物理与工程

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在线物理教育

  • 源自苏格拉底的问题驱动式教育:在互动中共同学习和成长

    王青;

    本文作者于2018年在《物理与工程》上发表了题为"小班教学与翻转课堂:《费曼物理学Ⅱ》的10年教学实践——纪念费曼先生百年诞辰"的教学文章,本文是作者对其后续发展的梳理总结及对教学理念的进一步凝练升华。本文详细介绍了作者最近三年开设的《费曼物理学Ⅱ》和《电动力学》的授课实践,重点梳理了在2020年春季学期线上教学中采用问题驱动式教育(PDE—problem driven education)的教学效果和由此引出的思考。在线上线下高强度的师生深度互动中,老师和学生都感受到了前所未有的高层次收获和满足。教育教学的核心是培养和锻炼学生有效应对未知的能力,而知识的传授则退化为载体和手段。

    2020年05期 v.30;No.199 3-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 10961K]
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  • 线上线下相结合的大学物理实验教学改革研究

    王军;王帆;沙金巧;范君柳;樊丽娜;

    依托线上微信、视频平台等互联网技术和资源,结合线下的课堂教学提高大学物理实验教学内容的科技时效性,丰富教学手段,解决传统实验教学中的学生忽视预习、抄袭数据、缺乏实验操作量化评定等问题。通过统计实验教学的各项数据,分析其与教师授课、教学安排和学生培养之间的关系,根据分析结果的反馈指导实验教学和教研教改工作的开展。以上方案在试点班级中取得了明显的教学效果。线上线下相结合的教学模式为互联网+背景下的物理实验教学改革提供了一条有效的途径。

    2020年05期 v.30;No.199 26-31+36页 [查看摘要][在线阅读][下载 3001K]
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  • “停课不停学”背景下“基础物理学”线上教学方案探讨

    王文玲;陈子瑜;黄安平;陈强;

    "基础物理学"是北京航空航天大学信息类学院和高等理工学院本科生的必修课程,量大面广。在新冠肺炎疫情阶段实现"停课不停学"的背景下,"基础物理学"课程教学团队通过调研、分析学生在疫情中开展线上教学的软硬件环境,结合课程自身特点,针对线上教学与线下教学的异同,采取以时间换空间的课程互动为主线、多触发模式和组群讨论为辅助以及拔高的教学设计为拓展的设计策略,探索并实践了以学生为中心、以教师为主导的远程教学方案。该方案操作性强,有利于弥补教与学思维互动的缺失。

    2020年05期 v.30;No.199 32-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 1423K]
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  • 实验教学上云,脚踏实地授课——清华近代物理实验课程疫情期间线上授课总结

    孙文博;陈宜保;王合英;陈宏;王秀凤;张留碗;

    2020年春季学期,受新冠肺炎疫情影响,清华近代物理实验课程开展了线上实验教学。近代物理实验课程以前沿的课题为载体,精密的实验和数据分析为特色。教学中,内容上注重前沿性、精密性、研究性、拓展性,教学思路上注重自由乐学、引领志趣、因材施教。为把这些课程特点有机的融入线上教学环节,课程教研组全体教员一起,开展讨论,尝试革新,细致实践,着手开展了各种有利于线上实验课程品质提升的探索性工作,并取得良好效果。本文就这段时间,线上教学中,课程在教学规划、内容设计、授课模式革新、教学方法创新、教学成效评估等方面进行描述,开展探讨;并总结经验,归纳不足,展望未来。

    2020年05期 v.30;No.199 37-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 137K]
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  • 没有标准答案,只需解决问题——以开卷的形式、开放的试题探寻线上考试之道

    林方;聂娅;

    本文以本学期一门理工科大学物理类课程线上半期考试为例,详尽分析了以开放性问题为试题、开卷为形式的线上考试的构思、设计和结果。本次半期考试以"开放"为核心特点,试题设计取材于生活,立足于课程内容,着重考核学生综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力;开卷考试,允许学生查阅任何资料,也允许学生之间交流,同时强调"借鉴"和"抄袭"的区别,针对抄袭行为采取专门的甄别和惩罚手段;试题没有标准答案,老师根据模型正确性、逻辑完整性和是否定量、是否存在抄袭等进行评分。本文意在探寻有别于传统考试思路的线上考试之道,同时借此探索本科基础课教学改革之道。

    2020年05期 v.30;No.199 43-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 4778K]
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  • 大学物理网络教学模式的构建与实践

    刘晓莹;彭鸿雁;孙丽;

