《材料基因与数据科学》课程教学大纲

《材料基因与数据科学——Python实现》教学大纲一、课程基本信息课程名称材料基因与数据科学：Python实现MaterialGenesandDataScience:PythonImplementation课程编码MAT320521020开课院部材料科学与工程学院课程团队材料信息学教学团队学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时0适用专业材料物理授课语言双语先修课程程序设计（Python）、高等数学（2-1）、高等数学（2-2）、线性代数、量子力学课程简介（限选）本课程面向已修完高等数学、线性代数及普通物理学（或物理化学）等课程的材料物理专业学生开设的选修课程。本课程在系统回顾Python语言基础语法后，介绍常用Python模块的使用，包括Numpy科学计算、Matplotlib可视化处理、SciPy数值计算和机器学习等实用前沿知识。培养学生掌握python脚本的编写方法，并以材料科学中的实际问题为例，如晶体坐标文件格式转换、扩胞/卷管、构建哈密顿量、求解一维谐振势薛定谔方程、拟合Morse经验势等，使学生学会使用科学计算模块解决材料科学中的问题，掌握基本的创新方法，培养独立思考、分析问题、以及利用材料科学的相关科学原理和材料基因工程技术解决实际问题的能力，激发学生用计算机分析、解决复杂材料工程问题的兴趣，为从事本专业的工程工作打下良好的理论与技术基础。Thiscourseisanelectivecourseformaterialphysicsstudentswhohavecompletedcoursesinadvancedmathematics,linearalgebra,andgeneralphysics(orphysicalchemistry).AftersystematicallyreviewingthebasicgrammarofPython,thiscourseintroducestheuseofsomePythonmodules,includingpracticalfrontierknowledgesuchasNumpyforscientificcalculation,Matplotlibforvisualization,SciPyfornumericalcalculationandmachinelearning,etc.Thiscourseusesexamplesofpracticalproblemsinmaterialscience,suchasconversionofcrystalcoordinatefileformats,unitcellexpansion/nanotuberolling,constructionofHamiltonian,solvingone-dimensionalSchrodingerequationwithharmonicoscillatorpotential,fittingMorseempiricalpotential,etc.,totrainstudentstomasterthemethodofwritingpythonscripts,usescientificcalculationmodulestosolveproblemsinmaterialsscience,anduserelevantscientificprinciplesofmaterialscienceandmaterialgenomeengineeringtechnologytosolvepracticalproblems,stimulatestudents'interestinusingcomputerstoanalyzeandsolvecomplexmaterialsengineeringproblems.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1熟悉Python开发环境，掌握编写和运行python脚本的方法。是5.15.12M2学会使用科学计算中的NumPy、Matplotlib、SciPy模块解决材料科学中的问题：构建哈密顿量、求解一维谐振势薛定谔方程、拟合Morse经验势。是4.24.23M3能运用材料科学的相关科学原理和材料基因工程技术，激发学生用计算机分析、解决复杂材料工程问题的兴趣。是9.29.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章Python基础本章重点难点：搭建Python开发环境、高级数据类型、函数、模块////21.1搭建Python开发环境Anaconda安装与使用，Jupiternotebook使用M11讲授1自学/作业31.2Python语法基础回顾一基本数据类型、运算符和表达式、流程控制M11讲授1自学/作业41.3Python语法基础回顾二列表、元组、序列、字典、集合、列表解析M12讲授1自学/作业51.4Python语法基础回顾三字符串的格式化，常用字符串操作，打开/关闭文件、文件打开模式、读写文件，用户输入（input、raw_input）M11讲授1自学/作业61.5材料基因工程实例1读取石墨烯结构文件（.vasp格式）、扩胞M31讲授1大作业71.6函数函数的定义和调用、参数、返回值、变量作用域、匿名函数lambdaM11讲授1自学/作业81.7模块模块的名字属性、模块的导入和使用（import、from）、模块的搜索路径、创建自己的模块、dir函数、常用标准库模块（sys模块、os模块、time模块、random模块）M11讲授1自学/作业91.8异常语法错误和异常的区别、捕捉异常（或异常处理）、触发异常（或抛出异常，raise语句）、try/catch/except/finally语句、with/as语句M11讲授1自学/作业101.9材料基因工程实例2从石墨烯搭建碳纳米管，并计算管径M31讲授1大作业11第2章快速处理数据—NumPy模块（4学时）本章重点难点：矩阵运算////122.1多维数组多维数组M21讲授1自学/作业132.2数组操作索引（index）、分片（slice）、改变数组的维度（reshape）M21讲授1自学/作业142.3常用函数loadtxt、arange、linspace、zeros、eyes、sum、randM21讲授1自学/作业152.4材料基因工程实例3晶体结构文件格式转换（从.cif到.vasp笛卡尔坐标与分数坐标文件和布里渊区倒格矢计算）M31讲授1大作业16第3章绘制精美图表曲线—Matplotlib模块（4学时）本章重点难点：画布与元素、latex语法////173.1绘制曲线plot，画布（figure）和元素（subplot，axis）M20.5讲授0.5自学/作业183.2设置图表格式设置曲线的颜色、线型、线宽，设置图表的标题（title），设置x轴和y轴的区间范围（xlim、ylim），设置x轴和y轴的标签文字（xlabel、ylabel），添加图例（legend），保存图表曲线（png、jpg、eps、pdf等格式）M21讲授1自学/作业193.3插入数学公式Latex语法M20.5讲授0.5自学/作业203.4材料基因工程实例4一维谐振子势的哈密顿量构建、薛定谔方程求解与可视化M32讲授2大作业21第4章数值计算—SciPy模块（4学时）本章重点难点：最小二乘拟合，傅里叶变换////224.1最小二乘拟合最小二乘拟合M21讲授1自学/作业234.2线性代数计算线性代数计算M21讲授1自学/作业244.3傅里叶变换与波函数的平面波展开傅里叶变换，平面波，波函数的平面波展开M21讲授1自学/作业254.4材料基因工程实例5拟合Morse势函数M31讲授1大作业26第5章机器学习简介（8学时）本章重点难点：机器学习算法、数据爬取、数据清洗、选择模型、调参////275.1机器学习简介应用、挑战与发展历程，Scikit-learn与TensorFlow安装配置M21讲授1自学/作业285.2机器学习主要算法介绍分类、回归、决策树、随机森林、无监督学习、神经网络M23讲授3自学/作业295.3材料基因工程实例6手写神经网络模型M31.5讲授1.5大作业305.4材料基因工程实例7电极材料高通量筛选与设计M32.5讲授2.5大作业四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业每次课布置1~3道题目，平均每次课1道题以上。考察分析问题和代码编写能力。成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。30%2大作业本课程要求利用Python解决材料科学中的实际问题，根据代码思路和代码功能评分。60%3课堂表现随机检查学生上课精神状态、回答问题情况、考勤10%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业30%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。2M2平时作业30%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。3M3平时作业40%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。4M1大作业40%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。5M2大作业40%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。6M3大作业40%C-抄袭，未能按时完成。B-独立思考、按时完成，作图比较规范，代码思路比较清晰，方案比较合理，答案准确。A-独立思考、按时完成，作图规范，代码思路清晰，功能完备，设计优美，方案合理，答案准确。7M1课堂表现30%C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。A-精神状态饱满，回答问题准确，全勤。8M2课堂表现30%C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。A-精神状态饱满，回答问题准确，全勤。9M3课堂表现20%C-精神状态较差，回答问题有误，缺勤3次以上。B-精神状态一般，回答问题一般，缺勤1-2次。A-精神状