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摘 要： 大学课堂普遍存在的沉闷现象严重影响大学教学质量，为了提高大学课堂的实效性，本文把MS（Materials Studio）软件应用到材料专业教学中，对教学内容进行感官的情景模拟，使学生直观地观察、体验、发现、干预所学知识，充分激发学生的学习兴趣，调动学生的主动性和积极性，培养学生的探索精神，分析问题、解决问题及创新的能力，培养学生的综合素质。
关键词： MS软件 情景模拟 材料专业
1.引言
课堂教学作为高等教育的重要组成部分，其质量直接关系到我国高等教育的水平。目前大学课堂普遍存在教师缺乏教学艺术、大学生缺乏学习热情和动力、师生缺乏交流等问题，严重影响教学质量。
构成课堂教学的三要素是教师、学生和教学内容。处理好三者之间的关系是提高课堂教学质量的关键，但是目前大多数高校教师并没有完全理顺这三者之间的关系，沿袭传统的“教师讲学生听”的“满堂灌”教学模式，导致教师在讲台上讲得口干舌燥，筋疲力尽，而学生在讲台下却无精打采、昏昏欲睡。在这种教学方式下，教师是教学活动中的主角，缺少与学生的有效互动，没有很好地调动学生学习的积极性。当代著名教育家张楚廷教授曾说：“中国大学普遍的沉闷状态是令人忧郁的，课堂本是一个应激起头脑风暴的地方，但是它寂静得令人可怕。”这句话很形象地说明了我国大学课堂教学中存在的弊端。这样的课堂教学，不利于学生思维的开阔，不利于学生创新能力的提高。
教学的创造基于方法的更新，因此课堂教学的改革与教学方式的转变紧密结合。当今世界各国在教育领域的改革重点是关注教学方式的变革，其目的是以课堂教学实施作为切入口，以此探索改革传统的“以老师和课堂为中心的划一、封闭及包办”的教学方法，从而试图建立“以学生为中心，多渠道、多形式、主动吸收信息”的开放式教学方法模式。在各种各样的课堂教学改革实践中，模拟教学法最引人注目。模拟教学是指创造人为的教学环境，使学生在模拟真实的氛围中学习课程所规定的知识和能力。模拟教学是一种更宏观的教学改革策略，它全面考虑了教育与生活的特有属性、要求与规律，模拟社会环境并通过项目教学、案例分析、卡片展示等富有针对性的协作教学行为，综合地作用于学生，其对学生的专业能力、方法能力及解决问题的事务能力等具有非常重要的作用。本文拟采用模拟教学法，把专门为材料科学领域研究者开发的MS软件应用到材料专业的课程教学中，通过模拟教学内容，让学生直观看到事物对象发生的整个动态过程，充分激发学生的学习兴趣，调动学生的主动性和积极性，培养学生的探索精神，培养学生的创新能力及分析问题和解决问题的能力。
MS软件是将多范围的软件结合成一个集量子力学、分子力学、介观模型、分析工具模拟和统计相关应用为一体的建模环境，其研究领域包括晶体和分子材料结构及性质研究、表面和表面重构性质、表面化学及分子与材料表面作用研究、电子结构、光学和磁学性质研究、材料力学性质研究、材料逸出功、电离能计算及STM图像模拟研究等，是一种强有力的模拟工具。MS软件可以方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型及高分子材料的性质及相关过程进行模拟计算，得到切实可靠的数据。MS软件的上述特点适合教学，由于它涉及的研究领域比较多，因此在很多材料专业的课程中都可以应用。
本文以材料专业课程中半导体表面亲水疏水这一章节的内容为例，把MS软件应用到这部分内容的教学中，对教学内容进行模拟，通过三维模型的建立和计算，直观地看到表面吸附作用的整个动态过程，把抽象的知识形象化，充分调动学生的积极性、主动性和创新意识，提高学生分析问题与解决问题的能力，激发学生的学习兴趣和探索精神，提高学生的综合素质与能力。
3.1 FeS2和PbS表面模型的建立
半导体亲水和疏水是在表面发生的，因此采用MS软件学习这部分内容时，先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教学过程中，教师要引导学生思考，和教师一起完成模拟任务。表面从优化的体相中切出来，在切面的过程中，让同学们了解晶面的概念，通过简单的操作，向学生展示不同晶面的表面结构，并理解不同晶面的差异。在模拟水分子在半导体表面吸附时，一般选用半导体最稳定的解离面。通过模拟计算表面能，确定最稳定的表面模型。图1和图2分别为所建立的FeS2和PbS的表面模型。
