20世紀(jì)80年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為各個(gè)材料領(lǐng)域研究專(zhuān)家的必備工具，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法的發(fā)展，計(jì)算模擬方法也已經(jīng)成為材料研究新的重要手段．計(jì)算模擬技術(shù)以物理學(xué)、化學(xué)等相關(guān)的基本理論為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境下對(duì)宏觀(guān)、介觀(guān)以及微觀(guān)的不同尺度的材料進(jìn)行多層次的模擬研究，計(jì)算材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等多方面的物理性質(zhì)，并進(jìn)一步探求這些材料的組分、結(jié)構(gòu)和功能之間的本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，為實(shí)驗(yàn)制備新材料提供理論支持，變盲目的材料合成為針對(duì)材料性能的某類(lèi)特定需求來(lái)主動(dòng)地、有意識(shí)地設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)．計(jì)算模擬在材料科學(xué)中的作用已經(jīng)不僅僅停留在計(jì)算機(jī)輔助和數(shù)據(jù)處理上，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算模擬已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)、理論研究一樣能夠發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象、新的科學(xué)概念，從而計(jì)算模擬已經(jīng)成為第三條科學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑．因此，現(xiàn)代材料科學(xué)已經(jīng)不再是單純的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，計(jì)算模擬方法已成為與理論研究和實(shí)驗(yàn)方法同樣重要的研究手段，實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算成為材料研究的3大支柱[4]．而且隨著計(jì)算材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算模擬方法在未來(lái)的材料研究中將顯示出越來(lái)越大的應(yīng)用潛力．因此，了解和掌握材料計(jì)算和模擬的基本知識(shí)已成為現(xiàn)代材料研究工作者必備的技能之一．

材料的計(jì)算模擬方法介紹

材料的計(jì)算模擬研究是近年來(lái)飛速發(fā)展的一門(mén)新興學(xué)科和交叉學(xué)科．它綜合凝聚態(tài)物理學(xué)、理論化學(xué)、材料物理學(xué)和計(jì)算機(jī)算法等多個(gè)相關(guān)學(xué)科．它的目的是利用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀(guān)到宏觀(guān)多個(gè)尺度的各類(lèi)現(xiàn)象與性能，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)言，從而達(dá)到設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新材料的目的．材料的多尺度計(jì)算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計(jì)算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法是目前研究微觀(guān)電子結(jié)構(gòu)最主要的理論方法．第一性原理計(jì)算方法只用到普朗克常數(shù)(h)，玻爾茲曼常數(shù)(kB)，光速(c)，電子靜態(tài)質(zhì)量(m0)和電子電荷電量(e)這5個(gè)基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu)．從量子力學(xué)出發(fā)，通過(guò)數(shù)值求解薛定諤方程，計(jì)算材料的物理性質(zhì)．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計(jì)算已廣泛應(yīng)用于第一性原理的電子結(jié)構(gòu)研究中，并已經(jīng)取得很大的成功．結(jié)合一些能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法，對(duì)于半導(dǎo)體和一些金屬基態(tài)性質(zhì)，如晶格常數(shù)，晶體結(jié)合能，晶體力學(xué)性質(zhì)都能夠給出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的結(jié)果，同時(shí)能夠比較精確地描述很多體系的電子結(jié)構(gòu)(如能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、復(fù)折射率、光吸收系數(shù)、反射光譜及光電導(dǎo)等)和磁性質(zhì)，從微觀(guān)理論角度分析和揭示材料物理性質(zhì)的起源，使實(shí)驗(yàn)者主動(dòng)對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動(dòng)力學(xué)方法(MolecularDynamicsMethods)分子動(dòng)力學(xué)是一種確定性方法，是按照該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來(lái)確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個(gè)粒子的個(gè)體運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律，給出微觀(guān)量(分子的坐標(biāo)、速度)與宏觀(guān)可觀(guān)測(cè)量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關(guān)系來(lái)研究材料性能的一種方法[5]．分子動(dòng)力學(xué)方法首先需要建立系統(tǒng)內(nèi)一組分子的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)求解所有分子的運(yùn)動(dòng)方程，來(lái)研究該體系與微觀(guān)量相關(guān)的基本過(guò)程．對(duì)于這種多體問(wèn)題的嚴(yán)格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據(jù)波恩－奧本海默近似，將電子的運(yùn)動(dòng)與原子核的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)處理，電子的運(yùn)動(dòng)利用量子力學(xué)的方法處理，而原子核的運(yùn)動(dòng)則使用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法處理．此時(shí)原子核的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，用牛頓定律來(lái)描述，這對(duì)于大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)頻率γ滿(mǎn)足hγ＞kBT時(shí)，才需要考慮量子效應(yīng)．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡(jiǎn)單的理論準(zhǔn)則基礎(chǔ)上(如簡(jiǎn)單的物質(zhì)與物質(zhì)或者物質(zhì)與環(huán)境相互作用)，采用反復(fù)隨機(jī)抽樣的手段，解決復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題．該方法采用隨機(jī)抽樣的手法，可以模擬對(duì)象的概率與統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題．通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ停摲椒ㄟ€可以解決確定性問(wèn)題，如定積分等．隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應(yīng)用物理、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]．蒙特卡洛方法可以通過(guò)隨機(jī)抽樣的方法模擬材料構(gòu)成基本粒子原子和分子的狀態(tài)，省去量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜計(jì)算，可以模擬很大的體系．結(jié)合統(tǒng)計(jì)物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態(tài)與材料宏觀(guān)性能的關(guān)系，是研究材料性能及其影響因素的本質(zhì)的重要手段．

1關(guān)于”材料”

