Materials Studio在固體物理課程分層教學(xué)中的應(yīng)用

[摘 要] 為了深化固體物理課程改革，適應(yīng)學(xué)生發(fā)展和學(xué)習(xí)需求，我們對固體物理課程采用了分層教學(xué)模式，針對不同專業(yè)不同層次水平的學(xué)生進(jìn)行不同模式的教學(xué)，因材施教。同時在固體物理課程教學(xué)過程中把Materials Studio軟件引入課件制作、課堂演示和課下練習(xí)環(huán)節(jié)中，可視化圖形，可操作性學(xué)習(xí)過程，增強(qiáng)了學(xué)生對物理模型的理解，激發(fā)了學(xué)生深入探索的學(xué)習(xí)興趣。

[關(guān)鍵詞] 固體物理;分層教學(xué)模式;Materials Studio

[基金項(xiàng)目] 2017年西安建筑科技大學(xué)校級教改項(xiàng)目“Materials Studio在固體物理課程教學(xué)中的應(yīng)用”（JG021735）

[作者簡介] 張欣會（1979—），女，河北三河人，理學(xué)博士，西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院講師，主要從事理論物理研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0304-02 ? ? [收稿日期] 2019-10-18

固體物理課程是我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)和材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門必修課程。應(yīng)用物理學(xué)屬于理學(xué)專業(yè)，材料工程屬于工科專業(yè)，對于不同專業(yè)背景的學(xué)生，為了達(dá)到最優(yōu)教學(xué)效果，需要針對性地考慮不同的教學(xué)模塊，以及授課形式。另外即使對于同一個專業(yè)內(nèi)部的學(xué)生來說，理論基礎(chǔ)水平和興趣差異也有所不同，需要從不同層次把握教學(xué)過程。因此在固體物理課程教學(xué)過程中，我們根據(jù)不同專業(yè)和不同基礎(chǔ)水平的學(xué)生，實(shí)施了分層教學(xué)實(shí)踐[1]。課堂實(shí)踐結(jié)果證明，在我校固體物理課堂中實(shí)施分層教學(xué)模式有利于學(xué)生對該門課程的整體把握和深入理解，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

在大數(shù)據(jù)、云時代快速發(fā)展的今天，信息科學(xué)技術(shù)已經(jīng)走入了人們的生活，為了讓計(jì)算機(jī)軟件更好地服務(wù)于大學(xué)課堂，我們在固體物理課堂中引入了Materials Studio工具的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。把Materials Studio軟件滲透到平時作業(yè)和練習(xí)中，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，提高了學(xué)生動手能力和主動思考能力，改善了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中老師講學(xué)生聽的被動模式。同時Materials Studio中的模塊設(shè)計(jì)輔助了課堂分層教學(xué)模式。

一、Materials Studio軟件與固體物理課程相結(jié)合

Materials Studio是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬軟件。它可以協(xié)助研究解決當(dāng)今化學(xué)、材料工業(yè)中的一系列重要問題。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺。Materials Studio使化學(xué)及材料科學(xué)的研究者能更方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的研究。Materials Studio軟件模擬的內(nèi)容包括了催化劑、聚合物、固體及表面、晶體與衍射、化學(xué)反應(yīng)等主要課題。Materials Studio采用了Microsoft標(biāo)準(zhǔn)用戶界面，允許用戶通過各種控制面板直接對計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置和分析。

Materials Studio軟件包括如下功能模塊：Materials Visualizer，Discover，COMPASS，Amorphous Cell，Reflex，Reflex Plus，Equilibria，DMol3，CASTEP等。其中Materials Visualizer為核心模塊，提供了搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結(jié)構(gòu)模型，處理圖表、表格或文本等形式的數(shù)據(jù)，并提供軟件的基本環(huán)境和分析工具。

固體物理課程以完整晶體為主要研究對象，研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子間的相互作用與運(yùn)動規(guī)律，闡明其宏觀性能和用途，為人們按指定性能研制新材料提供了科學(xué)途徑。固體物理課程的任務(wù)是使學(xué)生了解認(rèn)識固體材料的微觀結(jié)構(gòu)、初步掌握研究分析固體物質(zhì)的微觀運(yùn)動規(guī)律和與宏觀現(xiàn)象之間聯(lián)系的方法和原理。通過課程的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生研究解決問題的科學(xué)思維和能力，為進(jìn)一步獲取專業(yè)知識奠定良好的基礎(chǔ)。Materials Studio能夠有效地結(jié)合到固體物理課程當(dāng)中，輔助教師把課件內(nèi)容具體化，通過軟件實(shí)現(xiàn)三維圖形轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)等，讓學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)有更深刻的認(rèn)識，課程練習(xí)中讓學(xué)生利用軟件模塊進(jìn)行輔助練習(xí)，通過可視化練習(xí)，學(xué)生對多種知識掌握程度加深了。

二、固體物理課堂分層教學(xué)

（一）應(yīng)用物理專業(yè)和材料工程專業(yè)

