关键词： 电磁学   情境化教学   GeoGebra   高中物理  

摘要： 在信息技术飞速发展的今天,了解并在课堂上使用信息技术是时代的必然。为培养学生核心素养,提高学生综合运用知识解决实际问题的能力,《普通高中物理课程标准》(2017版2020年修订)提出使学生处于情境中学习。而高中物理电磁学物理情境较为复杂,不利于情境化教学的开展。Geo Gebra软件具有操作便捷、推广性强、课件动态可视等特点,可以很好地辅助电磁学情境化教学,提高情境化教学的效果。本文通过文献研究法,整理了情境化教学与Geo Gebra软件在物理教学中的应用现状。总结分析了Geo Gebra软件辅助情境化教学,具有使用便捷,推广性强;动态交互,情境还原;灵活分析,建立模型;数理结合,启发思考四大优势。结合人教版高中物理电磁学教学内容制作了库仑定律的探究、静电感应、线框进出磁场的过程、带电粒子在磁场中的运动等教学课件。提出了情境化教学设计的八个过程步骤:抽取大概念,确定教学目标;创设反映大概念的物理情境;实现动态过程,构建物理模型;数理结合,辅助情境问题解决;物理模型在新问题情境中的再运用;调整深化,解决认知冲突;课堂总结;课后反思。根据教学设计的过程制作了部分教学设计并进行实践研究。通过问卷调查法,分析了高中物理电磁学学习现状和基于Geo Gebra软件的电磁学情境化教学的效果。研究表明,学生普遍认为电磁学学习难度较大,在学习过程中存在课堂注意力不够集中,不能完全理解情境内容等问题。学生面临的主要困难在于物理情境复杂、物理模型抽象、数理结合困难等。Geo Gebra软件辅助情境化教学,能帮助学生解决面临的困难。学生通过Geo Gebra软件与情境互动,能够促进学生对情境内容的理解和物理模型的构建,在问题解决的过程中能有效培养学生的数理思维和建模能力,有利于学生核心素养的发展。教师在利用Geo Gebra软件辅助电磁学情境化教学过程中需注意以创建真实情境为主,利用Geo Gebra辅助教学;教学过程中最大限度发挥软件的交互功能,给予学生足够的与情境互动的机会;在对情境进行分析抽象建模的过程中以学生思维为主,不能将通过软件制作的物理模型直接呈现给学生代替学生的思考。

关键词： 信息技术   物理教学   三维动画  

摘要： 高中物理必修三和选择性必修二的电磁学部分是高中物理课程的重难点之一,如何更好的表述其抽象的概念,一直是困扰教师的问题。随着教育技术水平的不断提高,我国的基础教育十分重视信息技术与学科课程的融合,而信息技术手段中的制作三维物理动画能使复杂的物理概念可视化,能够一定程度上弥补学生感性认识的不足,本文通过使用信息技术中三维动画演示这一手段,构建三维物理模型动画,并针对高二物理电磁学部分的内容设计了三个教学实践,尝试辅助学生理解电磁学中复杂的物理模型。本文的研究重点是将三维演示动画嵌入到物理课堂中,用三维物理模型辅助教师课堂教学,试图达到提高教学效率的目的。研究的第一部分使用文献查阅法查阅国内外相关文献,分析电磁学难点成因和三维动画教学的研究现状,选取笔者实习高中的两个班级进行实践研究,通过教师访谈和学生问卷调查分析利用三维动画辅助教学的可行性,为高中物理三维动画课件的选择提供参考。第二部分是制作符合教学直观性原则的三维动画课件,利用BLENDER、3DMAX软件以及NOBOOK虚拟实验平台等信息技术手段,针对电磁学中“电容器的电容”、“带电粒子在电场中的运动”、“楞次定律”三个章节量身定制了相应的三维动画,并将其融入对应的教学设计并进行实际授课。第三部分开展课后测试,并对两班的成绩进行数据测评,结果显示用三维动画辅助教学的实验班后测平均分比未使用三维动画辅助教学的对照班稍高,可以初步推断实验班对于这三节课的掌握程度稍高于对照班,说明利用三维动画辅助构建三维物理模型能够在一定程度上提高学生的学习效果,同时也为教师的教学提供了参考,研究的最后总结了动画技术在中学物理教学中应用的优缺点,并针对其未来发展提出了展望。

