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）

［作者简介］ 白世勋（1990—），男，山东东营人，博士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院讲师，主要从事油田化学、提高采收率方法等研究；黄 瑞（1990—），男，河南濮阳人，硕士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院工程师，主要从事油田化学、稠油热采等研究；鲁文君（1996—），女，新疆阿勒泰人，硕士，中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院讲师，主要从事油田地面化学、储运装备腐蚀与防腐等研究。

［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，教师及时给予反馈，并鼓励学生进行自我反思。完成一次模拟实验后，教师可与学生一起讨论实验结果，分析其中的问题和改进方法。这样的反馈与反思过程有助于学生不断优化自身的学习策略和方法，提高学习效果。

三、启发式教学在分子模拟教学中的应用案例

以下将通过具体案例体现启发式教学在“油田化学工程”分子模拟实践学习中的运用。

黏土膨胀指的是黏土颗粒在吸水后体积显著增大的现象，这一变化不仅影响着土壤的物理性质，更在石油工程、土壤改良等众多领域发挥着举足轻重的作用。为了有效抑制和减小黏土膨胀带来的不良影响，行业内研发了防膨剂和缩膨剂这两种油田化学药剂。“油田化学工程”课程中已对相关机理进行了讲解，为了深入探究黏土片层之间的膨胀特点以及防膨剂、缩膨剂的作用机制，学生首先对相关分子模拟研究进行了全面的调研。他们发现，目前大多数模型采用了蒙脱石片层贯穿模拟盒子x和y方向的基础设定，即蒙脱石表面将整个水平面铺满［3］。基于这样的模型设定，研究者通过量子力学的计算或分子模拟技术，对片层之间的距离或水分子的分布情况进行了不同层面的研究，如图1所示。

然而在调研过程中，学生发现尽管外加防膨剂的作用被广泛研究，但黏土片层间距变动的范围在这些研究中并未发生本质上的变化。这一发现引发了学生的深思，也为后续的教学环节埋下了伏笔。针对这一发现，教师适时地对学生进行了提问引导。首先，教师提出了一个问题：“根据‘油田化学工程’中所学知识，为什么黏土会膨胀？防膨剂是如何抑制黏土膨胀的？”这个问题旨在引导学生回顾黏土膨胀的原因和防膨剂的作用原理，从而加深他们对这一课题的理解。其次，教师要求学生思考文献中所用的模型是否可以和课堂上学习的机理相对应。这些模型是否具有可以使黏土片层间距发生变化的物质基础。面对这一问题，学生与教师进行了讨论，学生首先认为模拟所用的系统类型可能对模拟结果产生影响。无论是采用NPT还是NVT系综进行模拟，都可能对黏土片层间距的变化产生不同的影响。这一论断其实并未触及问题的本质，但教师并未立即指出问题，而是向学生展示自己做过的一个成功的黏土膨胀及钾离子防膨作用的分子模拟研究案例，其中钾离子使得两个蒙脱石片层维持在一定的间距内，有效抑制了黏土膨胀，而未向体系中添加钾离子时，蒙脱石片层间距明显增加。通过观察和对比这个案例和文献中的模型，学生提出两种模型的根本区别在于矿物片层之间的水分子是否可以自由进出层间域，即黏土片层不应在x和y方向同时满足周期性边界，否则即使防膨剂有效，层间距依然仅取决于层间已有的水分子数量，因为水分子无法排出层间域，所以防膨效果无法有效体现出来。因此，学生提出需要在x方向截断蒙脱石的周期性边界，并按照文献中常用的怀俄明蒙脱石结构通式（元素比例）［4］初步构建了模型，如图2所示。

利用该模型，学生首先构建了一个未添加任何防膨剂的体系，成功模拟了黏土矿物在较低矿化度环境下的膨胀现象。这一过程验证了模型的可用性。随后，学生继续对防膨剂在黏土矿物表面的吸附行为进行了深入探究。然而，在模拟过程中发现，防膨剂在黏土矿物表面的吸附程度并不高，这与实际已知的黏土矿物性质不符合。在教师的引导下学生意识到防膨剂在黏土表面吸附的主要作用力为静电引力。而为了增强黏土和阳离子油田化学药剂之间的作用力，学生认为可以增加阳离子化学药剂的添加量或者通过某种方式增加黏土片层的净电量。这些建议虽然具有一定的可行性，但如何具体实施还需要进一步地思考和探讨。教师继续引导学生回顾了黏土矿物表面的电荷来源——离子交换，使学生意识到，要增加黏土片层的净电量，就必须从离子交换的角度入手。于是，教师启发学生思考如何通过改变黏土矿物的结构来增加其表面的净电荷。

