摘" 要：加快培養(yǎng)一批有效銜接專業(yè)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的物理學(xué)類人才已成為高校人才培養(yǎng)工作重要課題之一。文章圍繞“物理學(xué)與其他學(xué)科交叉程度弱”和“實驗主體平臺與學(xué)生分跨多校區(qū)”難題，采用分子動力學(xué)仿真技術(shù)驅(qū)動物理學(xué)與多學(xué)科交叉模式進行物理學(xué)類人才培養(yǎng)探索，以期為新時代高水平復(fù)合型物理學(xué)類人才培養(yǎng)提供有益經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：新型人才培養(yǎng);物理學(xué)類;分子動力學(xué)仿真技術(shù);多學(xué)科交叉

中圖分類號：G642""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1673-7164（2024）16-0071-04

國際政治格局復(fù)雜化大背景下，國內(nèi)外經(jīng)濟形勢在未來一段時間仍將持續(xù)處于低迷狀態(tài)。為有效紓緩經(jīng)濟下行壓力、提振經(jīng)濟“雙循環(huán)”動力，國家將進一步加大科技創(chuàng)新投入力度，不斷加強信息、科技、物流等產(chǎn)業(yè)升級基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。[1]這些經(jīng)濟負面/轉(zhuǎn)型效應(yīng)所引發(fā)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化勢必給今后大學(xué)生升學(xué)就業(yè)帶來較大壓力。面對新常態(tài)對高校畢業(yè)生提出的更高要求，加快培養(yǎng)一批專業(yè)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有效對接和最優(yōu)匹配的高水平復(fù)合型人才已成為新時代高校人才培養(yǎng)工作重要課題。其中就當(dāng)前高校物理學(xué)類學(xué)生培養(yǎng)工作而言，這一挑戰(zhàn)顯得尤為緊迫。[2]

近幾十年來，高校物理學(xué)類本科教育在我國社會經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮了極為重要的作用，培養(yǎng)了大量從事相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究與教學(xué)的人才，成績矚目毋庸置疑。但在新階段，各種問題與挑戰(zhàn)也逐漸顯現(xiàn)：1. 培養(yǎng)目標側(cè)重于傳授學(xué)生較為完備的專業(yè)知識體系和學(xué)科基礎(chǔ)，但較少拓展與新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)銜接所需的多學(xué)科交叉知識結(jié)構(gòu)及其運用，導(dǎo)致在激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)探索等方面乏力;2. 教學(xué)內(nèi)容較多關(guān)注傳統(tǒng)理論推導(dǎo)，缺乏引導(dǎo)學(xué)生在建模和預(yù)測能力上鍛煉，進而影響其綜合運用各學(xué)科知識解決問題的能力;3. 理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)存在一定脫節(jié)，實驗條件及人員投入仍有不足，實驗平臺與學(xué)生分跨多個校區(qū)，難以激勵學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動力，導(dǎo)致其在實驗環(huán)節(jié)缺乏積極主動探索與獨立思考的能力。此外受限于理科性質(zhì)，物理學(xué)類學(xué)生缺少與工科類學(xué)生同等社會實踐實習(xí)及進入主要實驗室參與科研鍛煉的機會。

考慮到我國當(dāng)前對人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)正由基礎(chǔ)理論技能型逐步向研究型、綜合設(shè)計型轉(zhuǎn)變，同時針對培養(yǎng)過程中所面臨的學(xué)科交叉薄弱、異地/跨校區(qū)實踐/實驗困難等問題，未來高校物理學(xué)類學(xué)生在依賴于傳統(tǒng)理論及常規(guī)實驗設(shè)計基礎(chǔ)上，還有必要結(jié)合一種能綜合多學(xué)科、適合不同年級知識體系、可實現(xiàn)多人云端操作及老師云端指導(dǎo)的仿真平臺來開展實時數(shù)據(jù)獲取、實現(xiàn)學(xué)科交叉應(yīng)用探索的創(chuàng)新培養(yǎng)模式?；谇捌趯Σ煌昙?、不同專業(yè)學(xué)生指導(dǎo)的實踐經(jīng)驗，本研究認為借助分子動力學(xué)仿真技術(shù)來打造物理學(xué)類學(xué)生全過程探索、多學(xué)科交叉創(chuàng)新不失為一種適合當(dāng)下需求（學(xué)科交叉度高、時空限制小等）的優(yōu)秀人才培養(yǎng)模式。

