渐进式与探索式复合教学模式在大学物理实验教学中的实践

探索渐进式教学内容体系和分组探索式教学模式改革对学生物理实验技能及创新能力的影响.结合近代物理拓展实验以及物理实验技能竞赛,研究对比了改革试点班级与非试点班级在物理实验技能方面的表现差异,并通过数据分析初步验证了改革措施的有效性.研究结果可为我国创新实践型人才培养模式改革提供新的思路.

薄膜物理中厚度测量的教学设计与探索

物体厚度是一个简单的物理量,然而对于薄膜体系,厚度则扮演着极其重要的角色,尤其是对薄膜的各种物理和化学性质影响很大.因此,在薄膜物理这门课程中,需要强化薄膜厚度的概念及其测量方法的教学内容.本文从薄膜厚度的基本概念出发,围绕“学”来展开教学,以问题为导向,逐步引出厚度的重要性,解析厚度测量的方法和原理,具体讲解厚度的测量技术.教学内容由浅入深,推表及里,激发学生的思考,使学生更加深刻地掌握薄膜厚度概念及测量原理,同时在教学过程中引入领域科学前沿和思政元素,达到“教书”与“育人”的双重目的.

静电悬浮条件下液态Zr_(60)Ni_(25)Al_(15)合金的热物理性质与快速凝固机制

采用静电悬浮实验技术测定了液态Zr_(60)Ni_(25)Al_(15)合金的热物理性质,并研究了其深过冷快速凝固过程.实验发现,液态合金所获得的最大过冷度可达316 K(0.25TL),其密度和表面张力与温度呈线性关系,而黏度则随温度呈指数变化.当过冷度小于259 K时,凝固过程中发生两次再辉现象,分别对应着二相(Zr_(6)Al_(2)Ni+Zr_(5)Ni_(4)Al)共晶和三元(Zr_(6)Al_(2)Ni+Zr_(5)Ni_(4)Al+Zr_(2)Ni)共晶的快速生长.若过冷度超过259 K,凝固过程只发生一次再辉,3个化合物相均可从合金熔体中独立形核,形成三元不规则共晶组织.理论计算和实验表明,小过冷时Zr_(6)Al_(2)Ni相优先形核,而当过冷度足够大时,三相能够同时形核.

基于深度学习的小目标检测技术研究进展(特邀)

小目标检测在自动驾驶、安防等领域具有重要的应用价值。然而,由于小目标自身视觉特征不明显、复杂背景干扰以及信噪比低等因素,使得小目标检测一直以来都是一个极具挑战性的难题。笔者系统回顾了当前基于深度学习方法的小目标检测技术,对现有算法进行了系统地归类、分析和比较:界定了小目标检测的概念,总结了小目标检测所面临的主要挑战;着重讨论了几种主要的网络优化策略,如利用数据增强技术提高模型的泛化能力,通过超分辨率技术改善小目标可视性,采用多尺度信息融合技术提升检测精度,以及基于上下文信息学习和大核卷积策略改进特征表达能力、无锚框检测机制、DETR技术和针对特定应用场景的多模态小目标检测等方法并详细分析了其优缺点;全面介绍了现有小目标数据集,并在常用公共数据集上对目前经典的小目标检测算法进行了测试和性能评估;对小目标检测领域未来的研究方向进行了展望,旨在推动小目标检测技术的进一步发展和应用拓展。

《大学物理实验》课程改革的初步探索和思考

《大学物理实验》是理工类高等学校本科生必修基础课程,本文从西北工业大学本科生培养的实际情况出发,围绕《大学物理实验》课程教学中存在的课程连贯性不强,实验和理论结合欠佳,实验技能锻炼不足等问题,针对课程体系、教学方法和评价体制进行了初步探索和思考,为培养具有独立创新意识和创新实践能力的复合型本科生人才提供支持。