能源、信息和材料是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱，而材料更是基礎(chǔ)。沒(méi)有先進(jìn)的材料就沒(méi)有先進(jìn)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)技術(shù)．重大的技術(shù)革新往往起始于材料的革新。如20世紀(jì)50年代鎳基超級(jí)合金的出現(xiàn)，將材料使用溫度由原來(lái)的700℃提高到900X2從而使得超音速飛機(jī)問(wèn)世。而高溫陶瓷的出現(xiàn)則促進(jìn)了表面溫度高達(dá)1000~2的航天飛機(jī)的發(fā)展。近代新技術(shù)(原子能、計(jì)算機(jī)、集成電路、航天工業(yè)等)的發(fā)展又促進(jìn)了新材料的研制。當(dāng)前可稱(chēng)為精密陶瓷時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代、塑料時(shí)代或合成材料時(shí)代等等。材料可以從不同角度分類(lèi)．根據(jù)材料的組成可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料(聚合物)和復(fù)合材料；根據(jù)特性和用途可將它分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)材料主要是利用其力學(xué)性能，制造需承受一定載荷的設(shè)備、零部件、建筑結(jié)構(gòu)等。功能材料主要是利用其特殊物理性能(電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性能等)，用于制造各種電子器件、光敏元件、絕緣材料等。根據(jù)材料內(nèi)部原子排列情況分為晶態(tài)和非晶態(tài)材料；根據(jù)材料的熱力學(xué)狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)材料；根據(jù)材料尺寸分為一維(纖維及晶須)、二維(薄膜)和三維(大塊)材料等。

2“材料科學(xué)”與“材料科學(xué)與工程”

材料科學(xué)(MaterialsScience)~科伴隨著生產(chǎn)力發(fā)展和科技進(jìn)步產(chǎn)生與發(fā)展。材料的各種性能是其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素在一定外界條件下的行為表現(xiàn)。研究材料主要是為了更有效地使用材料，即了解影響材料性能的各種因素，從而掌握提高其性能的途徑。材料科學(xué)是闡明材料的性能和行為與其成分及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。一般認(rèn)為，學(xué)科間的區(qū)別不是絕對(duì)的。材料科學(xué)是由多種學(xué)科分化而產(chǎn)生，而又通過(guò)集成走向成熟的。材料科學(xué)產(chǎn)生之初，有學(xué)者認(rèn)為：冶金學(xué)仍然是一門(mén)健全的學(xué)科，擁有基本理論、方法和界限，但隨著工程中日益不斷地使用聚合物、陶瓷、玻璃和復(fù)合材料，其研究拓展為材料科學(xué)(Calvert，1997)。20世紀(jì)50年代，材料科學(xué)(MaterialsScience)這一新概念，主要源于冶金學(xué)，1958至于959年間美國(guó)大學(xué)教育性質(zhì)的改變和各種新材料科學(xué)研究組織的形成，是材料科學(xué)形成的標(biāo)志。西北大學(xué)(NorthWesternUifiversity)是最早將材料科學(xué)作為系名的大學(xué)(1954年)，并為本科生的研究生開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程，出版了《材料性能原理(PrinciplesofthePropertiesofMaterials))(1954年)一書(shū)，材料科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)分支，包括固體物理、冶金學(xué)、高分子化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、礦物學(xué)、玻璃與陶瓷技術(shù)。一門(mén)學(xué)術(shù)型學(xué)科抽涉及的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由大學(xué)里院系、學(xué)會(huì)和專(zhuān)業(yè)雜志所構(gòu)成的群體，它是一所“看不見(jiàn)的學(xué)院(hwisiblecollege)”，它們的成員共享某一特定的研究傳統(tǒng)，學(xué)者們從中學(xué)到了基本的理論框架、操作規(guī)范和技術(shù)方法。DavidTumbul(1983)~E《對(duì)“材料科學(xué)”產(chǎn)生和發(fā)展的評(píng)述》一文中，將材料科學(xué)定義為：在超分子水平上表征，認(rèn)識(shí)和控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)．并建立這一結(jié)構(gòu)與性能(力學(xué)、磁、電等)間的關(guān)系，即所謂的超分子科學(xué)。

MSE(MaterialsScienee&Engineering)的概念最初產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，到1960年已經(jīng)基本穩(wěn)固建立。在COsMT(1974)的報(bào)告中，將MSE定義為：涉及將材料成分、結(jié)構(gòu)和制備與其性能和使用建立關(guān)系所形成并應(yīng)用的知識(shí)。1957年美國(guó)政府出臺(tái)了資助l2個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃，首批三個(gè)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室分別建立在康奈爾大學(xué)、賓西法尼亞大學(xué)和西北大學(xué)。這些實(shí)驗(yàn)室1972年由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)正式負(fù)責(zé)。此后各個(gè)大學(xué)教授的課程，也深受這些材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室所從事工作的影響。1958年，為了更好地已經(jīng)建立的新學(xué)科的特征，又在系保后面加上了。與工程，并開(kāi)始了。材料科學(xué)與工程的教育，如牛津大學(xué)的材料科學(xué)系也簡(jiǎn)單地更名為“材料系(DepartmentofMaterials)”。同期還有一批大學(xué)，如德克薩斯大學(xué)的奧斯分校等沒(méi)有設(shè)立材料科學(xué)系，但已經(jīng)開(kāi)始了系間合作，進(jìn)行了與材料科學(xué)相關(guān)的研究生教育，通常這種教育也不僅限于在“工程學(xué)院”之內(nèi)。雖然沒(méi)有這個(gè)系名，但老師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和研究生的研究工作集中在材料制備、固體化學(xué)、高分子工程與科學(xué)、X射線(xiàn)晶體學(xué)、生物材料、結(jié)構(gòu)材料、材料理論和凝聚態(tài)材料及器件等相關(guān)領(lǐng)域。1964年麻省理工學(xué)院(MIT)也將系名以為“冶金與材料科學(xué)系”，1974年正式改名為“材料科學(xué)與工程系”。20世紀(jì)60年代，材料科學(xué)被引入歐洲的大學(xué)，如北威爾士大學(xué)、蘇賽克大學(xué)和伯明翰大學(xué)。1956年，中國(guó)在西方工作過(guò)的科學(xué)工作者們制定一份科學(xué)技術(shù)規(guī)劃時(shí)，認(rèn)識(shí)當(dāng)時(shí)的中國(guó)已經(jīng)培養(yǎng)了具有金屬材料方面知識(shí)的科技人員，但對(duì)合金及其熱處理方面的科技人員數(shù)量不足，到1980年，已經(jīng)有l(wèi)7個(gè)院校的金屬物理專(zhuān)業(yè)改為材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)。

