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(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但是高分子物理理論繁雜、概念多而且抽象，學(xué)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(xué)過程中，讓學(xué)生對(duì)許多抽象的概念有了形象的理解。實(shí)踐表明，使用Materials Studio軟件輔助教學(xué)，有助于提高學(xué)生對(duì)高分子物理基本概念和基本理論的學(xué)習(xí)和理解，從而顯著地改善了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：分子模擬軟件 Materials Studio 高分子物理

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（a）-0172-02

1 分子模擬技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

分子模擬方法主要包括分子力學(xué)方法和量子力學(xué)方法，前者是通過體系中分子坐標(biāo)的變化來計(jì)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(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法尚難以為計(jì)的物理現(xiàn)象與物理過程（如分子在各種表面上的動(dòng)態(tài)行為過程等），從而發(fā)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(fā)成本。在電腦屏幕上設(shè)計(jì)出化學(xué)上或拓樸上不同的分子，通過分子模擬預(yù)報(bào)出新分子各種穩(wěn)定的聚集結(jié)構(gòu)，進(jìn)而預(yù)報(bào)它們應(yīng)具有的物理化學(xué)性質(zhì)，篩選新材料的設(shè)計(jì)方案，縮短新材料研制的周期，降低開發(fā)成本[1]。由于以上優(yōu)點(diǎn)，分子模擬技術(shù)在現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)、新材料開發(fā)、高分子材料改性與制備等許多領(lǐng)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(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)特性，而這些通過傳統(tǒng)的宏觀層次上的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是很難做到的。其中，分子動(dòng)力學(xué)模擬被認(rèn)為是本世紀(jì)以來除理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察之外的第三種科學(xué)研究手段，稱之為“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”手段，在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)等許多領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng)用。在材料科學(xué)研究過程中，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，許多與原子有關(guān)的微觀細(xì)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中基本上是無法獲得的，但是在計(jì)算機(jī)模擬中，卻可以很方便地展現(xiàn)。計(jì)算機(jī)模擬的這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使分子模擬方法成為了材料科學(xué)研究的一種重要手段[2]。

虛擬實(shí)驗(yàn)作為繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后的第三種科學(xué)研究方法，對(duì)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步起到了越來越重要的作用，代表著科學(xué)研究方法的重要發(fā)展方向[3]。Materials Studio是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域科研人員開發(fā)的一款分子模擬軟件，可以很方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各種晶體、無定形材料和高分子材料的性質(zhì)進(jìn)入深入的研究。它包含量子力學(xué)模塊和分子力學(xué)等多個(gè)模塊，如其中Forcite Plus模塊是先進(jìn)的分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬程序，可以對(duì)分子、表面或三維周期性材料體系進(jìn)行快速的能量計(jì)算、幾何優(yōu)化以及各種熱力學(xué)條件下的動(dòng)力學(xué)模擬研究，可以分析材料體系的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)。CASTEP模塊是一個(gè)量子力學(xué)計(jì)算程序，可以對(duì)材料的介電常數(shù)、介電損耗及體積電阻率等電學(xué)性能進(jìn)行分析。因此，利用Materials Studio可以進(jìn)行聚合物反應(yīng)機(jī)理探討、機(jī)械性能預(yù)測(cè)、玻璃化轉(zhuǎn)變模擬、共混材料配方優(yōu)化等等虛擬實(shí)驗(yàn)。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以深化學(xué)生對(duì)高分子物理及聚合物改性等課程理論知識(shí)的理解，對(duì)縮短實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低實(shí)驗(yàn)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(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

