关键词： STEAM教育理念   电磁学实验教学   案例设计  

摘要： 《普通高中物理课程标准》(2017年版2022年修订)中强调了“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学责任与态度”四个要素组成的物理学科核心素养为高中物理课程教学目标。由此可见,教师在教学过程中不仅要传授理论知识,更要注重学生创新思维能力和科学探究能力的培养,使学生全面发展。STEAM教育理念以培养学生的综合素质为目标,与新课标的要求不谋而合。高中物理电磁学实验是电磁学板块中重要的内容,教师在电磁学实验教学中融入STEAM教育理念可以促进物理学科核心素养的落实。目前国内此方面的研究还有所欠缺,因此,将STEAM教育理念融入高中物理电磁学实验教学中的案例相关研究对高中一线教学工作和基础教育物理学科的研究者具有一定的指导和借鉴价值。本文的研究内容主要包含以下几点:一、整理分析国内外对STEAM教育理念的研究现状,通过对现有的研究成果和经验总结分析,得到了STEAM教育理念的科学内涵和特征,并对STEAM教育理念进行了概念界定。二、对物理学科核心素养和STEAM理念分别进行了详实分析,最终聚焦在二者的异同以及二者的融合上,然后结合电磁学实验教学,得出基于STEAM的教学与电磁学实验教学融合有实际意义。三、统计分析了高中物理电磁学及其实验部分,提炼出了其分别在STEAM教育理念和物理学科核心素养的不同维度的相关知识,同时阐述了相关知识作用与地位。四、构建出将STEAM教育理念融入物理学科核心素养的电磁学实验教学模式。在此理论基础上设计出STEAM教育理念和物理学科核心素养相融合的教学设计案例:互感和自感、电路中的能量转化,在科学性、艺术性、创新性和过程性的角度对教学设计案例进行了分析。该研究主要基于STEAM教育理念融入高中电磁学实验教学中能够有效促进物理学科核心素养的落实,案例的设计关注学生在实验过程中积极参与、主动思考和探究,培养学生的合作能力、创新思维能力和科学探究能力。但由于该案例未在中学一线实施,所预期效果暂未评价,而作者在重庆市某重点中学有半年的顶岗高中物理教学经验,文中所呈现案例是在作者顶岗教学期间积累素材所撰写,现作者已经落实工作在顶岗所在学校,后续的实践和评价将延续。

关键词： 计算电磁学   三角形网格生成   几何特征   尺寸控制   加密策略  

摘要： 网格生成是开展多个领域数值仿真的前处理步骤。在计算电磁学领域，网格生成的质量和效率也对电磁仿真的精度和效率起着举足轻重的影响。电磁计算中的模型多具有复杂的几何特征且不同模型电尺寸可能相差极大，由工程师手动指导网格生成耗时长且易出错，这就要求用于电磁仿真的网格技术需要有合适策略指导网格自动化生成。　　针对电磁仿真计算中的面网格生成问题，本文围绕三维曲面上的自适应三角形网格自动化生成需求，研究了基于前沿推进技术的几何自适应三角形曲面网格生成基础算法;对于一类具备微带结构的电小尺寸电磁案例，本文优化了自适应曲面网格生成算法，使得自动生成的三角形网格更适用于此类模型电磁仿真;此外，对于电大尺寸电磁模型的仿真应用，本文实现了三角形生成的并行化算法;最后本文算法已集成进大型自主可控的电磁仿真软件中，并适配了国产操作系统，支持在工作站和超算上生成网格，本文案例均通过该软件在工作站上仿真。　　本文主要的研究内容包括以下三个方面:　　(1)基于前沿推进技术和曲面网格生成直接法，结合几何特征自适应技术，本文实现了一种适用于多种几何特征和不同网格尺寸控制的自动化自适应三角形曲面网格生成方法;对计算电磁学中多个典型案例进行仿真，并与商业软件进行比较，其结果表明本文算法与商业软件仿真结果一致，验证了本文算法的有效性。　　(2)对一类具备微带结构的电小尺寸案例进行仿真时不进行全局网格加密则计算精度低，进行全局加密求解计算代价增加的问题，本文设计了一种网格加密策略，优化了自适应曲面三角形网格生成算法，使得自动生成的三角形网格更加适用于此类模型电磁仿真。此类电磁案例仿真结果表明，此方法很好的平衡了求解计算的精度与代价，且提升了此类模型仿真的自动化程度。　　(3)针对电大尺寸电磁模型仿真中网格生成效率的问题，结合串行自适应三角形网格生成算法，本文实现了一种基于Metis分区的并行三角形细分网格生成方法和一种基于几何面分区的并行三角形网格生成方法，提高了三角形生成效率。电大尺寸电磁案例的仿真结果表明，对于大规模的三角形网格生成,这两种方法都提高了网格生成效率，减少了电磁仿真中网格生成的时间开销，提升了电磁仿真的整体速度。

