《材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算》課程的教學(xué)改革

戴振翔　鄭贛鴻　馬永青

摘要：《材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算》是材料教學(xué)體系中重要的一部分。由于涉及理論知識復(fù)雜，模擬體系范圍廣等特點(diǎn)，使得材料的設(shè)計與計算的開展與實(shí)施存在一定的困難。我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了改革。探討了本門課程教學(xué)過程中如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、采用多樣化的教學(xué)方法，將科研成果與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，提高整體教學(xué)效率的可行措施。

關(guān)鍵詞：材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算；教學(xué)方法；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）29-0130-02

材料模擬與設(shè)計在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中起到越來越重要的作用。材料科學(xué)的發(fā)展對高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。近年來許多高校在本科生和研究生中相繼開設(shè)了“材料設(shè)計”“材料計算設(shè)計”“材料模擬設(shè)計”“計算材料學(xué)”等課程。安徽大學(xué)的物理與材料科學(xué)學(xué)院是非常具有特色的學(xué)院，其中材料科學(xué)與工程入選雙一流學(xué)科建設(shè)?！安牧辖Y(jié)構(gòu)設(shè)計與計算”是我院2009年開設(shè)的一門材料物理專業(yè)的選修課程（2018年開始設(shè)為必修課程）。我們針對“材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算”課程內(nèi)容多，涵蓋面廣，結(jié)合我校材料物理專業(yè)的特點(diǎn)，探討了該課程教學(xué)和上機(jī)實(shí)踐教學(xué)的體系建設(shè)。

一、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算的教學(xué)內(nèi)容

我們的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握材料設(shè)計與系統(tǒng)模擬的基本理論與方法，了解材料性能預(yù)測和合成制備工藝模擬的基礎(chǔ)知識，為將來從事材料相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)打下良好的基礎(chǔ)，利用計算機(jī)對真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、提供模擬結(jié)果。在我校開設(shè)“材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算”課程，如果照搬已有教材和其他院校的教學(xué)內(nèi)容，則很難適應(yīng)我校的專業(yè)特色。并且，“材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算”課程的涵蓋內(nèi)容非常廣，而課堂教學(xué)只有短短的51學(xué)時，因此如何精選本課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生建立濃厚的學(xué)習(xí)興趣并掌握該課程所傳授的知識，是我們在教學(xué)過程中必須要解決的首要問題。

結(jié)合我們學(xué)院材料物理專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)，該課程的教學(xué)內(nèi)容主要涉及以下三部分內(nèi)容。第一部分：相關(guān)基礎(chǔ)知識的介紹。這部分主要是有關(guān)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算簡介、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)知識。在這個部分，我們會從材料結(jié)構(gòu)計算與模擬的角度對有關(guān)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行介紹，比如固體物理學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)和能帶理論。這部分基礎(chǔ)知識的教學(xué)，我們既不能和已有平行課程的教學(xué)相沖突，與同學(xué)們正在學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容一致，又不能完全不講，而是根據(jù)我們的課程特點(diǎn)予以早講并“不一樣地講”。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，我們拋棄了一般固體物理學(xué)教材的教學(xué)體系與方法，沒有過多的公式推導(dǎo)，而是力求從化學(xué)的角度去介紹這些知識。在具體教學(xué)實(shí)踐中，我們通過介紹孤立原子的能級特點(diǎn)，逐步過渡到多個原子的能級排布特點(diǎn)，最后介紹到固體結(jié)構(gòu)中的原子能級的特點(diǎn)和能帶結(jié)構(gòu)的形成?？紤]到絕大多數(shù)計算平臺都是linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器，我們在這個部分的教學(xué)中也會引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一些常見的linux命令，并以作業(yè)的形式要求廣大同學(xué)熟練掌握這些基本命令。第二部分：介紹常見計算軟件的使用方法?？紤]盡可能地讓廣大同學(xué)完成該課程的學(xué)習(xí)以后就可以自己動手做科研項(xiàng)目，我們選擇的是一些比較“大眾”的計算軟件，比如VASP和SIESTA等。所以，這部分主要講解材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算中用到的常用方法以及相應(yīng)的模擬軟件（VASP和SIESTA以及Material-Studio等）的基礎(chǔ)使用方法。在這一部分教學(xué)過程中，我們沒有過多介紹這些計算軟件的使用原理，而是將重點(diǎn)放在這些軟件的基本使用方法方面。第三部分：項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)。在最后一部分教學(xué)中，一方面引導(dǎo)同學(xué)采用在該課程中學(xué)到的這些方法去重復(fù)固體物理學(xué)教材中的一些基本數(shù)據(jù)；另一方面，也結(jié)合有關(guān)最新的科技成果，引導(dǎo)學(xué)生提煉這些最新科技論文中的科技問題，最后引導(dǎo)學(xué)生用學(xué)會的計算軟件去解決這些問題。