3“材料科學(xué)”研究的實(shí)踐與方向

材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)體系龐雜，從晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)到表面界面，從點(diǎn)陣的規(guī)則排布到各種缺陷，從液態(tài)凝固到固態(tài)轉(zhuǎn)變，內(nèi)容五花。此外，晶體的某些微觀(guān)形態(tài)與人們的宏觀(guān)生活經(jīng)驗(yàn)距離甚遠(yuǎn)，使得這些概念抽象，難以理解。材料科學(xué)基礎(chǔ)給學(xué)生的普遍感覺(jué)是知識(shí)面既廣且深，學(xué)習(xí)難度很大，被學(xué)生私下稱(chēng)作“天書(shū)”。如何把“天書(shū)”講透，這對(duì)教學(xué)工作提出了很高的要求：既要講得生動(dòng)形象，激起學(xué)生的興趣，又要將知識(shí)講授到位，不能為了降低難度而刪繁就簡(jiǎn)。為了提高教學(xué)質(zhì)量，各個(gè)學(xué)校的材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)都進(jìn)行了大量改革，如使用動(dòng)畫(huà)對(duì)晶體微觀(guān)形態(tài)進(jìn)行直觀(guān)的表現(xiàn)，增強(qiáng)師生之間的交流，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，等。這些措施都在一定程度上提升了材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)效果，使得理解材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中知識(shí)點(diǎn)的難度有所下降。盡管有了這些新的教學(xué)手段，材料科學(xué)基礎(chǔ)對(duì)大部分學(xué)生來(lái)說(shuō)依然很難，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。除此之外，在材料科學(xué)基礎(chǔ)的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)常存在著一些困惑：習(xí)慣于被動(dòng)地接受知識(shí)，卻不知道這些理論知識(shí)從何而來(lái)，也很少去想孕育這些理論的過(guò)程。介紹材料科學(xué)發(fā)展史中的名人典故，能夠讓學(xué)生了解科學(xué)理論形成的歷史，熟悉科研的過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的興趣，進(jìn)而激發(fā)投身材料科學(xué)研究的熱情。

一、提高課堂注意力

在北京科技大學(xué)材料學(xué)院的課程設(shè)置中，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)由兩部分構(gòu)成，堂教學(xué)和40學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。課堂教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，要提升材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的整體教學(xué)質(zhì)量，提高課堂講授效果是重中之重。在課堂教學(xué)中，教學(xué)質(zhì)量的決定因素不是教師講授了多少知識(shí)，而是學(xué)生接受了多少內(nèi)容。學(xué)生接受的信息量有兩個(gè)影響因素：一是教師能否將抽象的概念形象化，使學(xué)生便于理解，也就是“聽(tīng)不聽(tīng)得懂”；二是學(xué)生上課注意力是否集中，是否緊跟教師的思路，也就是“在不在聽(tīng)”。為了闡明抽象的理論，使學(xué)生“聽(tīng)得懂”，各校的教師都做了大量的工作。例如，編寫(xiě)合適的教材，制作教學(xué)視頻、動(dòng)畫(huà)，制作教學(xué)實(shí)物模型，等等。這些工作能將抽象的概念直觀(guān)化、形象化，便于學(xué)生理解，收到了很好的成效，提升了教學(xué)質(zhì)量。但是，關(guān)于集中學(xué)生注意力的教學(xué)改革則不多。盡管教學(xué)視頻、模型等能夠增強(qiáng)學(xué)生上課興趣，提升其注意力，但其本身仍然是對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的介紹，有一定的理解難度，未必每個(gè)人都能接受。理想的課堂教學(xué)狀況是學(xué)生的注意力隨時(shí)間呈現(xiàn)水平甚至是上升的趨勢(shì)。聽(tīng)課需要學(xué)生持續(xù)用腦，經(jīng)歷了一個(gè)興奮點(diǎn)后注意力逐漸下降的現(xiàn)象是無(wú)法避免的。維持學(xué)生注意力的一個(gè)可行方法是縮短相鄰兩個(gè)興奮點(diǎn)之間的時(shí)問(wèn)間隔。在課堂講授中穿插名人典故能放松學(xué)生緊張的神經(jīng)，并制造一個(gè)新的興奮點(diǎn)。如果說(shuō)在一節(jié)課中學(xué)生的注意力是不斷下降的，那么介紹名人典故能使學(xué)生的注意力有一個(gè)突然的提高，達(dá)到一個(gè)新的峰值。介紹名人典故能活躍課堂氣氛，明顯的變化是抬頭看黑板的學(xué)生人數(shù)增加了，一些原本精神溜號(hào)學(xué)生的注意力都被集中到課堂上。

導(dǎo)致學(xué)生上課注意力不集中的另一個(gè)原因是畏難情緒。一些學(xué)生上課時(shí)遇到聽(tīng)不懂的地方興趣就會(huì)減弱，遇到更難懂的知識(shí)點(diǎn)甚至?xí)艞壜?tīng)課。而介紹材料科學(xué)名人典故能起到幫助學(xué)生克服畏難情緒的作用。例如，晶體的易磁化方向如今是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論，但日本東北大學(xué)為了得到這個(gè)結(jié)論曾付出了巨大的努力：實(shí)驗(yàn)室連續(xù)幾個(gè)月燈火通明，研究人員輪班24小時(shí)不間斷地實(shí)驗(yàn)才得出了現(xiàn)在的簡(jiǎn)單結(jié)論。介紹這樣的事例能讓學(xué)生感受到科學(xué)研究的艱辛，從而正確地面對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的困難。

