Materials Studio在固体物理课程分层教学中的应用

[摘 要] 为了深化固体物理课程改革，适应学生发展和学习需求，我们对固体物理课程采用了分层教学模式，针对不同专业不同层次水平的学生进行不同模式的教学，因材施教。同时在固体物理课程教学过程中把Materials Studio软件引入课件制作、课堂演示和课下练习环节中，可视化图形，可操作性学习过程，增强了学生对物理模型的理解，激发了学生深入探索的学习兴趣。

[关键词] 固体物理;分层教学模式;Materials Studio

[基金项目] 2017年西安建筑科技大学校级教改项目“Materials Studio在固体物理课程教学中的应用”（JG021735）

[作者简介] 张欣会（1979—），女，河北三河人，理学博士，西安建筑科技大学理学院讲师，主要从事理论物理研究。

[中图分类号] G642.0    [文獻标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）34-0304-02     [收稿日期] 2019-10-18

固体物理课程是我校应用物理学专业和材料科学与工程专业的一门必修课程。应用物理学属于理学专业，材料工程属于工科专业，对于不同专业背景的学生，为了达到最优教学效果，需要针对性地考虑不同的教学模块，以及授课形式。另外即使对于同一个专业内部的学生来说，理论基础水平和兴趣差异也有所不同，需要从不同层次把握教学过程。因此在固体物理课程教学过程中，我们根据不同专业和不同基础水平的学生，实施了分层教学实践[1]。课堂实践结果证明，在我校固体物理课堂中实施分层教学模式有利于学生对该门课程的整体把握和深入理解，达到了预期的教学效果。

在大数据、云时代快速发展的今天，信息科学技术已经走入了人们的生活，为了让计算机软件更好地服务于大学课堂，我们在固体物理课堂中引入了Materials Studio工具的学习和应用。把Materials Studio软件渗透到平时作业和练习中，增强学生学习主动性，提高了学生动手能力和主动思考能力，改善了传统课堂教学中老师讲学生听的被动模式。同时Materials Studio中的模块设计辅助了课堂分层教学模式。

一、Materials Studio软件与固体物理课程相结合

Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以协助研究解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台。Materials Studio使化学及材料科学的研究者能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。Materials Studio软件模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等主要课题。Materials Studio采用了Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。

Materials Studio软件包括如下功能模块：Materials Visualizer，Discover，COMPASS，Amorphous Cell，Reflex，Reflex Plus，Equilibria，DMol3，CASTEP等。其中Materials Visualizer为核心模块，提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具。

固体物理课程以完整晶体为主要研究对象，研究固体的结构及其组成粒子间的相互作用与运动规律，阐明其宏观性能和用途，为人们按指定性能研制新材料提供了科学途径。固体物理课程的任务是使学生了解认识固体材料的微观结构、初步掌握研究分析固体物质的微观运动规律和与宏观现象之间联系的方法和原理。通过课程的学习，加强学生研究解决问题的科学思维和能力，为进一步获取专业知识奠定良好的基础。Materials Studio能够有效地结合到固体物理课程当中，辅助教师把课件内容具体化，通过软件实现三维图形转换旋转等，让学生对晶体结构有更深刻的认识，课程练习中让学生利用软件模块进行辅助练习，通过可视化练习，学生对多种知识掌握程度加深了。

二、固体物理课堂分层教学

（一）应用物理专业和材料工程专业

应用物理专业旨在培养具有扎实基础和较强逻辑思维能力，系统掌握物理学现代技术领域的基础理论，专门知识和基本技能的专业人才，要求学生得到科学研究和技术开发的初步训练，具有较强的创新能力和实践能力。基于此培养目标，我们对该专业学生注重理论基础的夯实，公式的推导、细化和延伸。在固体物理课程改革中加入了Materials Studio软件的学习;Materials Studio软件是目前物理材料科学前沿应用较广泛的计算软件，精确度和准确度较高;基于模块学习，操作简便，学生很快能够掌握基本应用。课程要求应用物理专业的学生掌握核心模块建立晶格。

材料工程专业属于工科专业，主要以材料科学与工程的基础理论和基本技能为基础，进行金属、非金属材料、能源材料的设计和制备、结构与性能分析、加工与成型方面的研究实验、开发和应用，具有新材料新技术的研发应用能力。相比于应用物理专业，该专业以应用为主，在固体物理课程教学设计过程中，尽可能减少理论公式的推导和讲解，注重材料结构性能的讨论，同时在应用Materials Studio软件过程中，选择更偏重应用的软件模块。

（二）应用物理专业分层教学

以应用物理专业为例，辅助以Materials Studio软件，阐述分层教学模式在固体物理课堂中的实现。应用物理属于理学专业，课程设置中更加注重学生思维能力的培养，数学物理基础的夯实，同时对提高学生计算能力的要求也比较高。基于以上学科特点，在对应用物理专业学生课堂教学中有意识注重培养。

我校固体物理课程56个学时，应用物理专业，我们选用了黄昆先生原著，韩汝琦改编的《固体物理学》。重点讲授前五章内容：晶格结构、固体的结合、晶格振动与晶体的热学性质、能带理论和晶体中电子在电场和磁场中的运动，第六章金属电子论略讲。

固体物理课程是被公认很难的一门专业课，我校开设在大四上学期，学生的水平不一，对课程的期待也不同，有些同学工作已经签好，只要及格就行，有些同学考研要考这门课程，必须进行深入彻底地学习，这些因素给教学过程带来很大难度。我们采取了层次教学模式，针对不同层次水平，不同目标需求的学生，设置了不同的教学目标采用了不同的课堂以及课下练习[2]。把每个章节做了难易程度划分，分为基础层、提高层和拔尖层。基础层针对只求及格拿到学分的学生，要求掌握基本概念、基本计算方法，课堂练习以及课下作业设置相对简单，期末考试成绩能达到中等或者及格水平;提高层针对有一定兴趣想深入学习的学生，要求在掌握基本概念和计算方法基础上，能够灵活运用解决一些实际问题，期末考试成绩能达到良好的水平;拔尖层针对考研或者非常感兴趣的学生，除了掌握基本概念和基本计算方法，需要大量习题巩固，理论联系实际，结合实际材料应用Materials Studio软件大量建模，讨论不同参量对物理特性的影响，期末考试成绩达到优秀水平。學生根据自己的能力和需求，选择不同难度的练习和课下作业。

以第一章第二小节晶格的周期性为例。对于基础层学生，我们只要求理解原胞和基矢的概念，在二维三维的简单晶格以及复式晶格中能够给出基矢的正确表达形式即可。对于提高层的学生，除了掌握以上基本概念，还要求各找出一种对应的实际材料，使用Materials Studio核心模块在程序中实现。对于拔尖层学生，除了掌握以上内容，还要求调用Materials Studio软件的应用模块，尝试加应变或者尝试掺杂等深入探讨。

三、总结

固体物理课程是我校应用物理专业和材料科学与工程专业的一门必修课程，为了提高课堂教学效果，因材施教，我们采用了分层教学模式，增加学生学习兴趣，提高学生动手能力，理论联系实际能力，我们在课堂授课以及课下作业环节中加入了Materials Studio软件的使用，学生反馈良好，教学效果良好，达到了预期的教学目的。

参考文献

[1]陈修芳.大学物理分层次教学模式探索[J].科技视界，2018（11）：121，128.

[2]林智群.多层面分层的大学物理教学改革思考[J].高教学刊，2016（5）：165-166.