【MS应用实例】Materials Studio模拟软件具象辅助下的材料学科教学探究

摘要：

基于Materials Studio模拟软件的具象辅助，将不断更新的学科知识内化进材料学科教学过程中，一方面增加学生对抽象学习知识的理解应用，另一方面将与课程相关的最新科学进展融入到基础知识中，为培养紧跟科学前沿的应用型人才助力。

引言：

当前科学形势瞬息万变，技术空前发展的信息爆炸时代，如何让材料学科教学紧跟时代步伐成为学科发展的一个重要命题。这个思索和改进的过程就包括对本科生课程设置的变化，材料学院各专业陆续增设“计算机在材料科学中的应用”和“计算材料学”课程，并且逐渐增加学生上机实践课时，从而将计算机模拟设计内化进本科教育环节中。在其他课程教学中，也采用部分计算机模拟辅助，帮助学生更直观和更细化地理解课程知识。例如:“材料科学基础”课程中对于晶体结构和缺陷讲解，在课程教学中可视化晶体结构，学生在理解七大晶系，十四个布拉维点阵以及空间群时得心应手，不再局限于课本上的平面结构图。对于晶体缺陷的理解更是如此，点缺陷尚且可以凭借简单的想象过程具象化，而在线缺陷的刃型位错和螺型位错运动中，软件直观的动态变化所带来的视觉理解是课本的线条所不能替代的。这种晶体结构直观性的教学方式不仅应用于材料学科，在其他学科也发挥着举足轻重的作用，例如地球科学与工程学科。

由此可知，基于模拟软件辅助的材料学科教学首先能够将晦涩难懂，需要反复记忆的基础知识进行更直观的具象理解和记忆，其次在激发学生学习积极性的同时，提高其对科学创新的认识和创新手段的拓展。Materials Studio和VASP软件在材料、化学、物理和医学研究中发挥着不可替代的作用，同样由于它们的广泛性和易用性将其引入到材料学科教学中更为可行。我们以界面操作更智能的Materials Studio模拟软件为主来介绍其在材料学科教学中的具象辅助性。

晶体、非晶体、分子和聚合物结构三维可视化

材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用。那么涉及晶体结构的课程教学中，三维可视化就显得尤为重要。Materials Studio包含多种构建晶体、非晶体、分子和聚合物的工具以及模块。晶体结构构建过程中，需要获得的已知信息包含晶体的空间群、晶格参数以及原子坐标，这些数据可以通过文献调研获得，也可以在现有大量数据库中寻找，例如无机晶体数据库(ICSD, InorganicCrystal Structure Database)，剑桥晶体数据库中心(CCDC, CCDC, Cambridge Crystallographic Data Centre)[4]以及Materials Project[(由加州大学伯克利分校的Kristin Persson教授主导开发的包含已存在材料的结构以及物理化学性质的开源数据库)等等。

此外，在“有机化学”课程中的小分子结构，以及“高分子化学”课程中的聚合物可以利用原子、环类以及分子片段和聚合物共聚工具完成构建，借助大量已有数据库，利用Materials Studio可视化界面和众多构建工具，构建三维、二维、一维以及零维的结构操作简单可行，一方面可以帮助学生对结构的深化理解，另一方面拼积木式结构构建过程可以激发学生的学习兴趣。

材料物理性能理解基础化

材料的物理性能是材料学科同学以及材料科学研究工作者的方向和目标指引之一，材料学科课程中会涉及到许多物理性能的学习，这些物理性能就是我们耳熟能详的电、磁、声、光、热以及力学性能，在这些性能的学习过程中：

(1) 首先导电性的会涉及到电子分布和能带结构，利用Materials Studio将晶体结构与能带结构以及电荷密度分布直观的呈现给同学，将理解基础化；

(2) 磁学性质的学习同样归根到底是孤对电子的状态分布以及磁畴概念，借助模拟软件去连接微观结构与宏观性质，让学习过程不再停留于概念；

(3) 模拟软件中能够实现的力学性能包括弹性性质、拉伸与剪切应力—应变曲线和断裂过程，这些力学过程既可以对单晶体采用小尺度的第一性原理模拟计算（CASTEP模块），也可以对涉及尺寸效应的单晶和多晶进行分子动力学模拟（Forcite 和GULP模块），同时在多晶展现中将孪晶、位错引入晶界，将位错和力学性质变化微观化。

材料制备与反应过程定性和定量化

材料科学四面体“主要指材料结构，材料特征，材料性能，制备过程这四个因素，[6]这个四面体是材料研究的基本方法，同时也是材料科学人才培养的基础依据。因此课程设置中包含材料的制备方法，包括机械合金化和热烧结、物理和化学气相沉积以及先驱体转变方法等等，这些材料制备过程中均会涉及原材料到产物的转变，就包括在热场（温度）、力场（压力）和电场作用下的结构和性能变化。基于模拟软件能够加深学生对于制备过程中热力学行为的变化理解，使学生将不同制备条件下的产物的外场因素与产物的内在变化结合起来，从而由定性理解向定量理解深化。

新能源材料性能机理理解及设计课程的科研化

新能源材料是国家重大战略需求，以此为推动，越来越多的高校开设新能源相关专业，[7]本学院已申请到新专业“新能源材料与器件”，新专业设置伴随而来的是培养方案制定与教学计划设置问题等待探讨。[8]此外由于有大量的企业与科研机构在进行新能源材料的开发和设计工作，因此不断有新的成果出现，这就表明在新能源材料类专业人才的培养过程中需要不断更新知识结构。在众多进展中，模拟研究起到至关重要的作用，无论是在锂离子电池（优异的电极材料与电解质材料，涉及电子和离子输运）、燃料电池（优异地催化剂材料，涉及化学反应过程）和太阳能电池（太阳能吸收材料和电子空穴输运材料，涉及光学吸收和电子输运）。这些新能源材料在应用中的微观过程变化都可以在Materials Studio软件中具象化，为新课程的教学研究提供新思路。

总之，通过以上分析可知，基于Materials Studio 模拟软件的具象辅助，学生能够将课程中较为晦涩抽象的知识形象化，达到更好的教学效果，大大提高学生对知识的理解深度，不断优化和更新知识结构，为培养研究能力和应用能力兼备的人才打好坚实的基础。