关键词： 复介电常数   三维机织间隔织物   碳纳米管/环氧树脂泡沫   电磁学性能   仿真模拟  

摘要： 材料的电磁性能由电磁参数决定,其中复介电常数是电磁参数中的关键部分。有效调控材料的复介电常数,可大大改善其电磁性能,对未来电磁吸波材料、电磁屏蔽材料的开发设计具有重要的作用。兼具功能和承载能力于一体的结构功能一体化复合材料开发是未来材料研究的大趋势。如何调控材料的介电性能的同时使其具有良好的承载能力意义重大。本文将多壁碳纳米管作为材料介电性能调控因子,制备介电性能可调控的碳纳米管/环氧树脂泡沫,并以三维机织间隔织物作为骨架,开发兼具承载能力的三维机织间隔织物增强碳纳米管环氧泡沫复合材料,复合材料介电性能可调控。同时,为便于三维机织间隔织物增强碳纳米管环氧泡沫复合材料在电磁吸波等领域的应用,利用单胞模型公式法、矩形波导谐振腔法对其整体介电性能进行预测分析,并利用CST电磁场仿真软件模拟了三维机织间隔织物增强碳纳米管环氧泡沫复合材料在实际吸收电磁波方向的应用。本文的主要研究内容和结论有:(1)材料复介电常数的调控:将多壁碳纳米管作为材料介电性能调控因子,掺杂到环氧树脂发泡体系当中,制备了碳纳米管/环氧树脂泡沫,并探究了碳纳米管的含量对泡沫结构、力学性能、介电性能的影响。结果表明,掺杂碳纳米管尽管使得部分碳纳米管发生团聚导致泡沫表面出现疵点,但泡沫仍能保持较好的泡孔结构。碳纳米管/环氧树脂泡沫表现出更好的力学性能,压缩模量由49.1MPa提高至190.4MPa,提高了 287.7%;泡沫的压缩强度由5.2MPa提高至15.2MPa,提高了 192.3%。泡沫的介电常数和介电损耗随着CNT填料含量增加近乎线性增长,得到CNT含量在0～3%范围内泡沫介电常数ε'和介电损耗ε"的拟合公式为:ε'=1.244+1.614x和:ε"=0.24+0.194x。(2)材料承载能力的提升:为使材料具有更好的承载能力,将来满足实际应用的需要,以三维机织间隔织物作为骨架,制备三维机织间隔织物增强碳纳米管环氧泡沫复合材料(3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板),并探究了碳纳米管对3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板相对于三维机织间隔织物/环氧树脂中空复合材料、三维机织间隔织物增强环氧泡沫复合材料力学性能的影响。结果表明,相对于3DWSC-环氧泡沫板,3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板的平压强度从25.8MPa提升至65.3MPa,提升了153.1%,平压模量从332MPa提升至635MPa,提升了91.3%;冲击性能比较接近,但倾向于表现高强度但脆性材料的特性。相对于3DWSC-中空复材,表现出比3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板更加明显优异的力学性能。(3)介电常数理论模型的建立:采用单胞模型公式法、矩形波导谐振腔法对3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板整体介电性能建立理论模型,得到了不同碳纳米管含量时其介电常数结果。与3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板的实际介电常数测量结果相比,两种预测方法结果误差均不超过±5%,具有较好的可靠性,这对三维机织间隔织物增强碳纳米管环氧泡沫复合材料在吸收电磁波、电磁屏蔽等领域的开发设计具有指导作用。(4)材料电磁性能分析:利用CST电磁场仿真软件完成了对3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板电磁仿真模拟,并探究CNT含量对3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板电磁学性能的影响。结果表明,CNT含量的增加,有效提高了 3DWSC-碳纳米管/环氧泡沫板的介电损耗,大大改善了材料的电磁学性能,提高了材料对电磁波能量的消耗能力。但同时其介电常数的增加会造成阻抗失配,影响电磁波进入吸波材料内部。

