Assessment, an integral part of teaching and learning, is a planned process of identifying, gathering and interpreting information about the performance of students. However, concerns have been raised about how assessment is being conducted in schools and so the aim of this study is to investigate and improve assessment practices used by Grade 12 secondary school Physics teachers in Mozambique, Africa. The study addresses the question of what assessment practices do Grade 12 teachers in Physics in Mozambique apply and how can they be improved? and it adopted a twofold research approach. A Baseline Survey aimed at gaining an overall impression of the assessment practices used by secondary school Physics teachers and an Intervention Study aimed at producing improvements on teacher assessment practices. The preliminary research followed a survey research method, while the intervention applied an educational design research approach. In the survey three questions were investigated: (i) What assessments practices do Grade 12 Physics teachers apply? (ii) What is the quality of the assessment practices? and (iii) How relevant can the assessment practices be for student learning?To address these questions a purposive sample of 12 Physics teachers, four school directors and five educational officers was selected. The survey was conducted in six secondary schools purposefully selected throughout the country and data were collected via interviews, questionnaires, classroom observations and written notes. The Intervention Study was designed to answer the question of how teacher assessment practices can be improved.This phase of the study involved a design, a classroom tryout, and a systematic evaluation of a series of exemplary Physics assessment materials (prototypes) in a context of demonstration experiments. The prototypes were developed for the concepts of force and inertia and their validity and practicality were verified using appraisal by experts, university students, teachers, and students. Classroom tryout was conducted with two teachers and their 62 students in two secondary schools. Baseline Survey findings indicate that the most used assessment practices in schools are paper-and-pencil tests, verbal tests, and homework, while projects, portfolios, and peer assessments are the less frequently used ones. Oral communication during lessons, written work, presentations, notebooks, laboratory work, and ability to solve problems were used as quality criteria for the teachers’ assessment. It was shown that the most frequently assessed student activity was written work, followed by the ability of students to solve problems, while laboratory work was the activity that was never assessed by many of the researched teachers. Another quality criterion used was the type of feedback given by teachers to students, which indicated that teachers were giving expressed (both congratulatory and critical), personal and timely feedback. It emerged that teachers often involve the students in the evaluation of their performance through reflection of assessment results and in addition, encourage students to engage in active learning. Findings from the Intervention Study indicate that (i) teachers liked the presentation and structure of the materials following the Predict-Observe-Explain (POE) strategy and regarded their personal commitment as crucial for achieving the desired experimental results; (ii) students also liked most the POE strategy because it allowed them to develop their own explanations of the observed events and highlighted the role of teachers during the tryout as crucial for the success of the experiments. The main conclusion of this study is that assessment practices undertaken by Physics teachers in Mozambican secondary schools are of poor quality and there is a need for improvement. This must be done by developing and applying exemplary assessment materials with the potential to improve performance assessment practices associated with demonstration experiments in Physics. The study recommends that the Ministry of Education and Culture and teacher training institutions should promote the training of teachers in developing exemplary assessment materials for their own use in schools. These materials should contain specific guidelines on how to conduct effective assessment practices. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2008. / Curriculum Studies / unrestricted

The first year of membership of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in the Helmholtz Association of German Research Centers (HGF) was a year of many changes also for the Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM). The transition period, however, is not yet over, since the full integration of the Center into the HGF will only be completed in the next period of the so-called program-oriented funding (POF). This funding scheme addresses the six core research fields identified by the Helmholtz Association (Energy; Earth and Environment; Health; Key Technologies; Structure of Matter; Aeronautics, Space and Transport) to deal with the grand challenges faced by society, science and industry. Since the Institute has strong contributions to both core fields “Key Technologies” and “Structure of Matter”, intense discussions were held amongst the leading scientists of the Institute, across the Institutes of the HZDR, and finally with leading scientists of other Helmholtz centers, to determine the most appropriate classification of the Institute’s research. At the end we decided to establish ourselves in Structure of Matter, the core field in which most of the large-scale photon, neutron and ion facilities in Germany are located. As a consequence, the Ion Beam Center (IBC) of the Institute submitted an application to become a HGF recognized large-scale facility, providing more than 50% of its available beam time to external users. This application perfectly reflects the development of the IBC over more than a decade as a European Union funded infrastructure in the framework of the projects “Center for Application of Ion Beams in Materials Research (AIM)” (1998-2000, 2000-2003, 2006-2010) and subsequently as the coordinator of the integrated infrastructure initiative (I3) “Support of Public and Industrial Research using Ion Beam Technology (SPIRIT)” (2009-2013). Another part of the Institute’s activities is dedicated to exploit the infrared/THz free-electron laser at the 40 MeV superconducting electron accelerator ELBE for condensed matter research. This facility is also open to external users and funded by the European Union.

