物理与工程

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  • 物理是一种文化

    李学潜

    被公众普遍接受的观念:物理学是关于自然的科学。然而在本文中我们强调物理不仅仅是一门自然科学,它经过多年的研究,理论和实验方面的探索,以及在方法论上的创新和对宇宙万物深刻的思考,去伪存真,不断地达到更新更真的层次,它已经升华成能与孔孟文化想怡美的文化层次——物理文化了。它告诉所有物理学家以及任何学过和思考过物理的学生和个体如何思维,如何探索,在深入理解整个自然界和社会中发生的各种现象的基础上,如何让我们的世界变得更加美好。

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  • 新高考背景下大学物理预修课程开设及其教学资源建设

    施建青;徐志君;李珍

    在新高考背景下,如何做好大学物理课程和中学物理课程的衔接具有重要现实意义。本文指出了大学物理预修课程开设的缘由,提出了大学预修课程的定位和教学目标及其课程建设要求,介绍了大学物理预修课程主教材、辅助教学、教案、在线网络开放课程等教学资源建设情况,并指出了开设“大学物理预修”课程对高考时没有参加过物理选考科目的理工科专业学生具有十分重要的现实意义。

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  • 电磁学先修课在人大附中高中物理选修课程体系中的实践

    张新义

    高中物理新课程改革更加强调物理素养的重要性,期望学生根据兴趣和实际情况构建适合自己发展的学习内容。相应地,高中物理课程应当使传统常规课程与丰富的选修课相结合,并建立大学与中学物理教学的衔接桥梁,满足不同学生的多样化需求,更好地发现和培养拔尖创新人才。为此可以考虑在中学和大学之间合作开设相关的大学先修课程,从而为物理学习有余力的优秀学生提供全面而有个性地发展的可能。电磁学先修课在人大附中高中物理选修课程体系中进行了大量有意义的实践和探索,收到了很好的效果。

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  • 单色点光源经梅斯林透镜的干涉现象分析

    冯才鑫;孟庆国;冯立峰;孟庆裕;孙文军

    单色点光源经梅斯林透镜可实现多种干涉现象,为更好地展现单色点光源经梅斯林透镜产生的干涉现象,将此干涉分为4类,分别为聚球面波与发散球面波的干涉、发散球面波与平面波的干涉、两发散球面波的干涉、两平面波的干涉。理论分析了各类干涉产生的干涉现象,并采用Matlab软件模拟了4类干涉产生的干涉条纹分布。研究结果为后继师生的学习与研究提供了理论支持和方法借鉴。

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  • 双光栅测微弱振动实验中光拍成像质量的改进

    王鑫磊;黄锐;陈紫媛;王亚芳

    文章针对大学物理实验“双光栅测微弱振动”中光拍信号容易出现“毛刺”和“包络”的问题开展了实验研究。针对“毛刺”信号,分析发现是由于众平行光束叠加后,产生的拍频含有丰富的高次谐波,表现在波形上是“毛刺”。利用Matlab的GUI程序仿真模拟进行验证,然后根据分析的结果,得出将光栅间距控制在一定范围内可以解决“毛刺”。针对“包络”问题,通过理论分析找到其产生的原因是单振动光栅的衍射光边缘的强度变化。进一步分析发现是光栅振动同时伴随的转动造成的。在振动光栅后加光阑抑制衍射光的边缘部分,从而消除了“包络”。

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  • 圆形支承面上不倒翁的力学特性分析

    黄开志;陈小亮;张龙;田祖安;丁剑平

    为方便不倒翁类玩具或类似工业产品设计时对其力学特性的分析,文章进一步优化了不倒翁的动力学微分方程和滑动临界曲线以及翻转临界曲线,较详细地给出了各力学参数的计算公式,分析了不倒翁各力学参数与支承面的凸凹性等的关系。主要结果是:(1)在凸面上,角速度、周期、角加速度、临界滑动初始摆角和临界翻转初始摆角随凸面的半径增大而增大, 但始终比在凹面上的小;切向反力和临界滑动所需静摩擦因数随凸面的半径增大而减小,但一般比在凹面上的大。(2)在凹面上,角速度、周期、角加速度和临界滑动初始摆角随凹面的半径增大而减小;切向反力随凹面的半径增大而增大。(3)法向反力随支承面的凸凹性的增减关系还与摆角有关。

