启发式教学在分子模拟教学中的案例分析
［摘要］分子模拟是一种常见的机理研究方法。然而，对于初学者而言，在学习分子模拟的过程中往往会遇到各种问题，复制粘贴式的机械教学不利于学生真正掌握这门技术。启发式教学法不仅能够培养学生的自主学习能力，还能激发学生的批判性思维，促进师生之间的互动与交流，提高教学效果。以“油田化学工程”课后科研实践中的一名学生为例，深入剖析了教师在其黏土防膨分子模拟学习过程中所采用的启发式教学方法。通过案例分析，发现启发式教学法对于分子模拟的学习具有显著的促进作用。因此，应充分认识到启发式教学法在分子模拟学习中的重要意义，积极推广和应用这一教学方法，为培养更多优秀的科研人才贡献力量。
［关键词］分子模拟技术；启发式教学；黏土；油田化学工程
［基金项目］2023年度教育部产学合作协同育人项目“分子模拟技术在‘油田化学工程’教学改革中的探索”（230802002284709）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2025）12-0126-05［收稿日期］2024-10-08
本教学团队前期在“油田化学工程”课程中应用了分子模拟辅助教学，取得了较好的效果，并激起了部分学生的科研兴趣。学生在课后通过学习分子模拟技术对一些油田化学现象进行了研究，在这个过程中，学生的学习和探索过程体现了启发式教学的意义。
一、分子模拟学习中存在的部分问题
在分子模拟的学习过程中，学生面临的挑战是该领域知识体系的庞大和复杂。分子模拟技术要求学生掌握扎实的基础理论，涉及多学科交叉的知识应用，如物理化学、计算科学等［1］。此外，在实际应用中常常需要处理复杂的系统模型，这对学习者的综合能力提出了较高要求。GROMACS软件作为分子动力学模拟中常用的工具之一，其命令行操作和输入文件的编制相对烦琐，这为初学者带来了不小的挑战。部分学习者可能没有对GROMACS的命令和输入文件进行系统全面的学习，而是倾向于直接修改已有的文件模板，采取复制粘贴式的学习方法。这种方式虽然能够让学生快速上手并得到初步的模拟结果，但忽视了对命令背后原理的深入理解。此外，学生将难以把握分子模拟的本质和目的，无法在遇到新问题或需要调整模拟参数时做出科学合理的判断和选择。更为严重的是，由于缺乏对命令和模拟过程的深入理解，学生可能需要花费大量的时间和精力通过试错法来摸索合适的命令组合。这不仅浪费了宝贵的资源，还可能延误研究的进展。同时，学生在面对模拟结果时，可能因缺乏批判性思维而无法进行合理的分析和解读，从而无法识别潜在的错误或偏差。这种局限性会妨碍学生探索新方法和优化算法，进而影响他们创新能力和科研能力的发展。因此，强调对命令和原理的深入理解，以及培养批判性思维和创新能力显得尤为重要。
二、启发式教学的步骤
在初学分子模拟时，学生应先构建起对这一领域基本原理的掌握。这不仅仅是对分子模型构建的初步认识，更是对力场选择、系统设定等核心概念的深入理解。通过这样的学习过程，学生能够更加清晰地把握命令背后的作用与意义，为后续的学习奠定坚实的基础。将理论知识与实际案例相结合，是学习分子模拟的有效途径。实践操作则是这一过程中不可或缺的关键环节。学生应亲自动手进行模拟实验，从实践中发现问题、解决问题。通过不断地实践操作，学生可以逐渐熟悉命令的使用，并掌握其背后的原理。
在这个过程中，教师的引导和启发式教学显得尤为重要。启发式教学以学生为中心，通过引导学生自主探索和思考来获取知识［2］。在分子模拟学习中，这种教学方法注重激发学生主动思考、探索和解决问题的能力，而非仅仅停留在被动接受知识的层面。针对分子模拟的学习特点，启发式教学包含以下内容。（1）提问引导。教师通过精心设计的问题，引导学生深入思考和讨论。例如，在讲解分子动力学模拟基本知识时，可以提出“为什么需要使用系综？”“温度和压力控制在模拟中有什么作用？”等问题，让学生在思考中探寻答案。（2）案例分析。利用实际案例进行分析和讨论，帮助学生理解复杂的概念和技术。通过研习教师本人做过的一些课题，学生可以直观地看到分子模拟在具体场景中的应用，以及如何通过特定的操作和命令实现特定的功能。（3）学生提出方案并讨论其可行性。鼓励学生针对自己感兴趣的问题，自主设计构建模型、模拟环境及方法。在实际操作前，与教师进行深入讨论，了解方案的缺陷和可行性。例如，在构建矿物表面模型时，可以探讨矿物表面的水化物种类、表面与水油相的接触方式、如何实现这些接触方式以及如何向模拟体系中添加油田化学药剂的分子和添加量等。（4）实践操作。让学生亲自构造各种分子模型，输入命令，操作模拟软件，并熟悉操作中可能出现的各种问题和报错信息。通过教师的讲解和自主调研，学生可以学会如何解决这些问题。（5）反馈与反思。在每个环节结束后，教师