一、相關(guān)實踐的回顧及啟發(fā)

事實上，對于許多受限于實驗/實踐條件的專業(yè)而言，基于仿真技術(shù)開展與多學(xué)科交叉創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的模式已被廣泛認可。[3]本研究前期針對國內(nèi)外不同專業(yè)類似人才培養(yǎng)模式進行了大量調(diào)研工作。[4-7]例如過去幾年加州大學(xué)伯克利分校研究人員基于LabVIEW軟件二次開發(fā)的用于信息物理系統(tǒng)大規(guī)模開放在線課程的虛擬仿真“實驗室”，不僅能讓學(xué)生開展機器人仿真、編程開發(fā)和調(diào)試以及硬件控制等操作，而且在無須訪問物理實驗室或任何特定NI硬件情況下于虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺在線實驗。[5]2015年起，密歇根州立大學(xué)商學(xué)院研究人員開始使用VDI（物流和運輸管理虛擬桌面系統(tǒng)）對學(xué)生進行課程提升教學(xué)實踐，基于該系統(tǒng)學(xué)生可以通過筆記本電腦、平板電腦或智能手機隨時訪問“實驗室”，不僅能對實際物流管理軟件進行操作，還能與同學(xué)和老師進行實時交流互動，進而實現(xiàn)從產(chǎn)品包裝到設(shè)計雜貨店布局以及后續(xù)物流和運輸全過程探索。[6]2014年南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)系從法國引進了一套SIREP核電站仿真軟件用于補充學(xué)生課程所學(xué)，增強學(xué)生探索能力;通過該仿真平臺，不僅能促進學(xué)生對課程中關(guān)于熱停堆過渡到維護停堆、熱備用到低功率運行、臨界功率運行等反應(yīng)堆操作模式的理解，還能使學(xué)生更好地掌握核燃料、冷卻劑化學(xué)性等多種學(xué)科知識，實現(xiàn)自我實驗設(shè)計，彌補現(xiàn)實中學(xué)生難以真正接觸核反應(yīng)堆的遺憾。[7]這些前期基于仿真技術(shù)開展與多學(xué)科交叉創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的實踐均極大地提高了所在專業(yè)學(xué)生參與科研探索的熱情，拓展了學(xué)生知識面，也給高校物理學(xué)類學(xué)生培養(yǎng)帶來了新思路。

目前，針對物理學(xué)類學(xué)生培養(yǎng)存在的“物理學(xué)與其他學(xué)科交叉程度存在不足”與“實驗主體平臺與學(xué)生分跨多校區(qū)不利局面”等關(guān)鍵問題，所擁有的仿真技術(shù)手段仍顯匱乏，少數(shù)措施也因受限于自身計算平臺資源及軟件版權(quán)等一系列問題而難以有效擴大規(guī)模且效率相對較低。因此亟須開發(fā)出一套適用于物理學(xué)類學(xué)生全過程探索、多學(xué)科交叉創(chuàng)新培養(yǎng)的開源便捷、可大規(guī)模線上推廣的仿真技術(shù)。以進一步推動物理學(xué)類交叉型、全面型人才的培養(yǎng)。

