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量子力學基礎理論范文1
關鍵詞：問題式教學法；量子力學；教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）24-0102-02
隨著高校教學改革的不斷深入，多媒體技術的普及和任課教師專業水平的提高，使得教學內容和教學手段更加豐富多樣。量子力學課程是核類專業的基礎課，它對于學習和理解核類專業主干課程，如原子核物理學、原子核物理實驗方法等具有十分重要的作用和意義。但由于其理論性強，思維方式與經典力學差異較大，量子力學現象在日常生活中比較少見。這樣就使得核類專業特別是核類工科專業的學生在學習和理解該門課程時遇到了很大的困難，也使得學生對該門課程的學習沒有積極性。因而在課堂上就經常出現這樣的一幕：只有老師在講，學生思考的少，氣氛壓抑。如何改變這一現狀呢？怎么樣來調動學生的學習積極性呢？這些都是急需解決的問題。基于此，在分析量子力學與經典力學相互聯系的基礎上，探究并實踐了由經典物理學的問題來引入量子力學學科的問題。將問題式教學法應用于量子力學的實踐教學當中。這樣既可以活躍課堂氣氛，提高學生積極性，又可以培養學生發散性思維，同時還可以鞏固學生以前學過的經典物理學的相關知識，進而能提升教學質量。
一、問題式教學法概念
問題式教學（Problem-Based Teaching）是問題式學習（Problem-Based-Learning）的發展，它鼓勵學生主動思考問題、自主尋找答案，是以問題為基礎來展開學習和教學過程的一種教學模式，通過學生合作解決真實問題來學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力。PBL最早起源于20世紀50年代的醫學教育，并且已經被廣泛應用于數學、會計、英語等眾多學科。
二、量子力學與經典物理的聯系及問題式教學法在量子力學課程中的應用
經典物理可以解釋天體間的相互作用、電磁波的傳播以及系統的熱力學平衡等自然現象。20世紀初，當人們發現了放射性現象后，在解釋分子原子尺度的物理現象時，經典力學往往無能為力。因此需要建立一個全新的理論，這就是量子力學。它是闡明原子核、固體等性質的基礎理論，且在化學、生物學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。在經典力學，做機械運動的物體簡化為質點，位置可以用坐標系上的坐標表示。將坐標對時間求導、再求導，得到物體運動的速度■和加速度■?！?■（t） ■=■ ■=■ ①
經典物理中，描述物體運動的規律是牛頓三大定律。描述物體t時刻的狀態用t時刻的位置矢量■，動量■。初始位置矢量、動量及所受到的力■知道，由牛頓運動定律就可以知道物體的運動狀態。量子力學是用來描述微觀粒子運動規律的一門學科。由于微觀粒子運動的隨機性，使得粒子的動量和位置不能同時確定。在實際的教學中就可以引入這樣的問題：量子力學中是怎么樣來描述粒子的狀態及運動規律呢？這就要找到與經典對應的關系。這樣就可以引入量子力學的波函數概念及其物理含義。波函數是描述微觀粒子的狀態，可以表示為如下的形式：
Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②
此時又引入一個新的問題：波函數遵循什么樣的規律呢？與經典牛頓運動定律對于的定理或者定律又是什么呢？這個時候就可以用問題式的方法來引入薛定諤方程問題。
i？攸=■=-■？犖2Ψ+U（r）Ψ ③
上式子表示粒子在相互作用勢為U（r）的勢場中運動時，描述粒子運動狀態波函數隨時間的演化所滿足的規律。同樣，像以上這樣利用問題式引入的方式來講授量子力學課程的相關內容還有很多，如態疊加原理，表象變換等。對于態疊加原理，問題的引入：經典物理有波函數的概念，有波的疊加，那量子力學中描述物體狀態的波函數是否也有疊加性，他們之間有什么異動呢？這樣就可以將學生引入到量子力學中的態疊加原理的相關內容。
三、需要重視的問題
針對目前核類專業特別是核類工科專業量子力學課程的現狀，我們除了將問題式教學法應用到教學實踐中，還要從以下的幾個方面來激起學生的興趣，提高學生學習該門課程的積極性。
首先，需要激起學生的好奇心。其次，在解答習題中將問題式教學融入其中，要做到課堂知識和課后習題的問題式教學雙覆蓋。最后，需要學生知道處理量子力學問題的一般方法，同時適當鼓勵學生。為了充分調動學生參與課程教學的積極性和主動性，必須在教學過程中把握學生對知識的掌握程度，對表現優異的學生進行表揚并登記，從心理層面激勵其更加積極參與到教學互動中。本科階段的量子力學是一門入門課程，是繼續學習物理學的基礎。只有讓學生認識到了量子力學課程的重要性，才能達到預期的教學目標。
通過經典物理與量子力學的類比對應關系，在量子力學講授相關知識時，用問題式的方式引入知識點。激發學生對該門課程的學習積極性。使用該教學方式以來，學生的學習積極性和教學質量都得到了提高，達到了教學改革的目的。
參考文獻：
