《材料結構設計與計算》課程的教學改革

戴振翔　鄭贛鴻　馬永青

摘要：《材料的結構設計與計算》是材料教學體系中重要的一部分。由于涉及理論知識復雜，模擬體系范圍廣等特點，使得材料的設計與計算的開展與實施存在一定的困難。我們從教學內容、教學方法與手段、實踐教學等方面進行了改革。探討了本門課程教學過程中如何調動學生學習熱情、激發學生學習興趣，優化教學內容、采用多樣化的教學方法，將科研成果與教學實踐相結合，提高整體教學效率的可行措施。

關鍵詞：材料的結構設計與計算；教學方法；教學實踐

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

材料模擬與設計在科學技術的發展中起到越來越重要的作用。材料科學的發展對高校的人才培養提出了更高的要求。近年來許多高校在本科生和研究生中相繼開設了“材料設計”“材料計算設計”“材料模擬設計”“計算材料學”等課程。安徽大學的物理與材料科學學院是非常具有特色的學院，其中材料科學與工程入選雙一流學科建設?！安牧辖Y構設計與計算”是我院2009年開設的一門材料物理專業的選修課程（2018年開始設為必修課程）。我們針對“材料結構設計與計算”課程內容多，涵蓋面廣，結合我校材料物理專業的特點，探討了該課程教學和上機實踐教學的體系建設。

一、材料結構設計與計算的教學內容

我們的教學目的是讓學生掌握材料設計與系統模擬的基本理論與方法，了解材料性能預測和合成制備工藝模擬的基礎知識，為將來從事材料相關領域的研發打下良好的基礎，利用計算機對真實的系統進行模擬實驗、提供模擬結果。在我校開設“材料結構設計與計算”課程，如果照搬已有教材和其他院校的教學內容，則很難適應我校的專業特色。并且，“材料結構設計和計算”課程的涵蓋內容非常廣，而課堂教學只有短短的51學時，因此如何精選本課程的課堂教學內容，使學生建立濃厚的學習興趣并掌握該課程所傳授的知識，是我們在教學過程中必須要解決的首要問題。

結合我們學院材料物理專業的專業特點，該課程的教學內容主要涉及以下三部分內容。第一部分：相關基礎知識的介紹。這部分主要是有關材料結構設計與計算簡介、材料結構設計的理論基礎知識。在這個部分，我們會從材料結構計算與模擬的角度對有關的基礎知識進行介紹，比如固體物理學的晶體結構和能帶理論。這部分基礎知識的教學，我們既不能和已有平行課程的教學相沖突，與同學們正在學習的課程內容一致，又不能完全不講，而是根據我們的課程特點予以早講并“不一樣地講”。在具體的教學實踐中，我們拋棄了一般固體物理學教材的教學體系與方法，沒有過多的公式推導，而是力求從化學的角度去介紹這些知識。在具體教學實踐中，我們通過介紹孤立原子的能級特點，逐步過渡到多個原子的能級排布特點，最后介紹到固體結構中的原子能級的特點和能帶結構的形成?？紤]到絕大多數計算平臺都是linux操作系統的服務器，我們在這個部分的教學中也會引導學生學習一些常見的linux命令，并以作業的形式要求廣大同學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完成該課程的學習以后就可以自己動手做科研項目，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構設計與計算中用到的常用方法以及相應的模擬軟件（VASP和SIESTA以及Material-Studio等）的基礎使用方法。在這一部分教學過程中，我們沒有過多介紹這些計算軟件的使用原理，而是將重點放在這些軟件的基本使用方法方面。第三部分：項目實戰。在最后一部分教學中，一方面引導同學采用在該課程中學到的這些方法去重復固體物理學教材中的一些基本數據；另一方面，也結合有關最新的科技成果，引導學生提煉這些最新科技論文中的科技問題，最后引導學生用學會的計算軟件去解決這些問題。

二、材料結構設計與計算的上機實踐教學

根據實驗教學內容的安排，我們主要從軟件功能介紹、結算模擬操作、計算結果的分析三方面開展計算材料科學實驗教學。

計算軟件的學習對初學者是必要的。首先會給學生講解和操作示范，然后讓學生按照軟件本身自帶的案例教程完成學習，這也是學習軟件最行之有效和快捷的方法。學生在學習過程中查閱相關書籍、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、模型的構建以及計算參數的合理選取。

熟悉軟件以后，學生就可以設定一個教學項目的目標，要求學生在通過每次計算的計算模擬的上機操作，利用軟件提供的功能完成諸如計算模型的構建，計算參數的設置，計算模擬結果的數據收集、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，對Hydroxy-4-biphenyl Carboxylic Acid分子材料的電荷輸運性質進行了實驗研究。我們在教學實踐中，就讓學生對這個實驗結果進行了模擬研究。首先，根據實驗結果，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行為進行計算研究。其中計算得到如圖2所示的電流電壓曲線，我們的計算結果與實驗數據非常吻合。

在整個實驗項目的計算模擬中，每次教學都要設置簡單、具體、細化的目標，逐步完成選題需要解決的問題關鍵。在具體問題的引導下，學生能夠主動查閱相關文獻，積極參加討論來解決計算模擬過程中存在以及出現的問題。在完成了實驗模擬計算并且獲取了實驗結果數據以后，如何提取重要的數據分析并且處理，解決選題初期設置的目標，完成實驗報告是整個實驗的最后部分，鼓勵學生力所能及、清晰、透徹地把一個具體的科學問題進行分析、整理并且展現出來，完成一份有價值的實驗報告。這也是本課程應該傳授給學生的重要技能之一。計算材料學實驗結果的分析需要學生大量閱讀文獻，抽取實驗結果，借助于不同的數據處理、繪圖軟件以及要對這些數據、圖標、結論等實驗的結果重新梳理和組織。比如，首先學生要寫出實驗項目的研究背景，第二是寫出實驗過程中的計算模擬的方案設計，最后是計算結果的分析與討論。

三、展望

計算機模擬已成為除理論分析和實驗研究以外解決材料科學中實際問題的第三大并行的研究手段，它們相互補充，共同促進了材料科學與工程的發展，使人們對于材料顯微結構的尺度與層次有了更深的認識，并在一些新的尺度與層次上取得了突破性的進展。因此，為材料科學與工程專業的本科生開設“材料結構設計與計算”這門課程非常必要。我們堅持以學生的科研興趣為導向，靈活選取教學內容，設置計算模擬實驗項目，增強了學生學習的積極性與自主行。在教學內容上突出實用性，強化課堂教學內容，激發學生的創造力、想象力以及實踐的能力，期望達到最佳的教學效果。

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