二、端正實(shí)驗(yàn)態(tài)度

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)的重要組成部分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能更好地理解所學(xué)到的理論知識(shí)。在目前的材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生往往是被動(dòng)地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，缺乏自主探索的熱情。有些學(xué)生甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的意義也發(fā)生了懷疑，不知道實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練對(duì)于今后的科研或工作有什么作用。通過(guò)介紹材料科學(xué)名人取得成就的科研過(guò)程，能使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)課的價(jià)值和目的，從而端正對(duì)待實(shí)驗(yàn)課的態(tài)度。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，手繪組織形貌圖是一項(xiàng)基本的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練。很多學(xué)生對(duì)這項(xiàng)訓(xùn)練提出了質(zhì)疑，認(rèn)為在顯微照相技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，已經(jīng)不再需要用手繪的方式來(lái)記錄組織形貌。向?qū)W生展示阿道夫•馬滕斯(AdolfMartens，1850—1914)的研究筆記就是端正學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度的一個(gè)例子。他畫(huà)出的組織形貌圖可以同照片媲美，清楚地反映了組織的每一個(gè)細(xì)節(jié)，甚至還繪上了彩色，每一幅圖都配了詳盡的解釋與說(shuō)明。以前上實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生只是把手繪組織形貌圖當(dāng)成一項(xiàng)任務(wù)來(lái)做?？吹今R滕斯的研究筆記后，學(xué)生意識(shí)到科學(xué)家在照相技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代都是用手繪組織形貌的方式來(lái)進(jìn)行研究的。即使在顯微照相技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，也不意味著手繪組織形貌就失去了意義，因?yàn)槭掷L的過(guò)程能加深對(duì)組織形成先后順序的認(rèn)識(shí)。顯微照相與手繪組織形貌之間的差異就如同熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的差異一樣，前者只給出最終態(tài)，而后者則更注重組織形成的過(guò)程。

摘要:本文針對(duì)高校課程改革的迫切需求及該課程在教學(xué)中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，嘗試對(duì)“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”這門(mén)課程的教學(xué)進(jìn)行改革，提出“四位一體”教學(xué)模式和該模式的具體實(shí)施策略。將研究型探究式教學(xué)、線(xiàn)上線(xiàn)下體驗(yàn)教學(xué)、前沿知識(shí)教學(xué)和課程思政教學(xué)四個(gè)方面在教學(xué)實(shí)施中進(jìn)行有機(jī)整合，使該課程在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做、評(píng)的融合，有利于學(xué)生厚植理論基礎(chǔ)、啟發(fā)創(chuàng)新思維、拓展學(xué)科視野、樹(shù)立文化自信，助力應(yīng)用研究型人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī);材料科學(xué);四位一體;教學(xué)模式

隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的快速發(fā)展，材料科學(xué)研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的試錯(cuò)法逐步走向多元化、多尺度化研究［1-2］，材料研發(fā)模式的變革對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，國(guó)內(nèi)各高等院校認(rèn)識(shí)到“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程的重要性［3-4］。該課程是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程，其目的是為了培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行材料科學(xué)研究和解決材料工程領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的能力，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和科技探索能力。然而，在教學(xué)過(guò)程中存在重理論輕實(shí)踐、教學(xué)模式單一、前沿性不足、思政育人單調(diào)等問(wèn)題。在新工科背景下，迫切需要進(jìn)行教育教學(xué)改革，不斷提升學(xué)生利用計(jì)算機(jī)技術(shù)工具分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高課程教學(xué)效果。

一、當(dāng)下“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程涉及的理論知識(shí)面較廣，是融合計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料科學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)的跨學(xué)科課程。課程對(duì)該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的發(fā)展具有重要奠基作用，因此這門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量日益受到重視。但因各個(gè)高校學(xué)科設(shè)置和師資力量不同，該課程教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的理論授課的形式進(jìn)行，通過(guò)對(duì)這門(mén)課程教學(xué)過(guò)程的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中還存在以下問(wèn)題。

(一)教學(xué)觀(guān)念上重理論輕實(shí)踐

摘要：材料科學(xué)涉及的內(nèi)容比較多，屬于一門(mén)綜合性比較強(qiáng)的學(xué)科，在發(fā)展的過(guò)程中融入計(jì)算機(jī)技術(shù)在很大程度上提升了材料科學(xué)的發(fā)展水平。例如，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展和經(jīng)營(yíng)及煉鋼過(guò)程中溫度和流體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)等，這些精細(xì)化的活動(dòng)都需要計(jì)算機(jī)技術(shù)作為必要的支持。如今，人們對(duì)材料提出了更高的需求，這也為計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的發(fā)展奠定了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。因此，文章結(jié)合具體的應(yīng)用方式及其注意事項(xiàng)進(jìn)行更為細(xì)致的論述，旨在為促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；材料科學(xué)；具體運(yùn)用

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其在材料液態(tài)成型、連接成型和塑性成型的過(guò)程中，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性可以對(duì)材料成型工藝進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，運(yùn)用定量預(yù)測(cè)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式中的動(dòng)向描述。有關(guān)技術(shù)人員能夠借助這種方式來(lái)提升自身的工作效率，同時(shí)防止人工誤差對(duì)材料、工藝和環(huán)節(jié)造成的影響[1]。如今，經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法已經(jīng)不適于當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，在計(jì)算機(jī)的協(xié)助之下，工作人員能夠以更加便捷可靠的操作形式進(jìn)行試驗(yàn)。將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到材料科學(xué)中，有助于形成質(zhì)量好、實(shí)用性強(qiáng)的材料。