    在调查与分析大学生网络学习情况的基础上构建了大学物理课程网络教学模式,探讨了网络同步课堂的教学内容、教学活动及师生互动方式。由于异地学习环境的复杂性和多元性,网络教学有必要加强个性化的学习监控、交流与指导。

    2020年05期 v.30;No.199 50-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 2208K]
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教学研究

  • 物理学科教学知识“大问题”的提出及其在教学上的意义

    朱鋐雄;王向晖;

    早在20世纪80年代早期,美国斯坦福大学的舒尔曼(Lee S.Shulman)就提出了学科教学知识(pedagogical content knowledge,PCK)这个概念,并认为,它在教学中至关重要,代表了教师对学科知识的最深层次的理解,"是最能区分学科专家和教师的不同的一个知识领域"。以此为理论依据,物理学科中涉及物理学科知识的问题被称为物理教学的"小问题"(SMK),涉及物理学科教学知识(PCK)的问题被称为物理教学的"大问题"。本文从大学物理课程的基础课作用和地位、大学物理课出中渗透物理学思想方法教育、大学物理课程学科知识体系、大学物理课程与中学物理课程的衔接和提升等方面提出了大学物理学科教学知识"大问题"包括的主要内容,并论述了"大问题"的提出对于大学物理教学的意义。作为案例,本文最后还附上关于物理学科教学知识的三个"大问题"及其参考解答。

    2020年05期 v.30;No.199 56-63+75页 [查看摘要][在线阅读][下载 460K]
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  • 拓扑绝缘体中两带模型的规范理论

    常治文;刘鑫;

    基于量子霍尔效应发展而来的拓扑绝缘体是凝聚态物理重要的科学前沿之一。通常可用第一陈数(Chern number)这一拓扑不变量来描述时间反演对称性破缺的拓扑绝缘体。传统上表征拓扑绝缘体的拓扑场论是一种有效场论,其中的基本场由"统计规范势"来充当,给出的是系统的大范围拓扑性质。本文当中我们对两带模型(two-band model)引入一种新的拓扑规范理论,它以群空间的哈密顿矢量和布洛赫波函数为基本场,可诱导出单极(monopole)与半子(meron)拓扑缺陷。

    2020年05期 v.30;No.199 64-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 767K]
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  • 基于Mathematica对球体摩擦的深入理解

    李文韬;李文博;王文文;

    为了更深入地理解摩擦力和滚动摩阻,本文建立了关于摩擦力的一种唯象的统一数学模型。此数学模型涵盖了静摩擦力、滑动摩擦力、静滚动摩阻和动滚动摩阻。在不研究摩擦机理的前提下本文使用Mathematica 11.2数学软件进行仿真,分析了两个问题:(1)拉动桌面上的方形物块,其中拉力从零开始增加,验证了数学模型的正确性;(2)拉动球体,其中拉力从零开始增加到某一值后再撤去,得到了球体的运动图像,并解释了每一段过程的物理意义。本文通过这两个问题,深入理解了球体的摩擦。

    2020年05期 v.30;No.199 72-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 951K]
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  • 大学物理知识图谱的构建及其在个性化教学中的应用

    王琛琛;张睿;吴天刚;

    随着信息技术的快速发展,大数据以及人工智能在教育领域得到了广泛应用,如何将数据科学与课堂教学实践相结合受到了越来越多的人的关注。本文在大学物理思维导图的基础上构建了大学物理的知识图谱,在构建过程中采取专家问卷调查法和自然语言分析法获得各知识点的重要程度,并通过对学生答题记录的分析确定知识点之间的联系。在教学过程中,将大学物理知识图谱与课堂应答系统相结合,可以根据学生的答题情况,了解学生对各知识点的掌握程度,并生成个性化推荐信息,这对提高学生学习效率能起到积极的作用。

    2020年05期 v.30;No.199 76-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 2058K]
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  • 将拉曼光谱技术引入大学物理课堂教育的浅析

    张师平;吴平;闫丹;牟天钰;裴艺丽;谢子昂;李莉;

    "新工科"的建设要求我们培养具有面向未来的跨领域、跨学科的综合创新型人才。在这样的背景下,在大学物理课堂教学中加强教学内容与高新技术之间的联系与融合显得尤为重要。本文介绍了拉曼效应的发现、拉曼光谱技术的基本原理以及拉曼光谱技术的一些应用。希望以拉曼光谱技术为例,抛砖引玉,尝试使新的物理学实验方法与手段进入课堂,改变学生们对大学物理教学中内容陈旧的印象,体会到物理学是新技术发展的源泉。