关键词： 等几何分析   有限元分析   电磁学   静电磁   形状优化   多片表示   NURBS  

摘要： 有限元分析(Finite Element Analysis,简称FEA)方法是计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,简称CAE)领域进行物理仿真的数值方法,因为其实用性和有效性,在各个工程领域有着广泛的应用。然而,计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)采用样条构建几何模型,FEA采用基于几何模型近似的网格分析模型。随着几何模型复杂度的增加,FEA与CAD之间几何模型的数据转换逐渐成为了制约FEA发展的瓶颈。形状优化是指在一定的约束条件下,通过数值模拟和优化方法寻求最优形状的过程。现有的静电磁场相关数值求解和形状优化问题大多基于FEA方法,因此在对问题进行具体分析前通常还需要根据物理模型进行网格生成,这不可避免地增加了计算成本。在形状优化的过程中,FEA需要频繁进行几何模型和分析模型之间的数据交互,也带来了更多的时间损耗。另一方面,FEA基于网格近似的几何模型表达也使得基于FEA的形状优化结果在几何模型的表示上存在难以避免的误差。针对上述问题,本文采用等几何分析方法进行静电磁场问题的分析求解与形状优化。等几何分析的基本思想是将分析建立在样条模型上,不仅避免了网格与模型之间的转换,同时能够消除网格近似带来的几何误差,促进了 CAD与CAE一体化的发展。等几何分析在精确表示几何模型的同时,样条基函数的高阶连续性也提高了分析的精度和数值解的连续性。为了得到更好的形状优化效果,本文提出了一种基于NURBS的适用于多片表示模型的静电磁场问题等几何分析方法,可以在相对较低的自由度条件下,得到精度较高的数值解和形状优化效果。本文的主要工作概括如下:1.提出了一种基于多片表示的静电场等几何分析方法。首先,通过麦克斯韦方程组和电磁场本构关系,推导出静电磁场情况下的具体方程形式。其次,基于Galerkin法推导方程弱形式,并在此基础上针对多片表示的几何模型,结合NURBS基函数进行等几何分析求解。最后,通过实验对比了本文方法与有限元方法的精度,验证了等几何方法的有效性。2.针对电磁铁和同步凸极电机,提出了一种基于等几何分析的面向多片表示几何模型的形状优化方法,并由二维扩展到了三维。首先,由于模型采用了多片表示,在形状优化迭代的过程中,可以只关注设计变量所在分片中的优化目标结果,相比常规方法降低了一定的计算量。其次,将与模型形状直接相关的控制点坐标作为优化设计变量,每轮优化迭代会直接改变几何模型的形状,避免了传统有限元形状优化方法中频繁在几何模型和分析模型间进行数据交互的环节,大大提高了优化效率。最后,本文基于该方法求解了二、三维电磁铁和同步凸极电机的形状优化问题,实验结果表明优化后的形状满足优化目标和设计需求,从而验证了本文方法的有效性。

