浅谈计算材料学实验的教学设计与实施

陈　刚，管洪涛，董成军，黄　强，王毓德

(云南大学　物理科学技术学院，云南　昆明　650091)



浅谈计算材料学实验的教学设计与实施

陈刚，管洪涛，董成军，黄强，王毓德

(云南大学物理科学技术学院，云南昆明650091)

计算材料学实验教学是材料实验教学体系中的重要组成部分。由于涉及众多学科、理论知识复杂、模拟体系范围广等特点，使得计算材料学实验的开展与实施存在较大的困难。文中以氮化钛的计算模拟为案例，从实验内容的选取、实验教学的开展以及实验结果的分析等方面阐述了笔者在计算材料学实验开展过程中的经验及体会。期望能对此类实验的有效开展提供有益的经验借鉴。

计算材料学实验；实验教学；材料模拟； 氮化钛

1　开展计算材料学实验的重要性以及难点

计算材料学(computational materials science)利用现代高速计算机技术，结合物理学、化学、生物学、材料学等相关学科的基础知识，可以对材料从微观到宏观多尺度的结构、性能等进行理论计算[1]，并且能够从微观机制上解释、预测材料性能或者对新材料的合成制备等做出理论预测。作为配套的计算材料学实验，应用计算材料学的理论知识结合具体的程序软件能进一步提高学生对理论知识的理解，同时也能够形象直观地展示材料的微观、宏观结构以及性能信息，使材料的按需设计、合理定制成为可能[2]。因此，计算材料学实验不仅在材料研究领域内受到越来越多的关注与重视，而且作为一门新型实验教学科目，逐渐成为本科实验教学体系的重要组成部分。

但是由于计算材料学实验涉及多学科、多尺度、理论基础要求高等特点，使得实验教学的开展相对困难。通过选择计算材料学实验的研究范围，采用合适的计算软件或者自编程序成为有效开展计算模拟实验教学的先决条件，而结合各自单位的主要研究方向、学生的专业背景以及体系化实验教学的要求不失为一种明智的选取原则。比如，云南大学根据各课题组研究方向选择了基于密度泛函理论(density functional theory，DFT)[3]的第一性原理(first principles)方法[4]作为计算材料学实验的教学内容，利用学校机房、超算中心作为硬件支撑，采用Accelry软件公司开发的Materials Studio软件作为实施材料模拟与计算的软件平台。在确定了实验课程的软硬件资源以后，多年的教学经验表明，依据学生的理论知识体系，选取难度合适的教学内容，采用新颖的实验教学方式能够保障计算材料学实验的有效开展。

本文结合作者多年开展计算材料学实验的实践经验，以“氮化钛(TiN)力学性质以及高压相变的模拟计算”为例，从计算材料学实验选题的确立原则、实验教学的组织实施、实验结果分析以及报告撰写等关键环节展开讨论，为类似实验课程的开展提供参考与借鉴。

2　计算材料学实验的组织与实施

2.1计算材料学实验的选题

在基本的软硬件平台俱备的前提下，不同于普通实验教学受场地、实验器材、药品等因素的影响存在较大的局限性，计算材料学实验的选题自由度很大。因此，从激发学习者的兴趣出发，选择他们参与的科研课题内容或者是当前材料科学研究的热点，特别是学习者自主感兴趣的研究方向是计算材料学实验选题的重要原则。值得注意的是，在实验选题设置阶段，教学者或者实验选题提出者关于研究背景以及最终获得的结果预期的介绍会极大吸引学习者的注意力，激发他们进一步探索的兴趣。因此鼓励学习者在调研基础上自主选题是最优的实验选题方案。作为案例的TiN的模拟实验属于学生的自主选题，在选题依据时，学生们给出TiN是一种具有高熔点、高硬度、良好的耐腐蚀、耐磨性以及优良导电与导热等性能的功能材料[5-7]，作为过渡金属氮化物材料的一种，研究其结构、高硬度的微观机制对发展超硬理论以及制备此类超硬材料有重要意义。另外，作为涂层的TiN可工作在恶劣的高温高压状况，高压下TiN的结构与性能由于需要高的压力是常规实验上难以实现的，但是借助第一性原理计算能够非常容易地获得TiN的相关性质。上述选题介绍明确给出依据以及计算模拟的目的，经指导教师和学生们的讨论确立其作为一个实验开设项目。需要说明的是，选题阶段由于学习者尚且缺乏软件的实际操作经验，只能根据兴趣以及希望获得的结果等设计实验内容，因此指导教师在此阶段要从软件操作、模拟的结果能否对预期要求提供有力的支持、计算模拟的难度等方面权衡选题的合理性，保障随后实验教学的有序开展。