Cette thèse décrit le développement d'actionneurs piézoélectriques miniaturisés pour le contrôle actif d'écoulement à haute vitesse. L'objectif est de retarder la transition laminaire turbulente par le contrôle actif des ondes de Tollmien-Schlichting par introduction d'ondes artificielles à phase inversée. Le premier concept étudié dans cette thèse est un actionneur amplifié mécaniquement avec une structure de type levier élastique situé au-dessus d'une céramique piézoélectrique. Les avantages de cet actionneur sont le contrôle direct, la fonction de transfert linéaire, et le temps de réponse très rapide, ce qui facilite l'intégration dans un système asservi. Le deuxième concept est basé sur l'utilisation d'une membrane conique actionnée par un anneau piézoélectrique dans un mode propre axisymétrique. La géométrie conique focalise les ondes générées par l'anneau piézoélectrique vers le centre ou les amplitudes sont le plus importantes. Pour le control des ondes de Tollmien-Schlichting, la modulation d'amplitude est appliquée pour atteindre une gamme de fréquence large ou la fréquence porteuse est délivrée par les modes propres. Cet actionneur à l'avantage d'utiliser une membrane robuste fermée et une intégration simple. L'effet des actionneurs sur l'écoulement a été mesuré avec des capteurs film chaud dans une soufflerie en boucle ouverte. Pour les dimensions des actionneurs adaptés sur l'écoulement, l'effet désiré pour le contrôle actif de la transition a été observé. Enfin, il a été démontré que la modulation d'amplitude est une alternative intéressante si la fréquence porteuse est sélectionnée de manière optimale pour qu'elle n'agisse pas sur l'écoulement (> 40kHz).

Le comportement mécanique d'un nouveau type de tôle sandwich métallique apte à la mise en forme est étudié. La couche cœur est composée de deux tôles gaufrées, brasées entre elles. Contrairement aux panneaux sandwichs conventionnels, ce type de tôle sandwich peut être mis en forme par les techniques traditionnelles de travail des métaux. Dans un premier temps, la géométrie de la structure gaufrée est optimisée afin d'obtenir la couche cœur présentant un rapport raideur au cisaillement - densité relative maximal. L'étude se concentre ensuite sur le comportement plastique de la structure sandwich " optimale " à l'aide de simulations par éléments finis d'expériences multiaxiales. On propose un modèle phénoménologique faisant appel à une loi d'écoulement associée et à un modèle d'écrouissage isotrope avec distorsion. Les paramètres du modèle sont identifiés par une approche inverse à partir d'un essai de traction uniaxial et d'un essai de flexion 4 points. Finalement, des simulations de pliage en U sont réalisées, utilisant un modèle détaillé d'une part et un modèle coque d'autre part. Pour différents outils de mise en forme, un bon accord entre les simulations est observé, validant en partie le modèle phénoménologique proposé.

La détermination des propriétés en fatigue à grand nombre de cycles des aciers laminés destinés à l'industrie automobile est un processus coûteux en temps et en quantité de matière : 25 éprouvettes et presque un mois d'essais sont nécessaires à l'obtention d'une courbe de fatigue standard. Dans l'objectif de réduire ces temps de caractérisation, une méthode rapide, basée sur l'auto-échauffement de la matière sous sollicitation cyclique est mise en place sur un très grand nombre de nuances. Les mesures d'auto-échauffement mettent en évidence la présence de deux régimes dissipatifs distincts, un pour les plus faibles amplitudes de chargement cyclique et un pour les plus hautes. Un modèle probabiliste à deux échelles est ensuite développé, dont le but est de prévoir le comportement en fatigue à grand nombre de cycles à partir des mesures d'auto-échauffement. Il est composé d'une matrice au comportement élasto-plastique et d'une population d'inclusions possédant un second comportement élasto-plastique dont le seuil d'activation est aléatoire. Les deux régimes d'auto-échauffement peuvent ainsi être décrits fidèlement. En utilisant l'hypothèse du maillon le plus faible et un critère énergétique, une prévision du comportement en fatigue est réalisée. Trois jours seulement sont alors requis pour obtenir une courbe de fatigue complète. La pertinence de l'approche est validée en comparant avec des courbes de fatigue standards. Puis, des observations par microscopie optique, par microscopie à force atomique et par EBSD sont entreprises sur un acier micro-allié. L'objectif est double : en premier lieu, mieux comprendre les phénomènes qui se produisent sous sollicitation cyclique conduisant à l'obtention des deux régimes d'auto-échauffement ; en second lieu, justifier la pertinence des ingrédients introduits dans la modélisation. Dans une seconde grande partie, il est question de l'influence d'une pré-déformation plastique sur l'évolution des propriétés en fatigue. En effet, les composants automobiles obtenus à partir de tôles en acier laminé subissent diverses opérations de mise en forme, conduisant déformer plastiquement la matière. Ces modifications de l'état de la matière engendrent des évolutions des propriétés en fatigue qui ne sont cependant pas prises en compte dans le dimensionnement actuel des pièces (non déterminées par la méthode standard car trop coûteux en temps). La rapidité de la méthode développée autorise à caractériser ces évolutions. A partir des modifications des propriétés à l'auto-échauffement après divers modes de pré-déformation plastique (traction, traction plane, cisaillement) et en étudiant diverses directions de sollicitation, il est possible de prévoir l'évolution des propriétés en fatigue associée pour de larges gammes de pré-déformations. La qualité des prévisions est validée en comparant avec des courbes de fatigue standards.

