关键词： 法拉第   电磁学   物理学  

摘要： 在电磁学方面对人类贡献极大的英国科学家法拉第(Michael Faraday)，于1791年9月22日出生，父亲是伦敦地区现在称为象堡地方(the Elephant and Castle)的铁匠，小时家境清寒。法拉第就读小学时曾学习阅读、写作和数学等基本课程，之后，他就未曾再接受更高等的正式教育。14岁时，他到装订书商处当学徒，七年的学徒生涯让他对科学产生了兴趣，尤其在化学方面。

关键词： 碳基二维材料   石墨烯   碳化钛   电磁学   动力学  

摘要： 本论文以石墨烯和MXenes(TiC)为主要的碳基二维材料,通过金属/非金属原子掺杂、缺陷构造等方法,设计不同的单原子催化剂、海水淡化膜及分子探测器。结合第一性原理计算和分子动力学模拟,从理论上对相关模型的电磁学、光学及动力学性质进行探究,建立“结构-性质”对应关系。主要的研究结果分为以下三个部分:(1)本部分以石墨烯为主要的碳基二维材料。基于第一性原理计算,系统地研究了不同金属类型、缺陷尺寸、氮原子数目及排布方式对过渡金属和氮原子共掺杂的石墨烯衍生物(TM@NC-GR)电磁性质的影响。首先,TM@N-GR(最小缺陷尺寸结构)和TM@N-GR(最大缺陷尺寸结构)的电子性质不受过渡金属类型的影响,只呈现金属性质。但过渡金属类型可以调控中等缺陷尺寸结构(TM@NC-GR-Ⅰ和TM@NC-GR-Ⅱ)的电子性质呈现金属性、半金属性和半导体性。其次,不同金属及缺陷类型可调控TM@NC-GR材料的磁矩(0～5μB)。最后,自旋密度和投影态密度计算表明,静电荷主要集中在缺陷孔洞附近,磁矩主要来源于过渡金属d轨道、碳和氮原子s及p轨道的耦合效应。该工作为TM@Nx Cy-GR材料的设计及应用提供了丰富的见解。(2)石墨烯的功能性应用是本章的研究重点。首先,基于第一部分的研究结果:受过渡金属类型的影响,大多数TM@N-GR-Ⅰ和TM@N-GR-Ⅱ材料分别呈现出金属性和半导体性;结合单原子铁催化剂较强的催化性能,利用第一性原理计算对Fe@N-GR-Ⅰ和Fe@N-GR-Ⅱ的氧还原能力进行了比较,确定了各中间体的基本反应路径(*O→*OOH→*O→*OH→*HO)。其次,设计了四种具有不同缺陷尺寸、不同官能团类型的海水淡化膜,通过施加不同压力,利用分子动力学模拟对钠离子及氯离子的过滤效果、水通量进行了评估;在200 MPa下,饱和-NH官能团的较大缺陷尺寸石墨烯结构更适合做海水淡化膜。两项工作推进了理论模拟与实际生产生活应用的联系。(3)利用第一性原理计算,系统地研究了完整TiC和缺陷TiC(钛缺陷、碳缺陷)的几何及电子结构。首先,相对于完整TiC,缺陷TiC结构通过增加钛原子d轨道在费米能级处的分布来增强结构的金属性。其次,对不同TiC表面探针分子(CH、NH、CO和NO)的吸附及红外光谱响应研究表明,CH和NH分子容易发生解离,而CO和NO化学吸附在其表面且吸附位点相似,凭借较强的吸收峰,CO和NO被选做识别TiC材料的理想探针分子。此外,投影态密度和晶体轨道哈密顿布居计算表明,探针分子的光谱红移现象归因于其成键强度减弱。最后,对吸附CO和NO的不同TiC结构的动力学性质进行了研究,确定了吸附结构的稳定性。该工作为识别碳化钛材料及其缺陷类型提供了新颖的方法。

