《材料结构设计与计算》课程的教学改革

戴振翔　郑赣鸿　马永青

摘要：《材料的结构设计与计算》是材料教学体系中重要的一部分。由于涉及理论知识复杂，模拟体系范围广等特点，使得材料的设计与计算的开展与实施存在一定的困难。我们从教学内容、教学方法与手段、实践教学等方面进行了改革。探讨了本门课程教学过程中如何调动学生学习热情、激发学生学习兴趣，优化教学内容、采用多样化的教学方法，将科研成果与教学实践相结合，提高整体教学效率的可行措施。

关键词：材料的结构设计与计算；教学方法；教学实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）29-0130-02

材料模拟与设计在科学技术的发展中起到越来越重要的作用。材料科学的发展对高校的人才培养提出了更高的要求。近年来许多高校在本科生和研究生中相继开设了“材料设计”“材料计算设计”“材料模拟设计”“计算材料学”等课程。安徽大学的物理与材料科学学院是非常具有特色的学院，其中材料科学与工程入选双一流学科建设。“材料结构设计与计算”是我院2009年开设的一门材料物理专业的选修课程（2018年开始设为必修课程）。我们针对“材料结构设计与计算”课程内容多，涵盖面广，结合我校材料物理专业的特点，探讨了该课程教学和上机实践教学的体系建设。

一、材料结构设计与计算的教学内容

我们的教学目的是让学生掌握材料设计与系统模拟的基本理论与方法，了解材料性能预测和合成制备工艺模拟的基础知识，为将来从事材料相关领域的研发打下良好的基础，利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供模拟结果。在我校开设“材料结构设计与计算”课程，如果照搬已有教材和其他院校的教学内容，则很难适应我校的专业特色。并且，“材料结构设计和计算”课程的涵盖内容非常广，而课堂教学只有短短的51学时，因此如何精选本课程的课堂教学内容，使学生建立浓厚的学习兴趣并掌握该课程所传授的知识，是我们在教学过程中必须要解决的首要问题。

结合我们学院材料物理专业的专业特点，该课程的教学内容主要涉及以下三部分内容。第一部分：相关基础知识的介绍。这部分主要是有关材料结构设计与计算简介、材料结构设计的理论基础知识。在这个部分，我们会从材料结构计算与模拟的角度对有关的基础知识进行介绍，比如固体物理学的晶体结构和能带理论。这部分基础知识的教学，我们既不能和已有平行课程的教学相冲突，与同学们正在学习的课程内容一致，又不能完全不讲，而是根据我们的课程特点予以早讲并“不一样地讲”。在具体的教学实践中，我们抛弃了一般固体物理学教材的教学体系与方法，没有过多的公式推导，而是力求从化学的角度去介绍这些知识。在具体教学实践中，我们通过介绍孤立原子的能级特点，逐步过渡到多个原子的能级排布特点，最后介绍到固体结构中的原子能级的特点和能带结构的形成。考虑到绝大多数计算平台都是linux操作系统的服务器，我们在这个部分的教学中也会引导学生学习一些常见的linux命令，并以作业的形式要求广大同学熟练掌握这些基本命令。第二部分：介绍常见计算软件的使用方法。考虑尽可能地让广大同学完成该课程的学习以后就可以自己动手做科研项目，我们选择的是一些比较“大众”的计算软件，比如VASP和SIESTA等。所以，这部分主要讲解材料结构设计与计算中用到的常用方法以及相应的模拟软件（VASP和SIESTA以及Material-Studio等）的基础使用方法。在这一部分教学过程中，我们没有过多介绍这些计算软件的使用原理，而是将重点放在这些软件的基本使用方法方面。第三部分：项目实战。在最后一部分教学中，一方面引导同学采用在该课程中学到的这些方法去重复固体物理学教材中的一些基本数据；另一方面，也结合有关最新的科技成果，引导学生提炼这些最新科技论文中的科技问题，最后引导学生用学会的计算软件去解决这些问题。

二、材料结构设计与计算的上机实践教学

根据实验教学内容的安排，我们主要从软件功能介绍、结算模拟操作、计算结果的分析三方面开展计算材料科学实验教学。

计算软件的学习对初学者是必要的。首先会给学生讲解和操作示范，然后让学生按照软件本身自带的案例教程完成学习，这也是学习软件最行之有效和快捷的方法。学生在学习过程中查阅相关书籍、资料以及软件帮助等方法，快速掌握软件的基本操作，掌握计算模拟的过程、模型的构建以及計算参数的合理选取。

熟悉软件以后，学生就可以设定一个教学项目的目标，要求学生在通过每次计算的计算模拟的上机操作，利用软件提供的功能完成诸如计算模型的构建，计算参数的设置，计算模拟结果的数据收集、分析、绘图或者是列表操作等。Sridevi Bala等人以Al和Si为电极的单分子结，对Hydroxy-4-biphenyl Carboxylic Acid分子材料的电荷输运性质进行了实验研究。我们在教学实践中，就让学生对这个实验结果进行了模拟研究。首先，根据实验结果，建立如图1所示的计算模型。接着，利用SIESTA软件对这个分子的电荷输运行为进行计算研究。其中计算得到如图2所示的电流电压曲线，我们的计算结果与实验数据非常吻合。

在整个实验项目的计算模拟中，每次教学都要设置简单、具体、细化的目标，逐步完成选题需要解决的问题关键。在具体问题的引导下，学生能够主动查阅相关文献，积极参加讨论来解决计算模拟过程中存在以及出现的问题。在完成了实验模拟计算并且获取了实验结果数据以后，如何提取重要的数据分析并且处理，解决选题初期设置的目标，完成实验报告是整个实验的最后部分，鼓励学生力所能及、清晰、透彻地把一个具体的科学问题进行分析、整理并且展现出来，完成一份有价值的实验报告。这也是本课程应该传授给学生的重要技能之一。计算材料学实验结果的分析需要学生大量阅读文献，抽取实验结果，借助于不同的数据处理、绘图软件以及要对这些数据、图标、结论等实验的结果重新梳理和组织。比如，首先学生要写出实验项目的研究背景，第二是写出实验过程中的计算模拟的方案设计，最后是计算结果的分析与讨论。

三、展望

计算机模拟已成为除理论分析和实验研究以外解决材料科学中实际问题的第三大并行的研究手段，它们相互补充，共同促进了材料科学与工程的发展，使人们对于材料显微结构的尺度与层次有了更深的认识，并在一些新的尺度与层次上取得了突破性的进展。因此，为材料科学与工程专业的本科生开设“材料结构设计与计算”这门课程非常必要。我们坚持以学生的科研兴趣为导向，灵活选取教学内容，设置计算模拟实验项目，增强了学生学习的积极性与自主行。在教学内容上突出实用性，强化课堂教学内容，激发学生的创造力、想象力以及实践的能力，期望达到最佳的教学效果。

参考文献：

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