二、培養(yǎng)策略的提出及重點

分子動力學(xué)方法最早于20世紀50年代由Alder和Wainwright提出，其涵蓋了物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)及材料科學(xué)等多個學(xué)科，是一種用來計算經(jīng)典多體體系平衡和傳遞性質(zhì)的確定性方法。[8]其主要根據(jù)牛頓第二定律來模擬原子、分子體系運動，并跟蹤體系內(nèi)每一時刻每個粒子的運動，所得到的粒子軌跡可以用統(tǒng)計平均值來計算各種系統(tǒng)特性。通過計算可完全展示這一尺度下不同時刻整個體系的狀態(tài)，從而提供在整個模擬時間段內(nèi)的體系動態(tài)演化圖景。該方法主要基于經(jīng)典力學(xué)中的經(jīng)驗勢函數(shù)來描述原子間的相互作用，非常適合于模擬探索納米尺度范圍內(nèi)材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱學(xué)、腐蝕等性能，極具基礎(chǔ)性與多學(xué)科性。[9]相較于第一性原理等方法，該方法因其相對簡單便捷更易于被廣大本科生理解接受，方便推廣學(xué)習(xí)。基于該理論，美國桑迪亞國家實驗室開發(fā)的LAMMPS開源軟件為這一方法的應(yīng)用推廣提供了可能，促進了物理學(xué)科與其他學(xué)科的交叉發(fā)展。[10]該軟件包括Windows、Linux等版本，Windows版本有利于學(xué)生單機操作初步學(xué)習(xí)使用;Linux版本可強化學(xué)生對相關(guān)代碼、編程配置、多學(xué)科基礎(chǔ)理論的理解，可實現(xiàn)對不同目標的探索。尤其基于前期探索經(jīng)驗，其可結(jié)合廣域網(wǎng)組局域網(wǎng)Zerotier One軟件輕松實現(xiàn)多人云端操作、數(shù)據(jù)傳輸訪問及老師云端指導(dǎo)，免去了師生跨校區(qū)/地區(qū)困擾及風(fēng)險。因而，分子動力學(xué)仿真技術(shù)非常適合于物理學(xué)類不同年級學(xué)生不受時空限制地開展多學(xué)科交叉創(chuàng)實踐。

因此，本研究針對高校物理學(xué)類學(xué)生培養(yǎng)過程中所顯現(xiàn)的若干薄弱環(huán)節(jié)，基于前期教學(xué)科研及相關(guān)經(jīng)驗積累，提出分子動力學(xué)仿真技術(shù)驅(qū)動物理學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的模式，著重圍繞以下兩個問題進行跨校區(qū)下云端協(xié)同LAMMPS仿真平臺搭建及基于該平臺的多學(xué)科交叉創(chuàng)新實踐探索：

1. 與其他學(xué)科交叉程度存在不足，難以滿足新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)對高水平復(fù)合型人才需求。長時間以來，物理學(xué)專業(yè)教學(xué)中較多關(guān)注知識的傳授和積累，以培養(yǎng)學(xué)生完備的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和扎實的學(xué)科基礎(chǔ)?？紤]到未來較長一段時間所要進行的技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，這就呼吁高校培養(yǎng)出更多知識面廣且專業(yè)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展契合的新型人才。加快拓展與新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)銜接所需的多學(xué)科交叉知識體系，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與探索精神，已成為目前高校物理學(xué)類人才培養(yǎng)所亟待解決的一個問題。

2. 實驗主體平臺與學(xué)生分跨多個校區(qū)的不利局面，減弱了學(xué)生積極探索動力及實踐機會。以往物理學(xué)類學(xué)生通過校車及其他外出機會跨校區(qū)/地區(qū)開展實踐實習(xí)，成本較高。突發(fā)事件（如疫情、交通事故）的出現(xiàn)也可能進一步降低物理學(xué)類師生跨校區(qū)/地區(qū)開展正常科研交流溝通的機會。因而，尋求一種可實現(xiàn)多人云端操作及老師云端指導(dǎo)的仿真平臺來開展學(xué)科交叉應(yīng)用探索的培養(yǎng)模式，是物理學(xué)類人才培養(yǎng)方面目前亟待解決的另一個問題。

三、培養(yǎng)模式的方案及實施

（一）分子動力學(xué)學(xué)習(xí)社團的組建及方法理論定期性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的探索