Organic photovoltaics have attracted considerable research and commercial interest due to their lightness, mechanical flexibility and low production costs. There are two main approaches for the fabrication of organic solar cells – solution and vacuum processing. The former relies on morphology control in polymer-fullerene blends resulting from natural phase separation in these systems. The latter takes advantage of solvent-free processing allowing highly complex multi-junction architectures similar to inorganic solar cells. This work aims to combine the benefits of both by depositing conjugated polymers using vacuum thermal evaporation. By employing this unconventional approach it aims to enhance the efficiency of organic photovoltaics through increased complexity of the thin-film architecture while improving the nanoscale morphology control of the individual active layers. The thesis explores the vacuum thermal deposition of polythiophenes, mainly poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and side-group free poly(thiophene) (PTh). A variety of chemical techniques, such as NMR, FT-IR, GPC, DSC and TGA, are used to examine the effect of heating on chemical structure of the polymers. Optimal processing parameters are identified and related to the resulting thin-film morphology and charge transport properties. Efficient photovoltaic devices based on polythiophene donors and fullerene acceptors are fabricated. Materials science techniques AFM, XRD, SEM, TEM and MicroXAM are used to characterize topography and morphology of the thin films, and UV-Vis, EQE, I-V and C-V measurements relate these to the optical and electronic properties. The results of the study show that polymer side groups have a strong influence on molecular packing and charge extraction in vacuum-deposited polymer thin films. Unlike P3HT, evaporated PTh forms highly crystalline films. This leads to enhanced charge transport properties with hole mobility two orders of magnitude higher than that in P3HT. The effect of molecular order is demonstrated on polymer/fullerene planar heterojunction solar cells. PTh-based devices have significantly better current and recombination characteristics, resulting in improved overall power conversion efficiency (PCE) by 70% as compared to P3HT. This confirms that the chemical structure of the molecule is a crucial parameter in deposition of large organic semiconductors. It is also the first-ever example of vacuum-deposited polymer photovoltaic cell. Next, vacuum co-deposited PTh:C60 bulk heterojunctions with different donor-acceptor compositions are fabricated, and the effect of post-production thermal annealing on their photovoltaic performance and morphology is studied. Co-deposition of blended mixtures leads to 60% higher photocurrents than in thickness-optimized PTh/C60 planar heterojunction counterparts. Furthermore, by annealing the devices post-situ the PCE is improved by as much as 80%, achieving performance comparable to previously reported polythiophene and oligothiophene equivalents processed in solution and vacuum, respectively. The enhanced photo-response is a result of favourable morphological development of PTh upon annealing. In contrast to standard vacuum-processed molecular blends, annealing-induced phase separation in PTh:C60 does not lead to the formation of coarse morphology but rather to an incremental improvement of the already established interpenetrated nanoscale network. The morphological response of the evaporated PTh within the blend is further verified to positively differ from that of its small-molecule counterpart sexithiophene. This illustrates the morphological advantage of polymer-fullerene combination over all other vacuum-processable material systems. In conclusion, this processing approach outlines the conceptual path towards the most beneficial combination of solution/polymer- and vacuum-based photovoltaics. It opens up a fabrication method with considerable potential to enhance the efficiency of large-scale organic solar cells production.

Aujourd'hui la simulation numérique du soudage apporte une solution à la maîtrise du procédé en prédisant l'état résiduel de la structure. Ainsi, l'un des objectifs de ce travail de thèse est de dresser un bilan de l'apport de la simulation des procédés et notamment du soudage dans le contexte industriel et d'établir une aide à la compréhension des phénomènes impliqués par la mise en place d'outils de modélisation numériques adaptés pour parvenir aux résultats attendus. Comme toute carte à l'échelle 1 se révélant inutile et inexploitable, nous ne proposerons pas un modèle physique unique et réel mais plutôt un ensemble d'approches phénoménologiques basées sur la compréhension des phénomènes physiques et qui permet, par la réduction du problème à partir d'hypothèses justifiées, à la simulation numérique d'atteindre les objectifs attendus par les industriels. Quel avantage existerait-t-il à disposer d'un modèle de même complexité que son objet ?

