1、    materialsstudio軟件在材料專業(yè)課程教學中的應用    趙翠華+李玉瓊+潘利文摘 要： 大學課堂普遍存在的沉悶現(xiàn)象嚴重影響大學教學質(zhì)量，為了提高大學課堂的實效性，本文把ms（materials studio）軟件應用到材料專業(yè)教學中，對教學內(nèi)容進行感官的情景模擬，使學生直觀地觀察、體驗、發(fā)現(xiàn)、干預所學知識，充分激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的主動性和積極性，培養(yǎng)學生的探索精神，分析問題、解決問題及創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。關鍵詞： ms軟件 情景模擬 材料專業(yè)1.引言課堂教學作為高等教育的重要組成部分，其質(zhì)量直接關系到我國高等教育

2、的水平。目前大學課堂普遍存在教師缺乏教學藝術、大學生缺乏學習熱情和動力、師生缺乏交流等問題，嚴重影響教學質(zhì)量。構(gòu)成課堂教學的三要素是教師、學生和教學內(nèi)容。處理好三者之間的關系是提高課堂教學質(zhì)量的關鍵，但是目前大多數(shù)高校教師并沒有完全理順這三者之間的關系，沿襲傳統(tǒng)的“教師講學生聽”的“滿堂灌”教學模式，導致教師在講臺上講得口干舌燥，筋疲力盡，而學生在講臺下卻無精打采、昏昏欲睡。在這種教學方式下，教師是教學活動中的主角，缺少與學生的有效互動，沒有很好地調(diào)動學生學習的積極性。當代著名教育家張楚廷教授曾說：“中國大學普遍的沉悶狀態(tài)是令人憂郁的，課堂本是一個應激起頭腦風暴的地方，但是它寂靜得令人可怕?！?/p>

3、這句話很形象地說明了我國大學課堂教學中存在的弊端。這樣的課堂教學，不利于學生思維的開闊，不利于學生創(chuàng)新能力的提高。教學的創(chuàng)造基于方法的更新，因此課堂教學的改革與教學方式的轉(zhuǎn)變緊密結(jié)合。當今世界各國在教育領域的改革重點是關注教學方式的變革，其目的是以課堂教學實施作為切入口，以此探索改革傳統(tǒng)的“以老師和課堂為中心的劃一、封閉及包辦”的教學方法，從而試圖建立“以學生為中心，多渠道、多形式、主動吸收信息”的開放式教學方法模式。在各種各樣的課堂教學改革實踐中，模擬教學法最引人注目。模擬教學是指創(chuàng)造人為的教學環(huán)境，使學生在模擬真實的氛圍中學習課程所規(guī)定的知識和能力。模擬教學是一種更宏觀的教學改革策略，它全

4、面考慮了教育與生活的特有屬性、要求與規(guī)律，模擬社會環(huán)境并通過項目教學、案例分析、卡片展示等富有針對性的協(xié)作教學行為，綜合地作用于學生，其對學生的專業(yè)能力、方法能力及解決問題的事務能力等具有非常重要的作用。本文擬采用模擬教學法，把專門為材料科學領域研究者開發(fā)的ms軟件應用到材料專業(yè)的課程教學中，通過模擬教學內(nèi)容，讓學生直觀看到事物對象發(fā)生的整個動態(tài)過程，充分激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的主動性和積極性，培養(yǎng)學生的探索精神，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及分析問題和解決問題的能力。ms軟件是將多范圍的軟件結(jié)合成一個集量子力學、分子力學、介觀模型、分析工具模擬和統(tǒng)計相關應用為一體的建模環(huán)境，其研究領域包括晶體和

5、分子材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究、表面和表面重構(gòu)性質(zhì)、表面化學及分子與材料表面作用研究、電子結(jié)構(gòu)、光學和磁學性質(zhì)研究、材料力學性質(zhì)研究、材料逸出功、電離能計算及stm圖像模擬研究等，是一種強有力的模擬工具。ms軟件可以方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對各種晶體、無定型及高分子材料的性質(zhì)及相關過程進行模擬計算，得到切實可靠的數(shù)據(jù)。ms軟件的上述特點適合教學，由于它涉及的研究領域比較多，因此在很多材料專業(yè)的課程中都可以應用。本文以材料專業(yè)課程中半導體表面親水疏水這一章節(jié)的內(nèi)容為例，把ms軟件應用到這部分內(nèi)容的教學中，對教學內(nèi)容進行模擬，通過三維模型的建立和計算，直觀地看到表面吸附作用的整個動態(tài)過程，把抽象的知識形

6、象化，充分調(diào)動學生的積極性、主動性和創(chuàng)新意識，提高學生分析問題與解決問題的能力，激發(fā)學生的學習興趣和探索精神，提高學生的綜合素質(zhì)與能力。2.材料專業(yè)課程教學的現(xiàn)狀材料專業(yè)的課程內(nèi)容龐雜且比較抽象，難以理解，盡管經(jīng)過不斷的教學改革，目前在教學過程中較多地采用了多媒體教學課件，可以逼真形象地展示材料各組成部分的結(jié)構(gòu)等，增強學生的感性認識，但是效果還是不盡如人意。學生存在個體差異，接受能力、理解能力不一致，在以老師為主體的教學環(huán)境下，學生只能被動地接受或者部分接受。另外，多媒體教學課件以演示ppt為主，學生缺乏在真實的三維空間中直觀形象地了解材料表面發(fā)生作用的真實情況，對課程學習只是停留在概念的階段

