Materials Studio软件在材料专业课程教学中的应用

赵翠华+李玉琼+潘利文

摘 要： 大学课堂普遍存在的沉闷现象严重影响大学教学质量，为了提高大学课堂的实效性，本文把MS（Materials Studio）软件应用到材料专业教学中，对教学内容进行感官的情景模拟，使学生直观地观察、体验、发现、干预所学知识，充分激发学生的学习兴趣，调动学生的主动性和积极性，培养学生的探索精神，分析问题、解决问题及创新的能力，培养学生的综合素质。

关键词： MS软件 情景模拟 材料专业

1.引言

课堂教学作为高等教育的重要组成部分，其质量直接关系到我国高等教育的水平。目前大学课堂普遍存在教师缺乏教学艺术、大学生缺乏学习热情和动力、师生缺乏交流等问题，严重影响教学质量。

构成课堂教学的三要素是教师、学生和教学内容。处理好三者之间的关系是提高课堂教学质量的关键，但是目前大多数高校教师并没有完全理顺这三者之间的关系，沿袭传统的“教师讲学生听”的“满堂灌”教学模式，导致教师在讲台上讲得口干舌燥，筋疲力尽，而学生在讲台下却无精打采、昏昏欲睡。在这种教学方式下，教师是教学活动中的主角，缺少与学生的有效互动，没有很好地调动学生学习的积极性。当代著名教育家张楚廷教授曾说：“中国大学普遍的沉闷状态是令人忧郁的，课堂本是一个应激起头脑风暴的地方，但是它寂静得令人可怕。”这句话很形象地说明了我国大学课堂教学中存在的弊端。这样的课堂教学，不利于学生思维的开阔，不利于学生创新能力的提高。

教学的创造基于方法的更新，因此课堂教学的改革与教学方式的转变紧密结合。当今世界各国在教育领域的改革重点是关注教学方式的变革，其目的是以课堂教学实施作为切入口，以此探索改革传统的“以老师和课堂为中心的划一、封闭及包办”的教学方法，从而试图建立“以学生为中心，多渠道、多形式、主动吸收信息”的开放式教学方法模式。在各种各样的课堂教学改革实践中，模拟教学法最引人注目。模拟教学是指创造人为的教学环境，使学生在模拟真实的氛围中学习课程所规定的知识和能力。模拟教学是一种更宏观的教学改革策略，它全面考虑了教育与生活的特有属性、要求与规律，模拟社会环境并通过项目教学、案例分析、卡片展示等富有针对性的协作教学行为，综合地作用于学生，其对学生的专业能力、方法能力及解决问题的事务能力等具有非常重要的作用。本文拟采用模拟教学法，把专门为材料科学领域研究者开发的MS软件应用到材料专业的课程教学中，通过模拟教学内容，让学生直观看到事物对象发生的整个动态过程，充分激发学生的学习兴趣，调动学生的主动性和积极性，培养学生的探索精神，培养学生的创新能力及分析问题和解决问题的能力。

MS软件是将多范围的软件结合成一个集量子力学、分子力学、介观模型、分析工具模拟和统计相关应用为一体的建模环境，其研究领域包括晶体和分子材料结构及性质研究、表面和表面重构性质、表面化学及分子与材料表面作用研究、电子结构、光学和磁学性质研究、材料力学性质研究、材料逸出功、电离能计算及STM图像模拟研究等，是一种强有力的模拟工具。MS软件可以方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型及高分子材料的性质及相关过程进行模拟计算，得到切实可靠的数据。MS软件的上述特点适合教学，由于它涉及的研究领域比较多，因此在很多材料专业的课程中都可以应用。

本文以材料专业课程中半导体表面亲水疏水这一章节的内容为例，把MS软件应用到这部分内容的教学中，对教学内容进行模拟，通过三维模型的建立和计算，直观地看到表面吸附作用的整个动态过程，把抽象的知识形象化，充分调动学生的积极性、主动性和创新意识，提高学生分析问题与解决问题的能力，激发学生的学习兴趣和探索精神，提高学生的综合素质与能力。

2.材料专业课程教学的现状

材料专业的课程内容庞杂且比较抽象，难以理解，尽管经过不断的教学改革，目前在教学过程中较多地采用了多媒体教学课件，可以逼真形象地展示材料各组成部分的结构等，增强学生的感性认识，但是效果还是不尽如人意。学生存在个体差异，接受能力、理解能力不一致，在以老师为主体的教学环境下，学生只能被动地接受或者部分接受。另外，多媒体教学课件以演示PPT为主，学生缺乏在真实的三维空间中直观形象地了解材料表面发生作用的真实情况，对课程学习只是停留在概念的阶段。