将超表面融入大学物理课堂教学的探索

随着新工科建设的不断推进,全国众多高校都在积极探索对基础课程教学体系的深化改革。将前沿科学中的新理念、新方法与基础教学有机融合是实现教学改革的有效途径。大学物理作为工科院校本科生的公共基础课程,对培养一流创新人才具有非常重要的意义。本文结合自身科学研究,探索将超表面中蕴含的物理学新知识和新奇的反常规律融入大学物理课堂教学中,激发学生的学习兴趣,提高学生的创新能力和科学素养,为大学物理的教学改革贡献力量。

高校“强基计划”拔尖人才培养的探索与实践——以应用物理学专业为例

“强基计划”以服务国家重大战略需求为出发点,旨在促进基础学科拔尖创新人才培养,是高校招生自主化改革的重要探索。本论文研究了以培养拔尖人才为核心任务的高校,结合学校特色和专业特色,从培养定位、培养机制、培养环节等方面建立的“强基计划”拔尖人才培养模式。以应用物理学专业“强基计划”为期两年的培养实践为例,从学习学风情况、科研参与情况和竞赛获奖情况等方面分析应用物理学专业“强基计划”的育人初步成效。最后指出目前“强基计划”在推进过程中在政策定位、培养体系和拓展育人渠道等方面还应强化的方向不断推进基础学科的拔尖创新人才培养改革,为我国立足世界科技前沿领域提供强大的拔尖创新人才支撑。

霍尔效应实验教学设计及内容拓展探索

从霍尔效应的发现及历史发展出发,介绍了磁感应强度、载流子浓度及迁移率的测量原理,进而拓展引入了前沿科学研究内容——光场调控霍尔效应及动力学演化过程。教学内容由浅入深、由古及今,引发学生的思考,拓宽学生的视野,使学生对霍尔效应有一个全面的认识,为培养追求卓越、引领未来的领军人才奠定基础。

基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。

“总师育人文化”引领的光电类实践实训课程教学改革与实践

根据教育部组织实施的“卓越工程师教育培养计划”,结合我校“总师育人文化”引领的国防科技拔尖创新人才培养体系要求,本文从课程思政、国防教育、科研育人、产学育人等多方面介绍了西北工业大学光电信息科学与工程专业实践实训课程的教学模式探索与改革。实践表明,教学改革助推了国家和省级一流本科专业建设,培养了学生的爱国奉献精神和家国情怀,增强了学生的动手能力和创新意识,形成了“总师育人文化”引领的高素质人才培养新格局、科研育人的新时代创新型人才培养新模式、产教融合校企合作协同育人的人才培养新机制。同时,教学改革提升了学生的综合素质和培养质量,使学生具备了“专业精、系统强、重实践、能担当”的“总师”雏形特质。

利用FBG传感器测试高温合金和陶瓷基复合材料的应变

利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测量了高温合金和陶瓷基复合材料的应变特性,并与电阻应变片的测量结果进行了对比分析.将FBG应变传感器与电阻应变片分别粘贴在高温合金和陶瓷基复合材料试件的正、反面上,利用力学试验机对2种试件施加载荷,分别利用FBG解调仪和应变测试仪对FBG应变传感器和电阻应变片的信号进行实时解调.研究得出:FBG应变传感器与电阻应变片在一定的应变范围内,测量结果符合较好.因此,FBG应变传感器可代替电阻应变片,实现对材料的应变测量.

连续分布电荷体系电荷元的自能问题

连续分布电荷体系可分割为无穷多个电荷元,系统研究了电荷元的自能问题.利用均匀带电球体和均匀带电圆面的自能公式和夹逼定理,分两步严格证明了连续分布电荷体系电荷元的自能之和为零.第一步,证明自由电荷体系电荷元的自能之和为零;第二步,证明一般电荷体系电荷元的自能之和为零.因此,连续分布电荷体系的电场能就等于电荷元之间的相互作用能.

