“材料計(jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

馬鳳倉(cāng),楊麗紅

(1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

1912年約瑟夫·熊彼特提出了“創(chuàng)新”理論,之后誕生了創(chuàng)新教育,并在發(fā)達(dá)國(guó)家迅速興起。在1989年11月,聯(lián)合國(guó)教科文組織在北京召開了“面向21世紀(jì)教育國(guó)際研討會(huì)”,在此會(huì)議上明確提出了“創(chuàng)業(yè)教育”概念。1998年首次世界高等教育會(huì)議召開,發(fā)表了《21世紀(jì)的高等教育:展望與行動(dòng)世界宣言》,進(jìn)一步指出:“為方便畢業(yè)生就業(yè),高等教育應(yīng)主要培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)技能與主動(dòng)精神:畢業(yè)生將愈來愈不再僅僅是求職者,而首先將成為工作崗位的創(chuàng)造者?！盵1-2]

作為聯(lián)合國(guó)教科文組織“創(chuàng)業(yè)教育”項(xiàng)目的成員國(guó),我國(guó)早在1991年就試點(diǎn)創(chuàng)業(yè)教育,但當(dāng)時(shí)主要限于在基礎(chǔ)教育階段。反觀我國(guó)高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育則起步較晚。盡管我國(guó)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育上已經(jīng)取得了一定的成績(jī),但是,我國(guó)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育整體還處于起步階段,大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)家人才戰(zhàn)略的要求,其對(duì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家目標(biāo)的作用還非常有限。多數(shù)高等院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育仍處于空缺或流于形式,基本上是為了完成教學(xué)任務(wù)而走過場(chǎng),甚至“名存實(shí)亡”。

“材料計(jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”課程是上海理工大學(xué)材料學(xué)院在材料類本科專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育上的一次嘗試。但是,在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣不高、解決實(shí)際問題能力差等問題。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高教學(xué)效果,提出了認(rèn)識(shí)課程特點(diǎn)改進(jìn)教學(xué)方法、明確課程核心內(nèi)容闡明計(jì)算模擬方法原理、結(jié)合工程應(yīng)用設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、突出實(shí)踐特色激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、結(jié)合最新進(jìn)展實(shí)例激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情等,進(jìn)行多方面教學(xué)改革的思路,并在實(shí)踐中取得了明顯成效。

一、認(rèn)識(shí)課程特點(diǎn) 改進(jìn)教學(xué)方法

材料的計(jì)算與模擬方面的研究是近年來隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科,它綜合了理論化學(xué)、材料物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)和計(jì)算機(jī)算法等多個(gè)相關(guān)學(xué)科。發(fā)展這門學(xué)科在于利用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī),研究材料的各種物理、化學(xué)性質(zhì),深入揭示材料從微觀到宏觀的各類現(xiàn)象與性質(zhì),并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)測(cè),從而達(dá)到設(shè)計(jì)和開發(fā)新材料的目的?！安牧嫌?jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”是聯(lián)系材料學(xué)理論和實(shí)踐的橋梁,本課程能夠培養(yǎng)學(xué)生在材料制備前從理論上設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)新材料性質(zhì)的能力[3]。

但是,“材料計(jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”同時(shí)又是一門十分抽象、理論性極強(qiáng)的課程,書中理論眾多并伴隨著眾多陌生的符號(hào)、公式和注釋,這往往使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中望而卻步。傳統(tǒng)的教學(xué)通常是讓學(xué)生在課堂上和課后反復(fù)做習(xí)題,最終達(dá)到可以靈活應(yīng)用這些公式定律來解題的目的。但是,在這種教學(xué)方式下教學(xué)效果很不理想,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高,知其然而不知其所以然。古人云,授之以魚不如授之以漁,我們想通過在教學(xué)過程中追本溯源,將計(jì)算模擬方法的來龍去脈講述清楚,教給學(xué)生創(chuàng)造性的思維和方法,從而改善教學(xué)效果,達(dá)到教學(xué)目的。

