Materials Studio軟件在材料專業課程教學中的應用

趙翠華+李玉瓊+潘利文

摘 要： 大學課堂普遍存在的沉悶現象嚴重影響大學教學質量，為了提高大學課堂的實效性，本文把MS（Materials Studio）軟件應用到材料專業教學中，對教學內容進行感官的情景模擬，使學生直觀地觀察、體驗、發現、干預所學知識，充分激發學生的學習興趣，調動學生的主動性和積極性，培養學生的探索精神，分析問題、解決問題及創新的能力，培養學生的綜合素質。

關鍵詞： MS軟件 情景模擬 材料專業

1.引言

課堂教學作為高等教育的重要組成部分，其質量直接關系到我國高等教育的水平。目前大學課堂普遍存在教師缺乏教學藝術、大學生缺乏學習熱情和動力、師生缺乏交流等問題，嚴重影響教學質量。

構成課堂教學的三要素是教師、學生和教學內容。處理好三者之間的關系是提高課堂教學質量的關鍵，但是目前大多數高校教師并沒有完全理順這三者之間的關系，沿襲傳統的“教師講學生聽”的“滿堂灌”教學模式，導致教師在講臺上講得口干舌燥，筋疲力盡，而學生在講臺下卻無精打采、昏昏欲睡。在這種教學方式下，教師是教學活動中的主角，缺少與學生的有效互動，沒有很好地調動學生學習的積極性。當代著名教育家張楚廷教授曾說：“中國大學普遍的沉悶狀態是令人憂郁的，課堂本是一個應激起頭腦風暴的地方，但是它寂靜得令人可怕。”這句話很形象地說明了我國大學課堂教學中存在的弊端。這樣的課堂教學，不利于學生思維的開闊，不利于學生創新能力的提高。

教學的創造基于方法的更新，因此課堂教學的改革與教學方式的轉變緊密結合。當今世界各國在教育領域的改革重點是關注教學方式的變革，其目的是以課堂教學實施作為切入口，以此探索改革傳統的“以老師和課堂為中心的劃一、封閉及包辦”的教學方法，從而試圖建立“以學生為中心，多渠道、多形式、主動吸收信息”的開放式教學方法模式。在各種各樣的課堂教學改革實踐中，模擬教學法最引人注目。模擬教學是指創造人為的教學環境，使學生在模擬真實的氛圍中學習課程所規定的知識和能力。模擬教學是一種更宏觀的教學改革策略，它全面考慮了教育與生活的特有屬性、要求與規律，模擬社會環境并通過項目教學、案例分析、卡片展示等富有針對性的協作教學行為，綜合地作用于學生，其對學生的專業能力、方法能力及解決問題的事務能力等具有非常重要的作用。本文擬采用模擬教學法，把專門為材料科學領域研究者開發的MS軟件應用到材料專業的課程教學中，通過模擬教學內容，讓學生直觀看到事物對象發生的整個動態過程，充分激發學生的學習興趣，調動學生的主動性和積極性，培養學生的探索精神，培養學生的創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合成一個集量子力學、分子力學、介觀模型、分析工具模擬和統計相關應用為一體的建模環境，其研究領域包括晶體和分子材料結構及性質研究、表面和表面重構性質、表面化學及分子與材料表面作用研究、電子結構、光學和磁學性質研究、材料力學性質研究、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構模型，并對各種晶體、無定型及高分子材料的性質及相關過程進行模擬計算，得到切實可靠的數據。MS軟件的上述特點適合教學，由于它涉及的研究領域比較多，因此在很多材料專業的課程中都可以應用。

本文以材料專業課程中半導體表面親水疏水這一章節的內容為例，把MS軟件應用到這部分內容的教學中，對教學內容進行模擬，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過程，把抽象的知識形象化，充分調動學生的積極性、主動性和創新意識，提高學生分析問題與解決問題的能力，激發學生的學習興趣和探索精神，提高學生的綜合素質與能力。

2.材料專業課程教學的現狀

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

3.MS軟件教學應用實例

在以前的學習中，大學生可能已經知道半導體表面和內部的結構不同，活性大小也不同。通過課堂多媒體的展示，可能看到半導體表面和內部的結構，但是見到的只是平面圖，看不到真實的三維形象。通過MS軟件建立的半導體表面三維微觀模型，可以使學生非常清楚地看到表面原子和內容原子配位結構的不同，從而更好地理解半導體表面活性比內容強的原因。另外，通過MS軟件的模擬，可以形象地展示出半導體表面與水發生作用的整個動態過程。下面以FeS2和PbS兩種半導體為例，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，并探討不同半導體表面親水疏水的原因。

3.1 FeS2和PbS表面模型的建立

半導體親水和疏水是在表面發生的，因此采用MS軟件學習這部分內容時，先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教學過程中，教師要引導學生思考，和教師一起完成模擬任務。表面從優化的體相中切出來，在切面的過程中，讓同學們了解晶面的概念，通過簡單的操作，向學生展示不同晶面的表面結構，并理解不同晶面的差異。在模擬水分子在半導體表面吸附時，一般選用半導體最穩定的解離面。通過模擬計算表面能，確定最穩定的表面模型。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，FeS2和PbS具有不同的表面結構。這種不同結構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半導體，其表面結構和內容都不同。最明顯的不同是表面原子的配位數與內部原子不同（表面層原子的配位數要小于內部原子），也就是說，半導體表面層原子都存在懸掛鍵，這也是表面原子與內容原子活性不同的原因，也是為什么吸附發生在表面的原因。在一般的教學中，盡管通過多媒體展示可以看到半導體表面結構，但是不能看到三維立體模型，不能了解半導體表面原子配位等具體細節，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這種現象，很多同學還是不太明白。在這里通過MS軟件的模擬，展示不同的半導體表面與水作用的動態過程，并從微觀角度分析材料親水疏水的原因。

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

MS軟件可以展示水分子與FeS2和PbS表面作用的動態過程，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過程，讓學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。同學們從模擬過程中了解了FeS2的親水和PbS的疏水過程，發生親水和疏水的原因可以通過MS軟件的模擬結果分析。

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，FeS2表面與水的作用以化學吸收位置，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，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，學生直觀地看到水分子與材料表面的作用整個動態過程，使非常抽象的知識形象化，使難以理解的概念、條件和結論變得淺顯易懂，大大激發學生的學習興趣和強烈的求知欲望，使學生自動調節全身器官，積極參與教學。在模擬教學過程中，學生的思維跟著模擬內容一步一步向前走，每一步都要開動腦筋，激發學生的探究精神，并提高他們分析問題和解決問題的能力。

4.結語

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