关键词： 自适应网格   误差估计   积分方程   不连续伽辽金技术   区域分解  

摘要： 在包括计算电磁学在内的数值计算领域,随着目标模型越来越复杂和对计算精度的要求越来越高,不但需要探索更高效、更准确的数值计算方法,也需要获取更高质量的网格。对于船舰、无人飞行器、大规模集成芯片和天线阵列等多尺度复杂目标的电磁仿真问题,一方面采用Hypermesh网格剖分软件获取高质量网格相当复杂,另一方面Hypermesh网格剖分软件仅根据几何形状进行剖分,没有考虑物理特性,针对此类目标难以达到所需的精度,探索高效、精确的自适应网格技术有助于计算精度的提高,满足复杂计算和工程应用的需求。本文围绕计算电磁学领域中的积分方程的自适应网格技术做了一些相关的研究,具体研究内容如下:首先研究了不连续伽辽金积分方程区域分解方法,为后面加密后的非共形网格奠定计算方法的基础。针对复杂多尺度目标自适应加密产生的非共形网格,从不连续伽辽金积分方程开始,介绍了采用的半RWG基函数、对偶配对原则、内罚项的建立,得到矩阵方程及离散表达式。然后推导了不连续伽辽金积分方程区域分解方法的方程及离散表达式,并介绍了矩阵方程的预处理方法。使用该方法计算了几个形状复杂度不同的目标模型,通过非共形分区验证了方法具有良好的精度,能够实现非共形网格目标的计算。接着就对自适应网格技术展开了研究,主要分为误差估计器的设计和网格的加密方法两个部分。第一部分研究了基于不连续电流的误差估计、基于不连续电荷的误差估计、基于场的残差的误差估计三种误差估计器,通过相关实验测试验证了三种方法能够作为自适应的加密标准。第二部分研究了基于误差估计的加密方法,由误差估计器找出的问题网格,采用取三角形网格单元三边中点一分为四的方法对网格进行加密,并循环迭代直到达到所需的精度。最后通过相关的数值算例对所提出的方法进行验证,证明方法具有良好的精度,并且降低了未知量数目,节省了内存资源。最后,总结了本文的全部研究工作,并对自适应网格技术的进一步研究进行了展望。

关键词： 视觉空间能力   空间能力   物理问题解决   高中物理  

摘要： 物理作为一门涉及各种直观或抽象现象的学科,视觉空间能力在物理学习发挥的作用不可忽视,而相对于语言和数理逻辑技能,高中生的空间能力培养长期以来受到忽视。近年来高考命题朝着新颖性、情境性方向改变,许多物理问题都以图形、图表等形式呈现或具有复杂的空间情境,一些学生的认知结构中已有解决问题所需的必要知识和技能,却仍对解决问题感到困难。针对以上问题,本研究以电磁学为例,探究视觉空间能力对高中生物理问题解决的影响。研究以242名高二年级学生为研究对象,使用折纸测试和修订版普渡旋转可视化测试(PSVT:R)分别测量了学生的心理折叠能力和心理旋转能力,以了解高二学生的视觉空间能力发展现状。同时使用自编的一套电磁学测试卷调查学生的电磁学问题解决能力。通过对调查数据的处理分析,结合访谈内容,研究得出以下结论:第一,所调查的高二年级学生的心理旋转能力和心理折叠能力平均来说处于偏上水平,但是仍存在一部分空间能力弱的学生,男生的心理旋转能力高于女生。第二,学生的视觉空间能力与解决电磁学问题总体正确率呈正相关,通过对学生按空间能力划分组,两组的答题情况存在差异,对于空间信息更复杂或图像表征能力要求更高的题目,高空间能力组的表现更好。第三,视觉空间能力不同的学生在图像表征能力、空间策略的使用上存在差异,这些因素可能是视觉空间能力影响高中生解决电磁学问题表现的原因。最后研究提出了四个物理教学建议:强化空间概念的可视化呈现,强化实验和探究环节,对学生进行空间思维训练,引导学生运用合适空间策略解决问题。