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  • CUPT模式在大学物理实验教学中的应用及分析

    蒲贤洁;吴小志;张选梅;李巧梅;郭莉杰;何光宏;韩忠

    在大学物理实验课程中开展研究性实验教学项目并以“中国大学生物理学术竞赛”模式进行答辩。借助“问卷星”网络平台,采用李克特七点量表形式设计调查问卷,在研究性实验开展前、后分别进行了前测、后测,考察学生通过研究性实验在知识获取运用、研究兴趣培养、文献查阅分析、实验设计操作等方面的学习成效,并对期末笔试成绩进行分析加以印证。统计结果表明,参与研究性实验项目的班级笔试得分率较普通班级高11%;实际的研究性实验参与将对所研究内容的理解有非常大的提升;旁听式参与研究结果的答辩与讨论,对相关实验内容能获得一定程度的理解;本次“研究性实验”项目可培养学生查阅、分析文献的能力,但在知识运用和实验设计方面却没有表现出明显作用,下一轮研究性实验或以这两方面作为目标。

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  • 用几何拼装法推导拉普拉斯算符在几种坐标系中的表达式

    李品钧

    文章从直角坐标系、极坐标系、柱坐标系以及球坐标系之间的几何关系出发,推导了拉普拉斯算符在上述几种坐标系中的表达式。第一步,用几何方法推求了直角坐标系与极坐标系变量间的微分关系。在此基础上,利用复合函数的求导法则,推导出拉普拉斯算符在极坐标中的表达式。第二步,从几何关系上发现,柱坐标只是在极坐标的基础上多了一根z轴,而球坐标可以看成是两个极坐标的拼装组合。所以在第一步工作完成之后,此步骤只需进行简单的添加或重组,便得出了拉普拉斯算符在柱坐标和球坐标中的表达式。

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  • “MPCCDIO教育教学模式”实施效果评析

    王芳;张瑛;刘建军;严彦文;郭绍辉*

    MPC CDIO(Mathematics and Physics Courses Conceive, Design, Implement and Operate)教育教学模式是在CDIO工程教育模式的基础上,由中国石油大学(北京)发起的将CDIO工程教育理念落实到理工科院校数理公共基础课程教育教学领域的一项改革举措,是针对低年级学生实施的教育教学改革。本文首先对MPCCDIO教育教学模式改革的概念、背景、内容和实施过程做了简单的介绍,然后对MPCCDIO教育教学改革自2011年启动以来的进展情况及改革实施效果进行了介绍和评析。主要围绕对比试点班与普通班的学习力、创新力、国际化视野、团队意识等卓越工程能力的获得情况来展示改革的效果。最后,指出改革过程中存在的问题,并展望提出改进和完善的建议及措施,旨在为MPCCDIO教育教学模式改革的继续进行和扩大奠定基础,也希望为理工科院校的公共基础课的教学和教学改革提供值得借鉴的建议和经验。

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  • 探究“夹水玻璃”难以分开的原因与影响因素

    翟志康1,2;郭子玥1,3;樊代和1,3;魏云1,3

    文章基于“YoungLaplace”方程对夹水玻璃更难分开现象和影响因素进行理论分析。通过设计具体的实验装置,对影响出现该现象的玻璃板面积、水的温度、玻璃的粗糙程度等因素分别进行了实验探究。实验结果表明,分开夹水玻璃的力与玻璃板面积成正比,玻璃板面积越大玻璃越难分开;分开玻璃的力与水的温度呈线性关系,温度越高力越小,玻璃越容易分开;玻璃粗糙程度越大玻璃越容易分开。实验结果与理论分析一致。从而得到结论,分开夹水玻璃的力可以用“YoungLaplace”方程描述,其大小与玻璃板面积正相关,与水的温度、玻璃的粗糙程度负相关。

