经网络在处理复杂问题和提高效率上具有显著优势,有望改进当前的解决方案。因此,本文以工程电磁学领域中的微波电路和天线为背景,探讨如何将神经网络技术应用于相关问题,以期实现性能提升、效率优化和复杂问题的解决。具体研究内容包括以下几个方面:1.对基于数据驱动的残差神经网络和卷积神经网络在微波电路领域的应用进行了深入探讨,尝试以此为基础解决微波滤波器的耦合矩阵提取问题,构建了用于该问题的一维深度残差卷积神经网络。为了解决该问题中数据集构建时间长的问题,提出了基于耦合矩阵理论的数据集快速构建方法,基于该神经网络模型和数据集构建方法,实现了五阶及八阶交叉耦合滤波器及五阶介质波导滤波器的耦合矩阵提取,验证了该方法在耦合矩阵提取中的有效性。2.在耦合矩阵的另一类问题,即耦合矩阵综合上,将基于Off-policy算法的深度强化学习算法,即D3QN算法应用于该问题,为其设计了独特的奖励函数和动作函数,从而使该算法可以顺利的求解组合优化问题。最后在带有传输零点的六阶交叉耦合滤波器及Trisection结构滤波器上成功综合出了满足目标的耦合矩阵,表明了该方法的可行性和普适性。3.在工程电磁学的另一大领域天线领域,即阵列天线的方向图优化及波束赋形问题上,在前面提出的奖励函数和动作函数的基础上,将基于On-policy算法的深度强化学习算法,即PPO算法应用于该问题,并通过Python-HFSS联合仿真提高结果的准确度和优化速度。最后在低旁瓣方向图及平顶波束赋形的四个例子上成功优化出了符合期望的方向图,表明了该方法的可行性。

关键词： 高中生   电磁学概念   Rasch模型   现状调查   改善策略  

摘要： 物理学概念是物理学研究者在对客观世界进行感性认识后,通过头脑处理和抽象感性材料的思维产物,它是物理学习的重要组成部分。自20世纪70年代以来,对学生学习物理概念、错误概念的形成和概念的转变的研究已经成为物理教育研究的重点之一。电磁学作为高中物理课程的核心内容之一,一直是高中物理的重点和难点,因此有必要对学生的电磁学概念理解现状做一个整体的了解。基于此,本文开展高中生电磁学概念理解现状调查研究,发现存在的问题,提出改进教学的策略。本文以学习进阶理论和项目反应测量理论为基础,采用北京高中物理教研团队开发的基于学习进阶理论的概念诊断二级指标体系,构建电磁学概念理解测量框架,据此框架开发电磁学概念理解诊断试卷。为提高测试的有效性,本文邀请物理学科带头人与教育专家对框架和试卷的内容结构效度进行多轮严格的检验。初测选取50名高二学生进行试测并收集数据,采用的数据分析方法为Rasch模型分析法和描述性统计结合的方法。利用Winsteps软件进行被试和项目的信度、效度、分离度检验,以及单维性检验、拟合度分析和整体性能分析。根据初测结果的分析和一线教师的意见对试卷做出必要的修订。正式测试共有320名高二学生参与。由于疫情防控的限制,本次测试利用线上平台,以作业的形式将试卷发放给学生。大部分学生的作答时长均在两个小时左右。经过Rasch模型分析,正式测试的被试信度为0.77,项目信度为0.98,证明本次测试信度较高。拟合度分析表明,调查问卷与Rasch模型拟合较好。经质量分析,项目难度为0,难度适中。但被试分离度未达到2以上,说明被试群体的电磁学概念理解水平较为集中。调查发现高中生对电磁学概念理解存在以下几点问题:(1)高中生电磁学概念理解水平分布集中,且大部分被试的能力高于大部分的项目难度,说明高中生的电磁学理解水平较高。(2)高中生的电磁学错误概念有左手定则和感应电动势。(3)高中生对电磁学概念的理解仅在个别项目上存在性别差异。(4)高中生在电磁学概念理解上表现出的学习困惑大多存在于关联整合和策略反省维度。针对这些问题本文提出了以下几条促进高中生电磁学概念理解的教学策略:(1)重视易错概念的转变。(2)重视理解科学思想方法。(3)重视教学评价的多样性。(4)重视整合式的概念教学。