二、明確課程核心內(nèi)容 闡明計(jì)算模擬方法原理

材料的多尺度計(jì)算模擬方法主要有以下幾種[4]。

(一)第一性原理法

第一性原理法基于密度泛函理論,是目前研究微觀電子結(jié)構(gòu)最主要的理論方法。

第一性原理計(jì)算方法用普朗克常數(shù),光速,玻爾茲曼常數(shù),電子靜態(tài)質(zhì)量和電子電荷電量這五個(gè)基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu),基于量子力學(xué)和薛定諤方程,通過薛定諤方程的數(shù)值求解,預(yù)測(cè)材料的物理性質(zhì)。第一性原理法不僅在電子結(jié)構(gòu)研究中,如密度泛函理論、局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)上,已經(jīng)取得了很大的成功。而且,第一性原理法對(duì)于金屬基態(tài)和半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),如晶體結(jié)合能、晶格常數(shù)以及晶體力學(xué)性質(zhì)也都能夠給出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的計(jì)算結(jié)果。此外,第一性原理法還能夠比較精確地描述很多體系的電子結(jié)構(gòu),如電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等,光學(xué)性質(zhì),如復(fù)折射率、介電函數(shù)、反射光譜、光吸收系數(shù)及光電導(dǎo)等。因此,第一性原理法能夠從微觀理論角度揭示材料物理性質(zhì)的起源,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和功能的控制,據(jù)此制備滿足不同性能要求的新材料。

(二)蒙特卡洛法

蒙特卡洛法也稱統(tǒng)計(jì)模擬法,是20世紀(jì)40年代提出的一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法,是指使用隨機(jī)數(shù)來解決很多計(jì)算問題的方法。該方法通過在簡(jiǎn)單的理論準(zhǔn)則基礎(chǔ)上,采用反復(fù)隨機(jī)抽樣的方法,解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題,可以模擬研究對(duì)象概率與統(tǒng)計(jì)類型的問題。與該方法相對(duì)應(yīng)的是確定性算法。

蒙特卡洛法借助合適的概率模型也可以解決確定性問題,比如定積分問題等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,蒙特卡洛法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在固體物理、應(yīng)用物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域[5]。蒙特卡洛法能夠模擬材料構(gòu)成基本粒子如原子和分子的狀態(tài),與采用量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)的方法相比,蒙特卡洛法計(jì)算更為簡(jiǎn)單,因此,可以實(shí)現(xiàn)很大體系的模擬。蒙特卡洛法還可以與統(tǒng)計(jì)物理的方法相結(jié)合,從而將組成材料的基本粒子的狀態(tài)與其宏觀性能相聯(lián)系,是研究材料性能及其影響因素重要手段。

(三)分子動(dòng)力學(xué)法

分子動(dòng)力學(xué)法是按照體系內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)規(guī)律來研究材料性能的一種方法。該方法通過確定體系位形轉(zhuǎn)變,計(jì)算體系中每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng),然后根據(jù)特定的物理規(guī)律,給出材料組成的微觀量(如分子的速度、坐標(biāo))與材料性質(zhì)的宏觀量(如溫度、壓力、比熱容、彈性模量等)的關(guān)系。該方法屬于一種確定性方法[6]。

在分子動(dòng)力學(xué)方法中,首先要建立一組體系內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程,通過求解分子的薛定諤方程,來研究該體系各宏觀量相關(guān)的微觀量的基本過程。其次,基于波恩-奧本海默方法,將建立的薛定諤方程做近似,并將原子核的運(yùn)動(dòng)和電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分開處理。由于原子核的運(yùn)動(dòng)滿足經(jīng)典力學(xué)規(guī)律,可用牛頓定律來描述,電子的運(yùn)動(dòng)符合量子力學(xué)理論。因此,原子核的運(yùn)動(dòng)可用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法處理,而電子的運(yùn)動(dòng)則采用量子力學(xué)的方法。

三、結(jié)合工程應(yīng)用設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,突出實(shí)踐特色激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中沒有學(xué)習(xí)目標(biāo),學(xué)習(xí)興趣不高的問題,采取從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上突出工程應(yīng)用來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的新措施。

(一)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

“材料計(jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”課程的教學(xué)內(nèi)容如圖1 。在設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容中,體現(xiàn)“理論與應(yīng)用”相結(jié)合,繼承了經(jīng)典理論與方法(差分法求解溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等),發(fā)揚(yáng)學(xué)科前沿知識(shí),增強(qiáng)創(chuàng)新能力(材料科學(xué)中廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)軟件介紹與實(shí)驗(yàn))。通過優(yōu)化課程內(nèi)容,打通理論學(xué)習(xí)和實(shí)際工程應(yīng)用的“壁壘”,突出教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn),促進(jìn)相關(guān)課程的綜合化。教學(xué)內(nèi)容以實(shí)踐教學(xué)、軟件操作為主,理論講解為輔,目的是增加學(xué)生分析問題并應(yīng)用有關(guān)計(jì)算與模擬軟件解決問題的能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1　“材料計(jì)算與模擬大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐”教學(xué)設(shè)計(jì)Fig.1　Teaching content of the innovative course of material calculation and simulation for college students

(二)上機(jī)操作和實(shí)踐環(huán)節(jié)

