分子動力學仿真技術驅動的物理學創新型人才培養模式探索

摘" 要：加快培養一批有效銜接專業結構與產業結構的物理學類人才已成為高校人才培養工作重要課題之一。文章圍繞“物理學與其他學科交叉程度弱”和“實驗主體平臺與學生分跨多校區”難題，采用分子動力學仿真技術驅動物理學與多學科交叉模式進行物理學類人才培養探索，以期為新時代高水平復合型物理學類人才培養提供有益經驗。

關鍵詞：新型人才培養;物理學類;分子動力學仿真技術;多學科交叉

中圖分類號：G642""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1673-7164（2024）16-0071-04

國際政治格局復雜化大背景下，國內外經濟形勢在未來一段時間仍將持續處于低迷狀態。為有效紓緩經濟下行壓力、提振經濟“雙循環”動力，國家將進一步加大科技創新投入力度，不斷加強信息、科技、物流等產業升級基礎設施建設。[1]這些經濟負面/轉型效應所引發的技術產業結構變化勢必給今后大學生升學就業帶來較大壓力。面對新常態對高校畢業生提出的更高要求，加快培養一批專業結構與產業結構有效對接和最優匹配的高水平復合型人才已成為新時代高校人才培養工作重要課題。其中就當前高校物理學類學生培養工作而言，這一挑戰顯得尤為緊迫。[2]

近幾十年來，高校物理學類本科教育在我國社會經濟發展過程中發揮了極為重要的作用，培養了大量從事相關基礎科學研究與教學的人才，成績矚目毋庸置疑。但在新階段，各種問題與挑戰也逐漸顯現：1. 培養目標側重于傳授學生較為完備的專業知識體系和學科基礎，但較少拓展與新興技術產業銜接所需的多學科交叉知識結構及其運用，導致在激發學生專業學習興趣、科學探索等方面乏力;2. 教學內容較多關注傳統理論推導，缺乏引導學生在建模和預測能力上鍛煉，進而影響其綜合運用各學科知識解決問題的能力;3. 理論學習和實驗教學存在一定脫節，實驗條件及人員投入仍有不足，實驗平臺與學生分跨多個校區，難以激勵學生的自主學習動力，導致其在實驗環節缺乏積極主動探索與獨立思考的能力。此外受限于理科性質，物理學類學生缺少與工科類學生同等社會實踐實習及進入主要實驗室參與科研鍛煉的機會。

考慮到我國當前對人才創新能力的培養正由基礎理論技能型逐步向研究型、綜合設計型轉變，同時針對培養過程中所面臨的學科交叉薄弱、異地/跨校區實踐/實驗困難等問題，未來高校物理學類學生在依賴于傳統理論及常規實驗設計基礎上，還有必要結合一種能綜合多學科、適合不同年級知識體系、可實現多人云端操作及老師云端指導的仿真平臺來開展實時數據獲取、實現學科交叉應用探索的創新培養模式。基于前期對不同年級、不同專業學生指導的實踐經驗，本研究認為借助分子動力學仿真技術來打造物理學類學生全過程探索、多學科交叉創新不失為一種適合當下需求（學科交叉度高、時空限制小等）的優秀人才培養模式。

一、相關實踐的回顧及啟發

事實上，對于許多受限于實驗/實踐條件的專業而言，基于仿真技術開展與多學科交叉創新型人才培養的模式已被廣泛認可。[3]本研究前期針對國內外不同專業類似人才培養模式進行了大量調研工作。[4-7]例如過去幾年加州大學伯克利分校研究人員基于LabVIEW軟件二次開發的用于信息物理系統大規模開放在線課程的虛擬仿真“實驗室”，不僅能讓學生開展機器人仿真、編程開發和調試以及硬件控制等操作，而且在無須訪問物理實驗室或任何特定NI硬件情況下于虛擬仿真學習平臺在線實驗。[5]2015年起，密歇根州立大學商學院研究人員開始使用VDI（物流和運輸管理虛擬桌面系統）對學生進行課程提升教學實踐，基于該系統學生可以通過筆記本電腦、平板電腦或智能手機隨時訪問“實驗室”，不僅能對實際物流管理軟件進行操作，還能與同學和老師進行實時交流互動，進而實現從產品包裝到設計雜貨店布局以及后續物流和運輸全過程探索。[6]2014年南京航空航天大學核科學與技術系從法國引進了一套SIREP核電站仿真軟件用于補充學生課程所學，增強學生探索能力;通過該仿真平臺，不僅能促進學生對課程中關于熱停堆過渡到維護停堆、熱備用到低功率運行、臨界功率運行等反應堆操作模式的理解，還能使學生更好地掌握核燃料、冷卻劑化學性等多種學科知識，實現自我實驗設計，彌補現實中學生難以真正接觸核反應堆的遺憾。[7]這些前期基于仿真技術開展與多學科交叉創新型人才培養模式的實踐均極大地提高了所在專業學生參與科研探索的熱情，拓展了學生知識面，也給高校物理學類學生培養帶來了新思路。

