分子模擬軟件在高分子物理課程教學中的應用

王選倫 夏天 唐海龍 楊朝龍

摘 要：高分子物理是高分子材料與工程專業的一門非常重要的專業基礎課，但是高分子物理理論繁雜、概念多而且抽象，學生不易理解。將Materials Studio分子模擬軟件引入到高分子物理的課程教學過程中，讓學生對許多抽象的概念有了形象的理解。實踐表明，使用Materials Studio軟件輔助教學，有助于提高學生對高分子物理基本概念和基本理論的學習和理解，從而顯著地改善了教學效果。

關鍵詞：分子模擬軟件 Materials Studio 高分子物理

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0172-02

1 分子模擬技術的應用現狀

分子模擬方法主要包括分子力學方法和量子力學方法，前者是通過體系中分子坐標的變化來計算分子之間的能量或者相互作用力。分子模擬法可以用來模擬、研究現代物理實驗方法尚難以為計的物理現象與物理過程（如分子在各種表面上的動態行為過程等），從而發展新的理論。另一方面，它可以用來縮短新材料研制的周期，降低開發成本。在電腦屏幕上設計出化學上或拓樸上不同的分子，通過分子模擬預報出新分子各種穩定的聚集結構，進而預報它們應具有的物理化學性質，篩選新材料的設計方案，縮短新材料研制的周期，降低開發成本[1]。由于以上優點，分子模擬技術在現代藥物設計、新材料開發、高分子材料改性與制備等許多領域已成為一種十分重要的方法和工具。

分子模擬方法可以幫助人們從分子層次上理解化學物質的結構-性能關系，動力學性質和反應特性，而這些通過傳統的宏觀層次上的實驗室教學是很難做到的。其中，分子動力學模擬被認為是本世紀以來除理論分析和實驗觀察之外的第三種科學研究手段，稱之為“計算機實驗”手段，在物理學、化學、生物學和材料科學等許多領域中得到廣泛地應用。在材料科學研究過程中，由于實驗條件所限，許多與原子有關的微觀細節，在實驗中基本上是無法獲得的，但是在計算機模擬中，卻可以很方便地展現。計算機模擬的這些優點已經使分子模擬方法成為了材料科學研究的一種重要手段[2]。

虛擬實驗作為繼理論研究和實驗研究之后的第三種科學研究方法，對社會發展和科技進步起到了越來越重要的作用，代表著科學研究方法的重要發展方向[3]。Materials Studio是專門為材料科學領域科研人員開發的一款分子模擬軟件，可以很方便地建立三維結構模型，并對各種晶體、無定形材料和高分子材料的性質進入深入的研究。它包含量子力學模塊和分子力學等多個模塊，如其中Forcite Plus模塊是先進的分子力學和分子動力學模擬程序，可以對分子、表面或三維周期性材料體系進行快速的能量計算、幾何優化以及各種熱力學條件下的動力學模擬研究，可以分析材料體系的各種結構參數、熱力學性質、力學性質、動力學性質以及統計學性質。CASTEP模塊是一個量子力學計算程序，可以對材料的介電常數、介電損耗及體積電阻率等電學性能進行分析。因此，利用Materials Studio可以進行聚合物反應機理探討、機械性能預測、玻璃化轉變模擬、共混材料配方優化等等虛擬實驗。開展虛擬仿真實驗，可以深化學生對高分子物理及聚合物改性等課程理論知識的理解，對縮短實驗次數，降低實驗成本也是非常有意義的。

2 分子模擬軟件在高分子物理課程教學中的應用實踐

高分子物理是研究高分子的結構、性能及其相互關系的學科，它與高分子材料的合成、加工、改性、應用等都有非常密切的內在聯系。高分子物理課程建立在物理化學、高分子化學、固體結構、材料力學等課程的基礎之上，同時又是高分子材料與應用、高分子成型工藝等課程的基礎，是高等學校高分子材料與工程專業最重要的專業基礎課程之一。然而高分子物理具有概念抽象、結構復雜、性能多樣等特點被公認為高分子專業最難講和最難學的專業課。不少學生認為高分子物理理論性強、數學推導多等，難以學懂弄通。另外一部分學生反應平時課堂上，雖然能夠聽懂老師授課內容，但是不知道怎么靈活運用所學知識來分析和解決實際問題等。因此長期以來，任課老師都在對高分子物理的課程教學內容和教學方式方法進行不斷的改革和研究，探索各種教學方法如案例教學、啟發式、微課教學等。

高分子物理課堂教學是學生學習和掌握專業基礎理論知識的主要途徑，但是高分子物理理論繁雜、概念多而且抽象，學生不易理解。比如高分子鏈的構象、鏈段、無規線團、排斥體積等等，不少學生無論如何都想象不出來，如果我們在教學中增加一些虛擬的視頻動畫，將學生帶進高分子的微觀世界里，必定促進學生對知識的理解和掌握。在高分子物理課堂教學過程中，我們實施了以下幾個案例教學。比如利用Materials Studio搭建順式聚丁二烯無定形結構模型，對其構象和分子運動進行模擬，制作動畫并用于課堂教學PPT。利用Materials Studio對有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）的玻璃化溫度進行計算，讓學生對玻璃化轉變有了深刻的理解。比如在講解聚合物分子鏈均方末端距的時候，可以用Materials Studio搭建聚丙烯的分子鏈結構模型，并計算全同立構聚丙烯的均方末端距，讓學生有非常直觀的理解。又比如在講解高分子的溶解過程，高分子的取向機理的時候，通過圖片、動畫，可以讓學生們能夠從多角度、直觀、形象、生動地進行觀察，有助于學生發揮學習的主觀能動性，積極思考，加深對課堂教學內容的理解。總之，通過構建更加生動、活潑的課堂教學，開展高分子物理虛擬仿真課堂教學，可以提高學生掌握基礎知識的能力和學習本專業的熱情。

高分子物理實驗是高分子材料與工程專業重要的實驗環節之一，對培養學生的實踐動手能力具有重要作用。我校的高分子物理實驗，主要開設有粘均分子量測定，熱塑性塑料熔體流動速率測試，聚乙烯拉伸性能和沖擊性能測試，塑料表面硬度測試等。但是一些實驗由于缺乏實驗儀器難以開展，比如聚合物分子鏈均方末端距的測試，聚合物玻璃化溫度的測試等等。開設這些實驗，必須要有激光光散射儀或者差示掃描量熱儀等高端設備。我們通過開展虛擬實驗，制定實驗方案，用Materials Studio軟件對材料進行計算仿真，實驗課堂既生動，又形象，極大地提高了學生參與實驗的熱情，實施效果非常好。在虛擬仿真實驗的研究和實施過程中，通過進一步優化教學內容和教學手段的改革，提升專業實驗課程的內涵，培養和提高學生創新創業和動手實踐等方面的能力。

3 結語

隨著科學技術的飛速發展，計算機仿真技術將在科學研究和課堂教學中發揮越來越大的作用，我們作為專業教師應當適時引入分子模擬技術到課堂教學中來。當代大學生作為未來國家建設的生力軍，也有必要了解這些先進的實驗開發手段，提升綜合素質，以做出更多更好的成果。

參考文獻

[1] 莊昌清，岳紅.分子模擬方法及模擬軟件Materials Studio在高分子材料中的應用[J].塑料，2010，39（4）：81-84.

[2] 朱平平，何平笙.把分子模擬法引入高分子物理實驗教學[J].大學化學，2010，25（4）：41-46.

[3] 李映圖，喬智威. Materials Studio 軟件在分子模擬課程教學中的應用[J].廣州化工，2016，44（21）：160-161.