1計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1.1在新材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在分析材料設(shè)計(jì)的具體方式和尺寸測(cè)量等知識(shí)的過(guò)程中，應(yīng)該將人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)等當(dāng)下比較火熱的新技術(shù)運(yùn)用到新材料設(shè)計(jì)工作中，這樣能夠拓展研究人員的思維，讓他們?cè)趯?shí)際工作中加入更多的創(chuàng)新理念。利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行工作的過(guò)程中需要運(yùn)用復(fù)雜的化學(xué)理論和物理理論，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠?qū)⑦@些雜亂的試驗(yàn)資料進(jìn)行整合，并且衍生出全新的材料研發(fā)形式，從而有效提升工作效率，也提高了材料設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量[2]。

摘要：本篇文章從低碳經(jīng)濟(jì)的概念、核心以及主要內(nèi)容方面進(jìn)行了分析，根據(jù)低碳經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)需求，介紹了國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用狀況，并分析了材料科學(xué)和加工技術(shù)在各種材料領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展前景，提出了發(fā)展低碳技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的具體對(duì)策。

關(guān)鍵詞：低碳經(jīng)濟(jì)；低碳技術(shù)；材料科學(xué)

低碳經(jīng)濟(jì)是指減少溫室氣體排放量的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，特別是有效控制二氧化碳這種主要的溫室氣體的對(duì)外排放。低碳經(jīng)濟(jì)的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)排放的最小化以及污染的最小化，實(shí)質(zhì)在于提升資源的利用率并創(chuàng)設(shè)新型的清潔能源發(fā)展結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和觀(guān)念更新。同時(shí)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)涉及到生活、生產(chǎn)方式以及價(jià)值觀(guān)乃至國(guó)家利益等多個(gè)范疇。世界氣候變化關(guān)乎人類(lèi)的生產(chǎn)和延續(xù)，因此各國(guó)都圍繞低碳經(jīng)濟(jì)做出了努力，通過(guò)科學(xué)技術(shù)的研發(fā)以及生活方式、生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變來(lái)減少資源消耗、降低污染排放。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的雙贏(yíng)，在這樣的背景下，材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸引起世界各國(guó)的重視。

一、低碳經(jīng)濟(jì)下材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展概述

在當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，很多國(guó)家為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展，踴躍發(fā)展科學(xué)技術(shù)。材料科學(xué)技術(shù)是其中很重要的一個(gè)范疇，很多國(guó)家將材料科學(xué)技術(shù)看作國(guó)家發(fā)展策略當(dāng)中重要的構(gòu)成成分，應(yīng)當(dāng)?shù)玫街攸c(diǎn)的扶持。在國(guó)際范圍內(nèi)歐美國(guó)家較先發(fā)展材料科學(xué)技術(shù)，并且無(wú)論在科學(xué)理念還是科學(xué)研究成果方面都位居前列。其中美國(guó)的材料科技戰(zhàn)略的目的在于保持本國(guó)在全球范疇內(nèi)的領(lǐng)先地位，掌握信息技術(shù)以及生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)乃至納米技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源、信息等重要的部門(mén)和領(lǐng)域的要求。歐洲國(guó)家的新材料科技戰(zhàn)略的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)航空材料、電信材料等領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先，在歐洲的一些國(guó)家大力發(fā)展光電材料，納米技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等。通過(guò)產(chǎn)品的創(chuàng)新以及技術(shù)的創(chuàng)新，在新材料制造裝備、加工以及應(yīng)用等三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在亞洲國(guó)家當(dāng)中，具有代表性的國(guó)家比如日本，重視材料科學(xué)技術(shù)的實(shí)用性，同時(shí)也注重產(chǎn)品的先進(jìn)性，追求產(chǎn)品的高端化發(fā)展，爭(zhēng)取在頂尖的領(lǐng)域趕超美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。日本對(duì)于新材料的研究和傳統(tǒng)材料的優(yōu)化采用的是齊頭并進(jìn)的策略，重視對(duì)現(xiàn)有材料的性能提升以及對(duì)舊產(chǎn)品的回收利用等。在新世紀(jì)新材料技術(shù)發(fā)展籌劃當(dāng)中，重視環(huán)保型以及再生型產(chǎn)品的發(fā)展，以資源友好特性和環(huán)境保護(hù)特性為主要的發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的材料科學(xué)技術(shù)以解決資源匱乏和環(huán)境污染的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)于材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也十分重視，具體體現(xiàn)在各大國(guó)家發(fā)展計(jì)劃當(dāng)中，為材料領(lǐng)域提供了可觀(guān)的篇幅，在材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域我國(guó)已經(jīng)有了比較充分的技術(shù)體系，并且在材料領(lǐng)域的研發(fā)方面有了明顯的進(jìn)步，在一些新材料領(lǐng)域的研究上取得了明顯的成效。但是我國(guó)缺乏自主創(chuàng)新能力，不夠重視帶有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料以及技術(shù)的發(fā)展，嚴(yán)重妨礙了新材料以及技術(shù)的研究和發(fā)展。所以，我國(guó)依舊需要努力，改善材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

二、低碳經(jīng)濟(jì)對(duì)于材料產(chǎn)業(yè)的具體要求

摘要：將天津理工大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案與材料類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，目前運(yùn)行的培養(yǎng)方案在培養(yǎng)目標(biāo)、專(zhuān)業(yè)總學(xué)分?jǐn)?shù)方面符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是現(xiàn)有方案在終身學(xué)習(xí)能力方面體現(xiàn)不足，對(duì)于一些通識(shí)性的知識(shí)還需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：材料物理；材料類(lèi)；教學(xué)質(zhì)量

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2018年1月31日，教育部《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》），這是我國(guó)的第一個(gè)高等教育教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?！稑?biāo)準(zhǔn)》有三大特點(diǎn)，一是既有“規(guī)矩”又有“空間”，既對(duì)各專(zhuān)業(yè)類(lèi)提出統(tǒng)一要求、保證基本質(zhì)量，又為各校各專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)特色發(fā)展留出足夠的拓展空間，形象地說(shuō)就是“保底不封頂”；二是既有“底線(xiàn)”又有“目標(biāo)”，既對(duì)各專(zhuān)業(yè)類(lèi)提出基本要求，兜底線(xiàn)、保合格，又對(duì)提升質(zhì)量提出前瞻性要求；三是既有“定性”又有“定量”，既對(duì)各專(zhuān)業(yè)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)提出定性要求，又包含必要的量化指標(biāo)。