关键词： UbD逆向设计   大单元设计   电磁感应   能量观教学  

摘要： 为落实物理学科核心素养,实现育人目标,帮助学生实现自我发展,教学改革全面开展。教学活动的意义在于通过有计划、有目的的活动设置,培养学生学科素养,从而帮助学生适应社会生活,完成自我实现,培养社会责任意识,符合社会发展对新时代人才的要求。为帮助学生建立完整的学科体系,Ub D逆向设计模式以其科学且实用的特点引起了一线教育工作者的重视。该模式主要帮助教学设计者走出教学设计的误区,以终为始构建教学过程。本研究基于对Ub D逆向设计模式的实践,试图通过对电磁感应部分涉及的能量观进行教学,帮助学生建立完整的能量观,使学生能够主动从能量守恒的角度思考问题。由于Ub D逆向设计模式具有非常强的系统性,为了能够突出其优势,采取大单元教学的模式开展教学活动,尽可能地保持能量观建立过程的完整性。本研究从历年的高考真题分析入手,挖掘研究进行电磁感应部分能量观的大单元教学的必要性,然后依据逆向设计的一般思路展开教学设计,将教学设计分为三个阶段:通过教材内容分析、学情分析、课程标准分析确定电磁感应能量观教学的预期结果;根据预期结果所确定的知识和技能,进一步确定评估证据;最后依据评估证据的获得设计学习体验,开展完整的针对于电磁感应部分能量观的教学活动,下发学习活动卡,利用随堂检测收集教学活动反馈,通过对两个层次的两个班级进行实践,对100名左右的学生的学习情况进行统计,采取前后对比、实验组与对照组对比的思路来把握学生的学习情况,最终获得实践结果。实践结果说明逆向设计的大单元教学设计流程能够在一定程度上帮助教师走出教学设计的误区,教学活动的设置更符合于学习能力较强的学生的学习习惯,面向这部分学生开展的大单元教学对于能量观的提升较为明显。

关键词： 核心素养   物理核心概念教学   电磁学   情境创设  

摘要： 核心素养是学生应具备的适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力,发展学生核心素养是落实“立德树人”教育根本任务的一项重要举措,物理教育依据物理学科核心素养制定教学目标,强调了核心素养的重要性。物理核心概念是物理学科主干的概括性知识,是能整合物理学科内容的少数关键概念,对于建构学科结构和展示学科图景具有促进作用,进行物理核心概念教学以主题为引领,使得课程内容情境化,更能促进物理学科核心素养的落实。高中电磁学是高中物理的重要组成部分,其内容繁杂和抽象导致教学时落实核心素养颇具难度,本文进行高中电磁学核心概念教学研究,旨在提高电磁学课堂中落实核心素养的效果,更好地发挥物理教育的育人功能。本研究将物理学科核心素养融入电磁学核心概念教学中,通过教学实践探索电磁学核心概念教学中有效落实核心素养的方式,达到培养提升学生核心素养的目的。本工作中首先通过文本分析和问卷调查确定高中电磁学核心概念。其次进行核心概念教学案例设计,通过创设情境使核心素养融入到电磁学核心概念教学中,并在教学实践中进行修改完善。最后在教学实践前后对学生物理学科核心素养水平进行调查,通过对比分析验证教学案例的有效性。通过教材梳理电磁学概念,绘制概念图,对比课程标准和筛选标准筛选出23个电磁学重点概念,针对重要概念的重要程度对一线教师进行问卷调查,最终确定高中电磁学核心概念为“电场强度”、“闭合电路欧姆定律”、“法拉第电磁感应定律”和“磁感应强度”。通过分析问卷调查结果得到,教学实践后实验班学生核心素养水平提高了0.250水平,说明了电磁学核心概念教学对于发展与培养学生的物理核心素养有一定的效果。