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量子力學基礎理論范文2
關鍵詞：工程教育；“材料計算與模擬”；實踐教學工程教育教學方法。
一、課程目標及對畢業要求的支撐
（1）理解并恰當研究、分析材料科學與工程領域實際問題的基礎理論與方法。“材料計算與模擬”專業課程主要內容為原子分子尺度的理論計算模擬，涉及的理論方法主要為量子力學和分子動力學方法。其中，量子力學方法較為深奧，分子動力學方法因與經典牛頓力學聯系緊密，相比量子力學較為簡單?？紤]工程教育理念側重工程實踐能力的培養，故在基礎理論方法部分將課程目標設置為了解基本理論方法的概念和基本計算流程。（2）針對復雜工程問題，能夠有效地運用工程圖學語言、計算機輔助設計工具，提出改進或解決方案。如何將工程實際中的復雜工程問題通過理論計算模擬提出改進或指導意見是本課程期望的終極目標。其中，如何培養學生通過思考和分析，將工程實際問題分解為理論計算問題并選擇合適的計算方法、計算參數和條件，將是本課程最重要的課程目標。（3）能夠正確運用現代工程工具、技術與資源對材料科學與復雜工程問題進行預測與模擬。工程教育背景下的課程側重實踐能力的培養，本課程的實踐內容主要是利用計算服務器或集群進行材料科學領域的計算模擬。其中，如何使用國家超級計算中心集群（如上海超算、深圳超算）進行高性能計算，并利用科學計算軟件進行結果分析，是本課程的重要課程目標之一。
二、教學方式的改進
本課程堅持理論與實踐相結合的教學方式，不斷提高實踐教學的比重，目前理論教學與實踐教學部分各占一半。承接自過去以教為主的教學理念，本課程目前的主要教學方式還是先講授相關理論內容，然后進行上機實踐操作和練習。在工程教育理念的背景下，實踐能力的培養和提升成為課程教學的重點，同時還要兼顧實踐練習與相關理論知識的銜接，本課程提出基礎理論內容先行傳授，其他內容采用先實踐后理論的教學方式。首先，對于必需的相關課程基礎理論采用課堂講授的教學方式，在講授期間有意識地向學生傳遞工程教育的理念。其次，以較為簡單的實踐案例先進行實踐練習，使得學生簡單上手并且產生對本課程的新鮮感和好奇感，結合基礎理論講解讓學生對基本理論和操作流程有一定的了解。最后，從簡單案例出發，不斷深入，并向實際工程問題靠攏，引導學生不斷深入思考，著重于引導學生了解和練習如何將實際工程問題分解為計算模擬可以解決的問題，并通過理論計算與模擬為指導和解決問題提供依據。作為持續改進、教研相輔的體現，“材料計算與模擬”課程所有實踐案例定期根據最新文獻報道進行更新，保持實踐教學案例的時效性，同時不斷開發新的實踐案例及相應計算流程?？紤]到實踐練習與課程課時可能的矛盾或不足，本課程還將所有實踐教學案例進行視頻錄像，同時將與實踐案例相關的理論內容關鍵詞以字幕的形式添加到錄像中，便于學生隨時翻看和熟悉。
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1目前面臨的形式
大學物理課程是高等職業學院各工科學生的公共基礎課程。物理學是科研和各現代技術工程的基礎。大學物理課程包含了大量的物理學知識和物理學原理，既是非常重要的基礎理論課程也是科學素質教育不可或缺的組成部分。大學物理課程的學習不但有利于培養學生的職業能力和職業素養，更加為學生學習專業的技術能力打下了堅實的基礎。因此對于高職學生來說大學物理課程的學習是非常重要的。然而在目前階段，高等職業的大學物理課程的教學基本類似于普通的高等學校的教學模式，即更加重視基礎的物理學知識和物理學原理的講授，缺乏學生的動手實踐能力的培養。另一方面，高等職業學院的學生普遍存在入學分數較低，物理學基礎知識薄弱，理解接收新知識的能力有限，主動學習能力較差等特點［4］。在進行大學物理教學過程中，傳統教學主要采用基礎知識講授、教師實驗反復演示，一講一練、課后再練的方式鞏固知識。主要注重于傳授知識、偏重于解題技巧和解題方法的訓練。這對于課時充足時是可行的也是有效的，但是隨著社會經濟的發展，知識和信息的不斷豐富，學校開設的課程不斷增多，學生需要學習的知識更加廣泛，同時大學物理和其它的課程一樣，課時大大削減，再加上物理演示實驗儀器的有限性與物理科學技術的瞬息萬變形成了鮮明的對比，繼續沿用原來的教學方法就造成了學生聽不懂，教師教不會，學生聽懂了不會靈活運用的結果。這些在一定程度上影響了大學物理教學質量的進一步提高。近幾年各高職院校在大學物理教學的內容、方法上都有了很大的改進，出了一些比較優秀的教材，也制作了不少教學課件，本文綜合這些成果，從教學的內容和方式方法上，提出了全面提高大學物理課程教學質量的一些措施。
2整合內容體現技術性