高分子物理是研究高分子的結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的學(xué)科，它與高分子材料的合成、加工、改性、應(yīng)用等都有非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。高分子物理課程建立在物理化學(xué)、高分子化學(xué)、固體結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)等課程的基礎(chǔ)之上，同時(shí)又是高分子材料與應(yīng)用、高分子成型工藝等課程的基礎(chǔ)，是高等學(xué)校高分子材料與工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。然而高分子物理具有概念抽象、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能多樣等特點(diǎn)被公認(rèn)為高分子專業(yè)最難講和最難學(xué)的專業(yè)課。不少學(xué)生認(rèn)為高分子物理理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多等，難以學(xué)懂弄通。另外一部分學(xué)生反應(yīng)平時(shí)課堂上，雖然能夠聽懂老師授課內(nèi)容，但是不知道怎么靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題等。因此長(zhǎng)期以來，任課老師都在對(duì)高分子物理的課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方法進(jìn)行不斷的改革和研究，探索各種教學(xué)方法如案例教學(xué)、啟發(fā)式、微課教學(xué)等。

高分子物理課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的主要途徑，但是高分子物理理論繁雜、概念多而且抽象，學(xué)生不易理解。比如高分子鏈的構(gòu)象、鏈段、無規(guī)線團(tuán)、排斥體積等等，不少學(xué)生無論如何都想象不出來，如果我們?cè)诮虒W(xué)中增加一些虛擬的視頻動(dòng)畫，將學(xué)生帶進(jìn)高分子的微觀世界里，必定促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。在高分子物理課堂教學(xué)過程中，我們實(shí)施了以下幾個(gè)案例教學(xué)。比如利用Materials Studio搭建順式聚丁二烯無定形結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其構(gòu)象和分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，制作動(dòng)畫并用于課堂教學(xué)PPT。利用Materials Studio對(duì)有機(jī)玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）的玻璃化溫度進(jìn)行計(jì)算，讓學(xué)生對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)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(shí)候，可以用Materials Studio搭建聚丙烯的分子鏈結(jié)構(gòu)模型，并計(jì)算全同立構(gòu)聚丙烯的均方末端距，讓學(xué)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(jī)理的時(shí)候，通過圖片、動(dòng)畫，可以讓學(xué)生們能夠從多角度、直觀、形象、生動(dòng)地進(jìn)行觀察，有助于學(xué)生發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，積極思考，加深對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解?？傊?，通過構(gòu)建更加生動(dòng)、活潑的課堂教學(xué)，開展高分子物理虛擬仿真課堂教學(xué)，可以提高學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的能力和學(xué)習(xí)本專業(yè)的熱情。

高分子物理實(shí)驗(yàn)是高分子材料與工程專業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之一，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力具有重要作用。我校的高分子物理實(shí)驗(yàn)，主要開設(shè)有粘均分子量測(cè)定，熱塑性塑料熔體流動(dòng)速率測(cè)試，聚乙烯拉伸性能和沖擊性能測(cè)試，塑料表面硬度測(cè)試等。但是一些實(shí)驗(yàn)由于缺乏實(shí)驗(yàn)儀器難以開展，比如聚合物分子鏈均方末端距的測(cè)試，聚合物玻璃化溫度的測(cè)試等等。開設(shè)這些實(shí)驗(yàn)，必須要有激光光散射儀或者差示掃描量熱儀等高端設(shè)備。我們通過開展虛擬實(shí)驗(yàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，用Materials Studio軟件對(duì)材料進(jìn)行計(jì)算仿真，實(shí)驗(yàn)課堂既生動(dòng)，又形象，極大地提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情，實(shí)施效果非常好。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究和實(shí)施過程中，通過進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段的改革，提升專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)涵，培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和動(dòng)手實(shí)踐等方面的能力。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將在科學(xué)研究和課堂教學(xué)中發(fā)揮越來越大的作用，我們作為專業(yè)教師應(yīng)當(dāng)適時(shí)引入分子模擬技術(shù)到課堂教學(xué)中來。當(dāng)代大學(xué)生作為未來國(guó)家建設(shè)的生力軍，也有必要了解這些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)手段，提升綜合素質(zhì)，以做出更多更好的成果。

參考文獻(xiàn)

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