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  • 对拓扑凝聚态物理学基础知识的教学思考

    阳成熙;李楠

    随着拓扑学在凝聚态物理学中发挥越来越重要的作用,拓扑凝聚态物理学已逐渐成为一门蓬勃发展的学科,具有深刻的理论基础与广泛的实验应用。本文在教学实践的基础上,对在物理类专业高年级本科课程中开展拓扑凝聚态物理学基础知识的教学进行了探索与总结。首先对微分几何学与拓扑学、量子力学、固体物理学的相关基础知识的讲授做了说明,着重介绍了拓扑不变量、Berry相位等数学与物理学的预备知识;然后以量子Hall效应为例,系统地展现了拓扑凝聚态物理学的主要思想与分析方法,详细说明了整数量子Hall效应中Hall电导的量子化公式;最后对课程内容给出了一些教学建议。

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  • 利用数字模拟预测干板全息成像质量的实验设计

    王卓1张泽华1王菁2

    文章设计了一种利用数字模拟预测干板透射式全息成像质量的实验方法。通过布置双凸透镜采集了干板实验的衍射再生像和数字模拟实验的物光信息,以曝光时间作为实验自变量,结合快速傅里叶变换(FFT)与博奇编码的算法,利用分段拟合、线性插值的方法进行数据分析。发现了两种成像模式下“清晰度曝光时间”曲线的良好相关性,相关系数接近或超过0.999,可实现干板全息成像质量的反演预测.进而提出一款查询软件,为实验教学和生产实践提供借鉴。

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  • 物理概念“熵”的多维剖析

    田景华;袁海泉

    “熵”作为热力学中一个非常重要的概念,在基础物理和化学课程中都有论述,但却一直以抽象、晦涩、难懂闻名于世。本文旨在从热力学第二定律出发,引出熵的起源、发展和泛化,并从物理与化学两个不同的视角,结合大量的实例对熵的本质进行多维剖析,从而将熵的概念与体系微观状态数或无序度以及熵的具体数据与微观图像相结合,使“熵”的概念变得生动活泼和形象化。同时指出熵增并不等于无序化,并进一步通过麦克斯韦小妖的故事将熵的概念进一步泛化,展示其具有广泛的应用价值。最后从教学方法上讨论如何提高学生对“熵”这个概念的学习兴趣,加深学生对传统的“熵”这个抽象物理概念的理解、认识和应用研究。

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  • 雨滴下落的形状和收尾速度

    高德文;赵昶

    雨滴收尾速度的计算是大学物理教学中的典型案例。一些文献给出了在空气阻力系数视为常数的情况下,球型雨滴下落时的收尾速度,但由此得出的结果与实验结果有较大差别。笔者认为,问题出现的原因包括两个方面:一是空气阻力系数选取问题,二是雨滴模型问题。本文采用空气阻力系数Park公式、Wallis公式,利用Matlab软件计算雨滴以球模型、近似椭球模型(以下简称PP模型)以及汉堡模型(即半球模型)下落时的收尾速度,并利用Origin Pro8.0进行绘图对比。结果表明本办法给出的雨滴模型和收尾速度计算值更接近实验结果。

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  • 指南车控制理论的创建

    邓崇林

    本研究为建立指南车自动控制系统,乃依古典控制理论将分立各组成控制环节的数学模型整合成系统控制方框图,推导出完全补偿作用所需的设计规范,证明了指南车控制乃属按扰动补偿原理工作的开环前馈控制自动调节系统,更系统性盘查行星齿轮系设计文献案例,运用机械原理与控制观点,全面交叉核实了本文控制理论的正确性,且于推理过程并没发现所谓的反馈机制。由于所有差动机构的传动比都是比例常数,因此,本文所创建的控制理论其数学模型都通用,凡是线性构件所建的指南车都行。

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  • 物理学专业新生“金课”建设探索——以“STEAM-物理学习的新思路”为例

    陈敏;翁雨燕;方亮;高雷;

    课程是人才培养的核心要素,淘汰“水课”,打造“金课”是当前中国本科教育中的重要任务,对于物理学专业而言,建设具有高阶性、创新性和挑战度的新生“金课”,能有效地激发新生对物理学专业知识的学习兴趣和全面提升创新能力。本文以苏州大学物理科学与技术学院新生课程“STEAM-物理学习的新思路”为例,通过对该门课程建设的由来,建设方案,具体课程实施情况,课程实施效果等方面进行剖析,探讨物理学专业新生“金课”建设的有效途径。