3.MS软件教学应用实例

在以前的学习中，大学生可能已经知道半导体表面和内部的结构不同，活性大小也不同。通过课堂多媒体的展示，可能看到半导体表面和内部的结构，但是见到的只是平面图，看不到真实的三维形象。通过MS软件建立的半导体表面三维微观模型，可以使学生非常清楚地看到表面原子和内容原子配位结构的不同，从而更好地理解半导体表面活性比内容强的原因。另外，通过MS软件的模拟，可以形象地展示出半导体表面与水发生作用的整个动态过程。下面以FeS2和PbS两种半导体为例，模拟水分子在FeS2和PbS表面的作用过程，比较水分子在不同表面的吸附作用，并探讨不同半导体表面亲水疏水的原因。

3.1 FeS2和PbS表面模型的建立

半导体亲水和疏水是在表面发生的，因此采用MS软件学习这部分内容时，先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教学过程中，教师要引导学生思考，和教师一起完成模拟任务。表面从优化的体相中切出来，在切面的过程中，让同学们了解晶面的概念，通过简单的操作，向学生展示不同晶面的表面结构，并理解不同晶面的差异。在模拟水分子在半导体表面吸附时，一般选用半导体最稳定的解离面。通过模拟计算表面能，确定最稳定的表面模型。图1和图2分别为所建立的FeS2和PbS的表面模型。

从图1（a）和图1（b）中三维图形中可以很清楚地看到，FeS2和PbS具有不同的表面结构。这种不同结构也决定了它们与水分子作用的不同。从图1还可以看到，不管是FeS2还是PbS半导体，其表面结构和内容都不同。最明显的不同是表面原子的配位数与内部原子不同（表面层原子的配位数要小于内部原子），也就是说，半导体表面层原子都存在悬挂键，这也是表面原子与内容原子活性不同的原因，也是为什么吸附发生在表面的原因。在一般的教学中，尽管通过多媒体展示可以看到半导体表面结构，但是不能看到三维立体模型，不能了解半导体表面原子配位等具体细节，因此对这部分的理解不够深刻。

3.2材料表面与水的作用

不同材料与水的作用不同，有的亲水，有的疏水。一般情况下，我们都是从润湿角的角度进行分析。如果润湿角小于90度，就是亲水的，如果润湿角大于90度，就是疏水的。但是对于为什么会出现这种现象，很多同学还是不太明白。在这里通过MS软件的模拟，展示不同的半导体表面与水作用的动态过程，并从微观角度分析材料亲水疏水的原因。

在实践中，分子一般是在半导体表面最稳定的吸附位进行吸附的，因此对其进行模拟要找出最稳定的吸附位。通过测试吸附能可以确定最稳定的吸附构型。图2（a）和图2（b）分别为水分子在FeS2和PbS表面最稳定的吸附构型。

MS软件可以展示水分子与FeS2和PbS表面作用的动态过程，通过观看这个过程可以知道，水分子被吸附在FeS2表面，而被PbS表面排开，远离表面。也就是说FeS2表面是亲水的，而PbS表面时疏水的。从图2（a）中可以看出FeS2表面水分子中氧与表面Fe之间的距离为2.184？魡，而PbS表面水分子中氧与表面Pb之间的距离为2.689？魡。这意味着FeS2表面的水被吸附在表面，而PbS表面的水被排开。

上面是单分子水与材料表面的作用，在实践中，一般都是多分子水与材料表面的作用。通过MS软件也可以对多分子水与材料表面的作用进行模拟。图3（a）和图3（b）为多个水分子与FeS2和PbS表面的作用模型。多分子水吸附过程中，水分子之间会发生相互作用。通过MS软件可以展示多分子在材料表面作用的动态过程，让学生们直观了解水分子之间的作用和水分子与材料表面的作用。同学们从模拟过程中了解了FeS2的亲水和PbS的疏水过程，发生亲水和疏水的原因可以通过MS软件的模拟结果分析。

图4为水分子与FeS2和PbS表面作用的电子密度图。从图4（a）可以知道，FeS2表面与水的作用以化学吸收位置，是强健的作用，而从图4（b）可以看到，PbS表面与水分子之间的氢键是其疏水的本质，属于弱键作用，这也是FeS2亲水而PbS疏水的主要原因。

通过上述模拟，学生直观地看到水分子与材料表面的作用整个动态过程，使非常抽象的知识形象化，使难以理解的概念、条件和结论变得浅显易懂，大大激发学生的学习兴趣和强烈的求知欲望，使学生自动调节全身器官，积极参与教学。在模拟教学过程中，学生的思维跟着模拟内容一步一步向前走，每一步都要开动脑筋，激发学生的探究精神，并提高他们分析问题和解决问题的能力。

4.结语

上述研究成果已成功应用于材料专业的教学之中，采用MS软件通过具体的实例，在整个模拟过程中，学生感知、认知、想象及推理事物发生的形式和过程，用模拟化、形象化和现实化的方式，使学生直观地观察、体验、发现、干预，利用这些生动化、信息化了的知识模型，透过现象探索本质，从而使学生形象地建立起客观世界、存在与运动的本质属性，自然地培养学生的认知能力和创新能力。