关键词： 高中物理   物理教材   科学探究   比较研究  

摘要： 科学探究是物理教学过程的有机组成部分,对提高学生的科学素质以及促进知识内化具有重要作用。教材作为知识的载体以及教学过程的依据,所呈现的科学探究活动是在新课标的指导下,充分考虑学生的认知发展规律进行编写的,是培养学生物理学科核心素养的重要内容,符合新时代的育人理念。本研究重点针对2019年版人教版和粤教版高中物理教科书中的电磁学部分进行比较分析,探究两版教材中科学探究活动在各方面的异同。本文在参考相关教材中科学探究内容的研究基础上,搭建了高中物理教材科学探究活动的文本分析框架,从科学探究活动的栏目及呈现形式、科学探究活动的分类、科学探究活动开放水平以及科学过程技能四个方面对人教版和粤教版电磁学部分的科学探究活动进行分析比较,并对高中物理课堂中的科学探究情况进行了调查,了解实际教学中科学探究的开展情况。综合以上分析和比较,研究结论如下:第一,粤教版的科学探究活动的数量远多于人教版,其目的是尽可能创造条件让学生进行科学探究活动;而人教版则注重知识之间的逻辑,体现了“科学探究活动服务于新知识的建构”的理念。两版教材科学探究活动的呈现形式类似,均以示意图为主,人教版注重使用表征型插图,粤教版则注重使用解释型插图。第二,人教版和粤教版科学探究活动均以实验类为主,调查类活动在人教版未得到足够的重视;人教版和粤教版都注重对物理知识的探究以及应用物理知识的探究,粤教版比人教版更注重通过探究的形式贯彻STSE的教育理念。第三,人教版和粤教版均以水平2的科学探究活动为主,两个版本的科学探究活动大多数设置了探究思路和方案。第四,人教版和粤教版科学过程技能分布不均衡,两版教材的基础科学过程技能平均使用频率均高于综合科学过程技能。第五,在实际的科学探究过程中,总体来说以教师为主导,开放性水平较低,学生较少进行自主探究。最后结合文本分析和问卷调查的结果,为教师进行科学探究活动提供了一些针对性的建议。

关键词： 高考评价体系   电磁学   试题分析   复习策略  

摘要： 高考既是国计、也是民生。2014年9月3日,国务院颁布了《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》(国发[2014]35号),对高考内容改革提出了新的要求,教育改革随之也如火如荼的进行着。2019年,教育部考试中心正式发布了《中国高考评价体系》,统一指导高考命题。新高考改革对教师和学生提出了更高的要求,据此,本文开展基于“一核四层四翼”的高考物理电磁学试题分析及复习策略研究,为广大教师和学生提供参考。首先,通过查阅国内外相关文献资料,发现虽然目前有关高考评价体系的研究较多,但主要针对高考物理试题,尤其是对多地区、多年份的高考物理试题进行研究的硕博论文较少,且通过对已有高考物理试题进行分析发现,近两年高考物理试题中电磁学试题分值占比均在30%以上,对于学生在高考物理中取得良好的成绩起到决定性的作用,目前还没有学者针对高考物理电磁学试题进行相关专题研究。其次,根据教育部考试中心发布的《中国高考评价体系》、《中国高考评价体系说明》等文件精神,参考国内相关研究成果,对“一核四层四翼”的内涵进行了划分界定,构建出分析电磁学试题的框架。选取12个省市(北京卷、浙江卷、上海卷、山东卷、河北卷、湖北卷、湖南卷、江苏卷、广东卷、海南卷、辽宁卷、重庆卷)以及全国卷甲卷和全国卷乙卷于2021-2022年的高考物理电磁学试题作为研究对象。第三,根据试题分析框架,从考查内容、考查要求、考查情境分析了2021-2022年共30套高考物理电磁学试题,获得高考物理电磁学试题对各个主题的考查情形。研究表明:(1)高考物理电磁学试题对于核心价值的考查,主要体现在科学的思想方法要素上。(2)试题对于学科素养水平中的物理观念水平、科学思维水平考查主要集中在水平三及水平四,对科学探究的考查水平主要集中在水平三、水平四以及水平五。(3)试题对于关键能力的考查主要集中在理解能力、模型建构能力以及推理论证能力,对于创新能力的考查较少,同时考查了实验探究能力的地区的试卷中的试题数量均为1。(4)对于必备知识,高考物理电磁学试题对电磁学部分的各个板块的知识均有涉及,其中相对较少考查交变电流板块的内容。(5)对于考查要求,近两年高考物理电磁学试题对于电磁学部分内容的考查要求主要集中在基础性和综合性上,对于应用性和创新性的考查相对较少涉及。(6)对于考查载体,近两年高考物理电磁学试题中的情境材料多为学习探索类,涉及到生活实践类的地区、试题较少。最后,在试卷分析和理论支撑的基础上,提出了针对电磁学板块内容的复习策略和建议:(1)回归教材,重视教材知识及例题。(2)创设真实情境,改善思维方式。(3)归纳解题方法,培养学生的物理学科核心素养。(4)及时对学生进行检测,获得反馈。