    2020年05期 v.30;No.199 82-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2215K]
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  • 利用有限元数值模拟技术辅助静电场学习

    曾鑫;闫向宏;张亚萍;

    借助有限元数值模拟软件COMSOL Multiphysics(简称COMSOL)对一均匀带电平面的电场进行了的数值计算,获取了均匀带电平面轴线上场强分布,并与理论值进行了对比,取得了相吻合的对比结果,从而验证了本文方法进行静电场建模与模拟方法的可行性和准确性。在此基础上对现实生活中雷雨天气时带电云层在建筑物顶部激发的电场进行了同样的数值模拟计算,给出了建筑物顶部在有(无)安装避雷针情况下建筑物顶部电场分布情况,分析了避雷针高度、避雷针接地状况等因素对建筑物顶部电场的影响规律,数值模拟结果有助于形象、直观地了解避雷针在保护建筑物时的基本工作原理,相关建模与计算方法对数值模拟其他电磁场也具有一定参考作用。

    2020年05期 v.30;No.199 87-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 5482K]
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  • 静电感应时的静电能和电势能

    李宇翔;黄亦斌;

    本文对静电学中的能量问题进行了梳理,厘清了关于静电能、自能、互能、电势能等的一些概念;尤其针对导体静电感应情形进行了具体分析,指出体系的静电能增量与"点电荷与导体间的互能"相比,多了因子1/2,并对此结论进行了一般证明。

    2020年05期 v.30;No.199 92-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 147K]
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  • 少学时医学影像物理学研究性教学的思考与实践

    童家明;

    本文介绍了面对医学影像物理学课程学时减少、学生自主学习时间增多、大三学生已学过主要的医学基础课程的实际情况,根据应用广泛或不易自学并保证其小系统性的原则选择课程基本内容,并运用现代信息技术构建线上线下混合式+翻转课堂的教学模式,设计多种教学活动,教学过程中重视各个教学环节、注意知识点教学的延伸与拓展、密切联系临床医学实际激发学生的学习热情、培养学生自主学习能力与创新意识等。

    2020年05期 v.30;No.199 97-101+106页 [查看摘要][在线阅读][下载 146K]
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  • 结合定量仿真的虚实结合物理实验教学模式

    沈韩;赵福利;方奕忠;冯饶慧;廖德驹;崔新图;黄臻成;

    理论物理、实验物理和计算物理是当前物理学的三大学科分支,在物理实验教学过程中若能将三者有机融合,将能有效提升实验教学的质量。中山大学物理实验教学中心在教学改革中,引入多种科研常用的仿真软件,基于定量仿真,在力学、热学、电磁学、光学等内容分支中构建了若干"实验-仿真-实验"的实验模块,采用虚实结合的教学模式,初步实现了三种方法的融合。让学生从低年级开始就采用科研的工具和方法进行物理实验,有效促进其研究能力和创新能力的培养。

    2020年05期 v.30;No.199 102-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 134K]
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  • 美中两国大学先修课程物理考试力学部分的比较研究

    赵振宇;姚昱晨;

    本研究选取了2015年至2017年的中国大学先修课程物理力学考试与美国大学先修课程物理力学C考试,分别从宏观与微观两个方面开展比较研究,寻找两者之间的异同、优劣,取长补短。宏观上,中国大学先修课程考试在知识点的分布面,出题的规范性上不如美国大学先修课程。微观上,高难度考题在上述两种考试上不相伯仲,但是美国大学先修课程其考察范围的信度与效度更高,建议未来中国大学物理先修课程考试的试题编制能够在信度、效度、难度上更加均衡。

    2020年05期 v.30;No.199 107-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 1137K]
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Global Physics Education

  • 后疫情时代的科学与教育

    布兰福德 R D;索恩 K S;苏卫锋;乐永康;