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  • 特斯拉阀单向导通性研究

    刘海洋;马佳;王森;郑若雨

    为探讨大尺寸特斯拉阀的单向导通性,以放大100倍后且具有最高效率的特斯拉阀为研究对象,借助计算流体动力学软件,并结合实验,分别探讨了入口流量和单元个数两方面对单向导通性的影响。通过比较软件数值计算结果和实验结果,得出如下结论:数值计算与实验结果符合较好,经放大后的特斯拉阀依旧有着单向导通的特性,入口流量和单元个数会对特斯拉阀的单向导通性产生较大影响,单元个数的影响较为突出。该研究可为特斯拉阀应用领域的推广起到参考作用。

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  • 关于半壁无限深势阱束缚态存在条件的讨论

    王凯枫;时彦朋;刘建强

    一维无限深势阱问题是量子力学中的经典问题,也是国内外量子力学初学者必学内容之一。一维半壁无限深势阱作为一维无限深势阱的变形,也是量子力学教学中常见的物理模型。然而关于半壁无限深势阱这一模型,许多教学和科研工作者甚至教材之中,都存在不严谨之处。尤其是对于束缚态存在条件的求解,许多教材与习题册没有对临界条件进行讨论验证。本文借助图解法对半壁无限深势阱束缚态存在条件进行了讨论并给出了严格解,纠正了长久以来人们对该问题的错误认识,对量子力学领域本科教学与实际科研工作会有帮助。

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  • 径向摆的运动状态及其混沌状态的研究

    陈宗强;王远;余华

    本文研究了第31届国际青年物理学家锦标赛(IYPT)中径向摆问题.我们对弹性杆和小球组成的径向摆体系进行研究。利用弹性理论对体系进行了分析并进行实验检验,结果发现,通过改变摆的悬挂位置、弹性杆长度等参数可以改变摆球的运动轨迹。结果表明:弹性杆与摆球运动的牵连是径向摆摆的运动轨迹会发生转变的原因,而弹性杆的受迫共振是摆径向摆体系存在混沌现象的原因,混沌现象产生的条件是发生在弹性杆杨氏模量或截面积极小的情况。

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  • 论专业选修课中的“公能”教育

    赵丽娟

    “公能”思想源于南开大学校训“允公允能,日新月异”。“公”是指培养学生具有公德心、社会责任感和使命感。“能”是指知识和能力,通过知识和技能的传授使学生具有报效祖国之能力。“公能”教育思想与国际视野下的通识教育具有相通性,与国家层面的思政教育具有高度一致性,都是强调教书育人并重。专业选修课是为高年级本科生设置的与专业相关的选修课程,知识进展的时间跨度大,知识更新节点和涉及的物理学史内容较多,为教学中融入“公能”教育提供空间。本文从专业选修课的科学设计、教学方法和考核方式等方面论述如何在专业选修课中融入“公能”教育思想,培养“允公允能”的高层次人才。

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  • 基于双三角测距原理的双线激光三维扫描系统的研制

    迟克浩;陈梦雯;胡姗姗;陈文娟;徐志杰

    针对市面上大多数三维扫描仪结构复杂,操作繁琐等问题,设计了一套基于双三角测距原理的双线激光三维扫描系统。系统主要基于双三角测距原理,利用线状激光器采集目标物的点云图像,并利用计算机图像处理软件进行点云的二次处理,生成三维模型。基于点云的位置数据和摄像头的图像信息可以快速重构出目标物的三维模型,实现了利用低成本设备进行高质量扫描工作的目的。相比同类的其他设备,本系统的成本低廉、体积轻巧、操作简单,可在小型工程项目中高效工作。

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  • 单分子磁镊测量Lambda DNA的拉伸曲线

    王硕,林舒轩;王文彦;房爱芳

    单分子操纵技术近年来在生物物理实验方面的应用日趋广泛。通过单分子操纵技术可对生物进行系统地操控,由此采集到的定量数据需要发展定量模型来处理。本文基于单分子操纵技术,主要介绍利用单分子磁镊测量Lambda DNA拉伸曲线的方法,展示了基本物理模型在生物学研究中的应用。使用蠕虫链模型(WLC模型)对实验测量得到的拉伸曲线进行分析,从物理学角度展示了Lambda DNA在热涨落的影响下平滑地弯曲,发生熵形变。此外,本文还介绍了该实验的改进措施及其研究进展。我们希望本文能为在本科阶段物理实验教学中开展单分子磁镊实验提供参考,使本科生初步了解基本物理原理和模型在生物物理学中的应用。

