Materials Studio軟件在材料專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

趙翠華+李玉瓊+潘利文

摘 要： 大學(xué)課堂普遍存在的沉悶現(xiàn)象嚴重影響大學(xué)教學(xué)質(zhì)量，為了提高大學(xué)課堂的實效性，本文把MS（Materials Studio）軟件應(yīng)用到材料專業(yè)教學(xué)中，對教學(xué)內(nèi)容進行感官的情景模擬，使學(xué)生直觀地觀察、體驗、發(fā)現(xiàn)、干預(yù)所學(xué)知識，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，分析問題、解決問題及創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞： MS軟件 情景模擬 材料專業(yè)

1.引言

課堂教學(xué)作為高等教育的重要組成部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到我國高等教育的水平。目前大學(xué)課堂普遍存在教師缺乏教學(xué)藝術(shù)、大學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)熱情和動力、師生缺乏交流等問題，嚴重影響教學(xué)質(zhì)量。

構(gòu)成課堂教學(xué)的三要素是教師、學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容。處理好三者之間的關(guān)系是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，但是目前大多數(shù)高校教師并沒有完全理順這三者之間的關(guān)系，沿襲傳統(tǒng)的“教師講學(xué)生聽”的“滿堂灌”教學(xué)模式，導(dǎo)致教師在講臺上講得口干舌燥，筋疲力盡，而學(xué)生在講臺下卻無精打采、昏昏欲睡。在這種教學(xué)方式下，教師是教學(xué)活動中的主角，缺少與學(xué)生的有效互動，沒有很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當代著名教育家張楚廷教授曾說：“中國大學(xué)普遍的沉悶狀態(tài)是令人憂郁的，課堂本是一個應(yīng)激起頭腦風暴的地方，但是它寂靜得令人可怕?！边@句話很形象地說明了我國大學(xué)課堂教學(xué)中存在的弊端。這樣的課堂教學(xué)，不利于學(xué)生思維的開闊，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

教學(xué)的創(chuàng)造基于方法的更新，因此課堂教學(xué)的改革與教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變緊密結(jié)合。當今世界各國在教育領(lǐng)域的改革重點是關(guān)注教學(xué)方式的變革，其目的是以課堂教學(xué)實施作為切入口，以此探索改革傳統(tǒng)的“以老師和課堂為中心的劃一、封閉及包辦”的教學(xué)方法，從而試圖建立“以學(xué)生為中心，多渠道、多形式、主動吸收信息”的開放式教學(xué)方法模式。在各種各樣的課堂教學(xué)改革實踐中，模擬教學(xué)法最引人注目。模擬教學(xué)是指創(chuàng)造人為的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生在模擬真實的氛圍中學(xué)習(xí)課程所規(guī)定的知識和能力。模擬教學(xué)是一種更宏觀的教學(xué)改革策略，它全面考慮了教育與生活的特有屬性、要求與規(guī)律，模擬社會環(huán)境并通過項目教學(xué)、案例分析、卡片展示等富有針對性的協(xié)作教學(xué)行為，綜合地作用于學(xué)生，其對學(xué)生的專業(yè)能力、方法能力及解決問題的事務(wù)能力等具有非常重要的作用。本文擬采用模擬教學(xué)法，把專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的MS軟件應(yīng)用到材料專業(yè)的課程教學(xué)中，通過模擬教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生直觀看到事物對象發(fā)生的整個動態(tài)過程，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及分析問題和解決問題的能力。

MS軟件是將多范圍的軟件結(jié)合成一個集量子力學(xué)、分子力學(xué)、介觀模型、分析工具模擬和統(tǒng)計相關(guān)應(yīng)用為一體的建模環(huán)境，其研究領(lǐng)域包括晶體和分子材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究、表面和表面重構(gòu)性質(zhì)、表面化學(xué)及分子與材料表面作用研究、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)研究、材料力學(xué)性質(zhì)研究、材料逸出功、電離能計算及STM圖像模擬研究等，是一種強有力的模擬工具。MS軟件可以方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對各種晶體、無定型及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進行模擬計算，得到切實可靠的數(shù)據(jù)。MS軟件的上述特點適合教學(xué)，由于它涉及的研究領(lǐng)域比較多，因此在很多材料專業(yè)的課程中都可以應(yīng)用。

