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中学数学在自然科学研究领域中的应用——以北京市自然科学基金项目为例

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教育教学论坛 2023年第8期 49-52页

作者：邓健超北京林业大学材料科学与技术学院北京100083 北京市第八十中学嘉源分校北京100015

数学是自然科学和技术科学的基础,在生产与生活实际中得到了广泛应用。培养数学的应用意识,是利用数学解决实际问题的第一步,但绝不是始于大学本科及以上学习阶段。基于科研项目及相关研究内容,从数学知识、数学思想、数学学科核心素养... 详细信息

数学是自然科学和技术科学的基础,在生产与生活实际中得到了广泛应用。培养数学的应用意识,是利用数学解决实际问题的第一步,但绝不是始于大学本科及以上学习阶段。基于科研项目及相关研究内容,从数学知识、数学思想、数学学科核心素养等方面具体剖析了中学数学在自然科学研究领域中的应用,探讨了如何引导学生感受“数学有用”及思考“数学怎么用”,并呈现了一些培养学生应用意识的实践探索,以期寻找可持续发展的保持学生数学学习兴趣的策略,力争为一线数学教学提供有益参考。

关键词：中学数学自然科学学科核心素养课堂教学应用意识

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光学微腔荧光和拉曼光谱增强技术研究进展

发光学报 2025年第1期46卷 23-45页

作者：姚瑶闫胤洲蒋毅坚北京工业大学物理与光电工程学院北京100124

光学微腔通过在介观尺度上增强光与物质相互作用,可作为通用功能结构用于增强荧光辐射与拉曼散射过程,在痕量物质检测、光电发光器件等领域具有独特的优势。随着微纳加工技术的不断进步,光学微腔的设计朝着更高品质因子和更小模式体积... 详细信息

光学微腔通过在介观尺度上增强光与物质相互作用,可作为通用功能结构用于增强荧光辐射与拉曼散射过程,在痕量物质检测、光电发光器件等领域具有独特的优势。随着微纳加工技术的不断进步,光学微腔的设计朝着更高品质因子和更小模式体积方向发展,光与物质相互作用效率持续提升,展现出了更多独特的光辐射及光散射增强特性。然而,相比于金属表面等离激元近场调控,光学微腔在增强荧光及拉曼痕量检测方面仍面临挑战。为了克服这一难题,人们提出了光学微腔-金属/二维半导体复合结构,为不同场景下的高性能荧光增强和拉曼痕量检测提供了全新的解决方案,展现出光学微腔在光辐射和光散射增强领域巨大的应用潜力。本文总结了近20年来光学微腔荧光和拉曼光谱增强技术的研究进展,详细介绍了光学微腔的种类及其光学特性,深入探讨了光学微腔及其复合结构荧光和拉曼增强机制与前沿研究成果。最后,对未来光学微腔荧光和拉曼光谱增强技术的发展和应用前景进行了总结与展望。

关键词：光学微腔荧光光谱拉曼光谱表面增强荧光光谱表面增强拉曼光谱

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基于共形几何代数的七杆巴氏桁架位置分析

北京航空航天大学学报 2025年第1期51卷 265-271页

作者：黄昔光吴一帆刘东裕北京邮电大学智能工程与自动化学院北京100876 北方工业大学机械与材料工程学院北京100144

机构位置分析是机构运动学和动力学研究的基础。针对传统机构位置分析理论旋转坐标变换矩阵运算繁琐、多元高次非线性方程组求解困难等问题,提出了一种七杆巴氏桁架的位置分析共形几何代数(CGA)方法。利用CGA中的平移、旋转算子和几何积... 详细信息

机构位置分析是机构运动学和动力学研究的基础。针对传统机构位置分析理论旋转坐标变换矩阵运算繁琐、多元高次非线性方程组求解困难等问题,提出了一种七杆巴氏桁架的位置分析共形几何代数(CGA)方法。利用CGA中的平移、旋转算子和几何积,建立各个运动点的位置坐标表达式;根据CGA中内积几何性质,直接获得该机构的一元16次位置输入-输出方程及其所有解析解;将该高次方程求解出的所有解进行回代,获得机构所有运动点的位置坐标,并通过数字实例验证所提方法的有效性。结果表明:所提方法的几何直观性显著优于传统的复向量法、DH矩阵法,不仅可以避免矩阵运算和消元运算,且求解无增根也无漏根。

关键词：几何代数运动学分析七杆巴氏桁架几何直观性解析解

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基于策略蒸馏的四足机器人步态学习方法

北京航空航天大学学报 2025年第2期51卷 428-439页

作者：朱晓庆王涛阮晓钢陈江涛南博睿毕兰越北京工业大学信息学部北京100124 北京工业大学计算智能与智能系统北京市重点实验室北京100124

以柔性动作评价(SAC)为代表的强化学习算法在机器人复现高等动物的运动技能中已取得成功,该框架将策略搜索和状态动作价值函数相结合。但智能体使用策略探索是贪婪的,评价网络估算的Q值函数却使用低估值。为使智能体采取更好的策略,将... 详细信息