在軟硬件資源有限的條件下,為學(xué)生開設(shè)了Origin,Matlab,Material Studio和ANSYS等軟件的學(xué)習(xí)和在工程中應(yīng)用的上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了四個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn):Origin在材料科學(xué)中的應(yīng)用、ANSYS在鑄件溫度場(chǎng)模擬、Matlab在工件滲碳過程濃度場(chǎng)模擬、Matlab在焊接過程中的溫度場(chǎng)模擬。在“Origin在材料科學(xué)中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)中,緊密結(jié)合當(dāng)前學(xué)生正在開設(shè)的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn),如結(jié)合“材料熱處理過程中氧化”實(shí)驗(yàn),利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,研究曲線表達(dá)的意義(見圖2)。利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理繪制相圖(見圖3)。Matlab在工件滲碳過程濃度場(chǎng)模擬和Matlab在焊接過程中的溫度場(chǎng)模擬見圖4。

為了讓學(xué)生利用現(xiàn)有的條件充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新思維和自主能力,精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和進(jìn)行細(xì)致的上機(jī)操作指導(dǎo),并且將其和計(jì)算機(jī)編程求解方法相比較,不僅僅讓學(xué)生掌握相關(guān)軟件的應(yīng)用和操作,更可以促使學(xué)生了解基礎(chǔ)的理論知識(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有較大的選擇性和較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性,學(xué)生可以展示自身的創(chuàng)造力,也在很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖2　Origin軟件對(duì)金屬氧化層厚度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合處理Fig.2　Fitting processing the oxide thickness of metalduring experiment with Origin software

圖3　Origin軟件繪制的二元(a)和三元(b)相圖Fig.3　Binary(a) and ternary(b) phase diagrams plotted with Origin software

圖4　利用Matlab軟件模擬工件滲碳過程濃度場(chǎng)(a)和焊接過程中的溫度場(chǎng)(b)Fig.4　Temperature field during wielding simulated(a) and concentrationfield during carburization(b) with Matlab software

四、結(jié)合最新進(jìn)展實(shí)例激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

在教學(xué)中,將材料計(jì)算與模擬最新的發(fā)展引入到課程中以激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)熱情。例如,美國(guó)對(duì)材料計(jì)算與模擬非常重視,已在此領(lǐng)域部署了很多大型項(xiàng)目。2011年6月,奧巴馬總統(tǒng)通過了一項(xiàng)5億美元的“推進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”的發(fā)展計(jì)劃,該計(jì)劃提出借助政府、高校及企業(yè)的深入合作來進(jìn)一步強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè),“材料基因組計(jì)劃”[7],其投資總額超過1億美元。美國(guó)能源部主導(dǎo)的“材料和化學(xué)計(jì)算創(chuàng)新項(xiàng)目”(Innovation of Comput-ational Materials and Chemistry)重點(diǎn)關(guān)注以下七個(gè)研究方向:1)極端條件材料;2)薄膜、表面和界面;3)自組裝與軟物質(zhì);4)化學(xué)反應(yīng);5)電子動(dòng)力學(xué)、激發(fā)態(tài)、光捕獲材料和工藝;6)強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)和復(fù)雜材料、超導(dǎo)、鐵電、磁材料;7)分離和流體工藝等。2012年10月,在美國(guó)材料基因組計(jì)劃的支持下,密歇根大學(xué)John Allison教授正在主導(dǎo)一個(gè)材料計(jì)算項(xiàng)目,旨在發(fā)現(xiàn)和制造先進(jìn)材料,并使先進(jìn)材料的開發(fā)速度加倍,縮短開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化周期。該項(xiàng)目將建立一個(gè)名為“結(jié)構(gòu)材料預(yù)測(cè)集成科學(xué)中心”(Predictive Integrated Structural Materials Science Center)的軟件創(chuàng)新中心[7-8]。2012年10月,在材料基因組計(jì)劃的總體框架下,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)宣布首次為“設(shè)計(jì)材料以徹底改變和規(guī)劃未來”(Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future,DMREF)計(jì)劃投入資金支持。項(xiàng)目設(shè)立了22筆共計(jì)1 200萬美元的資金,支持以下領(lǐng)域的研發(fā):新型輕質(zhì)剛性聚合物、飛機(jī)引擎和電廠用高耐久度多層材料、基于自旋電子學(xué)的新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、熱電轉(zhuǎn)換復(fù)合材料、新型玻璃、生物膜材料、特種硬質(zhì)涂層技術(shù)等[9]。

