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关键词： 物理课堂   师生互动   新手教师   专家教师  

摘要： 课堂师生互动是教学过程中必不可少的环节之一,互动的效果会影响教学的效果。本次研究以专家教师和新手教师的物理课堂为研究对象,探究二者差异并从中获得启示。专家教师和新手教师是我们对研究对象的一种理想化的划分,专家教师一般指的是从业时间15年以上、教学经验丰富的、参加过学科教学竞赛并取得过名次的教师(大多是高级教师)。新手教师是指入职时间在4年以下,教学经验逐步积累(无职称或有三级教师职称)的新教师,以及即将正式入职的高校师范专业学生。新手教师与专家教师在教学经验上存在着差异,这导致新手教师和专家教师在教学风格、课堂氛围、师生关系、课堂言语等方面的不同。物理课堂不同于其他学科,物理学是以实验和讲授为基础的。因为有实验这一环节的存在,物理课堂上的互动形式更加丰富多样,且物理课堂的互动还受学生的动手能力的影响。通过对物理课堂上师生互动情况的研究,将有助于深入探究新手教师与专家教师在探究式物理课堂中存在的差异,并针对存在的问题提出相关建议。师生互动的效果是决定探究式物理课堂成败的关键,新手教师往往教学经验少,而专家教师往往有着丰富的教学经验,那么专家教师与新手教师在探究式物理课堂上的师生互动存在什么类型的差异呢?为了研究这一问题,本研究选取3位新手教师与3位专家教师,对探究式物理课堂中的师生互动行为展开研究。首先,根据对物理课堂的观察与对视频资料的分析,发现专家教师在物理课堂的师生互动上比新手教师有更多的方法与手段。然后,按照FIAS编码原则对物理课堂言语互动编码,并用矩阵分析、比率分析、曲线分析等方式探究教师在课堂中的言语行为、课堂氛围、教师教学模式等。接着,基于已有的研究,设计问卷以收集学生对课堂师生互动的看法,问卷数据用SPSS 25进行分析,找出课堂师生互动存在的问题并分析原因。另外,通过对教师进行访谈来了解教师对课堂师生互动的主观看法。最后,针对以上研究结果对课堂师生互动提出意见及建议。本次研究在阅读相关文献的基础上展开,第一章是研究背景,包括研究目的、研究意义、概念界定和研究计划;第二章论述了研究现状,包括师生互动、物理课堂师生互动、探究式课堂、新手教师与专家教师的研究现状;第三章阐述了研究的实施过程,包括观察研究、问卷调查、访谈等研究过程;第四章结合物理课堂特点和探究式课堂的特点对研究结果进行论述,得到结论;第五章在第四章的结论基础之上,根据课堂师生互动存在的问题提出了建议,并指出本次研究的不足同时对以后的研究进行展望。物理学是建立在观察与实验的基础上的学科,专家型教师在物理课堂上有显著的专业特征。经过听课时的观察发现新手教师向专家教师学习的几个关键环节:(1)利用肢体语言与学生互动交流,解释物理概念;(2)利用简易制作的演示实验来组织学生观察和验证物理原理;(3)在做实验之前,组织学生讨论并且预测实验结果;(4)设计学生分组讨论并解决较难的物理问题。经过研究还发现:专家物理教师课堂师生互动多样性优于新手教师;专家物理教师的学生与新手教师的学生在参与物理课堂师生互动的积极性方面有显著差异;相比专家物理教师而言,新手物理教师对学生施加更多直接影响,而间接影响相对较少;不同群体的学生参与师生互动的情况有所不同;过大的学习压力会影响物理课堂师生互动的效果。这一系列发现为新手教师向专家教师学习提供了思路。

