《计算材料学A》课程大纲

《计算材料学A》课程大纲

课程代码080118L课程名称中文名材：计算材料学A英文名:ComputationalMaterialsScienceA课程类别专业基础修读类别必修学分3.0学时48开课学期第6学期开课单位材料科学与工程学院材料科学系适用专业无机非金属材料工程专业无机非金属材料科学方向先修课程高等数学、大学物理、大学化学、材料科学基础、材料性能学等后续有关专业课程和教学环节毕业设计(论文)主讲教师／职称秦国强/副教授，张光磊/教授考核方式及各环节所占比例作业

+期末考试（50%）+（50%）教材及主要参考书（1）《计算材料学基础》，张跃编著，北京航空航天大学出版社，2007年。（2）《计算机在材料科学与工程中的应用》，张光磊编著，中南大学出版社，2008年。（3）《计算材料学》，D.罗伯编著，化学工业出版社，2002年。（4）《MaterialsStudio培训教程》，创腾科技有限公司，华南师范大学，2006年。一课程性质和目标本课程是无机非金属材料工程专业的专业必修课，主要学习材料组成、结构和性能关系的计算机模拟与预测的基础理论和软件应用，是材料科学与计算机科学交叉学科的一门课程。课程内容包括：材料模型的基本概念，建立模型的基本原则和方法，认识不同尺度下的第一性原理计算、分子动力学模拟及介观模拟的典型材料计算方法和软件应用原理，进行不同尺度下典型无机非金属材料的计算。培养学生运用材料计算方法进行材料学中结构和性能关系预测的能力，培养学生的创新能力和创新意识。通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：知识目标：解释计算材料学的发展历程，认识其在材料研发中的作用。能够辨别与选用合适的理论或软件模块对无机非金属材料进行多尺度建模,并能解释模型的局限性。能够解释第一性原理、分子动力学和介观模拟等典型材料计算方法，开展无机非金属材料结构、工艺参数和性能的模型建立和计算，分析计算和预测结果的合理性和局限性。能够选择和运用基本数据处理技术和技巧。能力目标：能选用材料计算技术开展材料组成、结构与性能关系的计算和预测分析能力。（1）本课程所能支撑的毕业要求如下：二本课程所支撑的毕业要求序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容课程目标1毕业要求5-3能根据混凝土/陶瓷产品研发与检测需要，选择分析方法与现代工具对复杂无机非金属材料工程问题进行模拟预测和结果分析，并能分析模拟和预测的局限性。课程目标1、2、3、4（2）本课程内容与毕业要求指标点的对应关系教学内容课程目标毕业要求指标点理论教学（一）绪论1毕业要求5-3（二）分子结构建立与计算2，3，4毕业要求5-3（三）晶体结构建立与计算2，3，4毕业要求5-3（四）无机非晶体结构建立与模拟2，3，4毕业要求5-3（五）聚合物结构建立与计算2，3，4毕业要求5-3（六）纳米材料结构建立2，3，4毕业要求5-3（七）介观方法与材料计算2，3，4毕业要求5-3（八）数据处理2，3，4毕业要求5-3三教学基本内容（一）理论教学基本内容（48学时）1

绪论（2学时）（1）基本要求理解本课程的意义及在材料研究中的地位，理解本课程的主要教学内容、教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度，理解本课程的发展历史及相关教材及参考书的特点。（2）教学内容材料计算的层次及发展简况课程大纲解读课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果。（3）重点2

分子结构建立与计算（10学时）（1）基本要求构建简单分子模型，运用多种显示模式。（2）教学内容分子结构的建立。生成Projects；打开并且观察3D文档，多种显示模式的选择，原子的添加、修改及化学键设定。性能模拟与计算模拟计算分子稳定构型、尺寸、化学键及红外光谱。学生练习与讨论（3）重点和难点难点：模拟红外光谱。（1）基本要求（2）教学内容理解晶体材料的结构特征，构建典型晶体结构，理解并运用稳定性判据以及晶体电子和光学性能计算方法。3.

晶体结构建立与计算（20学时）重点：分子模型的构建方法。分别构建水分子、苯酚分子、卟啉、甲基乙酸甲脂、分子等结构，计算并分析其稳定构型、尺寸、化学键及红外光谱。晶体结构的构建无机非金属晶体的构建及特征分析、分子晶体的构建及特征分析、掺杂晶体的构建、分子在晶体表面吸附模型的构建。晶体性能计算3）课堂练习及讨论（3）重点和难点难点：晶体热稳定性计算判据（1）基本要求（2）教学内容理解无机非晶体的结构特征；构建玻璃模型并进行和计算模拟。4.

无机非晶体结构建立与模拟（4学时）重点：晶体模型的构建方法及第一性原理计算。构建Alpha石英晶体；导入ZnO、TiO2、SnO2和典型硅酸盐晶体；处理分子晶体：尿素；构建SiGe掺杂体系；用第一性原理预测Si的晶格参数；计算对比金刚石和石墨的内聚能；计算ZnO的能带结构、态密度和差分电子密度图，进行电子布局分析；计算分析TiO2的光学性能，模拟CaO的XRD谱图；构建CO分子在Pd(110)表面的吸附模型。第一性原理计算简介、CASTEP模块的使用、热稳定性计算，平衡态结构预测、电子性能计算、光学性能计算、力学性能计算和衍射图谱模拟。无机非晶体结构的构建非晶结构特征分析，无机非晶体结构的建立；使用分子动力学方法模拟玻璃结构分子动力学方法简介、力场和势函数、Forcite模块的使用、径向分布函数课堂练习与讨论（3）重点和难点难点：径向分布函数计算与分析。（1）基本要求（2）教学内容要求学生理解聚合物材料的结构特征；构建聚合物模型，理解并计算氢键。5.