在材料計(jì)算模擬研究上,日本突出了計(jì)算模擬研究技術(shù)研發(fā)與材料開發(fā)相結(jié)合的特色。日本文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省聯(lián)合部署了一系列的戰(zhàn)略和發(fā)展計(jì)劃,如日本文部科學(xué)省在2002年啟動(dòng)了“生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)仿真軟件”的技術(shù)研發(fā)計(jì)劃,目的是在能源和環(huán)境、納米生物技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)出世界一流的計(jì)算與模擬軟件。研究的課題包括:1)下一代流體動(dòng)力學(xué)模擬;2)中間件高性能計(jì)算;3)量子分子相互作用分析;4)納米級(jí)器件模擬;5)下一代結(jié)構(gòu)分析;6)下一代量子化學(xué)模擬;7)問題解決環(huán)境平臺(tái)。2009年,日本文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省又聯(lián)合提出了“分子技術(shù)戰(zhàn)略”,該戰(zhàn)略主要研究電子狀態(tài)控制、集成和合成控制、形態(tài)結(jié)構(gòu)控制、分子變換技術(shù)、分子離子傳輸控制、分子設(shè)計(jì)與創(chuàng)造技術(shù)等[10-11]。“間隙控制材料設(shè)計(jì)和利用技術(shù)”是日本科學(xué)技術(shù)未來戰(zhàn)略研討會(huì)提議的“間隙控制材料利用技術(shù)”計(jì)劃的重要研究課題[12]。“間隙控制材料利用技術(shù)”于2009年10月26日起實(shí)施。間隙控制材料設(shè)計(jì)和利用技術(shù)主要包括三項(xiàng)內(nèi)容:1)間隙控制材料設(shè)計(jì)與合成:優(yōu)化性能;2)間隙技術(shù)的實(shí)現(xiàn)差距:促進(jìn)應(yīng)用;3)通用平臺(tái)技術(shù):觀察分析技術(shù)、原理。文部科學(xué)省提出的“實(shí)現(xiàn)能源安全的納米結(jié)構(gòu)控制材料研究和開發(fā)”戰(zhàn)略、“柔性、大面積、輕量、薄型器件基礎(chǔ)技術(shù)研究開發(fā)”等項(xiàng)目也都涉及材料計(jì)算設(shè)計(jì)與模擬。

五、教學(xué)效果

該課程提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,通過理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,使學(xué)生對(duì)數(shù)值計(jì)算基本理論、材料科學(xué)中的各種物理場(chǎng)的數(shù)值模擬、計(jì)算機(jī)在本專業(yè)的應(yīng)用等方面的情況有較為全面的了解,能將課堂所學(xué)的理論知識(shí)付之于實(shí)踐中,取得了良好的效果,學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提升。不僅鍛煉了學(xué)生的觀察能力、分析能力、動(dòng)手能力,提高綜合應(yīng)用知識(shí)的能力,學(xué)生的積極性和主動(dòng)性也得到加強(qiáng)。很多學(xué)生自覺將所學(xué)習(xí)的軟件應(yīng)用在其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)和科研中,學(xué)習(xí)了Origin軟件后,自覺將該軟件和專業(yè)課程緊密結(jié)合,用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中。

六、結(jié)束語

通過以上措施,學(xué)生對(duì)材料計(jì)算模擬學(xué)習(xí)興趣明顯增加,教學(xué)上也取得相應(yīng)的教學(xué)成果?？傊?將材料計(jì)算與模擬專業(yè)課程引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是可行的,它對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力具有重要的支持作用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,計(jì)算與模擬技術(shù)在材料設(shè)計(jì)、合成、材料物理性質(zhì)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)等方面有許多突破性的進(jìn)展,材料的計(jì)算與模擬已經(jīng)和材料相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)一起成為材料研究的三大支柱。材料的計(jì)算與模擬已成為現(xiàn)代材料科學(xué)研究的必備手段之一,因此,開展材料計(jì)算與模擬的教學(xué)在材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)中是十分迫切的,尤其是把材料計(jì)算與模擬這門專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育結(jié)合起來更值得在實(shí)踐中不斷改進(jìn)。

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[10]日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)研究開發(fā)戰(zhàn)略中心.分子技術(shù)戰(zhàn)略——分子水平新功能創(chuàng)造[EB/OL].(2009-08-10)[2013-01-31].http:∥crds.jst.gojp/output/pdf/09sp06s.pdf.

[11]NIMS.理論計(jì)算科學(xué)研發(fā)概要[EB/OL].(2012-06-29)[2013-01-31].http:∥www.nims.go.jp/cmsc/outline_e.html.

[12]日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)研究開發(fā)戰(zhàn)略中心.間隙控制材料設(shè)計(jì)和利用技術(shù)[EB/OL].(2009-08-10)[2013-01-31].http:∥crds.jst.go.jp/output/pdf/09sp05s.pdf.