关键词： 经皮吸收   数学模型   解析解   计算机数值计算模拟   经皮给药药动学模型  

摘要： 经皮给药,即药物通过皮肤吸收进入血液体循环中,以发挥治疗作用。作为一种新型的给药剂型,这种给药方式具有对患者的适应性好,无首过效应,可长时间保持血药浓度稳定等优点,因此越来越受到关注。掌握药物的经皮吸收过程和各种因素的影响,有助于有效安全的皮肤给药系统优化。通过构建一个数学模型对药物的经皮吸收过程进行合理的描述,可以细致量化经皮给药的过程。本文以费克传质扩散模型作为基础,并考虑药物在皮肤中的结合和代谢等过程,通过多种方法求解药物在皮肤中的传质数学过程,并且使用计算机作为辅助工具进行药物皮肤输送过程的模拟计算,得到药物经皮吸收过程的合理模拟结果。这样既可以对经皮/跨黏膜给药进行评价,优化处方和工艺,预测药物的经皮吸收,也可以对仿制药的生物等效性进行风险评估。首先,总结经皮吸收过程的规律,将其抽象成物质的跨膜传质扩散模型,且扩散过程符合费克扩散定律。使用费克扩散方程作为控制方程,并代入经皮吸收通用的初始条件,依此构建出经皮吸收的数学模型。该模型由偏微分方程构成,为预测药物给药规律,因此需要求解偏微分方程的解析解。针对不同的经皮给药情况,不断细化完善数学模型,构建不同的偏微分方程组并以此求解。然后,在求解偏微分方程组的过程中,发现解析解在求解复杂偏微分方程组中的局限性,然后运用有限差分法求解构建的偏微分方程组的数值解。使用MATLAB软件应用有限差分法编写计算程序,根据多种药物渗透扩散进入皮肤的情况,编写不同的计算程序进行数值模拟计算。通过数值模拟实验和体外实验验证计算程序的可行性和准确性。其次使用有限元法运用COMSOL软件求解经皮吸收数学模型的偏微分方程组。通过长效给药贴剂的体外实验进行验证有限元法数值验证的可行性,探究分析了体外实验的可能存在问题和方法的局限,通过模拟实验,在证明模拟规程合理性的前提下,设计优化处方,减少了处方设计中的试错实验,提高实验效率。同时,针对药物透皮过程中可能存在的与酶或蛋白质反应等可能情况,单独建立模型,并用体外实验验证实验结果。最后,将经皮吸收多层膜扩散模型与药物的房室动力学模型相结合,构建了经皮给药的体内药物代谢动力学模型。通过四阶龙格库塔法与有限元法求解推导出的常微分方程组,并结合临床数据进一步验证了模型与数值模拟的适用性与准确性。

关键词： 成型燃料   玉米秸秆   超声波振动   物理特性  

摘要： 能源是社会进步和经济发展的重要物质基础,也是人们从事生产活动的重要基础,随着社会的发展,人们逐渐意识到了化石能源的日益耗尽和环境污染带来的巨大问题,提高能源利用效率、调整能源结构、开发和利用可再生能源将是未来能源发展的必然选择。然而农业作物秸秆通常松散程度高、堆积密度较低,给收集、运输、储存和应用会带来一定的困难,秸秆固化成型燃料,是秸秆综合利用的主要方式之一,不仅能够将秸秆最大化利用,还能够减少秸秆在直接焚烧处理时对环境的污染,提高能量密度、形成商品能源,降低了火灾发生的隐患,解决了秸秆的收集、运输和储存问题。传统的生物质燃料成型过程需要高温高压、添加剂等问题,本研究通过超声振动对玉米秸秆进行固化成型,采用单因素试验法和二次回归旋转组合试验法,以秸秆粒径、成型压力、压缩时间、原料含水率和超声波功率为影响因素,对成型燃料的密度、松弛密度、抗破碎性、抗渗水性和抗吸湿性进行了研究,该研究对缓解农村能源压力、改善能源结构和卫生环境具有重要意义,主要研究结论如下:(1)通过单因素试验获得了成型燃料密度、松弛密度、抗破碎性、抗渗水性和抗吸湿性随原料粒径、含水率、成型压力、压缩时间和超声波电源功率变化的规律。无超声波振动时,燃料的不具备抗破碎性,不能满足储存运输的要求,超声波电源功率过大时,燃料内部易炭化。(2)通过二次回归旋转组合试验法建立了各影响因素与成型燃料密度的数学回归模型,通过方差分析验证了模型显著,确定了影响成型燃料密度的主次顺序为原料粒径、成型压力、原料含水率、超声波电源功率、压缩时间。(3)通过二次回归旋转组合试验法建立了各影响因素与成型燃料抗破碎性的数学回归模型,通过方差分析验证了模型显著,确定影响成型燃料密度的主次顺序为超声波电源功率、成型压力、压缩时间、原料粒径、原料含水率。(4)分析了各个因素对成型燃料密度和抗破碎性的因子贡献率,获得了最优工艺参数组合为原料粒径1.5mm、含水率10%、成型压力379k Pa、压缩时间70s、超声波电源功率250w,成型燃料密度和抗破碎性分别为1381.14 kg/m和97.58%。