一、培養(yǎng)目標(biāo)

1.材料類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)的自然科學(xué)基礎(chǔ)、材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和人文社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的工程意識(shí)、工程素質(zhì)、實(shí)踐能力、自我獲取知識(shí)的能力、創(chuàng)新素質(zhì)、創(chuàng)業(yè)精神、國(guó)際視野、溝通和組織管理能力的高素質(zhì)專(zhuān)門(mén)人才。材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)的學(xué)生，既可從事材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)理論研究，新材料、新工藝和新基礎(chǔ)的研發(fā)，生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)和過(guò)程控制，材料應(yīng)用等材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的科技工作，也可承擔(dān)相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)、科技管理和經(jīng)營(yíng)工作。2.材料物理專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案。本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)具有良好的思想品德，掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的材料科學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及技能，具備材料工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型高級(jí)人才。畢業(yè)生能在新材料、電子信息、半導(dǎo)體、冶金、能源、化工等領(lǐng)域，從事材料科學(xué)研究、產(chǎn)品研發(fā)、制備加工、測(cè)試分析、工藝改進(jìn)、教學(xué)、生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)管理等工作。本專(zhuān)業(yè)目前設(shè)置電子信息材料和納米材料兩個(gè)主要方向。對(duì)標(biāo)材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，天津理工大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中的培養(yǎng)目標(biāo)定位在高素質(zhì)應(yīng)用人才，這是符合我們目前生源特點(diǎn)的。培養(yǎng)方案對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的服務(wù)領(lǐng)域提出了更具體細(xì)化的要求。對(duì)于培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定我們目前的培養(yǎng)方案是符合國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的。

二、參考總學(xué)分

摘要:材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)和材料成型與控制工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，結(jié)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核手段等方面進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞:材料科學(xué)基礎(chǔ);教學(xué);考核;實(shí)踐教學(xué)

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)必備的基礎(chǔ)類(lèi)課程，主要介紹材料的基礎(chǔ)知識(shí)，比如材料的鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)與缺陷、固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)、材料的變形、相圖等材料類(lèi)本科生必須學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)。材料科學(xué)基礎(chǔ)從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)材料的成分、組織、加工工藝與性能之間的相互關(guān)系是材料類(lèi)本科生學(xué)習(xí)其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)［1］，也是科學(xué)研究的理論基礎(chǔ)和基本知識(shí)、技能。該課程突出了材料的本質(zhì)特征，介紹了材料的微觀(guān)領(lǐng)域，且課程涉及的內(nèi)容較多相對(duì)來(lái)說(shuō)難易看到起表象特征，對(duì)于剛剛涉及材料基礎(chǔ)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，內(nèi)容生澀、抽象、不易理解，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)枯燥、難懂，是一門(mén)教師難教、學(xué)生難懂的學(xué)科［2］。因此，如何采取合適的教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，使學(xué)生能理解教學(xué)內(nèi)容，而不是死記硬背，加強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，如何使學(xué)生能跟上不斷更新地學(xué)科技術(shù)，不斷融合地多學(xué)科交叉發(fā)展，以及復(fù)合型材料的不斷涌出［3，4］，這要求我們不斷進(jìn)行教學(xué)改革，必須培養(yǎng)出思想開(kāi)放、知識(shí)面廣、善于思辨的復(fù)合型材料人。

一、學(xué)生為主的教學(xué)課堂提升視頻比重

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)材料原子的鍵合、材料晶胞結(jié)構(gòu)、材料晶體缺陷、材料分子擴(kuò)散和相圖等基礎(chǔ)知識(shí)，存在抽象概念多得特點(diǎn)。目前的教學(xué)方式主要是講解各種知識(shí)點(diǎn)，很難明了直白的讓學(xué)生學(xué)習(xí)到本質(zhì)，在一定程度上很好的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也能很好的讓學(xué)生理解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。但是現(xiàn)有的教學(xué)方式中，視頻教學(xué)主要集中在一些材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)介紹方面，并沒(méi)有涉及材料的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是科學(xué)前沿、創(chuàng)新技術(shù)、科學(xué)巨匠的內(nèi)容，往往這些內(nèi)容更能帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。比如我國(guó)現(xiàn)行的科學(xué)巨匠們的事跡，從這些匠人們的學(xué)習(xí)經(jīng)歷、科研足跡中，激發(fā)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。目前的教學(xué)方式古板老套無(wú)法提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)探索能力，這種學(xué)習(xí)能力恰恰是學(xué)生必備的基本技能。在教學(xué)中可以把生澀的專(zhuān)有名詞轉(zhuǎn)化為自己的語(yǔ)言來(lái)表述，教師在教學(xué)中也不能誦讀教程，要講知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)表述。此外，每節(jié)課程要提出下一節(jié)課程的教學(xué)內(nèi)容，先讓學(xué)生去學(xué)習(xí)，然后形成學(xué)習(xí)筆記，這樣才能讓學(xué)生更好地了解自己不足的地方，有方向、有目的地去學(xué)習(xí)。同時(shí)，教學(xué)中讓學(xué)生參與到教學(xué)中，將學(xué)生進(jìn)行分組，將下一節(jié)課程的內(nèi)容分配到學(xué)習(xí)小組，在開(kāi)課的前15分鐘，讓學(xué)生先來(lái)講解，然后分組討論，最后再由授課老師進(jìn)行解惑，分析不足，進(jìn)一步加深印象的授課。通過(guò)這種教學(xué)方式，可以充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、語(yǔ)言組織、PPT制作、視頻學(xué)習(xí)、甚至是一種材料研究的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)思維，并能訓(xùn)練學(xué)生的自我表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、專(zhuān)用知識(shí)學(xué)習(xí)和科研能力。這些能力不僅僅是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的能力，更是將來(lái)走向社會(huì)、適應(yīng)社會(huì)的能力。