关键词： Supermassive black holes   Gravitational waves   Accretion rate  

摘要： Supermassive black holes (SMBHs) are thought to be located at the centers of most galactic nuclei. When galaxies merge they form supermassive black hole binary (SMBHB) systems and these central SMBHs will also merge at later times, producing gravitational waves (GWs). Galaxy mergers are gas rich environments and there is likely to be matter surrounding the binary system as well as accreting onto the individual black holes. Therefore, SMBHBs are potential sources of electromagnetic (EM) radiation. The EM signatures depend on gas dynamics, orbital dynamics, and radiation processes. The gas dynamics are governed by general relativistic magnetohydrodynamics in a time-dependent spacetime. Numerically solving the magnetohydrodynamic equation for a time-dependent binary spacetime is computationally expensive. Therefore, it is challenging to conduct a full exploration of the parameter space of these systems and the resulting EM signatures. We have developed an analytical accretion disk model for the mini-disks of a binary black hole system and produced images and light curves using a general relativistic ray-tracing code and a superimposed harmonic binary black hole metric. This analytical model greatly reduces the time and computational resources needed to explore these systems, while incorporating some key information from simulations. We present a parameter space exploration of the SMBHB system in which we have studied the dependence of the electromagnetic signatures on the spins of the black holes, their mass ratio, and their accretion rate.

关键词： PBL教学   初中物理   实践研究  

摘要： 义务教育物理课程标准(2022年版)中提出物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的课程目标,相较于2011年版更全面、更具体、更深入。课程理念上,从培养学生科学素养转化为培养核心素养,更为注重科学探究,更提倡以主题为线索,构建课程结构。因此,在日常教学中,我们要立足于教育而非学科,使用多种教学方式,并充分发挥评价的育人功能,促进学生核心素养的发展。PBL教学模式(全称为Problem-based Learning或者Project-based Learning即以问题或者项目为导向的教学模式)可以有效地实现上述目标,对培养学生思考能力、合作解决问题能力有显著效果。笔者通过大量文献研究发现,PBL教学模式被广泛应用于各个领域,但是目前该模式在初中物理教学中的应用较少,本研究也许能为提高初中物理教学效果提供新思路。本研究运用了文献法、访谈法、问卷法、量表法等科学研究方法,并且在初三上学期对所任教的三个班级开展多次PBL教学实践,在一次次实践中不断探索和改进适合初三学生的PBL教学模式。通过本研究,可以知道PBL教学法在初三物理课堂上的适用场景和使用方法,预先估计实施效果,为其它想开展类似PBL项目的老师提供参考价值。本研究做的主要工作为:第一、通过访谈学生、总结任教经验、分析整理学生的作业等方式归纳总结出初中物理的疑难问题。第二、查阅资料,结合当下实际情况初步提出适合初中物理教学的PBL模式,搜集整理PBL教学模式的使用技巧,并在PBL教学过程中收集学生反馈,对PBL教学模式的优缺点和使用建议进行归纳总结。第三、对初中物理疑难问题进行筛选整理,选出适合使用PBL教学模式来攻克的重难点问题,针对这些问题,主要以提升学生的物理学习水平为目的来设计PBL项目并在日常授课中实施。第四、选取趣味性、物理关联性较强的问题设计一些PBL项目,主要以提升学生的综合能力为目的在选修课、周末等课外时间实施。第五、将所任教的三个班级分为一个对照组和两个实验组,进行了为期约3个月的对照实验。在物理课堂中,对照组相比于以前更多地采取传统教学方式,实验组相比于以前更多地实施PBL教学。在进行教育实践的过程中,通过课堂量表反馈、实施前后的MSLQ量表(全称为Motivation Strategies for Learning Questionaire,即学习动机策略问卷)分析、成绩分析等方式对PBL教学的有效性和必要性进行多方面的评估。本研究得到的主要成果有:第一、初三物理PBL问题设计汇总,为想将PBL模式应用于物理课堂的老师提供素材。第二、将初三物理PBL教学模式分为内容选择、提出问题、小组合作、班级展示四个流程,为想将PBL模式应用于物理课堂的老师提供方法指导。第三、设计、实践、并记录了六个基于物理课程改编的PBL案例:特殊方法测电阻、测量小灯泡的电功率、焦耳定律、热机效率、让电灯发光、设计制作手摇发电机,直观地展现了PBL教学方法在初中物理课堂上的实施方法和技巧。第四、设计、实践、并记录了一个与物理关联性强且能够提升学生审美能力、自主探究能力、合作能力等各方面能力的课外PBL案例:如何制作一个光感竖琴,这个案例表明PBL教学方法可以弥补课堂教学的局限性。第五、搜集了实验组和对照组在教育实践前后的MSLQ量表,并且通过前后对比分析发现:对照组的学习动机特别是内在价值稍有降低,考试焦虑明显上升,其它指标无明显变化;其中一个实验组考试焦虑明显下降,其它指标无明显变化;另一个实验组自我效能感、内在价值、自我调节能力、认知策略均有不同程度得提升,考试焦虑也有一些下降。通过对比分析可以得出结论,在初中物理课堂使用PBL教学方法对提升学生的学习动机和策略有显著效果。第六、通过物理成绩前后对比分析,发现实验组相对于对照组在实验题、客观题方面的表现更好,实验组整体成绩略高于对照组。最终数据表明本研究所采用的PBL教学模式能够促进初三物理教学效果,值得在全国物理教育中推广和应用。同时也需要注意使用的频率和场景,PBL教学模式的两大特征是问题和合作,而课堂上的合作需要花费大量时间,所以应该精心选取有价值的问题或项目,再开展合作探究,争取在让学生在每一次的小组合作有更多的收获。