大學物理課程的教學內容主要包括力學、電磁學、光學、熱學、量子力學和相對論等內容。在傳統的物理教學中關于經典物理學內容即力學、熱學、光學和電磁學中的理論知識是重要講授的內容，同時對于近代物理學內容即量子力學和相對論也會做非常詳細的講授。但是對于高職教育中“必須夠用”的原則，對于量子力學和相對論這樣的理論知識內容來說，在講授的過程中只需要簡單介紹，使學生知道量子力學解決什么問題，相對論的主要內容是什么即可。應當將大量的課時用來介紹經典物理學的內容。在講授力學、熱學、光學和電磁學的過程中，應當聯系實際的力學問題，向學生傳授力學知識，對于一些理論性非常強而實際技術應用中較少的物理學原理的介紹要適當減少。例如，在力學中關于摩擦力的講授可以分析摩擦力作為阻力時的實例和作為動力時的實例，讓學生切實體會摩擦力的本質。在講授光學中關于光線的波長和光的顏色時給學生分析，人眼對于光的不同顏色的敏感度是不同的，如交警和學生校服上熒光物質的顏色時草綠色，因為人眼對這種波長的光最為敏感，從而激發學生學習的興趣，在學生感興趣的基礎上適當介紹光譜分析等技術。在講授電磁學的過程中，結合電磁技術讓學生明白理論與實踐是如何聯系的。通過這樣的理論與實踐結合的方式講授，就可以避免理論知識的枯燥性，可以提高學生學習物理學的興趣。在學生具有較高學習興趣的基礎上展開教學，教學效果可以顯著提高。
3提高大學物理教學質量的手段
在上述學生具有對物理學較高興趣的基礎上可以從教學方法和教學手段兩方面提高教學質量。在教學方法方面嘗試進行下面的教學探討:①通過教師對一些物理學原理的演示實驗、對一些物理學現象進行多媒體視頻資料播放等直觀的教學，可以充分調動學生的學習積極性，同時加深學生對物理概念的理解。②通過進行讀書指導，教會學生自學。通過給定學生某個知識點的問題，讓學生帶著問題去讀書，去圖書館查閱相關資料，要求學生在自己讀書的調研之后能夠給出自學提綱，同時能整理出知識點;讓學生通過對這些問題的討論及改變問題中初始條件的變化來的結果學會舉一反三，通過知識點間的聯系學會觸類旁通。這個方法的學習過程也是教會學生開展研究性學習的基礎。③通過學生動手進行實驗操作、完成實習作業等教學方法，增加學生主動參與教學活動的意識，促進學生積極思考。這些方法的使用在實際的教學過程中大大提高了學生學習物理學的興趣，同時調動了學生的主動性、積極性和創造性，起到了較好的教學效果。例如機電1班的同學在物理討論課后談到:“為了解決老師在課堂上提出的問題，我不僅看了課本，在網上查閱了相關的文獻資料，還去圖書館看了許多資料，…”在教學手段方面，采取傳統的教學手段，教師課堂演示、網絡教學輔導系統、學生實驗等豐富多彩的立體化教學手段。在課堂講授時大量使用演示實驗、多媒體課件和計算機動畫插播等手段，使學生直觀的了解到相關的實驗現象，以及發生這些現象所要求的條件。隨后通過啟發、課堂討論和學生互動實驗等方式，提高課堂教學效果。課后通過布置學生作業、督促學生使用網絡資源、要求學生完成某一小論文和以寢室為單位的學生自學討論交流，幫助學生進行自主式、互動式、研究式學習。同時積極搭建教師備課平臺，有效支持教師充分恰當利用電子教案、電子講稿、素材庫等現代化教育技術手段進行個性化教學，使得一些不容易用語言描述的物理過程和概念一目了然，有效地提高教學效率，激發學生學習的興趣，擴大信息量。
4結束語
量子力學基礎理論范文4
量子密碼應運而生
量子計算的原理與傳統計算機采用的原理有很大不同，傳統計算機采用單路串行操作，而量子計算機采用多路并行操作，它們運算速度的差異就如同萬只飛鳥同時升上天空與萬只蝸牛排隊過獨木橋的區別。
20世紀70年代，英國和美國最早開始對量子計算的研究。近年來，量子計算的理論和實踐都相繼取得重大進展，產生了多種新的量子算法，研制了多種量子計算機原型。
科學家預測，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計算機，其運算能力可以在幾分鐘內破譯現有任何采用非對稱密鑰系統生成的密碼。
面對量子計算未來可能隨時“秒殺”傳統密碼的危險，科學家致力于尋找不基于數學問題，能有效抵抗量子計算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術的量子密碼應運而生，成為對抗量子計算的“神器”。
又一個可能的“技術差”
二戰中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個重要工業城市，不發出防空警報任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰的勝利，以及擊落山本五十六座機等影響戰爭進程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關系。一些專家們甚至估計，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰縮短了8年。
當前，戰場網絡已成為連接人與武器、武器與武器的技術紐帶，構成了信息化軍隊的神經中樞。偵察預警、指揮協同、武器控制、后勤保障等作戰活動均離不開網絡的支持。安全可靠的戰場網絡是保證自身作戰體系穩定，在體系對抗中謀取勝勢的重要前提，而戰場網絡的安全又十分依賴于網絡通信密碼提供的“安全屏障”。
一個國家的軍隊一旦率先實現量子密碼和量子計算的武器化，并在戰爭中投入使用，將與對手形成巨大的“技術差”，在保持自身網絡通信絕對安全的同時，可隨時破譯對方網絡通信密碼，洞悉對手的一舉一動，從而占據絕對信息優勢，甚至可以直接癱瘓和控制對方網絡，由此將置作戰對手于極為被動的不利地位，戰局可能出現“一邊倒”的情況。