关键词： LCC谐振变换器   改进双载波混合控制   宽ZVS范围   模块化IPOS   动态相量法   均压控制  

摘要： 随着信息技术及数字经济地快速发展,各种应用场合对数据中心电源的要求也越来越高。谐振变换器由于具有良好的软开关及低EMI等特性被广泛应用在DC-DC级变换器中,LCC谐振变换器可以实现原边开关管宽ZVS范围及副边二极管ZCS而被广泛地研究。针对高压大功率场合,模块化输入并联输出串联(Input-Parallel Output-Series,IPOS)结构具有输出电压高,电气应力小等优势,因此本文以LCC谐振变换器为研究对象,主要对其宽ZVS范围控制策略及模块化技术展开研究。 首先分析了LCC谐振变换器的工作原理和工作模态,通过扩展基波近似法(Extended Fundamental Harmonic Approximation,EFHA)对LCC谐振变换器建模,并以此为基础分析电压增益,输入阻抗等特性,同时给出了主电路参数设计的方法。为了解决传统变频控制开关频率变化范围宽,移相控制ZVS范围窄的缺点,本文提出了改进双载波混合控制策略,使得LCC谐振变换器在宽输入及宽负载范围下,具有较窄的开关频率变化范围并实现软开关。分析对比了混合控制与变频控制的频率变化范围,谐振腔无功功率及开关管电流应力特性,混合控制与移相控制的ZVS范围特性,同时给出了控制参数的设计方法。 其次针对模块化IPOS LCC谐振变换器,采用动态相量法稳态建模,以此分析谐振参数不一致对输出电压均衡影响,在控制上,采用稳压控制与均压控制实现总的输出电压稳定与模块间的均压,将改进双载波混合控制应用到稳压环中,并采用交错控制降低输出电压的纹波。 最后搭建了1000W样机平台。在硬件上完成了变压器,电感,驱动电路,采样电路,主功率电路的设计及开关管,整流二极管等器件的选型,软件上完成了TMS320F28335控制器的程序编写。通过实验验证了理论分析的正确性。

关键词： DIS实验   常规实验   对比分析   高中物理演示实验  

摘要： 物理学是建立在实验基础上的自然科学,物理教学必须以物理实验为基础。演示实验作为物理实验的一种类型,因其特有的直观性、形象性、趣味性被广大师生所喜爱,成为物理教学的重要手段,在高中物理教学中扮演重要角色。同时随着科学技术的进一步发展,教育信息化也被逐步提上日程,教育部先后通过一系列文件,明确信息技术影响着教育发展,要以教育信息化带动教育现代化。《普通高中物理课程标准(2017年版2020修订)》的颁布,也进一步要求为广大学校建立数字化实验室或引进教学演示用的数字化实验系统,并引导教师研究数字化实验系统的教学方式,以促进教学手段方式的现代化。基于此,DIS实验系统逐步进入中学物理实验教学的课堂。但对于这一数字资源,由于地区发展差异及教育理念的不同,不同的教师对其的认知不同,态度不同,导致教师在进行实验教学时存在着一定困惑。对此,本文将进行高中物理演示实验教学中常规实验和DIS实验的对比研究。以明确常规实验和DIS实验各自的特点,为一线教师合理的选择两种实验方式提供借鉴和参考。研究以教学最优化、有意义学习、视听教育理论为基础,开展了以下工作:首先,通过文献研究界定了“常规实验”和“DIS实验”的概念,梳理了国内外关于常规实验教学及DIS实验教学的研究现状。其次,在学者们已有研究的基础上,进一步结合演示实验应用的基本要求,从实验器材、实验现象、实验的实施与操作及培养学生能力四个维度出发构建本文常规实验与DIS实验的对比框架。在此框架的基础上,选择电磁学部分演示实验,在实验室中运用常规和DIS两种不同的实验方式完成,记录实验过程,对常规实验和DIS实验进行对比分析,明确两者各自的特点,并总结出两种实验的选择依据。最后,以《法拉第电磁感应》、《自感现象》作为教学主题进行常规实验教学设计及DIS实验教学设计,并在教育实习阶段将其应用在甘肃省定西市某高中高二年级的两个普通班中,通过问卷和访谈,对两种实验方式下的教学效果进行了反馈调查。研究结果表明,学生对DIS进入课堂持有积极态度;DIS实验能较好的发挥促进学生学习的作用;使用DIS进行实验教学能有效的提高学生的学习兴趣,促进学生物理学习的有效性。因此,在高中物理演示实验课堂中应用DIS进行教学是有意义的、可行的,教师要在常规实验的基础上积极的开发DIS实验。常规实验和DIS实验都有各自的优势。在实际的演示实验教学中,教师要根据选取原则,结合常规实验和DIS实验各自的特点,互相补充,使实验教学效果达到最佳。