基于等离激元法布里-珀罗腔折射率测量的实验设计

利用自下而上的纳米加工工艺,制备了一种由银纳米线对和金膜构成的等离激元法布里珀罗(F-P)腔。暗场散射光谱和数值模拟表明,金膜表面传输的表面等离激元经银纳米线对的多次反射下,会在腔内形成驻波现象,并在散射光谱中呈现出多光束干涉调制的光谱线型。利用这一原理设计一个折射率测量实验,通过测量不同浓度甘油溶液的折射率,得到了F-P腔共振波长随溶液折射率增大的线性红移规律。进而通过调谐F-P腔的长度,得到该F-P腔最高的探测灵敏度为555 nm/RIU。

钆含量对Fe-B-Nb-Gd非晶合金磁学性能和氧化机制的影响规律

研究了Gd含量对(Fe_(73)B_(22)Nb_(5))_(100–x)Gd_(x)(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律,并对比分析了非晶氧化机制.通过添加Gd元素,合金的原子尺寸差超过13%,构型熵增大了30%,提升了合金的非晶形成能力.随着Gd含量的增大,过冷液相区范围达到73 K,热稳定性得到明显增强.Gd元素导致合金局部各向异性受到限制,准位错偶极子型缺陷密度降低.这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点,提高合金软磁性能.此外,Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感,达到最大氧化速率的温度降低了15 K,但是并未恶化其抗氧化性能.Gd原子受结合能影响向表层迁移,形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷,占据了大量顶部空间,合金表面附近的结构更加致密.这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道,有助于增强抗氧化性能.

超声场中气泡运动规律及其与枝晶相互作用机制

采用有限元模拟和高速摄影实验研究了液体中单个气泡在超声作用下的振荡及溃灭规律,并揭示了气泡空化与邻近枝晶间的相互作用机制.结果表明,增大驱动声压促使气泡振荡模式由体积振荡转变为分裂振荡,从而显著地提升液体中的瞬态压强和流动速度.当气泡下方存在一个枝晶时,随着驱动声压的增加,二次分枝的断裂模式发生从高周疲劳断裂向低周疲劳断裂再到过载断裂的转变,且断裂周期呈幂函数下降趋势.气泡距离枝晶越近,压缩状态下气泡的纵向半径逐渐大于横向半径,且压缩时间增加,最小气泡体积降低.另外,气泡与枝晶距离的减小导致气泡溃灭产生的最大压强显著降低,而最大流速呈现先增大后降低的趋势.若二次分枝的根部半径减小或长度增加,二次分枝疲劳断裂周期数显著减小,从而更容易诱发枝晶碎断.理论计算的气泡膨胀收缩和二次分枝断裂过程与实验结果基本一致,表明本文构建的模型能够准确预测超声场中的气泡运动及其与枝晶相互作用过程.

液态亚共晶Al-4.5%Si合金中定向枝晶生长与组织调控

采用高温端上升式Bridgman定向凝固实验技术,在0.1~100μm/s跨三量级宽速域生长条件下,系统研究亚共晶Al-4.5%Si合金的组织形态演变机制,实现从平面晶到胞晶再到枝晶的全过程组织调控。当液相温度梯度保持200 K/cm恒定时,发现固液界面失稳的临界生长速度为0.43μm/s,而发生胞枝晶转变的生长速度阈值是3.3μm/s。理论计算揭示出组成过冷(Composition supercooling,CS)区分布范围是2.6~10mm,相应的最大过冷度为2~193.8 K,而实际糊状区长度在2.8~6.2 mm区间变化。实验结果表明,定向枝晶生长模型Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)能够合理预测初生α(Al)枝晶顶端半径、顶端温度和顶端成分,而Hunt一次枝晶间距模型和Kurz-Fisher二次分枝间距模型均与实测结果相一致。初生α(Al)枝晶间的(α(Al)+Si)共晶生长机制定性地符合Jackson-Hunt(JH)经典共晶生长理论。

选区激光熔化铝合金及其复合材料的研究进展

颗粒增强铝基复合材料因其高比强度、比刚度及优异的耐腐蚀性能等特点,在航空航天等领域应用前景广阔。选区激光熔化技术(SLM)为其提供了一种高效、经济、绿色的制备方式,但该技术对工艺控制水平要求极高,成形过程中粉末构成、激光功率、扫描速度及设备条件等因素对成形产品组织和性能的影响巨大。本文介绍了SLM的基本原理和各个工艺参数对熔池性能的影响,归纳总结了铝合金和铝基复合材料熔池的形成过程,讨论了SLM过程的组织演化和相关参数及增强颗粒等因素对微观组织和性能演化的影响,另外还专门介绍了新兴的外加物理场辅助的增材制造技术。最后,分析了SLM技术目前存在的问题,并展望了未来研究的趋势。