    2020年初发端的新冠肺炎疫情已经非常深刻地影响着社会和其中的个体。在全球每日确诊病例仍处高位的当下,我们还完全无法预估疫情的影响到底会有多深远。很显然,教育,是这次疫情中受影响最深的领域之一。国内教育界的同仁们可能还在深入思考如何保障疫情期间的教学,疫情之后的教学会有哪些变化等问题,但疫情期间的社会万象却也实实在在地提醒我们:民众的科学素养和科学态度还有比较大的提高空间。在深陷疫情泥沼的美国,物理教学期刊"American Journal of Physics"(AJP)在其第7期上刊载了两位特邀评论员——斯坦福大学的罗杰D.布兰福德教授(2020年邵逸夫天文学奖获得者)和加州理工学院的基普S.索恩教授(2016年邵逸夫天文学奖、2017年复旦-中植科学奖、2017年诺贝尔物理学奖获得者)共同撰写的非常具有前瞻性的评论文章"Post-pandemic science and education"。该评论从疫情带来的影响和政府响应的失败入手,分析了民众的理性思维对社会健康的重要性,进而探讨重建社会所需的教育变革和科学教育工作者在其中的作用。评论所分析的美国社会现状的不少观点可谓针砭时弊,对我们有警示也有启发。两位作者在文中还展现了科学家、科学教育工作者舍我其谁的责任感,似乎恰恰展现了中国传统文化中"先天下之忧而忧"的担当。衷心感谢AJP编辑部和两位作者给予我们授权,让我们有机会勉力翻译全文以飨读者。我们企望已经尽量准确地传达原文的意思,至少没有曲解。有兴趣的读者可以从网站(https://aapt.scitation.org/toc/ajp/88/7)下载这篇全开放获取的评论,以求更准确的理解。在此,译者感谢在德克萨斯大学奥斯汀分校攻读博士的牛晓宇同学第一时间向我们推荐了这篇文章,感谢复旦大学国际文化交流学院的王颖教授就原文中的几处难点给予我们指导,感谢原作者团队对译文的确认和指正。

    2020年05期 v.30;No.199 113-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 126K]
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物理实验

  • 基于普拉托-瑞利不稳定性理论分析“吹泡泡”的机制

    黄励勤;于明鑫;荣新;

    对圆环中的皂液薄膜吹气可以得到"泡泡",用高速摄像机记录了泡泡的产生过程,结合普拉托-瑞利不稳定性理论对该过程进行了理论和实验研究,定量得出了泡泡大小和泡泡产生速率的规律。

    2020年05期 v.30;No.199 117-121页 [查看摘要][在线阅读][下载 5876K]
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  • 基于光敏染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验

    朱江转;马梦姿;杨伟雪;侯文越;方青庭;罗锻斌;

    相对于传统的全息光栅制作实验,我们结合课题研究内容拓展了一种新的全息光栅制作实验内容。传统的全息光栅制作利用了全息干版中的光敏材料的不可逆的光化学反应,在本文中我们利用一种光敏染料分子的光致异构取向机制来记录干涉光强的分布。我们通过这种光敏染料分子的光致异构取向机制在样品中产生瞬态全息光栅。相比于传统的全息光栅制作实验,我们提出的这种全息光栅制作方式,具有样品可重复利用、制作过程绿色环保、光栅常数可在原光路实时测量等优点,对传统实验教学是一种有益的补充。

    2020年05期 v.30;No.199 122-126页 [查看摘要][在线阅读][下载 2958K]
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  • “飓风球”翘起的原因及动力学分析

    苏晓强;张玉;程留永;

    飓风球是一种非常有趣的物理现象,两个连接在一起的钢球在吸管吹气的作用下以极高频率旋转。当旋转速度超过某一临界值时,一端的小球将会翘起而脱离桌面。本文从刚体动力学的角度,利用角动量定理对飓风球的翘起过程进行了动力学的分析,得到了翘起角度与转速之间的关系以及不同直径小球翘起的临界角速度,并通过实验进行了验证。

    2020年05期 v.30;No.199 127-131页 [查看摘要][在线阅读][下载 1716K]
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  • 刚性球冲击悬臂梁诱发的大位移研究:半解析解和实验

    黄小平;李善鹏;田诗豪;于红;刘建林;

    固体对弹性结构的冲击动力学模型在许多工程领域中具有广泛应用。其中,对刚性球冲击所诱发的悬臂梁的大位移的系统研究尚是一个悬而未解的基本问题。在本研究中,我们通过建立的动载荷模型,表达出了悬臂梁发生大变形时的最大挠度,并将其与小变形模型进行了比较;同时还开展了实验和有限元模拟,经过验证发现大变形模型更加准确,尤其是当悬臂梁呈现出明显的几何非线性时应采用该模型。结果表明,梁的最大挠度受三个独立的无量纲参数控制,并分别讨论了其对最大挠度的影响。这些研究发现为人们深刻理解细长结构的冲击过程提供了理论参考,也对设计微尺度的新器件和新材料具有启发意义。

    2020年05期 v.30;No.199 132-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 1720K]
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