以柔性动作评价(SAC)为代表的强化学习算法在机器人复现高等动物的运动技能中已取得成功,该框架将策略搜索和状态动作价值函数相结合。但智能体使用策略探索是贪婪的,评价网络估算的Q值函数却使用低估值。为使智能体采取更好的策略,将策略蒸馏(PD)与SAC算法相融合,提出一种PD柔性动作评价(PDSAC)算法,该算法让智能体使用混合策略进行探索,使强化学习得到的奖励函数收敛速度加快。为验证PDSAC算法的有效性,理论证明该算法能提升策略的探索效率,并在四足机器人步态学习任务中进行了验证。仿真实验结果表明:相比SAC算法,PDSAC算法在步态学习任务中可以使奖励函数值提高26.7%,同时收敛速度提升40%。

关键词：强化学习策略蒸馏混合策略好奇心探索策略步态学习

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超高品质因子微棒腔的制备封装及传感应用

电子学报 2025年第1期53卷 41-50页

作者：赵义轩李昶张璇潘廷炀段冰杨大全北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876 北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876

作为回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔的重要参数之一,超高的品质因子意味着微腔可以在非线性光学、相干光通信以及微波光子学等领域具备更优异的特性,更广阔的应用前景.为了提高微腔的品质因子,本文基于自动化程序控... 详细信息

作为回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔的重要参数之一,超高的品质因子意味着微腔可以在非线性光学、相干光通信以及微波光子学等领域具备更优异的特性,更广阔的应用前景.为了提高微腔的品质因子,本文基于自动化程序控制微腔制备,并优化了抛光以及退火工艺,所制备得到的二氧化硅微棒腔具有超高品质因子、低成本、高效率等特点,品质因子最高可达3×10^(9).基于集成温控的模块化封装方案,提高了微腔耦合系统的抗干扰能力,1 h的频率偏移量可以降低为原来的1/10.超高品质因子带来了超低的非线性效应阈值功率(低至266μW),本文基于微棒腔产生的克尔光频梳进行了传感应用实验,实现了传感灵敏度为8.40 pm/℃,测量范围超过30℃的环境温度多模传感.本文的研究成果为高精度传感、大容量光通信、低阈值激光器等应用提供了强有力的工具.

关键词：回音壁模式(WGM) 超高品质因子微腔自动化制备微腔封装光频梳传感

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单离子通道神经元电路的动力学分析方法

北京航空航天大学学报 2025年第3期51卷 985-991页

作者：杨梓悦吴静李乐桐北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

神经网络是由大量神经元通过突触联结而成的复杂网络系统,神经元的合理建模与分析是理解神经网络的功能及动力学特征的关键,对于推动脑科学与类脑科学研究具有重要价值。利用细胞膜电容和钾离子忆阻器分别表征神经元对电荷的存储和记忆... 详细信息

神经网络是由大量神经元通过突触联结而成的复杂网络系统,神经元的合理建模与分析是理解神经网络的功能及动力学特征的关键,对于推动脑科学与类脑科学研究具有重要价值。利用细胞膜电容和钾离子忆阻器分别表征神经元对电荷的存储和记忆特性,在Hodgkin-Huxley单离子通道神经元经典电路模型的基础上建立介观电路模型。使用经典电路理论和介观量子电路理论,在给予正弦激励下推导神经元细胞膜电压的响应表达式。计算结果表明:神经元细胞膜电压峰-峰值和迟滞回线的面积随激励频率的增大先增大后减小。在经典电路模型中,神经元细胞膜电压峰-峰值和迟滞回线面积达到最大值的频率与外部激励源的幅值有关,而在介观电路模型中,其仅与神经元电路参数有关,不依赖外部激励,更能表征神经元自身的特性。神经元的介观电路模型有益于揭示神经网络的动力学机理,推动脑科学理论体系的发展。

关键词： Hodgkin-Huxley神经元介观电路忆阻器量子理论动力学响应

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基于CT影像搏动性耳鸣识别及高致病区域

北京航空航天大学学报 2025年第2期51卷 625-632页

作者：田山王治文曹学鹏苏磊刘兆会北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室北京100191 山西省吕梁市中医院吕梁市中医药现代化工程重点实验室吕梁033099 北京红棉小冰科技有限公司北京100080 首都医科大学附属北京同仁医院放射科北京100005

搏动性耳鸣(PT)的病因诊断依赖于影像学检测,但病因众多,缺乏普适性强、机制明确的诊断标准。基于搏动性耳鸣患者和无耳鸣人群的计算机断层扫描(CT)影像横截面图,提出一种高精度的耳鸣识别神经网络模型,并自动标示高致病区域,辅助临床... 详细信息