关键词： 小学数学   方程教学   模型思想   数学模型  

摘要： 自2011年小学数学课程标准实施以来,一线教师逐渐开始注重数学思想的渗透。模型思想作为学生利用数学知识理解现实世界的方法,是发展学生核心素养的关键,能促进学生的高阶思维和数学应用能力提升。方程是刻画现实世界中数量关系的有效模型,其蕴含着丰富的数学思想,是进行模型思想渗透的有利素材。现有研究中,以小学数学具体教学内容渗透模型思想的研究相对较少,笔者以此为切入点,选取小学数学方程作为模型思想渗透的载体并展开研究。本研究采用文献、案例及调查等方法,探讨了基于模型思想的小学高段数学方程教学研究,旨在能引起教师对模型思想的重视,提升模型思想的应用意识。本研究首先在梳理、总结相关文献的基础上确定了研究方向和内容;其次在理论研究的基础上分析了模型思想与小学数学方程结合的必要性和可行性;然后通过对小学数学方程内容、学生特征、教学方法等设计要素进行分析,建构了基于模型思想的小学高段数学方程的教学环节:创设情境,准备模型;提出假设,模型分析;探究启发,建构模型;自主动手,求解模型;回归情境,验证模型;模型应用,总结反思;依据此流程,选取小学六年级某班展开教学实践,并以课上教师教学行为、学生学习行为的反馈以及课后学生的测试反馈为依据,分析基于模型思想的小学高段数学方程教学的实施效果;最后综合实践结果发现基于模型思想进行小学高段数学方程的教学设计是可行且有效的,学生能够准确捕捉情境中的关键信息,确立等量关系,完成模型建构,并能在变式训练中转变方程学习态度,掌握解决方程问题的一般方法,提高方程的应用意识,进而提高方程学习效率。本研究以小学数学方程内容为载体,设计了具体的教学流程,将模型思想渗透于教学实践中,由浅入深,层层推进,让学生体会模型思想的价值,并在此基础上提出了具体的教学建议,以期为一线教师在实际方程教学中提供一些帮助。

关键词： 高胆红素血症   治疗方法   数学模型   联合治疗方案设计   数值模拟  

摘要： 新生儿高胆红素血症是临床常见病之一。临床上常采用光疗、换血和药物治疗该疾病。本文根据三种疗法机理,建立了新生儿高胆红素血症治疗数学模型,实时跟踪胆红素水平变化规律,其研究结果可为临床选择治疗方案提供理论依据。主要工作如下:首先,根据光疗结合胆红素机理和血液循环原理,建立了间歇性光照治疗新生儿高胆红素血症的数学模型,并对模型进行求解。由临床实验数据和数值逼近算法,估计模型中的相关参数。依据《专家共识》标准,设计了两种间歇性治疗方案,结合临床实际护理要求,对不同时龄的新生儿,数值模拟出标准光强照射下总胆红素与经皮胆红素的曲线,发现通过增大光照强度,有助于提高重症患儿治疗效果。其次,根据换血置换新生儿高胆红素机理,建立了换血法治疗新生儿高胆红素血症的数学模型,给出了模型解的表达式。依据《专家共识》标准,结合不同时龄新生儿胆红素增长水平,分别设计出用单倍与单双倍之间换血量协同光照治疗方案,数值模拟了方案的可行性。将模型运行结果与临床病例治疗数据相比较,发现吻合效果好,验证了模型的合理性。最后,根据白蛋白结合游离胆红素的机理,建立了药物治疗新生儿高胆红素血症的数学模型,对模型进行求解。设计了药物、换血与光疗联合治疗方案,数值模拟方案的可行性。其运行结果对比换血协同光疗方案的治疗效果,发现对较严重患儿,联合治疗能快速降低胆红素水平。运用模拟分析临床病例,通过调整胆红素初值,分析异常数据的变化过程,提出建议性治疗方案。