逐步在學(xué)生群體中推廣分子動力學(xué)理論并鼓勵學(xué)生盡快掌握多學(xué)科知識，是探索該人才培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)。此環(huán)節(jié)可以前期指導(dǎo)的小規(guī)模大學(xué)生學(xué)習(xí)團隊為基礎(chǔ)，擴大吸納一批以物理學(xué)專業(yè)為主的分跨多個專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生，進而組建“分子動力學(xué)仿真”學(xué)習(xí)社團;定期安排研究團隊教師開展分子動力學(xué)理論及相關(guān)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，并提供涵蓋不同學(xué)科所關(guān)注仿真案例供學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生深化對理論的理解;在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生嘗試單機版LAMMPS軟件安裝及運行。

1. 以前期指導(dǎo)的小規(guī)模大學(xué)生學(xué)習(xí)團隊為基礎(chǔ)，于校內(nèi)進行科研實踐中分子動力學(xué)方法應(yīng)用宣講，內(nèi)容涵蓋物理、材料、電子、力學(xué)等不同專業(yè)研究前沿，以吸納一批以物理學(xué)專業(yè)為主分跨多個專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生（每期規(guī)模擬為30名，后期視發(fā)展情況而定）;

2. 組建完“分子動力學(xué)仿真”學(xué)習(xí)社團后，依據(jù)團隊教師多年經(jīng)驗，借助網(wǎng)絡(luò)課堂講授分子動力學(xué)理論及其在物理、材料、電子、力學(xué)等領(lǐng)域中仿真應(yīng)用方法，借助經(jīng)典的模擬案例為學(xué)生講解基于LAMMPS的運行代碼及結(jié)果分析;

3. 在學(xué)生對相關(guān)理論方法熟悉度增加基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生安裝Windows單機版LAMMPS軟件，并運行調(diào)試課程中老師所講授模擬案例，增強學(xué)生對理論結(jié)合實際操作的理解。

（二）基于學(xué)生個人電腦的跨校區(qū)云端協(xié)同LA- MMPS仿真平臺搭建及運維

搭建不受局域網(wǎng)、不受空間等限制且能充分調(diào)動學(xué)生運用個人電腦開展分子動力學(xué)仿真的實踐平臺是探索該人才培養(yǎng)模式的關(guān)鍵。此部分可在廣域網(wǎng)組局域網(wǎng)Zerotier One軟件開展多平臺Linux版LAMMPS軟件（相較Windows版計算更穩(wěn)定）聯(lián)機使用，以實現(xiàn)學(xué)生與老師不同校區(qū)間的多人云端操作、數(shù)據(jù)傳輸訪問及老師云端指導(dǎo)任務(wù)，消除學(xué)生老師物理空間上的不便;深入指導(dǎo)學(xué)生開展LAMMPS相關(guān)代碼編寫及運行;在安全管理賬戶前提下，鼓勵學(xué)生借助國家超算或?qū)W校計算平臺開展大規(guī)模原子體系仿真計算。

1. 云端指導(dǎo)學(xué)生安裝Linux系統(tǒng)及該系統(tǒng)下的LAMMPS軟件，在前期軟件學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上進一步強化;基于Linux系統(tǒng)指導(dǎo)學(xué)生采用Zerotier One軟件交互搭建廣域網(wǎng)組局域網(wǎng)的LAMMPS仿真平臺，初步實現(xiàn)相互調(diào)動計算資源、傳輸計算腳本及數(shù)據(jù)等功能;

2. 測試跨校區(qū)下云端協(xié)同LAMMPS仿真平臺的資源調(diào)動響應(yīng)，并以樹莓派技術(shù)創(chuàng)建云存儲空間，便于不同校區(qū)師生上傳下載數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)不同校區(qū)間的多人云端操作、數(shù)據(jù)傳輸訪問及老師云端指導(dǎo)科研工作，消除師生物理空間上的科研實踐不便性;

3. 基于國家超算或?qū)W校計算平臺賬戶，在合理安排計算資源及計算安全前提下，逐步引導(dǎo)學(xué)習(xí)較快學(xué)生轉(zhuǎn)移到計算平臺開展實質(zhì)性科研工作，以便于加快大規(guī)模原子體系計算效率。

（三）基于仿真平臺指導(dǎo)學(xué)生開展物理學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究工作