搏动性耳鸣(PT)的病因诊断依赖于影像学检测,但病因众多,缺乏普适性强、机制明确的诊断标准。基于搏动性耳鸣患者和无耳鸣人群的计算机断层扫描(CT)影像横截面图,提出一种高精度的耳鸣识别神经网络模型,并自动标示高致病区域,辅助临床诊断。使用迁移学习Resnet-v1-50模型,取骨窗颞骨中部水平截面样本进行分类学习,并以梯度加权类激活映射(gradCAM)方法对分类高权重区域自动标注;统计CT截面大图(全颅)、中图(双侧颞骨)、小图(右侧颞骨)3种数据集的耳鸣分类高权重区域涉及的解剖结构,逐步细化感兴趣区域,提高分类高权重区域标注分辨率。实验结果显示:包含双侧颞骨的中图数据集分类精度最好,测试集精度达到100%。搏动性耳鸣分类高权重区域集中于双侧或单侧颞骨部位,主要包括颞骨蜂房、鼓窦、乙状窦骨板、上鼓室等部位。搏动性耳鸣与颞骨及附近骨质结构有密切关系;搏动性耳鸣患者在双侧颞骨或耳鸣对侧颞骨均有较大概率存在区别于无耳鸣人群的结构异常;颞骨蜂房、鼓窦、乙状窦骨板、鼓室等结构均有较高概率包含搏动性耳鸣的高致病区域。以上影像分析结论与搏动性耳鸣生物力学研究结论实现了相互佐证。

关键词：搏动性耳鸣机器学习可视化策略 CT影像神经网络模型辅助诊断

高温碱性电解制氢与碱性燃料电池发电研究进展

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燃料化学学报(中英文) 2025年第2期53卷 231-248页

作者：卓昱杭张蔚喆罗奕翔郝培璇史翊翔清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本综述分别介绍了高温碱性电解制氢与碱性燃料电池发电的研究进展。高温碱性电解制氢多采用铂族金属与雷尼镍、不锈钢等Ni基合金作为电催化剂,而其电解质主要可分为KOH水溶液与KOH-NaOH-LiOH多元熔融体系,并结合采用流延烧结与电极支撑... 详细信息

本综述分别介绍了高温碱性电解制氢与碱性燃料电池发电的研究进展。高温碱性电解制氢多采用铂族金属与雷尼镍、不锈钢等Ni基合金作为电催化剂,而其电解质主要可分为KOH水溶液与KOH-NaOH-LiOH多元熔融体系,并结合采用流延烧结与电极支撑粉末烧结等方法制备的金属氧化物隔膜以实现氢氧产物分离,相关电解装置已在100−400℃实现超400 h稳定运行且衰减速率<0.1 V/kh;系统层面,实现130℃下20 kW稳定制氢,并提出允许多热源热-氢能源转换及高品位电-氢-热联产的吸/放热灵活转换运行模式。高温碱性燃料电池发电方面在电催化剂方面采用类似铂族金属与Ni及其氧化物,而其电解质除高浓度KOH水溶液与熔融氢氧化物外可采用高价金属掺杂焦磷酸盐等具备高电导率的固态材料。相关液态电解质装备已实现kW级地面与太空应用,且新型固态电解质单元已通过超160 h运行测试,而高温碱性膜燃料电池近年来取得长足发展,已实现超195 h稳定运行。

关键词：氢能高温碱性电解制氢碱性燃料电池

YuLan-Chat:基于多阶段课程学习的大语言模型

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计算机学报 2025年第1期48卷 1-18页

作者：周昆朱余韬陈志朋毛科龙陈文通陈昱硕孙一丁曹乾王磊张蕾庞新程谢曙方赵鑫窦志成林衍凯毛佳昕宋睿华陈旭徐君胡迪严睿黄文炳魏哲巍文继荣中国人民大学信息学院北京100872 中国人民大学高瓴人工智能学院北京100872

近年来,大语言模型已成为研究热点。其在大规模数据上预训练之后,具有强大的少样本和零样本上下文学习能力,能够便捷地用于许多真实场景复杂任务。然而,对大语言模型进行从头到尾的开发和训练,可参考的实现较少;且存在较难习得的知识,... 详细信息

近年来,大语言模型已成为研究热点。其在大规模数据上预训练之后,具有强大的少样本和零样本上下文学习能力,能够便捷地用于许多真实场景复杂任务。然而,对大语言模型进行从头到尾的开发和训练,可参考的实现较少;且存在较难习得的知识,如长尾知识相关数据、复杂指令、难区分的负例等。为填补该领域空白,并强化对较难掌握数据的学习,本文提出了多阶段的课程学习方法,针对以上三种典型数据,使用了:(1)迭代增强长尾知识的预训练课程;(2)由简单到复杂的指令微调课程;(3)由易到难的人类对齐课程,完成了YuLan-Chat从头开始的整个训练流程。本文在四个与大语言模型基础能力和人类对齐能力相关的中英文评测基准上对YuLan-Chat进行评测,结果表明该模型能够在大部分场景下优于基线模型。分析实验进一步表明了该课程学习方法在GAOKAO和AlignBench评测基准上,能够分别提升模型9.7%和18.9%的答案预测准确率。

关键词：大语言模型课程学习预训练指令微调人类对齐