分子计算实验室构建及创新培养模式研究

刘玉申，况亚伟，马玉龙，张雪，周雯倩，冯金福

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

分子计算实验室构建及创新培养模式研究

刘玉申，况亚伟，马玉龙，张雪，周雯倩，冯金福

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

通过对分子计算实验室的构建和开放性课题的开展，拓展了学生的专业知识，提高了实际工作能力，增强了学生对科研的兴趣。在探讨分子计算实验室构建和管理的基础上研究了物理类本科学生的创新培养模式，并对培养过程中出现的问题进行了分析。

分子计算；实验室构建；创新培养模式

分子计算实验室是面向新型热电材料性能研究，结合硬件软件平台，包括：ATK，VNL，ORIGIN，SSH，VASP，VESTA等，并集多学科知识于一体，充分体现先进性，开放性和多样性的实验室。实验室能紧密结合理论与热电材料结构建立分子模型，适合于对各类热电材料模型性质的研究以及对新型热电材料理论知识的拓展。在满足科研的同时，本实验室可以满足物理类专业学生进行课程设计，毕业设计以及创新课题实践等多个教学环节的需要［1］［2］。

一、分子计算实验室的构建

（一）充分体现技术的先进性

1834年，法国物理学家佩尔捷（J.C.A.Peltier）发现了热电效应。20世纪50年代，一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现，热电技术（热电制冷和热电发电）的研究才成为一个热门课题。对新型热电材料的研究需要硬件，软件及多方面知识的支持，所以可学习的内容不仅仅是各软件的使用，更多的是课外拓展，如：对新型热电材料的认识，对新型热电材料各种性质的分析研究以及对专业学科更深的了解。

本实验室主要特色为构建具有较强网络功能的微内核操作系统和高性能机群系统，包括高效的网络／交换机，网卡，快速传输协议和服务，中间件层，并行程序设计环境与工具及相关的应用程序。其硬件是由超微X9DAI双路工作站主板，4G／DDR3／PC3-10600R／1333服务器内存，E5-2665/2.3G／8核16线程CPU，联志4U/4165加长无盘服务器机箱及施耐德开关电源组装而成。

该机群系统平台的运行步骤包括通过第一性原理模拟新型热电材料的电学性质和量子输运性质，通过VNL，VESTA软件可视化构建材料的分子模型并设置虚拟参数，用VASP、ATK程序来优化结构，接着继续用ATK计算热电输运等性质，然后通过SSH远程登录机群使构建的分子模型脚本与VASP，ATK程序紧密衔接完成计算。最后的计算结果可用ORIGIN软件更形象地表达出该材料的输运等性质，如图1所示。

通过对这些软件的学习以及对输运等性质图像的研究，使学生熟悉了热电材料的性质以及研究这些性质的方法，培养了动手操作能力。随着研究的逐渐深入，对新型热电材料的研究不仅能提高学生解决问题的能力，还能培养学生的创新能力和抽象思维能力，为学生以后的学习、工作打下坚实基础［3］。

（二）充分体现软件拓展性

机群系统平台使用的软件均为各个行业最先进的软件系统，在使用中充分体现其拓展性，让学生接触更多自己专业拓展的知识，从而更深理解已学知识，提高自身专业素养。

图1 分子计算实验室机群系统平台运行步骤示意图

ATK是通过运行自编的具备各种功能的脚本来模拟新型热电材料微观模型。编辑脚本的关键是确定所需参数，并测试选取最佳参数值，最后保存为后缀为。py的文件。ATK的计算结果可在任何合适的图像显示程序中可视化，而本实验室采用VNL进行可视化。当然，VNL的功能不仅仅是一个可视化程序，更重要的是它本身也是一个可以执行模拟功能的数值计算程序，可以直接在VNL中进行材料性质的模拟。

在新型热电分子材料微观结构可视化和特性计算过程中，结合ATK、VNL和FORTRAN，实现了对各类热电材料微观结构的模拟，并对其输运特性，自旋极化率，总能量，磁矩分布，能带，态密度，热电等特性进行模拟，并完成单一软件的扩展。通过一系列的测试和模拟，综合研究新型热电材料的性质。

而ATK构建的有些脚本并不稳定，这就需要使用VASP来对其进行优化处理，计算其结构参数（键长，键角，晶格常数，原子位置等）以及重新建构模型。VASP优化后的新构模型文件为CONTCAR，实验中采用VESTA来对其进行可视化，VESTA不仅可以查看VASP所建构的模型，还可以测量该模型的键长、键角、格常数，原子位置等。

（三）充分体现自主学习

通过对新型热电分子材料的研究，将理论、模型以及实践相结合，全面培养了学生的综合能力，达到创新型人才培养的目标。模型的构建，数据图像的分析更是结合了固体物理学和量子力学等多方面理论知识，既巩固了所学过的知识，也能进行知识拓展。