以超常措施推進軍事應用
意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預見戰爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發生才去適應的人微笑?！泵鎸α孔有畔⒓夹g的機遇與挑戰，只有未雨綢繆，盡早規劃，提前部署，才能在未來戰爭中占據先機和主動，避免對手利用技術突然性陷我于被動。
目前，量子密碼已經從實驗室演示性研究邁向實際應用。發達國家軍隊已把量子信息技術作為引領未來軍事革命的顛覆性、戰略性技術。例如，美國防高級研究計劃局專門制定“量子信息科學和技術發展規劃”、研發量子芯片的“微型曼哈頓”計劃等。美國正加速推進量子信息技術的實際應用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊也相繼制定實施一系列發展量子信息技術的計劃。
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隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學手段的利用，有助于學生對固體微觀結構的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統板書相比，利用多媒體呈現并分析固體的微觀結構以及晶體的結構特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關系的表達也更為準確，便于學生的理解。此外，若能結合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結構將能更為直觀地展現在學生眼前。多媒體與三維模型的應用對于學生理解固體的微觀結構、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎概念很有好處。當然，多媒體教學也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導、基礎概念的講解等方面，板書其實更受學生的歡迎。與多媒體教學相比，板書的節奏慢，師生間可以有較多的互動；學生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。
二、教學內容的取舍
由于固體物理學融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學、晶體學等多學科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學時里，不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。因此，實際教學中可以結合本專業的特色，有選擇地取舍部分教學內容。例如，側重固體熱學性質的專業可以考慮以晶格振動等內容為主；而側重微電子的專業則可以考慮以能帶理論、半導體中的電子等內容為主。當然，一些多個領域都涉及到的基礎知識也應是這門課程不可缺少的一部分內容。固體的微觀結構和結合方式是固體物理學的基礎，因此，晶體的結構和晶體的結合等知識點應是這門課程的基礎知識之一?？紤]到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯系，但很多時候，可以分別側重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據各專業的實際情況取舍部分教學內容。在許多固體物理學的教材中，例如黃昆等的《固體物理學》教材和閻守勝的《固體物理基礎》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎理論，它是凝聚態物理前言研究的有效手段之一，也是材料設計的一種有效方法。教學過程中，教師可以結合各專業的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎知識。同時，還可以介紹一些最新的相關研究進展，以拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣。
三、模塊化的教學形式