2.2计算材料学实验教学的开展

在确定了计算材料学实验选题后，实验教学工作的重点就在于如何积极有效地引导学生进行计算材料学实验。根据实验教学内容安排，主要从软件功能介绍、计算模拟操作实战、计算结果的分析3方面开展计算材料学实验教学。

2.2.1计算软件的学习

计算软件的学习是必要的初始阶段。此阶段选择几篇与选题相关的经典文献来重复计算模拟，或者是按照软件本身自带的实战案例教程的范例步骤依次完成是最行之有效、快捷的软件学习的方法。此过程中指导老师和学习者要针对软件学习中出现的问题共同寻找解决方案。采用指导教师讲解、示范以及鼓励学生们自主查阅相关书籍、文献、软件帮助文件等方法，在互相学习、讨论的基础上快速掌握软件的基本操作，掌握计算模拟的全部过程，要求学生们掌握计算构型的创建、计算参数的合理选取、软件的主要功能等软件基础知识。

2.2.2实验项目的有效开展

在熟悉软件后，实验教学应该尽快地转入到前面确定的实验教学项目的模拟与计算上。教学过程中要时刻围绕预期目标，设立每次教学必须完成的阶段性目标，即要求学生通过每次具体的计算模拟上机操作，利用软件提供的功能完成诸如计算构型的构建，计算参数设置，计算模拟结果数据收集、分析、绘图或者列表等操作。以TiN的模拟实验为例，必须学会构建TiN不同的结构(如图1所示)、计算其力学性质(如表1所示)，学会加压的设置、获取TiN的电子结构等信息。为了进一步加强对计算材料学中某些重要理论的学习，可以在展开专题讨论基础上，结合软件计算模拟结果分析，加深对某些重要基础理论的理解。例如，为了进一步学习交换关联能和赝势两个重要知识点，实验过程中通过改变上述两个重要参数的组合来展开模拟计算，结果见表1。通过对表1结果的分析，一方面，可以获得比较准确的计算参数设置，教给学生们关于参数设置的一个重要方法；另一方面，可以展开对不同交换关联能和赝势选取对结果的影响以及产生原因的理论探讨。

图1　不同构型的TiN的结构图

计算参数晶格常数/nmCij/GPaC11C12C44体弹模量/GPa模守恒赝势GGAPBE0.427554.0139.00166.0277.0GGARPBE0.428545.0142.00165.0276.0GGAPW910.427551.0142.00165.0279.0LDA0.4251259.0258.00162.0592.0超软赝势GGAPBE4.23583.089.00166.0254.0GGARPBE4.25554.094.00177.0247.0GGAPW914.22589.0100.00160.0263.0LDA4.15630.0127.00192.0295.0 文献[8]4.30630.075.55119.0260.5 文献[9]4.25497.8105.70168.1236.4

在整个实验项目的计算模拟中，每次教学要设置简单、具体、细化的目标，逐步完成选题预期需要解决的关键问题。老师的讲解示范与学生们的自主学习有机结合，在具体问题的引导下多数学生能够主动查阅相关文献，积极参与讨论，集思广益来解决计算模拟过程中存在的问题。