在实践中，分子一般是在半导体表面最稳定的吸附位进行吸附的，因此对其进行模拟要找出最稳定的吸附位。通过测试吸附能可以确定最稳定的吸附构型。图2（a）和图2（b）分别为水分子在FeS2和PbS表面最稳定的吸附构型。
MS软件可以展示水分子与FeS2和PbS表面作用的动态过程，通过观看这个过程可以知道，水分子被吸附在FeS2表面，而被PbS表面排开，远离表面。也就是说FeS2表面是亲水的，而PbS表面时疏水的。从图2（a）中可以看出FeS2表面水分子中氧与表面Fe之间的距离为2.184？魡，而PbS表面水分子中氧与表面Pb之间的距离为2.689？魡。这意味着FeS2表面的水被吸附在表面，而PbS表面的水被排开。
上面是单分子水与材料表面的作用，在实践中，一般都是多分子水与材料表面的作用。通过MS软件也可以对多分子水与材料表面的作用进行模拟。图3（a）和图3（b）为多个水分子与FeS2和PbS表面的作用模型。多分子水吸附过程中，水分子之间会发生相互作用。通过MS软件可以展示多分子在材料表面作用的动态过程，让学生们直观了解水分子之间的作用和水分子与材料表面的作用。同学们从模拟过程中了解了FeS2的亲水和PbS的疏水过程，发生亲水和疏水的原因可以通过MS软件的模拟结果分析。
图4为水分子与FeS2和PbS表面作用的电子密度图。从图4（a）可以知道，FeS2表面与水的作用以化学吸收位置，是强健的作用，而从图4（b）可以看到，PbS表面与水分子之间的氢键是其疏水的本质，属于弱键作用，这也是FeS2亲水而PbS疏水的主要原因。
通过上述模拟，学生直观地看到水分子与材料表面的作用整个动态过程，使非常抽象的知识形象化，使难以理解的概念、条件和结论变得浅显易懂，大大激发学生的学习兴趣和强烈的求知欲望，使学生自动调节全身器官，积极参与教学。在模拟教学过程中，学生的思维跟着模拟内容一步一步向前走，每一步都要开动脑筋，激发学生的探究精神，并提高他们分析问题和解决问题的能力。
4.结语
上述研究成果已成功应用于材料专业的教学之中，采用MS软件通过具体的实例，在整个模拟过程中，学生感知、认知、想象及推理事物发生的形式和过程，用模拟化、形象化和现实化的方式，使学生直观地观察、体验、发现、干预，利用这些生动化、信息化了的知识模型，透过现象探索本质，从而使学生形象地建立起客观世界、存在与运动的本质属性，自然地培养学生的认知能力和创新能力。
关键词： MS软件 情景模拟 材料专业
1.引言
课堂教学作为高等教育的重要组成部分，其质量直接关系到我国高等教育的水平。目前大学课堂普遍存在教师缺乏教学艺术、大学生缺乏学习热情和动力、师生缺乏交流等问题，严重影响教学质量。
构成课堂教学的三要素是教师、学生和教学内容。处理好三者之间的关系是提高课堂教学质量的关键，但是目前大多数高校教师并没有完全理顺这三者之间的关系，沿袭传统的“教师讲学生听”的“满堂灌”教学模式，导致教师在讲台上讲得口干舌燥，筋疲力尽，而学生在讲台下却无精打采、昏昏欲睡。在这种教学方式下，教师是教学活动中的主角，缺少与学生的有效互动，没有很好地调动学生学习的积极性。当代著名教育家张楚廷教授曾说：“中国大学普遍的沉闷状态是令人忧郁的，课堂本是一个应激起头脑风暴的地方，但是它寂静得令人可怕。”这句话很形象地说明了我国大学课堂教学中存在的弊端。这样的课堂教学，不利于学生思维的开阔，不利于学生创新能力的提高。
教学的创造基于方法的更新，因此课堂教学的改革与教学方式的转变紧密结合。当今世界各国在教育领域的改革重点是关注教学方式的变革，其目的是以课堂教学实施作为切入口，以此探索改革传统的“以老师和课堂为中心的划一、封闭及包办”的教学方法，从而试图建立“以学生为中心，多渠道、多形式、主动吸收信息”的开放式教学方法模式。在各种各样的课堂教学改革实践中，模拟教学法最引人注目。模拟教学是指创造人为的教学环境，使学生在模拟真实的氛围中学习课程所规定的知识和能力。模拟教学是一种更宏观的教学改革策略，它全面考虑了教育与生活的特有属性、要求与规律，模拟社会环境并通过项目教学、案例分析、卡片展示等富有针对性的协作教学行为，综合地作用于学生，其对学生的专业能力、方法能力及解决问题的事务能力等具有非常重要的作用。本文拟采用模拟教学法，把专门为材料科学领域研究者开发的MS软件应用到材料专业的课程教学中，通过模拟教学内容，让学生直观看到事物对象发生的整个动态过程，充分激发学生的学习兴趣，调动学生的主动性和积极性，培养学生的探索精神，培养学生的创新能力及分析问题和解决问题的能力。
