2024年10月19日上午9点30分，科学之光（青年学者系列）——“计算显微镜”课程在匡亚明学院正式开课，由董昊教授主讲。首次课程主题为《生命体系的计算模拟》，该课程旨在通过计算模拟技术帮助学生深入理解生命体系的基本构成和运行机制，为未来的科学研究奠定坚实基础。
在课程开始时，董教授以生动的案例引入主题，强调生命体系中的分子、蛋白质等都处于动态变化之中，了解这些微观运动是认识生命现象的基础。他详细讲解了计算模拟的重要性，指出计算模拟能够揭示生命过程中的微观机制，还能帮助科学家们从新的角度理解生物现象。为了让学生更好地理解计算模拟的历史和发展，董教授回顾了化学的演变历程，从古代的炼金术到现代科学的形成，展示了科学家们如何逐步认识和利用化学知识。他强调，科学研究经历了从无意识的应用到有意识的探索、从经验总结到理论构建的过程。尤其在近现代，随着理论化学和计算化学的兴起，计算模拟已成为研究生命现象的重要工具。
董教授结合自身的科研经历，深入探讨了不同理论计算方法的适用场景，特别强调了量子化学和分子动力学等方法在研究中的具体应用。他用真实的研究案例，展示了计算模拟在探索蛋白质折叠、药物设计以及材料开发等领域的成功应用。这些实例不仅让学生们认识到计算模拟的广泛应用潜力，也激发了他们的研究兴趣。第一节课结束后，同学们纷纷表示受益匪浅，热烈讨论并积极提问，董教授耐心解答了他们的疑问，并鼓励大家在今后的学习和研究中继续探索计算模拟的奥秘。
第二节课于2024年10月26日顺利进行，课程内容集中在分子动力学的理论基础上。董教授详细介绍了分子动力学的核心概念，包括势函数、系综、温度和压力控制等重要内容。
分子动力学模拟是通过牛顿力学推演原子的运动，从而研究分子之间的相互作用和化学反应。董教授首先介绍了势函数的概念，指出势函数用于描述分子之间的相互作用力。具体而言，势函数包含了分子间的吸引力和排斥力，通常使用如Lennard-Jones势和Coulomb势等模型来近似描述这些相互作用。通过势函数，研究者可以计算分子在特定状态下的能量，从而推导出其运动轨迹。
接着，董教授阐述了系综的概念，讲解了不同类型的系综（如微正则系综、正则系综和大正则系综）如何用于描述分子系统在不同条件下的行为。他强调，选择合适的系综对于模拟的结果至关重要，因为它决定了系统的物理属性和可达性。关于温度和压力的控制，董教授介绍了常用的控温控压方法，如Berendsen温度耦合和Nose-Hoover热浴。这些方法能够在模拟中维持系统的热平衡和压强稳定，从而使模拟结果更加真实可靠。他解释了温度和压力对分子行为的影响，尤其是在生物体系中的重要性，如蛋白质的稳定性和功能。
在深入讲解的过程中，董教授还讨论了分子模拟中的一些挑战，例如计算成本、精确性和模拟时间尺度等问题。他强调，虽然分子动力学能够提供深入的微观视角，但在实际应用中，研究者仍需克服这些挑战以获得可靠的结果。董教授鼓励学生们关注这些问题，思考如何通过新技术或改进算法来提高模拟的效率和精度。这种前瞻性的思维方式帮助学生们更全面地理解分子模拟的复杂性和动态性，为他们今后的研究打下良好基础。
第三次的课程于11月2日举行，着重于实际操作。助教同学协助学生们安装VMD和NAMD软件，并进行了系列基础操作的演示。董教授阐述了如何使用这些工具进行分子模拟。在这节课中，董教授手把手教同学们如何进行PDB文件的预处理，详细讲解了从RCSB PDB网站下载结构文件的步骤，以及如何在VMD软件中加载和处理这些文件。学生们学习了基础的Bash命令，了解了如何使用命令行工具进行文件管理和数据处理。
随后，董教授逐步引导学生完成了一系列关键步骤，包括如何选择并加载蛋白质、计算体系大小、调整坐标原点等操作。这一环节不仅让同学们掌握了计算模拟的基础技能，还增强了他们对模拟工具的实际操作能力。学生们通过动手实践，逐渐领悟了如何将理论知识转化为实际操作，并在指导下成功完成了多个实验。此外，董教授还强调了数据处理的重要性，教导学生如何检查模拟结果的合理性，并进行必要的分析和可视化。这些技能的培养为同学们未来的科研工作打下了坚实的基础。在课程的最后，董教授鼓励同学们积极参与后续的讨论和研究，强调团队合作和分享的重要性。他希望同学们能够将学到的知识应用于实际问题的解决中，为未来的科学研究贡献力量。
通过“计算显微镜”课程，同学们不仅逐步获得了理论知识的深刻理解，还提升了实践操作能力，为未来在生命科学和计算化学领域的研究打下了坚实的基础。这门课程的成功开展，充分体现了匡亚明学院在科学教育方面的坚持与努力，期待同学们在接下来的学习中继续发掘更多科学的乐趣与奥秘。
文编：霍军