学生提出了几种可能的方案：将硅氧四面体层中一半的硅原子置换成铝原子或者将铝氧八面体层中一半的铝原子置换成镁原子，甚至二者同时进行。这些方案看似可行，但学生也意识到这样的改动可能会使黏土矿物上所带的净电荷过大，从而偏离现实情况，因此需要对这些方案进行可行性分析。经过深入地思考和分析，学生最终决定在片层上特定的几个位置增加阳离子的交换位点。这样既可以获得一个比较合适的表面净电荷，又不会过于偏离现实情况。基于这一改进后的模型，学生再次进行了防膨剂的吸附模拟，结果显示，防膨剂能够有效发生吸附（见图3），这为下一步的防膨模拟提供了有力的模型支持。在预模拟阶段之后，学生开始了正式的黏土防膨分子模拟。然而和所有初学者一样，在这个过程中遇到了大量的软件报错，学生一度陷入困境。教师根据错误类型分析了可能的原因，并耐心引导学生结合错误类型对自己的模型和输入文件进行细致地修改。最终，所有问题都得到了顺利解决，模拟得以继续进行。结合已构建的黏土表面模型和有机防膨剂分子模型，探究了防膨剂类型对其防膨效果的影响，并通过室内实验验证了模拟的结果。

完成此次模拟后，教师与学生进行了深入的讨论和反思，共同总结了在模拟过程中遇到的各种问题以及相应的解决方案，这些宝贵的经验不仅为未来的模拟研究提供了重要的参考，也让学生深刻体会到了科研工作的艰辛与乐趣。通过这次模拟实验，学生不仅掌握了黏土膨胀及防膨剂的作用机理和研究方法，还培养了自主学习和解决问题的能力。在讨论和实际操作过程中，学生的钻研意识和沟通能力得到了锻炼和提升。此外，学生对分子模拟技术和科研产生了浓厚的兴趣。

通过以上案例，可以清晰地看到启发式教学在分子模拟教学中所展现出的深远意义。它不仅能够显著提升学生的学习效果，更在培养学生的科研能力和创新思维方面发挥了不可替代的作用。这一教育理念的实施，具体体现在以下几个方面：（1）启发式教学通过引导学生主动探索和解决问题，使其在学习过程中增强了对分子模拟的兴趣，从而更加愿意投入时间和精力去深入实践。在启发式教学中，教师鼓励学生提问和反思，不仅是对知识的直接传授，更是注重对学生思维能力的培养。通过不断地提问和反思，学生能够逐渐形成思考的习惯和批判性思维，这对他们未来的科研工作具有重要意义。（2）实际操作和反复试验是启发式教学的重要组成部分。通过实际操作和讨论，学生能够更深入地理解和掌握分子模拟的理论和技术，将所学知识应用于实际问题的解决中，从而提高自身的实践能力。在这个过程中，学生的主动性非常重要，启发式教学注重激发学生的主动性，促使他们自主学习和探索新知识。在这种教育模式下，学生不再是被动的知识接受者，而是知识的主动探索者。这种转变不仅有助于他们更好地掌握知识，还能够培养他们自主学习的能力和终身学习的意识。（3）启发式教学还特别注重培养学生的科研能力和创新思维。通过引导学生进行科学研究和技术创新活动，他们能够在实践中锻炼自己的科研能力，培养创新思维。这种能力的培养对于学生未来的科研工作具有至关重要的意义。

结语与展望

实践表明，正确的学习方式对于分子模拟的学习至关重要，启发式教学以其独特的优势在分子模拟教学中发挥了重要作用。这种教学模式不仅能够有效地激发学生的学习兴趣和主动性，还能够通过提问引导、案例分析、讨论和实践操作等环节的设计和实施，帮助学生深入理解分子模拟的理论和技术。我们将从已有经验中进行总结提炼，继续探索和完善启发式教学方法在分子模拟教学中的应用，优化教学方案。同时，我们将关注教育领域的最新动态和发展趋势，及时调整教学策略和方法，以适应不断变化的教育需求。综上所述，未来课题组将继续致力于探索和完善启发式教学方法的应用，为培养更多优秀的科研人才贡献自己的力量。