关键词： STEM教育   高中物理   教学模式   设计性  

摘要： STEM教育是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科在教育中的交叉融合。中国教育科学研究院一直在对STEM教育进行研究,很多地方政府也下达文件促进STEM教育的施行。而STEM教育在我国虽屡有提及,但未能在我国普及,本文意在寻找STEM教育与我国教育现状间更匹配的通路,具体工作如下。首先,本文分析了STEM教育未能在我国普及的可能原因,并从《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(本文以下简称新课标)、人教版普通高中物理教科书(2019版)(本文以下简称新教材)、高考三个角度探寻STEM教育与我国高中物理课堂的适配度。其次,通过问卷调查法调查高三年级学生物理成绩并分析其与STEM能力的关系。分析数据表明二者呈正相关关系。再次,提出了更适合我国目前教育形式的STEM教育设计模式,这也是本文研究的核心所在。该模式以STEM教育理念为基石,以问题解决为导向,由学生为主体完成对知识的内化,从设计性入手完成STEM教育在我国物理课堂的实施。最后,选取“探求粒子轨道”和“静电的防止与利用”两个主题课程设计作为案例,从笔者、一线教师、学生三个角度对案例进行评价。结果表明STEM教育设计模式能够将电磁学部分知识进行串联,在电磁学教学中应用该模式是不错的选择。

关键词： 高中物理   习题教学   Python  

摘要： 顺应信息化时代的发展,结合当今以素质教育为目标的教育,教师应当更新教学观念,将学生培养成具备核心素养的全面发展的人,并将传统教学方式与信息化教学方法有机结合起来,以增加教学多样性,同时尽可能呈现出更加直观的教学效果。物理新课改中强调学生的主体地位,因此教师在应用信息技术授课时,需要培养学生合理、充分利用技术软件主动学习的习惯,提高学生应用信息技术的水平和解决问题的能力。Python语言是一种可解释性语言,软件开源,语法简单易懂,适合初学者作为入门语言,并且具有众多的库。其中vpython库能够提供清晰明了的三维运动过程,可以帮助高中生理解建立完整的物理模型,有效突破物理学科抽象程度高、思维过程复杂、数学计算量大带来的教学上的难点,解决传统教学无法有效应对的一些难题。本文基于Python探究辅助物理习题教学的方法和过程:首先,通过大量查阅文献了解Python在教学中的使用现状;第二步,筛选高中物理习题样例和当前习题教学中的困难以及学生在物理习题教学中的心理特点,确立Python软件辅助物理习题教学中的理论依据;第三步,结合Python软件特点、物理学科特点以及学生学习心理特点,设计相对应的案例;最后,从教学实践方面,分析Python应用于课堂的可行性,为Python软件应用于物理教学提供现实依据,并分析有效应用Python软件辅助物理教学的策略。