二、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合

一、MaterialsStudio軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)簡(jiǎn)介材料計(jì)算模擬軟件Materialsstudio是美國(guó)Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一款科學(xué)研究軟件，用于幫助用戶(hù)解決當(dāng)今材料科學(xué)中的一些重要問(wèn)題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個(gè)計(jì)算模擬模塊，是一款強(qiáng)有力的計(jì)算模擬工具。用戶(hù)可以通過(guò)Visualizer可視化模塊進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的界面操作來(lái)建立材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型，之后通過(guò)軟件包中相應(yīng)的計(jì)算模塊，對(duì)材料分子的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)、X射線(xiàn)衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果可以對(duì)各種晶體、無(wú)定型與高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過(guò)程進(jìn)行深入的分析和研究，其計(jì)算的結(jié)果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫(xiě)，最早由英國(guó)劍橋大學(xué)的一個(gè)凝聚態(tài)理論小組開(kāi)發(fā)，是廣泛用于計(jì)算周期性體系性質(zhì)的一個(gè)先進(jìn)量子力學(xué)程序。它可用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等多種材料的相關(guān)計(jì)算，可研究晶體材料的光學(xué)性質(zhì)（折射率，反射率，吸收及發(fā)射光譜等）、缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)1.知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置。在材料科學(xué)的專(zhuān)業(yè)課中，如晶體物理、固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)、硅材料科學(xué)與技術(shù)等課程中,都會(huì)涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，帶隙的分類(lèi)，X射線(xiàn)衍射、缺陷，摻雜等知識(shí)點(diǎn)，也會(huì)涉及到材料的反射率、折射率、介電常數(shù)等材料的光學(xué)或化學(xué)性質(zhì)。在完成這些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進(jìn)行計(jì)算和演示，為這些基礎(chǔ)理論給出直觀(guān)形象的解釋?zhuān)巡牧系暮暧^(guān)性質(zhì)與微觀(guān)機(jī)理銜接上，這樣學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的知識(shí)體系就會(huì)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)和了解。2.密度泛函理論及波函數(shù)的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，其本質(zhì)是以電子密度分布函數(shù)為變量代替波函數(shù)中的自變量來(lái)求解薛定諤方程，使求解復(fù)雜體系波函數(shù)的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料相關(guān)領(lǐng)域，特別是用來(lái)研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫(xiě)）被廣泛應(yīng)用到計(jì)算模擬軟件中來(lái)求解薛定諤方程，可對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、光譜、能量、過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)和活化勢(shì)壘等方面的進(jìn)行計(jì)算研究。在與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合后，在材料設(shè)計(jì)、合成、模擬計(jì)算等方面有明顯進(jìn)展，成為計(jì)算材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。3.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個(gè)計(jì)算模塊是通過(guò)Visualizer這個(gè)可視化核心模塊整合在一起的，用戶(hù)可以很方便地應(yīng)用Visualizer模塊構(gòu)建有機(jī)、無(wú)極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結(jié)構(gòu)等模型，通過(guò)鼠標(biāo)控制這些分子構(gòu)型，可從不同角度查看并分析體系結(jié)構(gòu)，容易形成直觀(guān)的概念。MaterialsStudio自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中的晶體結(jié)構(gòu)可以用于教學(xué)演示，如在硅材料科學(xué)與技術(shù)和半導(dǎo)體物理等課程的教學(xué)過(guò)程中，需要用到單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數(shù)據(jù)庫(kù)文件夾中導(dǎo)入Si這個(gè)晶體數(shù)據(jù)文件，在課堂上為學(xué)生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來(lái)進(jìn)行展示（如圖1），以說(shuō)明硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)。也可以通過(guò)Visualizer模塊中的菜單選項(xiàng)Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整角度，可以從不同晶向觀(guān)察晶體的晶面，通過(guò)超胞結(jié)構(gòu)也可以演示各種晶體的密堆積結(jié)構(gòu)。這樣就給學(xué)生一個(gè)生動(dòng)、形象、直觀(guān)動(dòng)態(tài)的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)Visualizer模塊對(duì)硅單晶的元胞進(jìn)行演示，我們可以知道每個(gè)硅原子至多與另外四個(gè)硅原子相連，借此可以說(shuō)明硅原子的共價(jià)鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結(jié)構(gòu)，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個(gè)共價(jià)鍵。通過(guò)CASTEP模塊對(duì)硅單晶的元胞進(jìn)行計(jì)算，可以得出其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點(diǎn)。在稀土化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)CCDC英國(guó)劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(kù)及WebofScience網(wǎng)站來(lái)獲取稀土配合物的晶體結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結(jié)構(gòu)，用于課堂演示，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的稀土配合物結(jié)構(gòu)。在固體物理教學(xué)過(guò)程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及演示教學(xué)。4.知識(shí)點(diǎn)的拓展。對(duì)于缺陷、雜質(zhì)摻雜、空位等對(duì)晶體材料的影響，可以通過(guò)MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應(yīng)的模型，然后通過(guò)CASTEP計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，說(shuō)明這些因素對(duì)半導(dǎo)體材料性質(zhì)的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計(jì)算材料的折射率、反射率、介電常數(shù)等性質(zhì)。其計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)和圖表可以與教科書(shū)或文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行對(duì)比，來(lái)說(shuō)明計(jì)算方法的正確性，以此為支點(diǎn)，采用同樣的計(jì)算方法，我們可以嘗試設(shè)計(jì)更多的新型材料并進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)這些詳實(shí)的計(jì)算實(shí)例我們可以更生動(dòng)地說(shuō)明教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好，嘗試進(jìn)行材料分子模型的設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質(zhì)、空位等因素對(duì)材料性質(zhì)的影響，在此過(guò)程中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）簡(jiǎn)介Gaussian是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。應(yīng)用它可以計(jì)算分子能量和結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等等，功能非常強(qiáng)大。計(jì)算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，進(jìn)而通過(guò)含時(shí)密度泛函研究材料分子體系的激發(fā)態(tài)，算出吸收和發(fā)射光譜。Gaussian擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，可以對(duì)周期邊界體系進(jìn)行計(jì)算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術(shù)把體系作為重復(fù)的單元進(jìn)行模擬，以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。而GaussianView是一款為Gaussian設(shè)計(jì)的配套軟件，其主要作用有兩個(gè)：1.構(gòu)建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運(yùn)算結(jié)果。