目前，針對物理學類學生培養存在的“物理學與其他學科交叉程度存在不足”與“實驗主體平臺與學生分跨多校區不利局面”等關鍵問題，所擁有的仿真技術手段仍顯匱乏，少數措施也因受限于自身計算平臺資源及軟件版權等一系列問題而難以有效擴大規模且效率相對較低。因此亟須開發出一套適用于物理學類學生全過程探索、多學科交叉創新培養的開源便捷、可大規模線上推廣的仿真技術。以進一步推動物理學類交叉型、全面型人才的培養。

二、培養策略的提出及重點

分子動力學方法最早于20世紀50年代由Alder和Wainwright提出，其涵蓋了物理、數學、化學及材料科學等多個學科，是一種用來計算經典多體體系平衡和傳遞性質的確定性方法。[8]其主要根據牛頓第二定律來模擬原子、分子體系運動，并跟蹤體系內每一時刻每個粒子的運動，所得到的粒子軌跡可以用統計平均值來計算各種系統特性。通過計算可完全展示這一尺度下不同時刻整個體系的狀態，從而提供在整個模擬時間段內的體系動態演化圖景。該方法主要基于經典力學中的經驗勢函數來描述原子間的相互作用，非常適合于模擬探索納米尺度范圍內材料的結構、力學、熱學、腐蝕等性能，極具基礎性與多學科性。[9]相較于第一性原理等方法，該方法因其相對簡單便捷更易于被廣大本科生理解接受，方便推廣學習。基于該理論，美國桑迪亞國家實驗室開發的LAMMPS開源軟件為這一方法的應用推廣提供了可能，促進了物理學科與其他學科的交叉發展。[10]該軟件包括Windows、Linux等版本，Windows版本有利于學生單機操作初步學習使用;Linux版本可強化學生對相關代碼、編程配置、多學科基礎理論的理解，可實現對不同目標的探索。尤其基于前期探索經驗，其可結合廣域網組局域網Zerotier One軟件輕松實現多人云端操作、數據傳輸訪問及老師云端指導，免去了師生跨校區/地區困擾及風險。因而，分子動力學仿真技術非常適合于物理學類不同年級學生不受時空限制地開展多學科交叉創實踐。

因此，本研究針對高校物理學類學生培養過程中所顯現的若干薄弱環節，基于前期教學科研及相關經驗積累，提出分子動力學仿真技術驅動物理學與多學科交叉創新型人才培養的模式，著重圍繞以下兩個問題進行跨校區下云端協同LAMMPS仿真平臺搭建及基于該平臺的多學科交叉創新實踐探索：

1. 與其他學科交叉程度存在不足，難以滿足新興技術產業對高水平復合型人才需求。長時間以來，物理學專業教學中較多關注知識的傳授和積累，以培養學生完備的專業知識結構和扎實的學科基礎。考慮到未來較長一段時間所要進行的技術產業轉型升級，這就呼吁高校培養出更多知識面廣且專業結構與產業發展契合的新型人才。加快拓展與新興技術產業銜接所需的多學科交叉知識體系，以激發學生的學習興趣及培養學生的創造力與探索精神，已成為目前高校物理學類人才培養所亟待解決的一個問題。

2. 實驗主體平臺與學生分跨多個校區的不利局面，減弱了學生積極探索動力及實踐機會。以往物理學類學生通過校車及其他外出機會跨校區/地區開展實踐實習，成本較高。突發事件（如疫情、交通事故）的出現也可能進一步降低物理學類師生跨校區/地區開展正常科研交流溝通的機會。因而，尋求一種可實現多人云端操作及老師云端指導的仿真平臺來開展學科交叉應用探索的培養模式，是物理學類人才培養方面目前亟待解決的另一個問題。

三、培養模式的方案及實施

（一）分子動力學學習社團的組建及方法理論定期性網絡教學的探索

逐步在學生群體中推廣分子動力學理論并鼓勵學生盡快掌握多學科知識，是探索該人才培養模式的基礎。此環節可以前期指導的小規模大學生學習團隊為基礎，擴大吸納一批以物理學專業為主的分跨多個專業的優秀學生，進而組建“分子動力學仿真”學習社團;定期安排研究團隊教師開展分子動力學理論及相關課程網絡教學，并提供涵蓋不同學科所關注仿真案例供學生學習，使學生深化對理論的理解;在此基礎上，鼓勵學生嘗試單機版LAMMPS軟件安裝及運行。

1. 以前期指導的小規模大學生學習團隊為基礎，于校內進行科研實踐中分子動力學方法應用宣講，內容涵蓋物理、材料、電子、力學等不同專業研究前沿，以吸納一批以物理學專業為主分跨多個專業的優秀學生（每期規模擬為30名，后期視發展情況而定）;

2. 組建完“分子動力學仿真”學習社團后，依據團隊教師多年經驗，借助網絡課堂講授分子動力學理論及其在物理、材料、電子、力學等領域中仿真應用方法，借助經典的模擬案例為學生講解基于LAMMPS的運行代碼及結果分析;

3. 在學生對相關理論方法熟悉度增加基礎上，鼓勵學生安裝Windows單機版LAMMPS軟件，并運行調試課程中老師所講授模擬案例，增強學生對理論結合實際操作的理解。