关键词： 科学文化观   教材特色对比   初中物理   电磁学  

摘要： 文化是一个国家、一个民族的灵魂,是民族的精神命脉。科学与文化碰撞形成的科学文化,助力近代西方国家发展成为科研强国、经济强国。在此次抗击新冠肺炎疫情中,科学文化发挥了重大作用,从国家层面到民众层面尊重科学的意识,显示出科学文化对国家发展和国民素质都具有无可比拟的作用。物理教材作为学生形成科学文化观的重要途径,教材的内容呈现对培养科学文化观起到重要作用,因此有必要重视物理教材中科学文化观内容的呈现。本研究选取苏科版教材、新加坡O Level教材和英国IGCSE教材作为研究对象,采用文献研究法、问卷调查法和文本比较分析法,从科学文化观视角分析比较这三版教材的科学文化观内容呈现特点。首先,根据科学文化观相关文献资料,从科学本质观、科学发展观、科学价值观和科学家形象四个维度构建科学文化观视角下教材分析框架,作为教材研究工具;其次,以电磁学章节为例,根据科学文化观视角下教材分析框架,对三版教材中科学文化观呈现内容进行定量比较与定性分析;再者,根据科学文化观视角下分析框架设计问卷,通过调研学生的科学文化观现状来了解教材编制过程可能存在的问题;最后,结合教材分析结果与问卷调研反馈,对本研究进行总结,并提出科学文化观视角下教材选取素材的建议。教材分析发现,三版教材在科学本质观上各维度表征差异较大,苏科版教材在“可重复性”、“实证性”、“STS”、“伦理与道德”维度较为薄弱;三版教材在科学发展观维度内容呈现有所差异,苏科版教材更加重视科学发明的呈现,呈现方式上全部以栏目形式呈现;三版教材在科学价值观维度各具特色,苏科版教材尤为重视精神价值、政治价值的呈现,在社会价值呈现上有待提高;三版教材科学家形象构建重视程度不同,苏科版教材尤为重视科学家形象的建立,但素材选取上以西方男性科学家为主,对背景特征和职业特征的描述不多。问卷调研发现,学生对科学本质观部分维度理解较为薄弱,学生对“可重复性”、“实证性”、“伦理与道德”和“STS”维度的理解仍需进一步提高;学生对科学发展观内容的关注程度不同,学生最感兴趣的是揭示现象背后规律的科学发现内容;学生对科学价值观部分维度认识不到位,学生能够意识到科学对个人、政治、经济的积极作用,但对科学价值观的社会价值认识不够深刻;学生对科学家形象认知存在偏差,多数学生认为科学过程枯燥、科学知识深奥,对科学家身上的合作精神认识不足。根据问卷结果分析发现,学生在调研过程中呈现的问题,与教材分析反映出的问题相一致。因此,基于教材对比结果和问卷调研反馈,借鉴其他两版教材优点,提出科学文化观视角下教材建议:科学本质观维度,适当增加小实验、小发明的介绍;增加对工业产品原理和前沿科学发展的介绍;科学发展观维度,结合学生兴趣,增加对揭示现象原理的科学发现介绍;科学价值观维度,增加对社会问题的讨论,加强学生社会责任意识的培养;科学家形象维度,丰富科学家素材,刻画科学家的立体形象。

摘要： 引言：近年来我国科学技术快速发展的过程中，对学校人才培养提出了更高的要求，合理培养学生的科学素养和创新能力十分重要。高中生是个性形成、自主发展的关键阶段，不仅要学习基础知识，还要掌握科学探究的方法，促使创新创造能力、核心素养的发展。而高中物理电磁学的教学内容抽象复杂，学生难以理解，合理融入物理学史不仅能够丰富课程内容，还能促使学生科学素养的发展。基于此，本文分析高中物理电磁学教学中融入物理学史的意义，提出物理学融入的措施，旨在为增强教学效果提供帮助。高中物理教师在电磁学教学的工作中应重点融入物理学史，培养学生基础能力、引导学生掌握知识技能的同时，