材料模擬軟件在固體物理教學中的應(yīng)用

黨隨虎

摘 要：針對固體物理內(nèi)容抽象、難理解的特點，對將抽象物理模型及其作用原理形象地通過材料模擬軟件在固體物理教學中的應(yīng)用進行了分析，借助模擬軟件分別采用引入科技前沿、動手搭建結(jié)構(gòu)模型和物理圖像三維展示等方法提高了固體物理的教學效果。

關(guān)鍵詞：材料模擬；固體物理；Materials Studio；工程學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.128

固體物理是物理學、材料科學、工程學、化學和電子學等專業(yè)中重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，是物理學中內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛的學科。此外，固體物理還是微電子技術(shù)、光電子學、能源和材料科學等技術(shù)學科的基礎(chǔ)，學好這門課程不僅要有良好的物理思想，還要有扎實的數(shù)學基礎(chǔ)。其涉及的內(nèi)容從晶格振動到固體電子能帶理論，既要用到抽象的量子力學理論，又要使用高度抽象的波矢空間，常使學生感到固體物理枯燥無味、難以入門。比如，學生普遍覺得固體物理中晶體結(jié)構(gòu)和對稱性部分難掌握，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純地使用板書或多媒體對學生的教學效果不明顯，一直以來處于“教師不好講、學生不好學”的尷尬局面。因此，如何形象、直觀地闡釋固體物理相關(guān)概念的物理圖像已成為教學中亟待解決的問題。

1 材料模擬軟件輔助教學的優(yōu)勢

當前材料模擬技術(shù)正廣泛地應(yīng)用于科研生產(chǎn)、教學等各個相關(guān)領(lǐng)域中，出現(xiàn)了Materials Studio、Vasp和Gauss等一系列材料模擬軟件。這些軟件大都可以使分子、原子等微觀粒子的結(jié)構(gòu)形象化、可視化，且可以通過結(jié)構(gòu)分析、模擬、數(shù)據(jù)處理，從微觀角度揭示結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。因此，利用材料模擬計算軟件的輔助教學功能，比如利用Materials Studio的Visualizer模塊可搭建三維結(jié)構(gòu)模型、顯示外場作用下晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)改變的優(yōu)勢，從而形象、直觀地展示固體物理中較抽象、復(fù)雜的概念和模型，將抽象的平面教學轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw的形象教學。

2 材料模擬軟件的具體應(yīng)用

固體物理學科發(fā)展較快，傳統(tǒng)教學內(nèi)容無法及時反映其發(fā)展的前沿動態(tài)。結(jié)合固體物理的專業(yè)特點，采用基礎(chǔ)理論分析預(yù)測固體材料的性能和應(yīng)用時，材料模擬軟件能使微觀結(jié)構(gòu)和作用原理形象化、可視化的優(yōu)點引入前沿知識的輔助教學，可實現(xiàn)教學內(nèi)容的創(chuàng)新。固體能帶理論對半導(dǎo)體的研究起著重大的指導(dǎo)作用，固體物理中引入了半導(dǎo)體材料方面的最新內(nèi)容，結(jié)合材料模擬軟件給出的能帶理論可幫助學生理解半導(dǎo)體材料的電子性質(zhì)。通過模擬軟件計算結(jié)果與半導(dǎo)體材料實際性能間的差異，可發(fā)現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)的理論方法中存在缺陷和不足。適當引入相關(guān)前沿知識內(nèi)容，能擴展學生視野、引導(dǎo)學生關(guān)注固體物理發(fā)展的最新進展。

應(yīng)在日常固體物理學的教學中貫徹“教為主導(dǎo)，學為主體”的原則，改變傳統(tǒng)的單調(diào)、呆板的教學方法，適當穿插材料模擬實踐課，使學生自己使用材料模擬軟件搭建不同的結(jié)構(gòu)模型，充分利用材料模擬軟件的可視化功能將抽象的物理模型和作用原理形象地展現(xiàn)出來，以激發(fā)學生的學習興趣，增強其創(chuàng)造性思維。在學習晶格對稱性這部分內(nèi)容時，學生可用Materials Studio的Visualizer模塊搭建出七大晶系的14種布拉伐格子，在搭建過程中理解每一種布拉伐格子單位基矢的特征和所屬點群；學生很難掌握不同晶體表面的結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容，可結(jié)合Visualizer模塊的layer builder功能，引導(dǎo)學生對晶體進行切面，觀察切面得到不同表面的幾何結(jié)構(gòu)，這樣能進一步加深學生對這些內(nèi)容的理解。

為了便于學生對課程中難點的理解和掌握，結(jié)合多媒體課件在教學中充分發(fā)揮模擬計算軟件的優(yōu)勢，將課程中涉及的難點問題的物理圖像以二維或三維動畫的形式生動、形象地展示在學生面前，可彌補傳統(tǒng)教學在時間和空間等方面的不足，從而提高教學效果。比如，在講到固體中的光吸收和光的發(fā)射時，可利用Material Studio的錄像功能，動態(tài)顯示光與固體中電子、激子、晶格振動、雜質(zhì)和缺陷等相互作用產(chǎn)生的光的吸收；反之，當固體吸收了外界能量后，其中，部分能量以可見光或近似可見光的電磁波形式發(fā)射，并應(yīng)用已有理論進行分析，以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生良好的物理思維模式，提高其分析、解決問題的能力。

3 結(jié)束語

通過利用材料模擬軟件能將抽象的物理模型和作用原理形象地展現(xiàn)處理，改變固體物理課堂教學效果不明顯的現(xiàn)狀，使固體物理學習具有動態(tài)交互性和自主探索性。在課堂教學中引入科技前沿，可擴展學生視野。通過動手搭建結(jié)構(gòu)模型，可加深對固體物理概念的理解。以二維或三維動畫的形式形象地展示難點問題的物理圖像，可激發(fā)學生的學習興趣。材料模擬軟件在固體物理教學課堂中的應(yīng)用能改變灌輸式的教學方式為探索式學習，可調(diào)動學生的學習興趣，提高固體物理的教學效率。

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〔編輯：張思楠〕