关键词： 高三物理   学情诊断   学习障碍   复习策略   电磁学  

摘要： 高三是学生备战高考的关键时期,在复习的过程中,学生对知识进行系统的复习和强化,加深对知识的理解和掌握,并针对自己的薄弱点进行训练和补充,从而提升整体知识水平,更好的应对高考。学情诊断在复习中扮演着重要角色,不仅可以对学生的学习情况、能力进行较为客观的评估,还能培养应试技巧和时间管理能力,并对学生今后的学习以及提高教师的教学质量起到一定的指导作用。 通过对收集到的关于电场、电路、磁场学情诊断结果进行分析。发现在电场部分,学生虽知道电场的基本性质,但很难将电场与之前所学的重力场联系起来,如能量方面,有些学生错误地认为电势能和机械能不可以相互转化。也有一些学生不会求解带电粒子在电场中的运动,源于其在学习重力场中同类运动时,没能正确理解并掌握运动的特点。在电路部分,学生虽然知道测量电路与控制电路分别有两种连接方法,但是对每种连接方法的原理,以及选取原则,并不明晰,在实验仪器的选择和实物图的连接上,也存在困惑。在磁场方面,学生对安培力公式中,各字母的含义存在认知误区,在数学知识层面,学生对圆的平面几何知识存在漏洞,导致学生因画出不带电粒子在磁场中运动的轨迹,无法解题。 以上问题可以归类为学生在物理概念的理解和应用方面存在学习障碍,分析障碍的成因后,综合各阶段的研究,对两类学习障碍分别提出教学策略, 针对物理概念理解障碍的复习教学策略: (1)扎根教材,引导学生自己推导物理概念。基础概念是物理学习的根基。然而学生常对概念一知半解,存在理解误区,因此教师在复习时应扎根教材,注重基本物理概念的建立、基本公式的推导,引导学生自己推导、复述,帮助学生深入理解概念、规律和模型的形成;引导学生深入阅读教材并按照思路推导,从而提高学生的复习效果。 (2)知识对比,辨别学习。学生在解决问题时出错的原因之一是对类似概念和规律的错误运用和不理解,教师在复习时应注意引导学生对相似概念的辨析,理解概念的区别,把握概念的共性。如电场与重力场物理概念和运动上的联系与不同。 (3)构建思维导图,形成清晰的知识结构。复习的目的是建立自己的知识网,教师通过引导学生构建思维导图,系统性地归纳总结以加深对基础知识的理解,同时培养学生对关键词和知识点的敏感性,以便快速解答问题。 (4)加强直观教学。直观教学是指在课堂教学中,采用实物、模具、图片、投影等手段,进行直观演示的教学。信息技术为物理教育提供了广泛而丰富的资源,也为教学和学习方式提供了更加灵活和多样化的选择。 针对物理概念应用障碍的复习教学策略: (1)结合误区,设置微专题。设置与学生疑点和易错点结合的问题集,有针对性地解决学生知识、方法上的误区。如图像问题,通过设置微专题,不但能使学生充分了解不同概念及其关系,还能明白图像的物理意义是通过推导物理公式赋予的这一图像处理基本方法。 (2)重视物理规律的形成过程,精选习题。教师有意识地将一道例题多变多解,激发学生探索欲和解题思路,使学生全面观察问题。一题多解可以从解题方法、隐藏信息和人为改变已知信息等角度选择习题。通过多题一解的训练,不但可以锻炼学生的思维能力,还能将相似问题对比分析,帮助学生发现这些问题在作答上的异同,并总结出解答技巧可以达到强化知识点的目标,收到举一反三的效果。 (3)根据学情补充数学知识和方法。数学方法在高中物理解题中有着极其重要的作用,在教学中,教师要从物理现象的过程和原理出发,引导学生用数学表征物理问题;还可与数学教师合作,在讲解与物理有关的数学知识和方法时,更加详细,给予更多课时。此外教师还要注意帮助学生总结与物理相关的数学知识和方法,并注意辨析物理与熟悉的异同。