7、。3.ms軟件教學應用實例在以前的學習中，大學生可能已經(jīng)知道半導體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，活性大小也不同。通過課堂多媒體的展示，可能看到半導體表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，但是見到的只是平面圖，看不到真實的三維形象。通過ms軟件建立的半導體表面三維微觀模型，可以使學生非常清楚地看到表面原子和內(nèi)容原子配位結(jié)構(gòu)的不同，從而更好地理解半導體表面活性比內(nèi)容強的原因。另外，通過ms軟件的模擬，可以形象地展示出半導體表面與水發(fā)生作用的整個動態(tài)過程。下面以fes2和pbs兩種半導體為例，模擬水分子在fes2和pbs表面的作用過程，比較水分子在不同表面的吸附作用，并探討不同半導體表面親水疏水的原因。3.1 fes2和pbs

8、表面模型的建立半導體親水和疏水是在表面發(fā)生的，因此采用ms軟件學習這部分內(nèi)容時，先要建立fes2和pbs的表面模型。在教學過程中，教師要引導學生思考，和教師一起完成模擬任務。表面從優(yōu)化的體相中切出來，在切面的過程中，讓同學們了解晶面的概念，通過簡單的操作，向?qū)W生展示不同晶面的表面結(jié)構(gòu)，并理解不同晶面的差異。在模擬水分子在半導體表面吸附時，一般選用半導體最穩(wěn)定的解離面。通過模擬計算表面能，確定最穩(wěn)定的表面模型。圖1和圖2分別為所建立的fes2和pbs的表面模型。 從圖1（a）和圖1（b）中三維圖形中可以很清楚地看到，fes2和pbs具有不同的表面結(jié)構(gòu)。這種不同結(jié)構(gòu)也決定了它們與水分子作用的不同。

9、從圖1還可以看到，不管是fes2還是pbs半導體，其表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)容都不同。最明顯的不同是表面原子的配位數(shù)與內(nèi)部原子不同（表面層原子的配位數(shù)要小于內(nèi)部原子），也就是說，半導體表面層原子都存在懸掛鍵，這也是表面原子與內(nèi)容原子活性不同的原因，也是為什么吸附發(fā)生在表面的原因。在一般的教學中，盡管通過多媒體展示可以看到半導體表面結(jié)構(gòu)，但是不能看到三維立體模型，不能了解半導體表面原子配位等具體細節(jié)，因此對這部分的理解不夠深刻。3.2材料表面與水的作用不同材料與水的作用不同，有的親水，有的疏水。一般情況下，我們都是從潤濕角的角度進行分析。如果潤濕角小于90度，就是親水的，如果潤濕角大于90度，就是疏水的。但

10、是對于為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，很多同學還是不太明白。在這里通過ms軟件的模擬，展示不同的半導體表面與水作用的動態(tài)過程，并從微觀角度分析材料親水疏水的原因。在實踐中，分子一般是在半導體表面最穩(wěn)定的吸附位進行吸附的，因此對其進行模擬要找出最穩(wěn)定的吸附位。通過測試吸附能可以確定最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。圖2（a）和圖2（b）分別為水分子在fes2和pbs表面最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型。ms軟件可以展示水分子與fes2和pbs表面作用的動態(tài)過程，通過觀看這個過程可以知道，水分子被吸附在fes2表面，而被pbs表面排開，遠離表面。也就是說fes2表面是親水的，而pbs表面時疏水的。從圖2（a）中可以看出fes2表面水分子中

11、氧與表面fe之間的距離為2.184？魡，而pbs表面水分子中氧與表面pb之間的距離為2.689？魡。這意味著fes2表面的水被吸附在表面，而pbs表面的水被排開。上面是單分子水與材料表面的作用，在實踐中，一般都是多分子水與材料表面的作用。通過ms軟件也可以對多分子水與材料表面的作用進行模擬。圖3（a）和圖3（b）為多個水分子與fes2和pbs表面的作用模型。多分子水吸附過程中，水分子之間會發(fā)生相互作用。通過ms軟件可以展示多分子在材料表面作用的動態(tài)過程，讓學生們直觀了解水分子之間的作用和水分子與材料表面的作用。同學們從模擬過程中了解了fes2的親水和pbs的疏水過程，發(fā)生親水和疏水的原因可以通

12、過ms軟件的模擬結(jié)果分析。圖4為水分子與fes2和pbs表面作用的電子密度圖。從圖4（a）可以知道，fes2表面與水的作用以化學吸收位置，是強健的作用，而從圖4（b）可以看到，pbs表面與水分子之間的氫鍵是其疏水的本質(zhì)，屬于弱鍵作用，這也是fes2親水而pbs疏水的主要原因。通過上述模擬，學生直觀地看到水分子與材料表面的作用整個動態(tài)過程，使非常抽象的知識形象化，使難以理解的概念、條件和結(jié)論變得淺顯易懂，大大激發(fā)學生的學習興趣和強烈的求知欲望，使學生自動調(diào)節(jié)全身器官，積極參與教學。在模擬教學過程中，學生的思維跟著模擬內(nèi)容一步一步向前走，每一步都要開動腦筋，激發(fā)學生的探究精神，并提高他們分析問題和解決問題的能力。4.