关键词： BOPPPS教学模式   高中物理   物理教学  

摘要： 随着新课改的深入推进和2020年修订的《普通高中物理课程标准》,中学物理教学越来越重视基础教育知识与基本技能的培养。近年来物理课堂仍存在着学生的学习目标不够明确、教师与学生的交流反馈不及时、学生参与度低的问题。于是,本文将BOPPPS教学模式应用于高二电磁学教学中,BOPPPS教学模式是一种学生以学习目标为导向、注重学生参与、强调学生主动学习的有效教学模式,运用该模式进行设计教案,对于解决课堂教学的问题有积极作用。 本研究主要从以下几个部分开展研究: 第一部分,介绍研究的背景和国内外BOPPPS教学模式的研究现状,对BOPPPS教学模式以及研究的理论基础进行分析。 第二部分,采用问卷调查和访谈法,对学生的课堂学习情况、教师的课堂教学情况、BOPPPS教学模式在物理课堂的应用情况和学生教师对BOPPPS教学模式的意向进行调查与分析。 第三部分,探讨基于BOPPPS教学模式的高二电磁学教学策略,形成基于BOPPPS教学模式的高二电磁学教学设计,将教学设计应用到教学中。最后,将实验班和对照班学生的课堂观察情况、后测和作业情况、前后测学习成绩以及物理学习态度量表测试数据的情况进行记录,将结果进行统计与分析。通过教学实践,笔者发现BOPPPS教学模式能改善传统教学模式的不足,有效提高学生在课堂中的主动回答的次数,提高学生的学习成绩,端正学生的物理学习态度,使得学生在课堂的主体地位得以体现。 最后是论文的总结与展望,在这一部分中,对本研究进行总结,针对本研究的不足提出进一步研究的建议。本研究充实了BOPPPS教学模式在中学物理教育阶段的研究,为高中物理电磁学教学提供一定的教学参考。

关键词： 问题表征   多元物理问题表征   多元物理问题表征能力  

摘要： 近年来,各国课程标准越来越重视问题解决能力,而问题表征贯穿于问题解决的整个过程,多元物理问题表征能力对于问题解决具有重要的意义。此外我国的高考中对问题解决能力提出更高的要求,将普通的物理问题置于特定的情境中,对信息的表征要求越来越高,因此调查高中生多元物理问题表征能力是非常有必要的。本研究构建了多元物理问题表征及其能力的理论框架,将多元物理问题表征划分为字面表征、分析表征、综合表征三个阶段,将多元物理问题表征能力划分为提取能力、识别能力、建构能力三个种类。以电磁学综合大题为例,挑选并改编了用于调查高中生多元物理问题表征能力的试题,对浙江省某高中四个班级的高二学生进行了调查,并借助SPSS软件对调查得到的数据进行了分析。本研究得到了以下结论:第一,高二学生在电磁学问题中的多元物理问题表征能力整体表现一般,并且相对于提取能力而言,识别能力和建构能力更弱一些;第二,高二学生在电磁学问题中的三种多元物理问题表征能力上,分别存在动机性错误、观察性错误、知识性错误、逻辑性错误和计算性错误;第三,三个种类的多元物理问题表征能力是两两相关的,后一问题表征阶段需要的能力会以前一阶段的能力为基础;第四,学生的性别、学生的学习成绩类型、问题的熟悉程度和问题的复杂程度对学生的多元物理问题表征能力有着不同的影响。针对研究的结论,本文还就常见的五种错误,并结合不同的因素,提出了相应的教学建议:激发学生的学习动机;培养学生良好的做题习惯;促进学生图式的形成和使用;锻炼学生数学逻辑能力和运算能力。