本文以材料專業(yè)課程中半導(dǎo)體表面親水疏水這一章節(jié)的內(nèi)容為例，把MS軟件應(yīng)用到這部分內(nèi)容的教學(xué)中，對教學(xué)內(nèi)容進行模擬，通過三維模型的建立和計算，直觀地看到表面吸附作用的整個動態(tài)過程，把抽象的知識形象化，充分調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。

2.材料專業(yè)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

材料專業(yè)的課程內(nèi)容龐雜且比較抽象，難以理解，盡管經(jīng)過不斷的教學(xué)改革，目前在教學(xué)過程中較多地采用了多媒體教學(xué)課件，可以逼真形象地展示材料各組成部分的結(jié)構(gòu)等，增強學(xué)生的感性認識，但是效果還是不盡如人意。學(xué)生存在個體差異，接受能力、理解能力不一致，在以老師為主體的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生只能被動地接受或者部分接受。另外，多媒體教學(xué)課件以演示PPT為主，學(xué)生缺乏在真實的三維空間中直觀形象地了解材料表面發(fā)生作用的真實情況，對課程學(xué)習(xí)只是停留在概念的階段。

3.MS軟件教學(xué)應(yīng)用實例

在以前的學(xué)習(xí)中，大學(xué)生可能已經(jīng)知道半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，活性大小也不同。通過課堂多媒體的展示，可能看到半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，但是見到的只是平面圖，看不到真實的三維形象。通過MS軟件建立的半導(dǎo)體表面三維微觀模型，可以使學(xué)生非常清楚地看到表面原子和內(nèi)容原子配位結(jié)構(gòu)的不同，從而更好地理解半導(dǎo)體表面活性比內(nèi)容強的原因。另外，通過MS軟件的模擬，可以形象地展示出半導(dǎo)體表面與水發(fā)生作用的整個動態(tài)過程。下面以FeS2和PbS兩種半導(dǎo)體為例，模擬水分子在FeS2和PbS表面的作用過程，比較水分子在不同表面的吸附作用，并探討不同半導(dǎo)體表面親水疏水的原因。

3.1 FeS2和PbS表面模型的建立

半導(dǎo)體親水和疏水是在表面發(fā)生的，因此采用MS軟件學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教學(xué)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考，和教師一起完成模擬任務(wù)。表面從優(yōu)化的體相中切出來，在切面的過程中，讓同學(xué)們了解晶面的概念，通過簡單的操作，向?qū)W生展示不同晶面的表面結(jié)構(gòu)，并理解不同晶面的差異。在模擬水分子在半導(dǎo)體表面吸附時，一般選用半導(dǎo)體最穩(wěn)定的解離面。通過模擬計算表面能，確定最穩(wěn)定的表面模型。圖1和圖2分別為所建立的FeS2和PbS的表面模型。

從圖1（a）和圖1（b）中三維圖形中可以很清楚地看到，F(xiàn)eS2和PbS具有不同的表面結(jié)構(gòu)。這種不同結(jié)構(gòu)也決定了它們與水分子作用的不同。從圖1還可以看到，不管是FeS2還是PbS半導(dǎo)體，其表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)容都不同。最明顯的不同是表面原子的配位數(shù)與內(nèi)部原子不同（表面層原子的配位數(shù)要小于內(nèi)部原子），也就是說，半導(dǎo)體表面層原子都存在懸掛鍵，這也是表面原子與內(nèi)容原子活性不同的原因，也是為什么吸附發(fā)生在表面的原因。在一般的教學(xué)中，盡管通過多媒體展示可以看到半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)，但是不能看到三維立體模型，不能了解半導(dǎo)體表面原子配位等具體細節(jié)，因此對這部分的理解不夠深刻。