关键词： 绝缘纸板   热压   干燥   热质传递   数学模型  

摘要： 随着当今特高压电网的建设与发展,带来了特高压变压器以及其相关原材料的供应需求,绝缘纸板凭借其高密度、高紧度和高耐压强度的优良特性而被大量使用。干燥是绝缘纸板生产过程中的重要工序,不仅影响着绝缘纸板的生产效率、加工质量、使用安全性等方面,同时也是绝缘纸板生产过程中投资和能耗最大的工序。热压干燥因集快速干燥、压密化和热处理等多种功能于一体,近年来在绝缘纸板的干燥过程中被大量使用。本文以绝缘纸板为研究对象,首先通过控制变量法研究了热压干燥过程中温度和压力对绝缘纸板中心温度和平均含水率的影响规律,结果表明热压温度和压力对于绝缘纸板中心温度和平均含水率变化存在影响,并且温度影响效果更大。当热压温度从100℃提高到140℃时,绝缘纸板中心温度上升到100℃所需时间从15min下降到9min,对应的最大平均干燥速率提高了约1.8倍。当热压压力从2MPa提高到4MPa时,绝缘纸板中心温度进入到温度保持段从75min下降到35min,对应的最大平均干燥速率提高了约1.55 倍。然后,通过热压实验,研究了不同条件下绝缘纸板内部各向的温度和含水率变化及其分布特性,结果表明在水平方向上的绝缘纸板温度和含水率变化差别不大,可以近似看作为一个等温面和等湿面,而在厚度方向上绝缘纸板的温度和含水率变化和分布则存在明显的梯度分布和规律性,其中在120℃、4MPa的热压条件下,表层的最大干燥速率可达到中心层的3.3倍。绝缘纸板内部水分存在多种形态,在热压干燥过程中不同水分的传递规律存在差异性。为完善绝缘纸板热压过程的传质特性,采用低场核磁共振技术分析了绝缘纸板内部不同厚度层的水分状态和传递规律等信息,结果表明绝缘纸板中含有自由水、不易流动水和结合水三类不同形态的水,其中不易流动水占主要部分。对应时刻绝缘纸板表层的T21(自由水的横向弛豫时间)和T22(不易流动水的横向弛豫时间)均小于中心层,对应时刻绝缘纸板表层的波峰总面积总和小于中心层,证明了水分由中心层向表层传递的特性。最后,在对绝缘纸板热质传递特性分析与解释的基础上,通过构建相关的传热与传质模型,定量化描述了绝缘纸板的热压传递特性。根据热压干燥实验,构建了绝缘纸板热压过程的物理模型,基于傅里叶导热定律和菲克扩散定律,建立了描述其热质传递特性的数学模型,并采用有限差分算法,借助MATLAB软件对所建立的模型进行了求解,通过热压实验对其传递特性模型进行了验证。结果表明:绝缘纸板的温度变化在1/4厚度层具有最高的相关性,平均误差在3%左右;含水率变化则在1/8厚度层具有最高的相关性,平均误差在13%左右。本文通过对热压干燥过程中热质传递特性的研究,揭示了绝缘纸板热压干燥过程中内部热量和水分传递的规律,可为生产实践中的热压干燥工艺优化和设备改进提供理论依据。