新型热电分子材料创新实验室采取理论、模型以及实践相结合的方式在学生已有的专业理论知识的基础上，通过参考各种资料，拓展更多的理论知识；通过以上软件的学习使用，结合模型的建构，开发了学生的抽象思维，培养学生的独立动手能力；通过实践使学生建立起对热电材料研究的兴趣，更培养学生的创新能力、独立分析解决问题的能力以及团队合作的精神［4-5］。

二、物理类本科生创新培养模式研究

（一）实践教学的开展

根据先进性，开放性和知识多样性的实验室建设规划，按照本专业人才培养目标，形成针对不同层次学生的多层次教学模式：

（1）基本知识：通过对硬件平台及软件的调试，加深学生对基本理论知识的理解。

（2）综合能力：通过教师指导完成课程设计或设计性课题的研究，针对不同材料构成的热电材料体系或不同结构的热电材料体系进行分子模型的建立和求解，对提高学生的综合能力大有裨益。目前已有3组同学成功申报校级和市级“大学生研究性学习和创新实验”项目。

（3）实践能力：分子计算实验室的开放性与扩展性为整个实验室的实践性提供了很好的基础，学生可以通过动手组装机群、构建局域网、装载软件、编写程序、调试系统，使学生解决实际问题的能力得到锻炼和提高。

（二）考核与评价

对于进入实验室的学生，除了配备相关教师进行指导，还需定期对学生的研究工作进行考核与评价，实行相应的退出机制，给学生一定的压力。尤其是对校级、市级立项的研究性课题和创新性实验、毕业设计等综合性较强，有一定难度的项目，教师应严格做好考核工作，对于项目进展中的选题、开题、中期、结题、答辩等环节逐一把关。

（三）培养过程中出现的问题

在分子计算实验室运行两年的时间里，已形成了良好的管理模式和运行体制，师生之间配合默契，但也出现了一些问题：

（1）设备维护力量不足。实验室的主体平台为高性能机群及专业软件。由于学生人数越来越多，学生的实际动手能力参差不齐，难以避免对设备造成不同程度的损坏；同时，由于每次运行计算的时间均要持续几天或几周，在此期间存在的断电或其他意外情况，均增加了设备维护的难度和工作量；

（2）指导力量不足。由于分子计算实验室的开放性和综合性，同时因为机群系统平台和软件平台的扩展更新频率较高，指导教师在指导学生之前自己首先要熟悉系统的更新，并准备随时指导学生解决研究过程中碰到的问题，所以相应对指导教师提出了更高的要求，远比课堂讲解习题和单一指导实验难度大得多，并且随着进入实验室的学生人数的增加，目前实验室指导力量尤显不足。

针对实验室运行过程中出现的问题，目前的解决方案是在进入实验室的初始阶段加强系统操作培训，简化操作流程，减少误操作带来的设备损坏［6］；对于指导力量的缺乏，实验室充分调动师生的参与积极性，每个人在面对新问题的时候既是老师又是学生，共同解决问题，并鼓励高年级优秀学生参与实验指导。

［1］王伟，李忠文，周细应.浅谈工科大学生创新实践能力的培养——以教师指导学生参加创新实验为例［J］.科教文汇，2014（10）.

［2］张兰勇，刘胜，李冰.利用信息技术培养大学生的创新创业能力［J］.中国信息技术教育，2014（8）.

［3］薛金林，戴青华.大学生实践创新的自主管理［J］.教育教学论坛，2013（52）.

［4］朱进容，黄楚云，姚育成，等.光电信息专业人才培养模式的研究与实践［J］.教育教学论坛，2013（52）：202-203.

［5］路而红.虚拟电子实验室［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［6］龚利华.实验室开放存在的问题及解决办法探讨［J］.实验科学与技术，2009（10）.

A Research on the Construction of Molecular Computing Laboratory and the Innovation of Training Mode

LIU Yu-shen, KUANG Ya-wei, MA Yu-long, ZHANG Xue, ZHOU Wen-qian, FENG Jin-fu
(School of Physics and Electronic Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu, 215500, China)

In order to strengthen the innovation spirit and practice ability of physical undergraduate students, full use is made of existing teaching and scientific research condition. The laboratory is open to students, who can take advantage of the opportunity of molecular computing laboratory construction. These activities not only expand the professional knowledge but also improve the ability of practical work and interest in scientific research. This paper discusses the building and management of molecular computing laboratory based on the research of students’innovation education mode. Furthermore, the paper analyzes the problems involved in this process.

molecular computing; laboratory construction; innovation of training mode

G642.0

A

1008-2794（2014）06-0043-03

2013-08-23

刘玉申（1979—），男，山东临清人，副教授，主要研究方向为纳米与分子体系的输运。