关键词： 学科核心素养   电磁学   实验教学   教学设计优化  

摘要： 随着新高中物理课程标准的颁布实施,物理课堂教学正被要求贯彻物理学科的核心素养。不同于以往的“双基”和“三维目标”,物理学科核心素养强调培养学生的“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”以及“科学态度与责任”。长期以来,我们的物理实验课流于形式,无法达成培养学生核心素养的目标。故本文以培养学生物理学科核心素养为目标,研究高中物理实验中电磁学实验设计的优化方式。本文包括以下几个部分:第一部分为绪论,该部分主要介绍本研究的缘由、意义,国内外对于核心素养及物理学科核心素养的研究、电磁学实验优化的国内研究,以及本文的研究方法等。第二部分为学科核心素养下物理电磁学实验优化概述。总结分析实验优化的目标及核心素养下实验教学的变化,并对电磁学实验作一个梳理。第三部分为研究前的问卷调查。该部分通过对抽样调查笔者工作所在学校的高二学生物理实验教学情况,了解贵州省桐梓县高中当前的实验教学模式,为后文的电磁学实验优化设计方案奠定基础。第四部分为电磁学实验优化设计的原则及具体案例。该部分针对前述调查中传统实验教学的弊病,结合物理学科核心素养的要求,对三类实验课制定了具体的优化实验案例,真正将物理学科核心素养贯彻到实验教学中。该部分亦结合物理学科核心素养对优化的具体内容作了说明。第五部分是对教学研究过程中几次教学测试的教育统计分析,并得出相关结果。第六部分根据以上教育测量结果和学生的其他成果对本研究做出结论和未来的研究展望。通过对比传统实验教学班级和优化教学班级的测试结果可以发现,物理学科核心素养不仅有助于提高学生的综合素质,促进学生对电磁学实验背后知识的理解运用,也有助于倒逼教师改良自身的教学方法,增强实验课教学的有效性。

摘要： Electromyography Biofeedback (EMG-BFB) is a promising, non-invasive intervention for improving gait but has been limited to laboratory use due to system cost and technical requirements. Translation of findings in gait rehabilitation to practice is limited. mTrigger ®, a cost effective, 2 channel, portable EMG-BFB device that connects to cellphone via Bluetooth provides a potential solution. The overall goal of this work was to repurpose, develop, and test mTrigger in a healthy population. ☐ Aim 1 & 2 repurposed mTrigger for gait rehabilitation; added features such as auditory and haptic biofeedback, success rate, cloud upload and calibration to the mTrigger app to make it more suitable for home and community-based training, and established validity and reliability of mTrigger in healthy participants for overground and treadmill walking, at speeds corresponding to home, limited community, and community ambulators, and normal walking speed. ☐ Aim 3 evaluated biomechanical changes in walking speed, peak ground reaction force measures, step time and step length measures and measures of asymmetry when participants used mTrigger to walk with EMG-BFB of medial gastrocnemius on treadmill at speeds corresponding to 4 increasing activation goals. We found significant increases in speed, peak forward propulsion, step time and step length in healthy participants. ☐ Finally, Aim 4 investigated changes in neural activity of prefrontal cortex (PFC), due to EMG-BFB walking and training using functional near infrared spectroscopy (fNIRS). We found significantly higher PFC oxygenation in EMG-BFB walking compared to normal walking. This indicates higher task-specific PFC demand. Additionally, we found that four, five-minute bouts of training with mTrigger resulted in attenuation of changes in PFC oxygenation between EMG-BFB walking and normal walking, when comparing pre-training and post-training. This indicates less expenditure of cortical resources after training and a possible biom

关键词： 台阶   初高中电磁学   衔接   教学策略  

摘要： 初中与高中物理相比,知识的广度和深度明显不同,学习的难度和要求有显著差别,有效做好初高中物理教学衔接,对学生的学习大有裨益。力、电、磁是高中物理最重要的知识板块,关于初高中力学板块的教学衔接已有较多研究成果,本文聚焦于初高中电磁学部分的教学衔接研究,解决教师的教和学生的学的问题。对比初中电磁学知识及高中选修3-1、3-2电磁学内容,分析初高中电磁学存在的“知识台阶”;通过初中物理课程标准(2011版)及高中物理课程标准(2017版)的对比,厘清初高中课程理念、课程目标差异,分析此背景下的“教法台阶”;再以发放问卷、现场访谈等形式了解高二学生电磁学部分学习现状,剖析学生学习中存在的“学法台阶”;最后联系一线教学实际,总结初高中电磁学衔接教学的关键问题。依托维果斯基的最近发展区理论等教育学理论,以成都市实验外国语学校(西区)为载体,结合自身初、高中教学实践,提出初高中电磁学衔接教学策略:(1)研读初高中电磁学教材,依据“知识台阶”,设计知识接口,助力跨越“知识台阶”。(2)创设情境,激发学生思维,指导学法,延展知识学习过程,推动消化“学法台阶”。(3)转变教学方式,增强师生互动,引导学生反思,注重知识获得过程,高效适应“教法台阶”。针对此策略,教学设计的一般步骤是:(1)确定起点(如初中阶段定性认识电动机和发电机,高中阶段定量学习安培力与洛伦兹力等);(2)巧设情境(以“旋转电池”“运动火车”“电磁炮”“显像管跳舞”等趣味活动引入新课);(3)延伸提问(利用类比推理,逐层深入不断提问,启发学生思考);(4)衔接新知(介绍新概念,通过理论推导得出公式);(5)构建模型(透析受力情况,深化理解核心概念)(6)思维碰撞(解释各类现象,了解前沿科技)。本文以《电源电动势和内阻闭合电路欧姆定律》一节为案例,展示将教学衔接策略应用于实际教学的过程,并对实施教学衔接策略后的班级进行后续追踪测试,结果表明实验组学生对电磁学知识的掌握与熟练程度高于对照组。