2.2.3计算模拟结果的分析及实验报告的撰写

在完成了实验模拟计算获取到结果数据后，如何提取重要的数据信息并经过分析处理，解决选题初期设定的目标，完成实验报告是整个实验的最后部分。计算材料学实验的结果分析以及实验报告的撰写不同于常见实验，不能够很快地从实验课本的实验原理中获得数据分析所需要的理论知识以及数据分析的方法，其结果的分析和报告的撰写更接近一篇学术论文的撰写，对学生们来说这是一个有难度但是重要的学习环节。因此，鼓励学生力所能及、清晰、透彻地把一个具体的科学问题分析、整理并展现出来，完成一份有分量和价值的实验报告是该实验课应该传授的重要技能之一。以教学案例为例，在获得了TiN的弹性系数、剪切模量、体弹模量等结果后，学生们仍然存在着第一性原理计算的力学量与TiN宏观表现出的超硬特性之间关联的困惑。在对计算模拟数据和图表的分析与整理后，学生们通过查阅文献、翻阅书籍，利用计算的键长、键能值获得了TiN不同结构的硬度值，比较分析认为第一性原理计算剪切模量和体弹模量可以作为衡量硬度的参数，但是二者之间并不存在一一对应的关系；另外，通过对不同结构的TiN力学性质以及成键属性的比较，推断出TiN的硬度主要和Ti原子以及N原子之间的成键种类以及键合强弱有关系，该结论和相关文献的报道结果一致[10-12]，并且是对上述文献结论的有力支持。通过改变压强条件下TiN的结构以及力学性质的计算所获得的力学量在高压下的变化趋势，预测了高压下TiN可能会发生从B1相向B2相的转变，结合两相焓差随压强变化的曲线，如图2所示，获得此转变压强为340 GPa。这一结果与其他文献报道的理论预测值370 Gpa[13]基本一致。

图2　焓差随压力变化的曲线

计算材料学实验结果的分析需要学生大量地阅读文献，抽取模拟计算获得的结果，借助于不同的数据处理、绘图软件获得能够支持解决预期问题的数据和图表。实验报告书写过程则是对这些获得的数据、图表、结论等结果的重新梳理与组织。此阶段强调学生按照学术论文撰写的要求，在报告中简洁明了地给出实验项目的研究背景、实验过程中的计算模拟方案设计以及对计算结果的分析与讨论后形成的结论。报告必须图文并茂、逻辑清晰，并且必须将自己计算的结果与别人的结果或者实验数据进行比较分析，在此基础上给出可靠的结论。

3　结束语

计算材料学实验是一门涵盖多学科基础知识、难度较大的综合实验，以学生的科研兴趣为导向，灵活设置计算模拟实验项目，极大地增加学生们学习的积极性与自主性。实验过程中，指导教师的正确引导及合理掌控，把教学任务分解成明确具体的学习目标后，依靠学生自主提出问题、分析问题以及解决问题能够取得较好的教学效果。

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Design and Conduct of Computational Material Science Experiment

CHEN Gang，GUAN Hongtao，DONG Chengjun，HUANG Qiang，WANG Yude

(School of Physical Science and Technology，Yunnan University，Kunming 650091，China)

Computational materials science experiment (CMSE) is a significant subject in undergraduate experiment teaching system.During the multidisciplinary and complexity of fundamental knowledge and the wide range of simulation covered，CMSE is difficult to carry out the experimental teaching of the computational material science.In this paper，computation and simulation of titanium nitride was selected as an example to expound how to select the experiment contents，conduct experiment teaching and analysze the experiment results.Some useful experiences for reference were provided to develop such similar experiments.

computational materials science experiment; experimental teaching; materials simulation; titanium nitride

2014-08-18

云南大学校级基金(2010YB047)。

陈刚(1978-)，男，硕士，讲师，主要从事材料模拟与计算方面的研究。

O469；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.037