Materials Studio在固體物理課程分層教學中的應用

[摘 要] 為了深化固體物理課程改革，適應學生發展和學習需求，我們對固體物理課程采用了分層教學模式，針對不同專業不同層次水平的學生進行不同模式的教學，因材施教。同時在固體物理課程教學過程中把Materials Studio軟件引入課件制作、課堂演示和課下練習環節中，可視化圖形，可操作性學習過程，增強了學生對物理模型的理解，激發了學生深入探索的學習興趣。

[關鍵詞] 固體物理;分層教學模式;Materials Studio

[基金項目] 2017年西安建筑科技大學校級教改項目“Materials Studio在固體物理課程教學中的應用”（JG021735）

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

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] 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用物理學專業和材料科學與工程專業的一門必修課程。應用物理學屬于理學專業，材料工程屬于工科專業，對于不同專業背景的學生，為了達到最優教學效果，需要針對性地考慮不同的教學模塊，以及授課形式。另外即使對于同一個專業內部的學生來說，理論基礎水平和興趣差異也有所不同，需要從不同層次把握教學過程。因此在固體物理課程教學過程中，我們根據不同專業和不同基礎水平的學生，實施了分層教學實踐[1]。課堂實踐結果證明，在我校固體物理課堂中實施分層教學模式有利于學生對該門課程的整體把握和深入理解，達到了預期的教學效果。

在大數據、云時代快速發展的今天，信息科學技術已經走入了人們的生活，為了讓計算機軟件更好地服務于大學課堂，我們在固體物理課堂中引入了Materials Studio工具的學習和應用。把Materials Studio軟件滲透到平時作業和練習中，增強學生學習主動性，提高了學生動手能力和主動思考能力，改善了傳統課堂教學中老師講學生聽的被動模式。同時Materials Studio中的模塊設計輔助了課堂分層教學模式。

一、Materials Studio軟件與固體物理課程相結合

Materials Studio是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上的模擬軟件。它可以協助研究解決當今化學、材料工業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使化學及材料科學的研究者能更方便地建立三維結構模型，并對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質及相關過程進行深入的研究。Materials Studio軟件模擬的內容包括了催化劑、聚合物、固體及表面、晶體與衍射、化學反應等主要課題。Materials Studio采用了Microsoft標準用戶界面，允許用戶通過各種控制面板直接對計算參數和計算結果進行設置和分析。

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構模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結構模型，處理圖表、表格或文本等形式的數據，并提供軟件的基本環境和分析工具。

固體物理課程以完整晶體為主要研究對象，研究固體的結構及其組成粒子間的相互作用與運動規律，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途徑。固體物理課程的任務是使學生了解認識固體材料的微觀結構、初步掌握研究分析固體物質的微觀運動規律和與宏觀現象之間聯系的方法和原理。通過課程的學習，加強學生研究解決問題的科學思維和能力，為進一步獲取專業知識奠定良好的基礎。Materials Studio能夠有效地結合到固體物理課程當中，輔助教師把課件內容具體化，通過軟件實現三維圖形轉換旋轉等，讓學生對晶體結構有更深刻的認識，課程練習中讓學生利用軟件模塊進行輔助練習，通過可視化練習，學生對多種知識掌握程度加深了。

二、固體物理課堂分層教學

（一）應用物理專業和材料工程專業

應用物理專業旨在培養具有扎實基礎和較強邏輯思維能力，系統掌握物理學現代技術領域的基礎理論，專門知識和基本技能的專業人才，要求學生得到科學研究和技術開發的初步訓練，具有較強的創新能力和實踐能力。基于此培養目標，我們對該專業學生注重理論基礎的夯實，公式的推導、細化和延伸。在固體物理課程改革中加入了Materials Studio軟件的學習;Materials Studio軟件是目前物理材料科學前沿應用較廣泛的計算軟件，精確度和準確度較高;基于模塊學習，操作簡便，學生很快能夠掌握基本應用。課程要求應用物理專業的學生掌握核心模塊建立晶格。

材料工程專業屬于工科專業，主要以材料科學與工程的基礎理論和基本技能為基礎，進行金屬、非金屬材料、能源材料的設計和制備、結構與性能分析、加工與成型方面的研究實驗、開發和應用，具有新材料新技術的研發應用能力。相比于應用物理專業，該專業以應用為主，在固體物理課程教學設計過程中，盡可能減少理論公式的推導和講解，注重材料結構性能的討論，同時在應用Materials Studio軟件過程中，選擇更偏重應用的軟件模塊。

（二）應用物理專業分層教學

以應用物理專業為例，輔助以Materials Studio軟件，闡述分層教學模式在固體物理課堂中的實現。應用物理屬于理學專業，課程設置中更加注重學生思維能力的培養，數學物理基礎的夯實，同時對提高學生計算能力的要求也比較高。基于以上學科特點，在對應用物理專業學生課堂教學中有意識注重培養。

我校固體物理課程56個學時，應用物理專業，我們選用了黃昆先生原著，韓汝琦改編的《固體物理學》。重點講授前五章內容：晶格結構、固體的結合、晶格振動與晶體的熱學性質、能帶理論和晶體中電子在電場和磁場中的運動，第六章金屬電子論略講。

固體物理課程是被公認很難的一門專業課，我校開設在大四上學期，學生的水平不一，對課程的期待也不同，有些同學工作已經簽好，只要及格就行，有些同學考研要考這門課程，必須進行深入徹底地學習，這些因素給教學過程帶來很大難度。我們采取了層次教學模式，針對不同層次水平，不同目標需求的學生，設置了不同的教學目標采用了不同的課堂以及課下練習[2]。把每個章節做了難易程度劃分，分為基礎層、提高層和拔尖層。基礎層針對只求及格拿到學分的學生，要求掌握基本概念、基本計算方法，課堂練習以及課下作業設置相對簡單，期末考試成績能達到中等或者及格水平;提高層針對有一定興趣想深入學習的學生，要求在掌握基本概念和計算方法基礎上，能夠靈活運用解決一些實際問題，期末考試成績能達到良好的水平;拔尖層針對考研或者非常感興趣的學生，除了掌握基本概念和基本計算方法，需要大量習題鞏固，理論聯系實際，結合實際材料應用Materials Studio軟件大量建模，討論不同參量對物理特性的影響，期末考試成績達到優秀水平。學生根據自己的能力和需求，選擇不同難度的練習和課下作業。

以第一章第二小節晶格的周期性為例。對于基礎層學生，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式晶格中能夠給出基矢的正確表達形式即可。對于提高層的學生，除了掌握以上基本概念，還要求各找出一種對應的實際材料，使用Materials Studio核心模塊在程序中實現。對于拔尖層學生，除了掌握以上內容，還要求調用Materials Studio軟件的應用模塊，嘗試加應變或者嘗試摻雜等深入探討。

三、總結

固體物理課程是我校應用物理專業和材料科學與工程專業的一門必修課程，為了提高課堂教學效果，因材施教，我們采用了分層教學模式，增加學生學習興趣，提高學生動手能力，理論聯系實際能力，我們在課堂授課以及課下作業環節中加入了Materials Studio軟件的使用，學生反饋良好，教學效果良好，達到了預期的教學目的。

參考文獻

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

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