关键词： 高中物理   电磁学   多媒体技术  

摘要： 伴随着科学技术快速发展，现代化信息技术对高中物理课堂教学方式的影响越来越大。因此，在教育体制改革不断深入过程中，具有声情并茂、形象灵动的多媒体技术教学手段逐渐成为主流教学方式之一。本文立足多媒体技术在高中物理电磁学教学中的优势，分析高中物理电磁学教学中多媒体技术的应用现状，并提出相应的解决措施。

关键词： 电磁波   几何反散射   圆锥形奇点   可见性和透明性   局部消失   唯一复原   单一远场测量   传输特征函数  

摘要： 在本篇硕士论文中,我们研究了两种情况下的时谐电磁散射,其中反散射体可以是一对电磁源,或者是一个非均匀介质,两者都具有紧支撑.我们主要关注通过单一远场测量来恢复散射体支撑的几何反散射问题.假设散射体的支撑(局部)具有圆锥形奇点.我们建立了当隐形发生时散射体的局部特征,证明了其物理场一定在圆锥点附近消失.利用这一特征,我们建立了上述反散射问题的几个局部和全局唯一性结果,证明了可见性必然意味着唯一恢复.在此过程中,我们还建立了电磁传输特征函数在H(?)lder正则性或依据Herglotz逼近的正则性条件下圆锥点附近的局部消失性质.

关键词： 电磁学概念   理解水平   概念网络   CSEM测试卷  

摘要： 教育大计,教师为本。教师的本体性知识是胜任教学或成为优秀教师的前提,而教师对学科知识的深度理解和较好的知识网络是培养学生科学思维的关键,这就体现了关注教师知识的重要性。对于物理学科而言,学好电磁学概念是学好物理的关键,因为电磁学是物理学的重要组成内容。但电磁学概念往往过于抽象,对学习者来说难以理解,这时需要教师利用自身的理解和经验对学生加以引导,使抽象的概念具体化。关注职前教师对电磁学概念的理解状况是至关重要,关于电磁学概念理解所用到的研究方法和工具也一直是教育者们积极探索的。人体大脑是一个复杂系统,不同人对于电磁学概念的建构和理解具有自己独特的认知和理解方式。运用由概念和连接概念的关系组成的概念网络(concept network)工具会使大脑复杂的认知结构直观地予以表征与外显。本研究收集了S大学36名物理专业的研究生和本科生绘制的电磁学概念网络,应用复杂网络理论对概念网络进行分析,再结合电学和磁学概念的调查测试卷(Concept Survey of Electricity and Magnetism,简称CSEM测试卷)对职前教师的测试结果,最后对电磁学概念的学习情况进行访谈。与只用概念网络或者CSEM测试来了解被测对象的知识掌握情况相比,经过概念网络的认知结构分析、客观的CSEM测试、访谈相结合能更加科学、全面的看到职前教师关于电磁学概念的理解情况。在研究中先通过Mind Master呈现出收集的概念网络,利用Gephi软件绘制节点图并从定性和定量的角度分析职前教师的个体认知结构、群体认知结构,比如度与平均度、聚类系数、模块化、主成分图等,再通过雷达图表示出职前教师掌握的知识丰富度,并分析职前教师在CSEM测试中存在错误的原因,也从国内外正确率、性别差异、群体差异进行相关分析,得到结论:(1)职前教师构建的概念网络虽然节点、边数不相同,但是所有的网络结构清晰,重点突出,层次分明,且都或多或少存在一些错误概念或者解释不科学的情况。36位职前教师所构建的电磁学概念中,无论是电场还是磁场都包含了三个维度:基于力的维度、基于能量的维度、基于源的维度。大部分职前教师的这六个维度(电场、磁场各三个维度)知识掌握不平衡,而且存在过度关注高阶的知识点,而忽略了一些基础概念这一现象。(2)国内外学生关于CSEM测试卷正确率,整体上我国被测试者(职前教师)明显优于国外被测试者(学生)。我国职前教师产生错误概念的原因:(1)概念混淆或者存在错误认知;(2)忽略了概念的前提条件;(3)力学中概念的错误认知影响了电磁学概念的学习。(3)男生、女生在CSEM测试中差异不显著。而研究生和本科生两个群体在CSEM测试中差异极其显著。电磁场的六个维度与CSEM测试成绩之间不存在显著相关性,但是电场的三个维度、磁场的三个维度以及电场和磁场之间都存在显著相关性。职前教师掌握知识的丰富度与CSEM测试的成绩之间成极弱相关或无关。(4)分析职前教师关于电磁学概念学习情况访谈情况:大多数的职前教师都认为电磁学概念重要,且学习困难,他们在学习遇到困难时会寻求老师、同学帮助或者查阅资料、搜题软件等解决。职前教师通常会通过做题、画知识框架检测自己是否掌握所学知识,大部分职前教师虽然对概念网络不太了解但是他们对日后学习中使用概念网络持积极态度。从大脑复杂的认知显现——概念网络,结合CSEM测试结果与访谈,给出五条建议:(1)教师应该关注自身,发现错误概念。(2)既要重视高阶概念,牢抓基础概念。(3)关注概念间的联系,明确重要概念。(4)教学多以鼓励为主,培养学生信心。(5)采用多种方式教学,利于学生学习。