基于神经网络深度学习模型的踝关节X线片标志点自动定位研究

目的探索基于神经网络深度学习模型的踝关节X线片标志点自动定位方法及其应用价值。方法选取陕西省人民医院2019年1月至2022年11月间行X线检查的360例成年人正常左踝关节正、侧位片影像资料为研究对象,将其随机分配至训练集(210例)、验证集(90例)和测试集(60例)。以人工标注作为参考,对图像预处理后分别建立基于神经网络Unet架构的踝关节X线片标志点预测模型,生成对应的热力图,并用测试集数据进行验证。结果在踝关节X线正位片6个标志点的预测中,2 mm阈值的平均正确估计比例(Percentage of Correct Keypoints,PCK)可达99.7%,总体平均径向误差(Mean Radial Errors,MRE)为0.411,总体标准差(Standard Deviation,SD)为0.290。距骨顶端内点的预测准确度最高,1 mm阈值时的PCK可达100%,同时其MRE及SD在正位片6个点中最小,分别为0.290和0.178。在踝关节X线侧位片9个标志点的预测中,2 mm阈值的平均PCK达到95.0%,总体MRE为0.669,总体SD为0.710。胫骨下段最前点的预测准确度最高,1 mm阈值时的PCK可达100%,同时其MRE及SD在侧位片9个点中最小,分别为0.334和0.173。正位片和侧位片所有标志点的预测位置坐标与对应参考标准标志点位置坐标差异均无统计学意义(P>0.05)。结论基于神经网络深度学习模型能够实现对踝关节X线片标志点的有效自动定位,对辅助踝关节X线片形态学自动测量和疾病诊疗具有应用价值。

声悬浮条件下双水相液滴的蒸发与相分离

采用声悬浮无容器处理技术,研究了聚乙二醇-硫酸铵(PEG-AMS)双水相液滴的蒸发与相分离过程.双水相液滴蒸发过程中,液滴赤道直径的平方d^(2)随时间线性减小,同时液滴横纵比γ随时间线性增大.初始处于单相区的液滴随着水分蒸发可以跨越到双相区,进而发生相分离.声悬浮状态下PEG-AMS双水相液滴的相分离分为3个阶段:首先液滴内部形成富PEG相微滴,然后富PEG相微滴发生碰撞凝并同时向外迁移,最终液滴形成水平分层结构.对比分析了不同横纵比及不同成分的双水相液滴的蒸发和相分离过程,发现横纵比γ越大,富PEG相体积分数越小,则液滴蒸发速率越快;横纵比γ越大,富PEG相体积分数越大,则液滴相分离越快.这些发现有助于深入理解声悬浮条件下液滴的运动特性、蒸发动力学和相分离规律,并为材料的声悬浮无容器制备和加工提供依据.

冷却速率对La基非晶合金β弛豫行为和应力弛豫的影响

β弛豫行为及应力弛豫是探索非晶合金微观结构非均匀性的重要切入口.β弛豫行为及应力弛豫与非晶合金扩散、玻璃转变行为以及塑性变形等密切相关,探究它们之间关联有重要科学意义.本文以典型的La基非晶合金作为研究载体,系统地探究了通过不同冷却速率所得块体样品与条带样品的β弛豫特征及应力弛豫行为.结果表明,冷却速率是控制玻璃体系能量状态,进而影响其物理力学性能的重要参数.冷却速率越大,低温内耗更大,对应β弛豫激活能更小,β弛豫行为在温度谱中展宽更大,表明高冷却速率导致原子移动性更大,微观尺度结构非均匀程度更高.基于应力弛豫测量与分析,发现高冷却速率变形特征时间减小,归一化应力衰减幅度更大,在外加力场作用下更易变形,变形单元更易激活以容纳结构形变.本研究为进一步厘清非晶合金β弛豫、变形及微观结构非均匀性之间关联提供了思路.