关键词： 台风暴雨型滑坡   空间多尺度   滑坡易发性评价   降雨诱发   数学模型  

摘要： 我国闽东南丘陵山地长期受到台风及其伴随的强降雨的影响,导致境内台风暴雨型滑坡等地质灾害频发。由于闽东南丘陵山地地质环境条件脆弱,台风暴雨诱发滑坡的机制复杂,目前对台风暴雨型滑坡的预测预警仍需不断完善。因此,开展基于滑坡灾害大数据的统计和分析,建立台风暴雨诱发滑坡概率预测模型,对此类型滑坡的防灾减灾具有重要的理论和工程实际意义。本文以安溪县台风暴雨型滑坡为研究对象,分析总结研究区台风暴雨型滑坡的分布特征、发育规律以及成因机理,开展区内滑坡易发性评价和降雨诱发滑坡概率计算,在此基础上,利用贝叶斯理论和增量学习理论,推导台风暴雨型滑坡增量型贝叶斯概率预测数学模型。论文获得的主要成果有:(1)研究区滑坡灾害主要为台风暴雨型滑坡,受降雨及地质环境条件的制约,区内滑坡的分布受时空影响明显,时间上主要发生于台风暴雨频繁登录的年份和季节(5～9月);空间上由于中北部主要为侵蚀剥蚀丘陵地貌、构造带发育,灾害发育较多,而南部地区发育较少;此类型滑坡多具有坡体二元结构,管网渗流系统发育,大多为强降雨诱发。(2)滑坡易发性评价中引入空间多尺度的概念,将研究区划分为安溪县、小蓝溪小流域以及单体滑坡三个尺度,分别进行评价。大尺度安溪县域选择逻辑回归模型和信息量模型;小蓝溪坡面型小流域选择信息量模型;单体滑坡基于信息熵原理建立评价模型。结果表明:(1)逻辑回归模型和信息量模型都适用于大尺度滑坡易发性评价,但前者精度较高,预测能力略优于后者;(2)信息量模型在局部尺度的易发性区划结果优于区域尺度易发性区划结果;(3)熵权法适用于单体尺度滑坡易发性评价,评价结果与滑坡实际调查情况相符;(3)分析研究区台风暴雨型滑坡与降雨的关系,选取滑坡发生当日降雨量、滑坡发生前10天日降雨量、前期累积有效降雨量三个降雨因子,采用逻辑回归模型构建台风暴雨型滑坡时间概率预测模型。检验模型预测的准确度,结果显示模型预测效果良好、精准度高,能较好的预测滑坡发生的时间;(4)基于滑坡易发性评价概率值和降雨诱发概率值构建高斯贝叶斯网络结构,依据贝叶斯理论和增量学习理论,推导基于连续型变量的台风暴雨型滑坡增量型贝叶斯分类预测概率模型,制作台风暴雨型滑坡概率预测系统。选取研究区内部分台风暴雨型滑坡作为待预测样本,检验模型的学习性能和预测精度,结果表明,该模型整体预测精度较高,能较好的实现灾害时空联合预报,可为后续此类型滑坡的预防和治理提供依据。

关键词： 碳酸钙   凝聚水   数学模型   相对湿度   孔隙结构  

摘要： 岩石纳米孔隙中的凝聚水对许多水文地质工程地质问题的研究有着极其重要的作用:干旱区凝聚水是维持当地生态平衡的重要水资源,石雕石刻文物保护中凝聚水是需要考虑的关键因素之一,页岩气工程中页岩纳米孔隙中的凝聚水对页岩气的聚集和流动有着重要影响。许多学者在研究中表明了凝聚水的重要性,并已开展了一定的野外观测工作。但由于凝聚水量对环境因素极为敏感且影响因素众多,目前对凝聚量及其影响因素的研究仍处于定性阶段。因此,根据凝聚水的形成机理,建立能够定量计算平衡凝聚量的数学模型是有必要的。在开展条件可控的室内实验对平衡凝聚量数学模型的计算结果进行验证之后,该模型可用于系统研究影响凝聚量的因素。本研究选取不同粒径的碳酸钙粉末,采用夯实的办法加工成柱状样品。通过控制夯实的强度制备了六个样品,其中四个样品具有相同颗粒大小和不同的孔隙度,三个样品具有相同孔隙度和不同的颗粒大小。将六个样品烘干后置于恒温恒湿环境中,水汽在吸附作用和毛细作用下于样品孔隙中凝聚,定期对样品称重,计算凝聚水的质量,直到凝聚过程达到平衡。基于实验样品的孔隙结构建立了这六个样品的堆积模型,给出了该模型在凝聚达到平衡时单位体积岩石的凝聚水量与温度、相对湿度、孔隙度、颗粒大小及介质亲水性等因素之间的数学关系式。在这一关系式中,通过分离压理论计算颗粒表面的吸附水量,基于开尔文公式和Young-Laplace方程计算颗粒间液桥的毛细凝聚水量。样品的凝聚总量为吸附水量和毛细凝聚水量之和。通过实验测得了不同样品的单位体积凝聚量随时间的变化和各个样品的平衡凝聚量。通过对实验数据进行非线性多元函数拟合得到了样品凝聚量、凝聚速率与时间的关系式,定量分析了相对湿度,颗粒大小和孔隙度对凝聚速率的影响。通过比较样品的单位体积凝聚量实测值与解析计算得到的理论值,对样品的平衡凝聚量数学模型进行验证。二者的相对误差介于-6.43%～20.05%,这表明模型预测的结果与实测数据吻合良好。文中定量分析了相对湿度、颗粒大小和孔隙度对平衡凝聚量的影响。基于上述数学模型预测了温度和介质亲水性对凝聚量的影响。本研究结果表明,相对湿度是影响平衡凝聚量大小最为关键的因素,岩石孔隙结构次之,温度和介质亲水性较小。