如前所述，固體物理學中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學過程中可以考慮模塊化的教學形式，以子課題的形式將相應內容呈現給學生?？赡艿哪K如：討論晶體的結構和晶體的結合方式的基礎模塊———晶體的結構與結合；討論晶體中原子實運動的模塊———晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊———能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊———晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數個部分。這樣做首先有利于教學內容的取舍；其次，有利于學生對各知識點的理解、有利于學生梳理清楚各個知識點之間的關系。此外，固體物理學是凝聚態物理前沿研究的基礎之一；其基礎知識、理論推導、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態物理研究的基礎。而模塊化教學，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學內容以問題為導向呈現給學生，這有助于培養學生的學習能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學模式，既是在教授學生知識，也是在開展科研，有助于提高學生對科研的認識、有助于培養學生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學形式還可以結合基于原始問題的教學來開展。
四、基于原始問題的教學
所謂原始問題，可簡單理解為：現實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學實踐引入大學物理的教學中。這應是個值得提倡的建議，畢竟現實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統的習題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學生處理實際問題的第一步便是將問題適當簡化，這也是學生需要學習的一種能力。事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎，也是實際應用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數十年來是我們討論、分析相應問題的基礎。今天，那些被寫進教科書的基礎理論，在當時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。問題的背景：根據經典的熱力學理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關的常數。實驗發現晶體的熱容在高溫下確實接近于常數，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數，其與溫度的三次方成比例關系。問題的提出：理論預言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現象？20世紀初剛剛發展起來的量子力學是否能解釋這個實驗現象？這些問題在愛因斯坦的年代應該都是前言的科研問題。問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當作一個整體，原子—原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數展開，并保留到二階項。問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應。結合量子力學，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復雜，很難直接與實驗結果對比，因此引入進一步的簡化和近似———愛因斯坦模型或德拜模型。這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學研究的方式相接近，既能提高學生對科研的認識、培養學生的科研能力，又能培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力。
五、小結
量子力學基礎理論范文6
(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。
（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，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,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。
二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用
（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。
（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算?？梢园才艑W生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。
三、預期的效果