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  • 大学物理线上线下混合式大班教学模式初探

    孙燕云;何钰;吴平;徐利华;马小娟;陈文瑜

    基于大学物理课程开展了线上线下混合式教学模式的探索。围绕以学为中心的教学理念,借助现代教育手段精心设计了适合大班教学的线上、线下教学方案。除了建设有现场感的线上教学资源外,还特别重视线下探究式课堂的打造,并通过思维导图引导学生高效完成课后总结,致力于为学生创造有意义的学习经历。实践结果表明,该教学设计较传统课堂能够明显提升学生格物致知的热情,有助于培养其自主学习、科学探索、团队协作、交流表达、客观评鉴以及归纳总结等多方面的能力。

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  • 大学物理实验项目的探索和创新

    樊代和;贾欣燕;魏云;常相辉;刘其军;王辉

    大学物理实验课程,是高等理工科院校对学生开设的必修基础课程之一,对培养学生的基本科学实验技能、提高学生的科学素养起着重要的支撑作用。本文通过实际的案例,阐述了如何将传统的大学物理实验项目内容进行深入探索,或将不同的实验项目进行有机结合,使学生能够在本科阶段接受到创新能力培养的训练。通过这些实际的案例可以发现,通过将传统的大学物理实验项目进行深入探索和创新,学生能够取得一定的创新性成果,进而提升其创新实践能力。

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  • 从文化视角探析大学物理教学的问题与对策

    潘小青

    大学物理教学从上世纪90年代开始在大学的课程教学中地位逐渐下滑,到近几年在一些学校的某些理工科专业甚至已不设物理课程。本文列举了我国大学物理课程考核方式及大学生对物理学习的感受,对比了中美高校课程教材中物理课程定位的描述,探讨分析我国物理教学中被严重忽略的物理学的文化内涵,即科学的动机是探求真理,科学是历史的产物,科学也追求美。教学过程中将科学与人文结合,即在物理教育中融入科学精神、物理学史和科学之美的内容,可以促进物理教学。

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  • 利用非线性动力学系统研究混沌现象

    李明达;董乔南;杨亚利;李鑫;罗锻斌

    以相图和庞加莱点作为表征手段,本文对受外力驱动的一种非线性动力学系统混沌摆的摆动行为进行研究,考察了该混沌摆系统的运动状态随驱动力频率变化的特征。同时我们建立了该系统的理论模型,通过数值计算模拟该混沌摆运动状态来验证实验结果。实验和仿真结果均表明,随着驱动力频率的增加,混沌摆会有周期和混沌运动状态交替出现的情况,且这种变化近乎为突变的。同时,也从数值仿真结果中观察到了混沌摆运动状态对驱动力频率这一参数的敏感性。本文阐述的仿真和测量研究可以作为本科生的大学物理实验课程中混沌摆实验项目的拓展内容,使有兴趣和能力的同学对非线性动力学系统的混沌现象有更深入的理解和认识。

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  • 基本粒子和相互作用的标准模型简介

    王丝雨;熊兆华

    本文对粒子物理理论中的粒子及其相互作用做了较为全面的综述。笔者尽可能不用物理公式来说明相关物理规律和思想,通过对称性与对称性破缺对粒子物理理论涉及到的量子力学的解释、以及对组成物质基元的理解进行描述。本文也对目前标准模型存在的问题进行了讨论。

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  • 大学物理教学中促进学习的评价策略研究

    段志刚;熊艳娇;付勇智;李清玉

    文章介绍为改善目前大学物理教学评价中重甄别轻反馈的现象,以素质教育为核心目标,在大学物理教学中引入了促进学习的评价体系,以学习目标编制、学习证据使用、反馈促进学习等3个阶段编制了适合于大学物理的教学评价策略,总结了大学物理教学中促进学习课堂评价策略的实施原则,并在教学中实践了该评价策略。该策略提高了学生的综合素质,并用相应的评价指标证实了该策略的效果。该研究拓展了促进学习评价策略的外延,并对大学物理评价方式进行了新的探索。

