分子模拟软件在高分子物理课程教学中的应用

王选伦 夏天 唐海龙 杨朝龙

摘 要：高分子物理是高分子材料与工程专业的一门非常重要的专业基础课，但是高分子物理理论繁杂、概念多而且抽象，学生不易理解。将Materials Studio分子模拟软件引入到高分子物理的课程教学过程中，让学生对许多抽象的概念有了形象的理解。实践表明，使用Materials Studio软件辅助教学，有助于提高学生对高分子物理基本概念和基本理论的学习和理解，从而显著地改善了教学效果。

关键词：分子模拟软件 Materials Studio 高分子物理

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0172-02

1 分子模拟技术的应用现状

分子模拟方法主要包括分子力学方法和量子力学方法，前者是通过体系中分子坐标的变化来计算分子之间的能量或者相互作用力。分子模拟法可以用来模拟、研究现代物理实验方法尚难以为计的物理现象与物理过程（如分子在各种表面上的动态行为过程等），从而发展新的理论。另一方面，它可以用来缩短新材料研制的周期，降低开发成本。在电脑屏幕上设计出化学上或拓朴上不同的分子，通过分子模拟预报出新分子各种稳定的聚集结构，进而预报它们应具有的物理化学性质，筛选新材料的设计方案，缩短新材料研制的周期，降低开发成本[1]。由于以上优点，分子模拟技术在现代药物设计、新材料开发、高分子材料改性与制备等许多领域已成为一种十分重要的方法和工具。

分子模拟方法可以帮助人们从分子层次上理解化学物质的结构-性能关系，动力学性质和反应特性，而这些通过传统的宏观层次上的实验室教学是很难做到的。其中，分子动力学模拟被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计算机实验”手段，在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。在材料科学研究过程中，由于实验条件所限，许多与原子有关的微观细节，在实验中基本上是无法获得的，但是在计算机模拟中，却可以很方便地展现。计算机模拟的这些优点已经使分子模拟方法成为了材料科学研究的一种重要手段[2]。

虚拟实验作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法，对社会发展和科技进步起到了越来越重要的作用，代表着科学研究方法的重要发展方向[3]。Materials Studio是专门为材料科学领域科研人员开发的一款分子模拟软件，可以很方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定形材料和高分子材料的性质进入深入的研究。它包含量子力学模块和分子力学等多个模块，如其中Forcite Plus模块是先进的分子力学和分子动力学模拟程序，可以对分子、表面或三维周期性材料体系进行快速的能量计算、几何优化以及各种热力学条件下的动力学模拟研究，可以分析材料体系的各种结构参数、热力学性质、力学性质、动力学性质以及统计学性质。CASTEP模块是一个量子力学计算程序，可以对材料的介电常数、介电损耗及体积电阻率等电学性能进行分析。因此，利用Materials Studio可以进行聚合物反应机理探讨、机械性能预测、玻璃化转变模拟、共混材料配方优化等等虚拟实验。开展虚拟仿真实验，可以深化学生对高分子物理及聚合物改性等课程理论知识的理解，对缩短实验次数，降低实验成本也是非常有意义的。

2 分子模拟软件在高分子物理课程教学中的应用实践

高分子物理是研究高分子的结构、性能及其相互关系的学科，它与高分子材料的合成、加工、改性、应用等都有非常密切的内在联系。高分子物理课程建立在物理化学、高分子化学、固体结构、材料力学等课程的基础之上，同时又是高分子材料与应用、高分子成型工艺等课程的基础，是高等学校高分子材料与工程专业最重要的专业基础课程之一。然而高分子物理具有概念抽象、结构复杂、性能多样等特点被公认为高分子专业最难讲和最难学的专业课。不少学生认为高分子物理理论性强、数学推导多等，难以学懂弄通。另外一部分学生反应平时课堂上，虽然能够听懂老师授课内容，但是不知道怎么灵活运用所学知识来分析和解决实际问题等。因此长期以来，任课老师都在对高分子物理的课程教学内容和教学方式方法进行不断的改革和研究，探索各种教学方法如案例教学、启发式、微课教学等。

高分子物理课堂教学是学生学习和掌握专业基础理论知识的主要途径，但是高分子物理理论繁杂、概念多而且抽象，学生不易理解。比如高分子链的构象、链段、无规线团、排斥体积等等，不少学生无论如何都想象不出来，如果我们在教学中增加一些虚拟的视频动画，将学生带进高分子的微观世界里，必定促进学生对知识的理解和掌握。在高分子物理课堂教学过程中，我们实施了以下几个案例教学。比如利用Materials Studio搭建顺式聚丁二烯无定形结构模型，对其构象和分子运动进行模拟，制作动画并用于课堂教学PPT。利用Materials Studio对有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）的玻璃化温度进行计算，让学生对玻璃化转变有了深刻的理解。比如在讲解聚合物分子链均方末端距的时候，可以用Materials Studio搭建聚丙烯的分子链结构模型，并计算全同立构聚丙烯的均方末端距，让学生有非常直观的理解。又比如在讲解高分子的溶解过程，高分子的取向机理的时候，通过图片、动画，可以让学生们能够从多角度、直观、形象、生动地进行观察，有助于学生发挥学习的主观能动性，积极思考，加深对课堂教学内容的理解。总之，通过构建更加生动、活泼的课堂教学，开展高分子物理虚拟仿真课堂教学，可以提高学生掌握基础知识的能力和学习本专业的热情。

高分子物理实验是高分子材料与工程专业重要的实验环节之一，对培养学生的实践动手能力具有重要作用。我校的高分子物理实验，主要开设有粘均分子量测定，热塑性塑料熔体流动速率测试，聚乙烯拉伸性能和冲击性能测试，塑料表面硬度测试等。但是一些实验由于缺乏实验仪器难以开展，比如聚合物分子链均方末端距的测试，聚合物玻璃化温度的测试等等。开设这些实验，必须要有激光光散射仪或者差示扫描量热仪等高端设备。我们通过开展虚拟实验，制定实验方案，用Materials Studio软件对材料进行计算仿真，实验课堂既生动，又形象，极大地提高了学生参与实验的热情，实施效果非常好。在虚拟仿真实验的研究和实施过程中，通过进一步优化教学内容和教学手段的改革，提升专业实验课程的内涵，培养和提高学生创新创业和动手实践等方面的能力。

3 结语

随着科学技术的飞速发展，计算机仿真技术将在科学研究和课堂教学中发挥越来越大的作用，我们作为专业教师应当适时引入分子模拟技术到课堂教学中来。当代大学生作为未来国家建设的生力军，也有必要了解这些先进的实验开发手段，提升综合素质，以做出更多更好的成果。

参考文献

[1] 庄昌清，岳红.分子模拟方法及模拟软件Materials Studio在高分子材料中的应用[J].塑料，2010，39（4）：81-84.

[2] 朱平平，何平笙.把分子模拟法引入高分子物理实验教学[J].大学化学，2010，25（4）：41-46.

[3] 李映图，乔智威. Materials Studio 軟件在分子模拟课程教学中的应用[J].广州化工，2016，44（21）：160-161.