Nous développons, en trois étapes, une approche globale de calcul à la fatigue des Alliages à Mémoire de Forme. La détermination de la loi de comportement permet le calcul de l'état thermomécanique stabilisé de la structure. Afin d'obtenir une meilleure prédiction de cette réponse, la dissymétrie entre traction et compression et le couplage fort thermomécanique sont ajoutés aux modèles ZM. Ensuite, le calcul numérique de l'état stabilisé est réalisé grâce à une généralisation de la Méthode Cyclique Directe, permettant un gain de temps de calcul considérable par rapport à la méthode incrémentale. Enfin, la durée de vie en fatigue est déterminée par un critère de fatigue énergétique qui tient compte de l'effet de la pression hydrostatique. La dépendance de la durée de vie vis-à-vis de la température et de la fréquence de chargement est discutée. Les perspectives concernent la validation des lois de comportement et du critère de fatigue pour des chargements non proportionnels.

La prise en compte du comportement des sols soumis à de très grands nombres de cycles nécessite l'utilisation de modèles de comportement spécifiques, souvent complexes. Par ailleurs, la simulation de ce comportement sur l'ensemble du chargement implique des temps de calcul longs et fastidieux. En réponse à ces constats, cette étude développe deux outils d'aide à la modélisation numérique. Le premier outil vise une réduction substantielle du temps de calcul en appliquant la méthode d'homogénéisation temporelle asymptotique. L'efficacité de cette méthode est mesurée par la comparaison des simulations avec et sans homogénéisation dans le cas d'essais triaxiaux non drainés répétés. Deux modèles de comportement sont utilisés : l'un est basé sur le principe de la plasticité de la " bounding surface ", l'autre est un modèle à deux surfaces de charge à écrouissage isotrope et cinématique (modèle " bulle "). Un module d'homogénéisation est implanté dans le logiciel aux éléments finis CESAR-LCPC. Le second outil s'inscrit dans le cadre plus général de l'identification de paramètres constitutifs par analyse inverse. Il propose une identification multi-objectif des paramètres par algorithmes génétiques. Cette méthode est testée sur des essais pressiométriques monotones afin de prévoir le tassement d'une fondation superficielle. Finalement les deux outils numériques sont appliqués à des résultats expérimentaux obtenus lors d'essais triaxiaux non drainés répétés sur une argile normalement consolidée.

Les fibres aramides sont des fibres à hautes performances mécaniques utilisées dans les géotextiles pour le renforcement des sols traités ou dans les câbles et cordages à applications maritimes. L'objectif de ce travail consiste à répondre aux problématiques de durabilité posées dans le cadre d'une exposition prolongée en sols alcalins (pH9-pH11) ou dans l'eau de mer, et à améliorer la compréhension des mécanismes de dégradation mis en jeu. Des vieillissements accélérés en laboratoire ont donc été réalisés sur trois types de fibres aramides dans différents milieux. Dans un premier temps, les fibres ont été caractérisées à l'échelle macromoléculaire, structurale, morphologique et macroscopique. Ainsi, des chutes de résistance mécanique associées principalement à des phénomènes de coupures des chaînes ont été mises en évidence pour les fibres Twaron 1000 vieillies dans l'eau douce, dans l'eau de mer, à pH9 et à pH11. Cependant, aucune évolution du module de traction n'a été observée dans ces conditions. Cette même approche multi-échelles a mis en évidence la grande stabilité des fibres Technora T240 dans ces environnements pourtant agressifs. Ensuite, l'étude de l'influence de l'ensimage sur le vieillissement en environnement alcalin révèle que non-seulement la présence d'ensimage permettait de limiter l'abrasion entre les fibres, mais pouvait également jouer un rôle de protection vis-à-vis de l'hydrolyse. Enfin, la comparaison de l'évolution des propriétés mécaniques des fibres aramides et polyesters vieillies en milieu basique a révélé que les fibres Technora T240 semblent être très bien adaptées au renforcement des sols traités compte-tenu de leur grande stabilité vis-à-vis de l'hydrolyse. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l'étude du comportement viscoélastique et viscoplastique des fibres Twaron 1000 et Technora T200w. Les résultats ont révélé une influence significative de l'eau de mer sur la déformation en fluage-recouvrance, mais l'influence du vieillissement sur ce comportement n'a pas clairement été établie.