关键词： 教育游戏   高中物理   电磁学   教学难点  

摘要： 教育游戏,通常是指针对特定教育目的而开发的游戏。游戏是教育的手段,教育为游戏的目的,学生可以通过参与游戏来实现学习目标。《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确提出:“通过多样化的教学方式,利用现代信息技术,引导学生理解物理学的本质,整体认识自然界,形成科学思维习惯,增强科学探究和解决问题的能力。”可知,利用现代化信息技术手段来辅助高中物理教学是大势所趋,而教育游戏则恰好符合这一趋势,可作为现代信息技术与基础教育相结合的载体来辅助一线高中物理教师的日常教学。高中物理电磁学板块在高中物理所包含的知识点中占比最多。从2019年高考大纲来看,高中物理所含必考知识点共计73个,而电磁学板块包含37个;必考知识点中二级要求的知识点共计29个,其中电磁学板块包含14个。电磁学板块重要性不言而喻,但学生的得分情况却不容乐观。如何突破高中物理电磁学板块的教学难点,进而提升教学质量,这值得更多的教育研究者们深入分析与探究。本研究以设计并开发一款针对高中物理电磁学教学难点的教育游戏为研究目的。本文首先是整理并分析了国内外关于教育游戏的相关文献,概述了教育游戏在国内外教育领域中的设计、开发、应用相关的研究,着重对中学物理类教育游戏进行了归纳与分析,简要阐述了本研究的目的、内容、方法。然后界定了本研究的三个核心概念“教育游戏”“教学难点”“高中物理核心素养”,以云南省昆明市A中学高二年级218名学生、三名物理教师为研究对象,通过问卷和访谈的形式调查高中物理电磁学板块的教学难点及形成原因。依据成因,以建构主义学习理论、动机理论、沉浸理论为理论基础,提出了针对高中物理电磁学板块教学难点的教育游戏设计策略。选择教学难点调查结果中难度较高的“带电粒子在磁场中的运动”一节作为游戏的教育内容,分析该节内容的教学难点,依照教育游戏的设计策略,利用unity3d游戏引擎,设计并开发出《智慧蛇闯关》教育游戏。最后,编写与所开发出的教育游戏相对应的教学设计以供广大教育研究者参考。通过以上研究得知,高中物理电磁学板块的知识点可与教育游戏的内容紧密结合,并且在弥补部分学校电磁学方面实验仪器的不足的同时,激发学生对于学习物理知识的兴趣,辅助教师突破教学难点,在学生参与教育游戏的过程中逐步培养学生的物理学科核心素养,符合国家倡导教师利用现代信息技术手段辅助教育教学的要求。