二、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算的上機(jī)實(shí)踐教學(xué)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的安排，我們主要從軟件功能介紹、結(jié)算模擬操作、計算結(jié)果的分析三方面開展計算材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

計算軟件的學(xué)習(xí)對初學(xué)者是必要的。首先會給學(xué)生講解和操作示范，然后讓學(xué)生按照軟件本身自帶的案例教程完成學(xué)習(xí)，這也是學(xué)習(xí)軟件最行之有效和快捷的方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中查閱相關(guān)書籍、資料以及軟件幫助等方法，快速掌握軟件的基本操作，掌握計算模擬的過程、模型的構(gòu)建以及計算參數(shù)的合理選取。

熟悉軟件以后，學(xué)生就可以設(shè)定一個教學(xué)項(xiàng)目的目標(biāo)，要求學(xué)生在通過每次計算的計算模擬的上機(jī)操作，利用軟件提供的功能完成諸如計算模型的構(gòu)建，計算參數(shù)的設(shè)置，計算模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)收集、分析、繪圖或者是列表操作等。Sridevi Bala等人以Al和Si為電極的單分子結(jié)，對Hydroxy-4-biphenyl Carboxylic Acid分子材料的電荷輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。我們在教學(xué)實(shí)踐中，就讓學(xué)生對這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬研究。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立如圖1所示的計算模型。接著，利用SIESTA軟件對這個分子的電荷輸運(yùn)行為進(jìn)行計算研究。其中計算得到如圖2所示的電流電壓曲線，我們的計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

在整個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的計算模擬中，每次教學(xué)都要設(shè)置簡單、具體、細(xì)化的目標(biāo)，逐步完成選題需要解決的問題關(guān)鍵。在具體問題的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠主動查閱相關(guān)文獻(xiàn)，積極參加討論來解決計算模擬過程中存在以及出現(xiàn)的問題。在完成了實(shí)驗(yàn)?zāi)M計算并且獲取了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以后，如何提取重要的數(shù)據(jù)分析并且處理，解決選題初期設(shè)置的目標(biāo)，完成實(shí)驗(yàn)報告是整個實(shí)驗(yàn)的最后部分，鼓勵學(xué)生力所能及、清晰、透徹地把一個具體的科學(xué)問題進(jìn)行分析、整理并且展現(xiàn)出來，完成一份有價值的實(shí)驗(yàn)報告。這也是本課程應(yīng)該傳授給學(xué)生的重要技能之一。計算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析需要學(xué)生大量閱讀文獻(xiàn)，抽取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，借助于不同的數(shù)據(jù)處理、繪圖軟件以及要對這些數(shù)據(jù)、圖標(biāo)、結(jié)論等實(shí)驗(yàn)的結(jié)果重新梳理和組織。比如，首先學(xué)生要寫出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究背景，第二是寫出實(shí)驗(yàn)過程中的計算模擬的方案設(shè)計，最后是計算結(jié)果的分析與討論。

三、展望

計算機(jī)模擬已成為除理論分析和實(shí)驗(yàn)研究以外解決材料科學(xué)中實(shí)際問題的第三大并行的研究手段，它們相互補(bǔ)充，共同促進(jìn)了材料科學(xué)與工程的發(fā)展，使人們對于材料顯微結(jié)構(gòu)的尺度與層次有了更深的認(rèn)識，并在一些新的尺度與層次上取得了突破性的進(jìn)展。因此，為材料科學(xué)與工程專業(yè)的本科生開設(shè)“材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算”這門課程非常必要。我們堅持以學(xué)生的科研興趣為導(dǎo)向，靈活選取教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置計算模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與自主行。在教學(xué)內(nèi)容上突出實(shí)用性，強(qiáng)化課堂教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力以及實(shí)踐的能力，期望達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

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