材料模拟软件在固体物理教学中的应用

党随虎

摘 要：针对固体物理内容抽象、难理解的特点，对将抽象物理模型及其作用原理形象地通过材料模拟软件在固体物理教学中的应用进行了分析，借助模拟软件分别采用引入科技前沿、动手搭建结构模型和物理图像三维展示等方法提高了固体物理的教学效果。

关键词：材料模拟；固体物理；Materials Studio；工程学

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.128

固体物理是物理学、材料科学、工程学、化学和电子学等专业中重要的基础专业课，是物理学中内容丰富、应用广泛的学科。此外，固体物理还是微电子技术、光电子学、能源和材料科学等技术学科的基础，学好这门课程不仅要有良好的物理思想，还要有扎实的数学基础。其涉及的内容从晶格振动到固体电子能带理论，既要用到抽象的量子力学理论，又要使用高度抽象的波矢空间，常使学生感到固体物理枯燥无味、难以入门。比如，学生普遍觉得固体物理中晶体结构和对称性部分难掌握，主要原因是该部分涉及三维空间变换，单纯地使用板书或多媒体对学生的教学效果不明显，一直以来处于“教师不好讲、学生不好学”的尴尬局面。因此，如何形象、直观地阐释固体物理相关概念的物理图像已成为教学中亟待解决的问题。

1 材料模拟软件辅助教学的优势

当前材料模拟技术正广泛地应用于科研生产、教学等各个相关领域中，出现了Materials Studio、Vasp和Gauss等一系列材料模拟软件。这些软件大都可以使分子、原子等微观粒子的结构形象化、可视化，且可以通过结构分析、模拟、数据处理，从微观角度揭示结构与性质的关系。因此，利用材料模拟计算软件的辅助教学功能，比如利用Materials Studio的Visualizer模块可搭建三维结构模型、显示外场作用下晶体结构和电子结构改变的优势，从而形象、直观地展示固体物理中较抽象、复杂的概念和模型，将抽象的平面教学转变为立体的形象教学。

2 材料模拟软件的具体应用

固体物理学科发展较快，传统教学内容无法及时反映其发展的前沿动态。结合固体物理的专业特点，采用基础理论分析预测固体材料的性能和应用时，材料模拟软件能使微观结构和作用原理形象化、可视化的优点引入前沿知识的辅助教学，可实现教学内容的创新。固体能带理论对半导体的研究起着重大的指导作用，固体物理中引入了半导体材料方面的最新内容，结合材料模拟软件给出的能带理论可帮助学生理解半导体材料的电子性质。通过模拟软件计算结果与半导体材料实际性能间的差异，可发现电子结构的理论方法中存在缺陷和不足。适当引入相关前沿知识内容，能扩展学生视野、引导学生关注固体物理发展的最新进展。

应在日常固体物理学的教学中贯彻“教为主导，学为主体”的原则，改变传统的单调、呆板的教学方法，适当穿插材料模拟实践课，使学生自己使用材料模拟软件搭建不同的结构模型，充分利用材料模拟软件的可视化功能将抽象的物理模型和作用原理形象地展现出来，以激发学生的学习兴趣，增强其创造性思维。在学习晶格对称性这部分内容时，学生可用Materials Studio的Visualizer模块搭建出七大晶系的14种布拉伐格子，在搭建过程中理解每一种布拉伐格子单位基矢的特征和所属点群；学生很难掌握不同晶体表面的结构这部分内容，可结合Visualizer模块的layer builder功能，引导学生对晶体进行切面，观察切面得到不同表面的几何结构，这样能进一步加深学生对这些内容的理解。

为了便于学生对课程中难点的理解和掌握，结合多媒体课件在教学中充分发挥模拟计算软件的优势，将课程中涉及的难点问题的物理图像以二维或三维动画的形式生动、形象地展示在学生面前，可弥补传统教学在时间和空间等方面的不足，从而提高教学效果。比如，在讲到固体中的光吸收和光的发射时，可利用Material Studio的录像功能，动态显示光与固体中电子、激子、晶格振动、杂质和缺陷等相互作用产生的光的吸收；反之，当固体吸收了外界能量后，其中，部分能量以可见光或近似可见光的电磁波形式发射，并应用已有理论进行分析，以激发学生的学习兴趣，培养学生良好的物理思维模式，提高其分析、解决问题的能力。

3 结束语

通过利用材料模拟软件能将抽象的物理模型和作用原理形象地展现处理，改变固体物理课堂教学效果不明显的现状，使固体物理学习具有动态交互性和自主探索性。在课堂教学中引入科技前沿，可扩展学生视野。通过动手搭建结构模型，可加深对固体物理概念的理解。以二维或三维动画的形式形象地展示难点问题的物理图像，可激发学生的学习兴趣。材料模拟软件在固体物理教学课堂中的应用能改变灌输式的教学方式为探索式学习，可调动学生的学习兴趣，提高固体物理的教学效率。

参考文献

[1]于永宁. 材料科学基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

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[4]方俊鑫，陆栋.固体物理学[M].上海：上海科学技术出版社，1997.

〔编辑：张思楠〕