應(yīng)用物理專業(yè)旨在培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)和較強(qiáng)邏輯思維能力，系統(tǒng)掌握物理學(xué)現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，專門知識和基本技能的專業(yè)人才，要求學(xué)生得到科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的初步訓(xùn)練，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力?；诖伺囵B(yǎng)目標(biāo)，我們對該專業(yè)學(xué)生注重理論基礎(chǔ)的夯實(shí)，公式的推導(dǎo)、細(xì)化和延伸。在固體物理課程改革中加入了Materials Studio軟件的學(xué)習(xí);Materials Studio軟件是目前物理材料科學(xué)前沿應(yīng)用較廣泛的計(jì)算軟件，精確度和準(zhǔn)確度較高;基于模塊學(xué)習(xí)，操作簡便，學(xué)生很快能夠掌握基本應(yīng)用。課程要求應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生掌握核心模塊建立晶格。

材料工程專業(yè)屬于工科專業(yè)，主要以材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論和基本技能為基礎(chǔ)，進(jìn)行金屬、非金屬材料、能源材料的設(shè)計(jì)和制備、結(jié)構(gòu)與性能分析、加工與成型方面的研究實(shí)驗(yàn)、開發(fā)和應(yīng)用，具有新材料新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用能力。相比于應(yīng)用物理專業(yè)，該專業(yè)以應(yīng)用為主，在固體物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，盡可能減少理論公式的推導(dǎo)和講解，注重材料結(jié)構(gòu)性能的討論，同時在應(yīng)用Materials Studio軟件過程中，選擇更偏重應(yīng)用的軟件模塊。

（二）應(yīng)用物理專業(yè)分層教學(xué)

以應(yīng)用物理專業(yè)為例，輔助以Materials Studio軟件，闡述分層教學(xué)模式在固體物理課堂中的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用物理屬于理學(xué)專業(yè)，課程設(shè)置中更加注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)的夯實(shí)，同時對提高學(xué)生計(jì)算能力的要求也比較高?；谝陨蠈W(xué)科特點(diǎn)，在對應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)生課堂教學(xué)中有意識注重培養(yǎng)。

我校固體物理課程56個學(xué)時，應(yīng)用物理專業(yè)，我們選用了黃昆先生原著，韓汝琦改編的《固體物理學(xué)》。重點(diǎn)講授前五章內(nèi)容：晶格結(jié)構(gòu)、固體的結(jié)合、晶格振動與晶體的熱學(xué)性質(zhì)、能帶理論和晶體中電子在電場和磁場中的運(yùn)動，第六章金屬電子論略講。

固體物理課程是被公認(rèn)很難的一門專業(yè)課，我校開設(shè)在大四上學(xué)期，學(xué)生的水平不一，對課程的期待也不同，有些同學(xué)工作已經(jīng)簽好，只要及格就行，有些同學(xué)考研要考這門課程，必須進(jìn)行深入徹底地學(xué)習(xí)，這些因素給教學(xué)過程帶來很大難度。我們采取了層次教學(xué)模式，針對不同層次水平，不同目標(biāo)需求的學(xué)生，設(shè)置了不同的教學(xué)目標(biāo)采用了不同的課堂以及課下練習(xí)[2]。把每個章節(jié)做了難易程度劃分，分為基礎(chǔ)層、提高層和拔尖層?；A(chǔ)層針對只求及格拿到學(xué)分的學(xué)生，要求掌握基本概念、基本計(jì)算方法，課堂練習(xí)以及課下作業(yè)設(shè)置相對簡單，期末考試成績能達(dá)到中等或者及格水平;提高層針對有一定興趣想深入學(xué)習(xí)的學(xué)生，要求在掌握基本概念和計(jì)算方法基礎(chǔ)上，能夠靈活運(yùn)用解決一些實(shí)際問題，期末考試成績能達(dá)到良好的水平;拔尖層針對考研或者非常感興趣的學(xué)生，除了掌握基本概念和基本計(jì)算方法，需要大量習(xí)題鞏固，理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合實(shí)際材料應(yīng)用Materials Studio軟件大量建模，討論不同參量對物理特性的影響，期末考試成績達(dá)到優(yōu)秀水平。學(xué)生根據(jù)自己的能力和需求，選擇不同難度的練習(xí)和課下作業(yè)。

以第一章第二小節(jié)晶格的周期性為例。對于基礎(chǔ)層學(xué)生，我們只要求理解原胞和基矢的概念，在二維三維的簡單晶格以及復(fù)式晶格中能夠給出基矢的正確表達(dá)形式即可。對于提高層的學(xué)生，除了掌握以上基本概念，還要求各找出一種對應(yīng)的實(shí)際材料，使用Materials Studio核心模塊在程序中實(shí)現(xiàn)。對于拔尖層學(xué)生，除了掌握以上內(nèi)容，還要求調(diào)用Materials Studio軟件的應(yīng)用模塊，嘗試加應(yīng)變或者嘗試摻雜等深入探討。

三、總結(jié)

固體物理課程是我校應(yīng)用物理專業(yè)和材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門必修課程，為了提高課堂教學(xué)效果，因材施教，我們采用了分層教學(xué)模式，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動手能力，理論聯(lián)系實(shí)際能力，我們在課堂授課以及課下作業(yè)環(huán)節(jié)中加入了Materials Studio軟件的使用，學(xué)生反饋良好，教學(xué)效果良好，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

[1]陳修芳.大學(xué)物理分層次教學(xué)模式探索[J].科技視界，2018（11）：121，128.

[2]林智群.多層面分層的大學(xué)物理教學(xué)改革思考[J].高教學(xué)刊，2016（5）：165-166.