MS软件是将多范围的软件结合成一个集量子力学、分子力学、介观模型、分析工具模拟和统计相关应用为一体的建模环境，其研究领域包括晶体和分子材料结构及性质研究、表面和表面重构性质、表面化学及分子与材料表面作用研究、电子结构、光学和磁学性质研究、材料力学性质研究、材料逸出功、电离能计算及STM图像模拟研究等，是一种强有力的模拟工具。MS软件可以方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型及高分子材料的性质及相关过程进行模拟计算，得到切实可靠的数据。MS软件的上述特点适合教学，由于它涉及的研究领域比较多，因此在很多材料专业的课程中都可以应用。
本文以材料专业课程中半导体表面亲水疏水这一章节的内容为例，把MS软件应用到这部分内容的教学中，对教学内容进行模拟，通过三维模型的建立和计算，直观地看到表面吸附作用的整个动态过程，把抽象的知识形象化，充分调动学生的积极性、主动性和创新意识，提高学生分析问题与解决问题的能力，激发学生的学习兴趣和探索精神，提高学生的综合素质与能力。
3.1 FeS2和PbS表面模型的建立
半导体亲水和疏水是在表面发生的，因此采用MS软件学习这部分内容时，先要建立FeS2和PbS的表面模型。在教学过程中，教师要引导学生思考，和教师一起完成模拟任务。表面从优化的体相中切出来，在切面的过程中，让同学们了解晶面的概念，通过简单的操作，向学生展示不同晶面的表面结构，并理解不同晶面的差异。在模拟水分子在半导体表面吸附时，一般选用半导体最稳定的解离面。通过模拟计算表面能，确定最稳定的表面模型。图1和图2分别为所建立的FeS2和PbS的表面模型。
在实践中，分子一般是在半导体表面最稳定的吸附位进行吸附的，因此对其进行模拟要找出最稳定的吸附位。通过测试吸附能可以确定最稳定的吸附构型。图2（a）和图2（b）分别为水分子在FeS2和PbS表面最稳定的吸附构型。
MS软件可以展示水分子与FeS2和PbS表面作用的动态过程，通过观看这个过程可以知道，水分子被吸附在FeS2表面，而被PbS表面排开，远离表面。也就是说FeS2表面是亲水的，而PbS表面时疏水的。从图2（a）中可以看出FeS2表面水分子中氧与表面Fe之间的距离为2.184？魡，而PbS表面水分子中氧与表面Pb之间的距离为2.689？魡。这意味着FeS2表面的水被吸附在表面，而PbS表面的水被排开。
上面是单分子水与材料表面的作用，在实践中，一般都是多分子水与材料表面的作用。通过MS软件也可以对多分子水与材料表面的作用进行模拟。图3（a）和图3（b）为多个水分子与FeS2和PbS表面的作用模型。多分子水吸附过程中，水分子之间会发生相互作用。通过MS软件可以展示多分子在材料表面作用的动态过程，让学生们直观了解水分子之间的作用和水分子与材料表面的作用。同学们从模拟过程中了解了FeS2的亲水和PbS的疏水过程，发生亲水和疏水的原因可以通过MS软件的模拟结果分析。
图4为水分子与FeS2和PbS表面作用的电子密度图。从图4（a）可以知道，FeS2表面与水的作用以化学吸收位置，是强健的作用，而从图4（b）可以看到，PbS表面与水分子之间的氢键是其疏水的本质，属于弱键作用，这也是FeS2亲水而PbS疏水的主要原因。
通过上述模拟，学生直观地看到水分子与材料表面的作用整个动态过程，使非常抽象的知识形象化，使难以理解的概念、条件和结论变得浅显易懂，大大激发学生的学习兴趣和强烈的求知欲望，使学生自动调节全身器官，积极参与教学。在模拟教学过程中，学生的思维跟着模拟内容一步一步向前走，每一步都要开动脑筋，激发学生的探究精神，并提高他们分析问题和解决问题的能力。
4.结语
上述研究成果已成功应用于材料专业的教学之中，采用MS软件通过具体的实例，在整个模拟过程中，学生感知、认知、想象及推理事物发生的形式和过程，用模拟化、形象化和现实化的方式，使学生直观地观察、体验、发现、干预，利用这些生动化、信息化了的知识模型，透过现象探索本质，从而使学生形象地建立起客观世界、存在与运动的本质属性，自然地培养学生的认知能力和创新能力。