3.2材料表面與水的作用

不同材料與水的作用不同，有的親水，有的疏水。一般情況下，我們都是從潤濕角的角度進行分析。如果潤濕角小于90度，就是親水的，如果潤濕角大于90度，就是疏水的。但是對于為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，很多同學(xué)還是不太明白。在這里通過MS軟件的模擬，展示不同的半導(dǎo)體表面與水作用的動態(tài)過程，并從微觀角度分析材料親水疏水的原因。

在實踐中，分子一般是在半導(dǎo)體表面最穩(wěn)定的吸附位進行吸附的，因此對其進行模擬要找出最穩(wěn)定的吸附位。通過測試吸附能可以確定最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。圖2（a）和圖2（b）分別為水分子在FeS2和PbS表面最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。

MS軟件可以展示水分子與FeS2和PbS表面作用的動態(tài)過程，通過觀看這個過程可以知道，水分子被吸附在FeS2表面，而被PbS表面排開，遠離表面。也就是說FeS2表面是親水的，而PbS表面時疏水的。從圖2（a）中可以看出FeS2表面水分子中氧與表面Fe之間的距離為2.184？魡，而PbS表面水分子中氧與表面Pb之間的距離為2.689？魡。這意味著FeS2表面的水被吸附在表面，而PbS表面的水被排開。

上面是單分子水與材料表面的作用，在實踐中，一般都是多分子水與材料表面的作用。通過MS軟件也可以對多分子水與材料表面的作用進行模擬。圖3（a）和圖3（b）為多個水分子與FeS2和PbS表面的作用模型。多分子水吸附過程中，水分子之間會發(fā)生相互作用。通過MS軟件可以展示多分子在材料表面作用的動態(tài)過程，讓學(xué)生們直觀了解水分子之間的作用和水分子與材料表面的作用。同學(xué)們從模擬過程中了解了FeS2的親水和PbS的疏水過程，發(fā)生親水和疏水的原因可以通過MS軟件的模擬結(jié)果分析。

圖4為水分子與FeS2和PbS表面作用的電子密度圖。從圖4（a）可以知道，F(xiàn)eS2表面與水的作用以化學(xué)吸收位置，是強健的作用，而從圖4（b）可以看到，PbS表面與水分子之間的氫鍵是其疏水的本質(zhì)，屬于弱鍵作用，這也是FeS2親水而PbS疏水的主要原因。

通過上述模擬，學(xué)生直觀地看到水分子與材料表面的作用整個動態(tài)過程，使非常抽象的知識形象化，使難以理解的概念、條件和結(jié)論變得淺顯易懂，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和強烈的求知欲望，使學(xué)生自動調(diào)節(jié)全身器官，積極參與教學(xué)。在模擬教學(xué)過程中，學(xué)生的思維跟著模擬內(nèi)容一步一步向前走，每一步都要開動腦筋，激發(fā)學(xué)生的探究精神，并提高他們分析問題和解決問題的能力。

4.結(jié)語

上述研究成果已成功應(yīng)用于材料專業(yè)的教學(xué)之中，采用MS軟件通過具體的實例，在整個模擬過程中，學(xué)生感知、認知、想象及推理事物發(fā)生的形式和過程，用模擬化、形象化和現(xiàn)實化的方式，使學(xué)生直觀地觀察、體驗、發(fā)現(xiàn)、干預(yù)，利用這些生動化、信息化了的知識模型，透過現(xiàn)象探索本質(zhì)，從而使學(xué)生形象地建立起客觀世界、存在與運動的本質(zhì)屬性，自然地培養(yǎng)學(xué)生的認知能力和創(chuàng)新能力。