在理論基礎(chǔ)及軟件代碼等熟練基礎(chǔ)上開展學(xué)科交叉創(chuàng)新課題研究是探索該人才培養(yǎng)模式的重要途徑。此部分以研究團隊在物理學(xué)、材料力學(xué)、熱輸運、輻照損傷、腐蝕等領(lǐng)域多年研究積累基礎(chǔ)上，依據(jù)學(xué)生學(xué)科特點、科研興趣及未來發(fā)展情況，指引不同專業(yè)學(xué)生組隊開展相關(guān)課題綜合性實踐，從文獻查閱、方案制訂、可行性分析、LAMMPS仿真調(diào)試、參與競賽、文章撰寫等方面組織學(xué)生開展工作，充分發(fā)揮學(xué)生主動性和積極性，分析解決實際設(shè)計與調(diào)試過程中遇到的問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力以及不斷提高自主學(xué)習(xí)、團結(jié)協(xié)作和組織實施能力。

1. 在對“分子動力學(xué)仿真”學(xué)習(xí)社團不同學(xué)生的學(xué)科特點、科研興趣及未來發(fā)展充分了解的情況下，指引不同專業(yè)學(xué)生圍繞感興趣課題方向組成學(xué)習(xí)小組，以便相互彌補交叉學(xué)科知識短板;

2. 在確定好課題方向及小組成員基礎(chǔ)上，組織學(xué)生開展文獻查閱、方案制訂、可行性分析等工作，進而圍繞具體研究點進行云端協(xié)同LAMMPS仿真調(diào)試;

3. 在具備科研產(chǎn)出基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生參加校級、省級甚至國家級創(chuàng)新比賽（如“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”），通過大賽來檢驗學(xué)習(xí)效果、實踐創(chuàng)新能力，完成綜合項目的設(shè)計、制作與調(diào)試;對有深造想法的學(xué)生，指導(dǎo)其在有相關(guān)創(chuàng)新成果基礎(chǔ)上開展學(xué)術(shù)論文訓(xùn)練工作;

4. 在整個過程中，以云端協(xié)同LAMMPS軟件為手段充分發(fā)揮學(xué)生主動性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生解決實際設(shè)計與調(diào)試問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生理解物理學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新內(nèi)涵，以適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

四、結(jié)語

綜上所述，本研究針對近年來高校物理學(xué)類學(xué)科交叉薄弱、科研實踐交流受限等問題，另辟蹊徑探索分子動力學(xué)仿真技術(shù)驅(qū)動物理學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的模式，有望實現(xiàn)如下兩個主要目標：

一是分子動力學(xué)方法由經(jīng)典牛頓第二定律發(fā)展而來，涵蓋多個學(xué)科知識，容易被廣大本科生所理解接受，非常適于探索納米尺度材料結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱學(xué)、腐蝕等性能，極具基礎(chǔ)性與多學(xué)科性。因此，借助分子動力學(xué)仿真技術(shù)驅(qū)動物理學(xué)與多學(xué)科交叉將可極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與科學(xué)探索精神，進而形成適應(yīng)當(dāng)下需求、易于推廣的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。

二是面對實驗主體平臺與學(xué)生分跨多個校區(qū)導(dǎo)致的學(xué)生積極探索動力及實踐機會減弱這一不利局面，創(chuàng)新引入這一可實現(xiàn)多人云端操作及老師云端指導(dǎo)的分子動力學(xué)云端協(xié)同仿真平臺，開展在線實時數(shù)據(jù)獲取，實現(xiàn)學(xué)科交叉應(yīng)用探索的人才培養(yǎng)模式，有效解決了師生物理時空限制的科研實踐交流。

基金項目：鄭州大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目“分子動力學(xué)仿真技術(shù)驅(qū)動的物理學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究”（項目編號：2022ZZUJG173）。

作者簡介：黃海（1990—），男，博士，鄭州大學(xué)物理學(xué)院副教授，研究方向為計算物理學(xué);蔡彬（1971—），男，博士，鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授，研究方向為材料物理學(xué);王明星（1963—），男，博士，鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授，研究方向為金屬物理學(xué)。

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（責(zé)任編輯：黃文波）