关键词： 小学教学   数学模型   必要性   融合策略  

摘要： 随着素质教育的开展,对学科教育提出了更高的标准和要求。数学教育也在不断探求着更高效、更创新的教学模式,将数学模型融合到小学数学教学中,能实现数学知识"可视化",让数学学习变得简单,还有助于学生逻辑思维能力的培养。笔者结合自身教学经验,探讨在小学中高年级数学教学中融合数学模型的必要性,并提出有效融合的相关策略。

关键词： 仿生鸵鸟   全形态式   双足机器人   高速跑跳   数学模型   运动规划  

摘要： 随着科技的发展,机器人在人类生活中的应用领域不断扩大,包括服务、娱乐、医疗和军事等。双足机器人具有类人的结构和外观,对环境适应性强、灵活性高,可以代替人类完成很多危险性任务,比如防火救灾、环境侦查等。而如何让双足机器人实现高速度、低能耗的稳定运动,是目前机器人领域的研究热点之一。非洲鸵鸟(以下称为鸵鸟)作为目前世界上奔跑速度最快的两足动物,其腿部粗壮有力,能够实现持续的高速运动,此优越性对双足机器人的机械结构设计提供了重要的参考价值。本文以鸵鸟为仿生原型,根据工程仿生学原理,设计一种全形态式仿鸵鸟机器人,并进行相关理论分析和仿真实验研究。主要研究内容如下:(1)结合文献调研法研究鸵鸟的生物体机构、生物运动机理和运动规律,总结使鸵鸟实现持续的高速稳定奔跑运动的原因。采用仿生机械设计和轻量化设计,设计出一款结构紧凑、控制简单,且能实现高速奔跑、节能减震的全形态式仿鸵鸟机器人,并通过SOLIDWORKS建立三维模型。(2)简化机器人腿部结构,采用矢量解析法建立正向运动学数学模型,求得其足端轨迹及各关节速度和加速度方程,并通过ADAMS仿真验证了模型的正确性。基于此,以使实际轨迹与期望轨迹距离最小为目标函数,通过MATLAB遗传算法工具箱进行优化设计,得到一组最优的腿部机构结构参数。提出了三种求解腿部机构逆解的方法,并验证了其中微分法的正确性。同时,对机器人头、尾和翅膀机构进行正逆运动学分析,并验证其正确性。(3)基于达朗贝尔原理对机器人腿部结构进行动力学分析,建立动态静力学模型,求解出各关节约束反力及曲柄所需驱动力矩,并通过ADAMS仿真验证了动力学模型的正确性。(4)通过ADAMS软件建立机器人的虚拟样机仿真模型,对机器人刚性腿与具有弹簧或(和)扭簧的弹性腿进行仿真实验,对比仿真结果,结果表明弹性元件对机器人运动性能具有明显提升。通过ADAMS仿真分析不同刚度下弹簧和扭簧对机器人运动性能的影响,并组合不同刚度的弹簧和扭簧,得出一定区间内最能满足机器人设计需求的一组弹簧和扭簧刚度。(5)对机器人双腿、头、尾和翅膀进行运动规划,并使用PID算法设计机器人各部分运动控制器。在此基础上,在ADAMS中添加相应的STEP驱动函数,对机器人整体进行仿真实验,验证了运动规划的可行性。