（二）基于學生個人電腦的跨校區云端協同LA- MMPS仿真平臺搭建及運維

搭建不受局域網、不受空間等限制且能充分調動學生運用個人電腦開展分子動力學仿真的實踐平臺是探索該人才培養模式的關鍵。此部分可在廣域網組局域網Zerotier One軟件開展多平臺Linux版LAMMPS軟件（相較Windows版計算更穩定）聯機使用，以實現學生與老師不同校區間的多人云端操作、數據傳輸訪問及老師云端指導任務，消除學生老師物理空間上的不便;深入指導學生開展LAMMPS相關代碼編寫及運行;在安全管理賬戶前提下，鼓勵學生借助國家超算或學校計算平臺開展大規模原子體系仿真計算。

1. 云端指導學生安裝Linux系統及該系統下的LAMMPS軟件，在前期軟件學習基礎上進一步強化;基于Linux系統指導學生采用Zerotier One軟件交互搭建廣域網組局域網的LAMMPS仿真平臺，初步實現相互調動計算資源、傳輸計算腳本及數據等功能;

2. 測試跨校區下云端協同LAMMPS仿真平臺的資源調動響應，并以樹莓派技術創建云存儲空間，便于不同校區師生上傳下載數據，進而實現不同校區間的多人云端操作、數據傳輸訪問及老師云端指導科研工作，消除師生物理空間上的科研實踐不便性;

3. 基于國家超算或學校計算平臺賬戶，在合理安排計算資源及計算安全前提下，逐步引導學習較快學生轉移到計算平臺開展實質性科研工作，以便于加快大規模原子體系計算效率。

（三）基于仿真平臺指導學生開展物理學與多學科交叉創新研究工作

在理論基礎及軟件代碼等熟練基礎上開展學科交叉創新課題研究是探索該人才培養模式的重要途徑。此部分以研究團隊在物理學、材料力學、熱輸運、輻照損傷、腐蝕等領域多年研究積累基礎上，依據學生學科特點、科研興趣及未來發展情況，指引不同專業學生組隊開展相關課題綜合性實踐，從文獻查閱、方案制訂、可行性分析、LAMMPS仿真調試、參與競賽、文章撰寫等方面組織學生開展工作，充分發揮學生主動性和積極性，分析解決實際設計與調試過程中遇到的問題，培養創新意識和能力以及不斷提高自主學習、團結協作和組織實施能力。

1. 在對“分子動力學仿真”學習社團不同學生的學科特點、科研興趣及未來發展充分了解的情況下，指引不同專業學生圍繞感興趣課題方向組成學習小組，以便相互彌補交叉學科知識短板;

2. 在確定好課題方向及小組成員基礎上，組織學生開展文獻查閱、方案制訂、可行性分析等工作，進而圍繞具體研究點進行云端協同LAMMPS仿真調試;

3. 在具備科研產出基礎上，鼓勵學生參加校級、省級甚至國家級創新比賽（如“挑戰杯”“互聯網+”），通過大賽來檢驗學習效果、實踐創新能力，完成綜合項目的設計、制作與調試;對有深造想法的學生，指導其在有相關創新成果基礎上開展學術論文訓練工作;

4. 在整個過程中，以云端協同LAMMPS軟件為手段充分發揮學生主動性、積極性和創造性，提高學生解決實際設計與調試問題的能力，培養學生理解物理學與多學科交叉創新內涵，以適應新興產業發展需求。

四、結語

綜上所述，本研究針對近年來高校物理學類學科交叉薄弱、科研實踐交流受限等問題，另辟蹊徑探索分子動力學仿真技術驅動物理學與多學科交叉創新型人才培養的模式，有望實現如下兩個主要目標：

一是分子動力學方法由經典牛頓第二定律發展而來，涵蓋多個學科知識，容易被廣大本科生所理解接受，非常適于探索納米尺度材料結構、力學、熱學、腐蝕等性能，極具基礎性與多學科性。因此，借助分子動力學仿真技術驅動物理學與多學科交叉將可極大激發學生的學習興趣及培養學生的創造力與科學探索精神，進而形成適應當下需求、易于推廣的創新型人才培養模式。

二是面對實驗主體平臺與學生分跨多個校區導致的學生積極探索動力及實踐機會減弱這一不利局面，創新引入這一可實現多人云端操作及老師云端指導的分子動力學云端協同仿真平臺，開展在線實時數據獲取，實現學科交叉應用探索的人才培養模式，有效解決了師生物理時空限制的科研實踐交流。

基金項目：鄭州大學教育教學改革研究與實踐項目“分子動力學仿真技術驅動的物理學與多學科交叉創新型人才培養模式研究”（項目編號：2022ZZUJG173）。

作者簡介：黃海（1990—），男，博士，鄭州大學物理學院副教授，研究方向為計算物理學;蔡彬（1971—），男，博士，鄭州大學物理學院教授，研究方向為材料物理學;王明星（1963—），男，博士，鄭州大學物理學院教授，研究方向為金屬物理學。

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（責任編輯：黃文波）