关键词： 高中电磁学   可视化教学   问卷调查   教学设计  

摘要： “教学有法,教无定法,贵在得法。”一套适合并有效的教学方法是培养学生核心素养的关键。可视化教学是一种基于认知学习理论和可视化过程的教学方法,它注重结合学生的认知规律和学习内容,能为学生提供更具体、更形象的知识映射,从而更有效地帮助学生在思维中构建物理图景,最终提升学生的核心素养。因此,把可视化教学应用于抽象的、看不见、摸不着的高中电磁学教学中,能够把隐性的知识直观地展示给学生,利于引导学生建立物理思维图景,进而帮助学生实现深度学习。本文基于教育教学理论和现阶段研究成果,在调查研究的基础上,结合调查对象的特点,研究、探索如何能更有效地把可视化教学应用于高中电磁学教学中,主要研究工作如下:一、综述我国课程标准的改革进程、电磁学的发展历程、教学现状及其可视化现状,界定高中电磁学、可视化教学、电磁学可视化教学等相关概念的内涵和外延;基于认知心理学、认知发展理论、建构主义学习理论、双重编码理论的基础上,分析电磁学在物理学科中的重要性以及电磁学教学中的疑难,探索可视化教学对促进高中电磁学教学的价值。二、设计高中电磁学可视化教学现状的调查问卷,通过预测试和信度、效度检验,确定最终调查问卷;利用所设计问卷,选取云南省某县某高级中学的高二和高三学生为对象进行调查;统计并分析调查数据,获得当前高中电磁学教学的现状,学生对可视化教学的态度,以及可视化教学的应用情况等。三、针对高中电磁学可视化教学的现状和不足之处,结合学生的实际情况,并在理论指导下,构建相应的可视化教学设计方案及流程;以《磁感应强度磁通量》和《法拉第电磁感应定律》为例,利用所提出方案,设计了相应的可视化教学案例;选取云南省某县某高级中学的两个班作为实验班和对照班进行教学实践研究,通过前测、后测、访谈等方式对比教学实践效果。研究结果表明,可视化教学通过现代多媒体技术、网络技术、信息技术等方式,以图片、动画、视频、思维导图、概念图、实物、物理模型等形式,将抽象的电磁学概念和规律更具体、更形象、更生动地展示给学生,创建积极有效的课堂氛围,从而更易激发学生进行深度思考和学习,更好地培养学生的科学探究能力及高阶思维能力。

关键词： 核心素养   高中物理   电磁学实验  

摘要： 核心素养是个体适应当今社会发展所必备的品格和关键能力,是当前课程改革的聚焦点。故而,培养和发展学生核心素养是当前教育的重要方向,是学生实现全面发展的必然要求,是落实立德树人根本目标的有效途径,是深化基础教育改革的必由之路。高中物理电磁学是继力学之后的第二大模块,是高中物理的重要组成部分,而实验作为物理学的基础,具有独特的育人价值。因此,为了充分发挥高中物理电磁学实验教学育人价值,促进学生的物理学科核心素养发展,推动落实立德树人教育目标,研究者进行了核心素养背景下高中物理电磁学实验教学的研究与实践。本研究首先围绕学生核心素养和电磁学实验教学进行教师访谈和学生访谈,并对412位同学进行学生问卷调查。通过访谈和问卷调查来了解并分析该地区当前学生的核心素养能力情况和学生电磁学实验教学。其次,通过调研结果和该地区实际情况,以核心素养为导向设计了四份高中物理电磁学实验教学案例并将设计好的案例进行实践。最后,通过实践本研究结果,分析该本研究对学生核心素养的发展情况。通过本研究得知,该地区学生的核心素养能力尤其是科学探究能力普遍偏低,进一步发展学生核心素养能力亟待解决。经过实践,以满分5分为例相较于对照班,实验班学生的物理电磁学实验水平均值提高了0.27分,物理观念能力均值提高了0.25分,科学思维能力均值提高了0.19分,科学探究能力均值提高了0.27分,科学态度与责任均值提高了0.40分,学生成绩水平均值提高了0.63分。由此可知,核心素养背景下高中物理电磁学实验教学研究与实践能有效提高学生核心素养,有利于促进立德树人根本目标的落实。