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  • “教研室”管理体系:物理学“课程群”管理

    罗洪刚;王建波;刘玉孝;吴国军

    本文探讨物理学“课程群”的教研室管理模式。根据物理学基础课程的内在联系,我们提出了建设数学物理基础、力学基础、热学基础、电磁学基础、光学基础、量子基础以及计算物理基础等七个“课程群”的建设方案[罗、王、刘.物理与工程,2019,29(2)?-?]。每个“课程群”从基础到高级,涵盖若干内在关联课程。以教研室为管理单元对这些课程实施管理,一方面可以对“课程群”的内容进行系统的梳理,使教学内容更加系统,相互衔接,避免不必要的重复。另一方面,这样的教研室也便于教师之间的交流讨论,形成高水平的教学团队,为教学质量的提高提供有力保障。此外,该教研室管理模式也可扩展至专业教研室,扮演专业学科组织建设的功能,可为学生出口提供更加适合专业发展和国家需求的课程设置。本文以兰州大学物理科学与技术学院的教学管理为例,提供教研室管理的一个具体例子,并简述最近一年开展的活动及取得的初步成效。

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  • THE INFRASTRUCTURE FOR AND IMPACT OF PHYSICS EDUCATION RESEARCH ON POSTSECONDARY PHYSICS INSTRUCTION IN THE UNITED STATES

    Charles Henderson

    The field of Physics Education Research has grown substantially in recent decades. This growth has resulted in significant knowledge about effective teaching and learning of physics at the postsecondary level in the United States and has been put into practice in the development and testing of a wide variety of curricular materials and instructional approaches. This knowledge and resulting materials has been widely disseminated to physics instructors in the US, resulting in widespread adoption of highly effective research-based instructional practices. The growth and positive impact of Physics Education Research would not have been possible without significant and ongoing government funding.

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  • 重创理科教育的美加课程改革

    沈乾若

    文章分析北美中小学课程设置及标准的变更在理科教育衰落中的颠覆性作用。其一,联合国教科文组织自20世纪60年代以来倡导和推行综合科学课程代替初中阶段物理、化学和生物的分科设置,它降低了科学教育在基础教育中的比重,综合课程定性描述的科学普及性质不具备奠定理工科基础的功能,教师对非本专业的学科一知半解更令教学质量一落千丈。这类课程在世界范围内拖垮了科学教育。其二,几十年来,中小学数学课程标准频繁变更,削减内容,降低深度,尤其小学‘发现式’课程标准,将传统小学数学的内容、结构和方法推倒重来,使之面目全非。‘发现式’数学压缩算术,引进中学里超乎小学生认知能力的代数知识;轻忽标准四则运算,弱化逻辑思维;思维与解题方法幼稚笨拙甚至错误百出。数学教育由此被釜底抽薪,大幅衰落。

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  • 黑洞的前世今缘

    席特;鲁同所;孙敏;胡婧

    自从2015年9月14日科学家首次探测到引力波信号以来,2015年12月26日,2017年1月4日,2017年8月14日,2017年10月16日又分别再次探测到来自宇宙空间的引力波信号,其中前四次都是由两个较小质量的黑洞合并成较大质量的黑洞后,损失的质量变成能量以引力波的形式释放了出来。这些成果都成为黑洞存在的无可置疑的明证,那么究竟什么是黑洞?它是怎么形成的?有哪些性质和特征?人类又怎么去探测它?文章给出一些主流的解释,进一步开阔人们的视野,使得人们更深刻地感受宇宙的神奇和魅力。

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  • 基于知识可视化的物理实验课程导学教学设计研究

    张慧;姚琴芬

    知识可视化在教育技术实践领域有广泛的研究和应用,本文的研究重点是通过知识可视化的思维模型,应用相关软件技术工具Mindmanager和Xmind,构建和优化大学物理实验课程的导学和内容设计,同时结合科学数据可视化软件Mathematica辅助实验数据的可视化呈现和处理分析,并进行了相关案例设计研究探索。本文研究工作的目的是通过可视化的导学资源组织形式和内容,提升实验教学信息传达的结构性、丰富性和有效性,辅助学生利用思维和数据可视化工具增强学习与思维的能力。

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