（二）知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置1.在材料科學(xué)有機(jī)電致發(fā)光材料及稀土化學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中，會(huì)涉及到有機(jī)或稀土發(fā)光材料的吸收及發(fā)射機(jī)理。通過(guò)把Gaussian軟件教學(xué)過(guò)程，我們可以很好結(jié)合這些算例講解三重態(tài)，單重態(tài)發(fā)射過(guò)程，給出與發(fā)射過(guò)程相關(guān)的分子最高占據(jù)軌道HOMO和最低非占據(jù)軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發(fā)射過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，對(duì)低能吸收和發(fā)射過(guò)程的電子躍遷性質(zhì)進(jìn)行判斷。2.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。(1)通過(guò)CCDC晶體數(shù)據(jù)庫(kù)或者WebofScience網(wǎng)站獲得相應(yīng)的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結(jié)構(gòu)（通常為cif文件）。(2)應(yīng)用Mercury軟件或者M(jìn)aterialsStudio軟件讀取相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過(guò)Gaussian-View轉(zhuǎn)存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進(jìn)行計(jì)算。(4)通過(guò)GaussianView程序讀入Gaussian03/09計(jì)算結(jié)果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計(jì)算結(jié)果并且以圖形的形式顯示出來(lái)，并可應(yīng)用它對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。(5)通過(guò)GaussianView對(duì)計(jì)算結(jié)果的進(jìn)行處理，通過(guò)它顯示出發(fā)光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發(fā)射光譜等情況，結(jié)合這些圖形信息，我們可以對(duì)有機(jī)電致發(fā)光材料或者稀土發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行教學(xué)。3.知識(shí)點(diǎn)的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開(kāi)發(fā)的一款非常好的分子建模及顯示工具，學(xué)生可以通過(guò)對(duì)它的使用，很方便地進(jìn)行分子設(shè)計(jì)并輸入到高斯程序中進(jìn)行計(jì)算。可以安排學(xué)生在基礎(chǔ)發(fā)光材料分子的基礎(chǔ)上，在分子配體的外圍添加外圍取代基或者改變配體，進(jìn)行嘗試，進(jìn)行配合物分子的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其動(dòng)手能力，為今后走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有機(jī)合成做準(zhǔn)備。

材料科學(xué)與工程學(xué)院作為西部地區(qū)材料科學(xué)與工程人才的培養(yǎng)基地和科學(xué)研究基地，長(zhǎng)期以來(lái)緊密結(jié)合西部，特別是甘肅省區(qū)域經(jīng)濟(jì)和地方資源特色，立足有色金屬新材料及其加工成型的新技術(shù)、新工藝的開(kāi)發(fā)研究，形成了健全的本科、碩士、博士的多層次材料、冶金學(xué)科高級(jí)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系。多年來(lái)，學(xué)院依據(jù)國(guó)家、地方、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，形成了自己獨(dú)特的科研特色，培養(yǎng)出了一支具有較強(qiáng)科研實(shí)力的研究隊(duì)伍，在基礎(chǔ)理論研究，應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面做出了一定成績(jī)，取得了一系列研究成果，培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才，為國(guó)家尤其是西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了一定貢獻(xiàn)。

學(xué)院現(xiàn)從事科研工作教師及技術(shù)服務(wù)人員92人。其中正高級(jí)職稱(chēng)27人，副高級(jí)職稱(chēng)31人。具有博士學(xué)位36人，碩士學(xué)位41人。入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃”1人，甘肅省特聘科技專(zhuān)家2人，國(guó)家級(jí)專(zhuān)家及國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者12人，省部級(jí)專(zhuān)家13人。

近年來(lái)，在學(xué)校黨委、行政的正確領(lǐng)導(dǎo)下，在各職能部門(mén)的具體指導(dǎo)下，在兄弟院系的大力支持下，學(xué)院全體教師的共同努力，我院科研工作取得了很大成績(jī)。

一、學(xué)科建設(shè)成績(jī)斐然

根據(jù)學(xué)校學(xué)科建設(shè)與發(fā)展總體要求和學(xué)院學(xué)科建設(shè)的實(shí)際，學(xué)院認(rèn)真落實(shí)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了學(xué)院材料與冶金學(xué)科發(fā)展并舉，并突出學(xué)科特色的目標(biāo)。

2005年，學(xué)院成功獲得了材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，突破了我校無(wú)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)的歷史，提高了學(xué)校與學(xué)院的辦學(xué)層次。同時(shí)，材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科碩士授權(quán)點(diǎn)也獲得認(rèn)定。目前學(xué)院已擁有材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科博士授權(quán)點(diǎn)及材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科博士后科研流動(dòng)站，材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科碩士授權(quán)點(diǎn)、冶金物理化學(xué)與有色金屬冶金2個(gè)二級(jí)學(xué)科碩士授權(quán)點(diǎn)、材料工程領(lǐng)域工程碩士授權(quán)點(diǎn)、材料加工工程高校教師攻讀碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，從而形成了學(xué)士、碩士、博士及博士后培養(yǎng)的完備的人才培養(yǎng)體系。