聚合物结构建立与计算（2学时）重点：Forcite模块的使用。使用Forcite模块模拟构建石英玻璃，分析其结构特征；聚合物结构的构建聚合物的结构特征分析；聚合物建模工具介绍。聚合物的计算计算聚合物之间的氢键。课堂练习与讨论（3）重点和难点难点：聚合物模型构建聚合物中氢键的模拟。（1）基本要求（2）教学内容理解纳米材料的结构特征；构建纳米材料结构模型。6.

纳米材料结构建立（4学时）重点：多种聚合物模型的构建方法。分别多甲基异丁烯酸盐、聚苯乙烯（PPV）、丁二烯和丙烯腈所组成的无序混合物等，计算其中的氢键。纳米材料的构建纳米材料的结构分析，纳米材料的建模工具及方法课堂练习及讨论（3）重点和难点难点：纳米团簇和纳米薄膜的构建方法。（1）基本要求（2）教学内容理解介观方法基本原理，利用介观方法模拟材料。7.

介观方法与材料计算（4学时）重点：多种纳米模型的构建方法。分别构建单壁、多壁碳纳米管；石墨烯；纳米超薄膜；纳米团簇。介观模拟介绍介观方法基本原理；介观模拟模块介绍及基本操作课堂练习及讨论（3）3重点和难点难点：MesoDyn模块操作。（1）基本要求（2）教学内容Origin的基本功能及应用。使用Origin软件进行数据处理。重点：Origin软件的作图。四达成课程目标的途径和措施本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“案例教学法”、“多媒体视频法”、“课堂讨论法”、“课堂练习法”等，教学内容紧跟各种材料发展前沿，及时补充新材料、新技术等内容，根据每届学生特点和教学内容，调整教学方法，以提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。2）充分利用多媒体手段。通过材料制备于应用方面的动画/视频播放与讲解，使学生在课堂上切身感受材料生产过程、使用环境等，加深认识。2.

教学手段3.课外阅读要求4.多环节训练（2）期末考试课程考核由作业和期末考试两部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：五.课程综合记分方法（1）作业（课堂讲解/讨论）要求学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外文献和案例检索，加深对教学内容的理解，拓展专业视野，认识行业最新发展前沿。本课程采用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，将动画视频、录像及图片穿插到教学内容中，使学生“身临其境”地学习，达到课程目标要求。“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。3）课堂练习。为使学生真正操作方法和技巧，老师针对教学知识点讲解演示后给出练习题，课堂上安排大量时间供学生进行练习，老师随时监督、学生学习的程度和效果，如发现问题或错误可及时纠正改进，保证学习效果。1）案例教学法，以点带面。教师通过引入具体问题启发学生思考，介绍材料研究和发展的整体概况。1.

本课程的教学方法难点：多数列数据的处理及作图。（3）重点和难点2）课堂练习及讨论1)数据处理的概念及内容；理解并运用Origin数据处理软件。8.

数据处理（2学时）重点：介观模拟的概念及基本方法。使用MesoDyn模块模拟油水分离。考核环节比重（%）作业50期末考试50总计100（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）评分标准：作业：每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成50分。作业（课堂讲解/讨论）的评分标准观测点85~100分75~84分60~74分＜60分完成进度严格按照作业要求并及时完成基本按照作业要求并及时完成不能按照作业要求，未及时完成不能按照作业要求，未及时完成概念程度概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念错误分析或结论有效性分析合理、结论有效分析基本合理、结论基本有效分析不合理不能制定正确和合理解决问题的方案。课堂讲解/讨论思路清晰，表达准确，积极发言进行沟通交流，仪态大方。思路较清晰，表达基本准确，概念基本清楚，发言比较积极，仪态较大方。表达不清晰，概念有错误，发言交流比较被动。讲解错误，不能进行有效沟通，举止不得体。

2）

期末考试：期末考试成绩是通过开卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成50分。试卷蓝图设计如下：试卷蓝图设计课程目标

对应试题把握能力层次目标分值百分比（%）认识理解应用1一2-55-105-1010-2010-202二10-2010-2040-6080-9080-90

100

六、评估方法本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。

课程目标1评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点解释计算材料学的发展历程,认识其在材料研发和研制中的作用认识计算材料学的内涵、意义、层次，认识计算材料学的发展历程、特点及其在材料研发和产品研制中的作用。期末考试

课程目标2评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、能够辨别与选用合适的理论或软件模块对无机非金属材料进行多尺度建模无机非金属材料典型分子、晶体、非晶体、聚合物、纳米材料等的模型构建方法。作业（课堂讲解/讨论）

期末考试

2、解释模型的局限性认识各种模型所代表的物理意义及适用范围，针对不同材料体系和目的选取不同的建模方法。作业（课堂讲解/讨论）

课程目标3评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、解释第一性原理、分子动力学和介观模拟等典型材料计算方法认识第一性原理、分子动力学和介观模拟的理论基础、典型软件与模块，认识计算模块参数设置方法。作业（课堂讲解/讨论）

期末考试

2、利用第一性原理、分子动力学和介观模拟展开无机非金属材料结构、工艺参数及性能计算第一性原理、分子动力学和介观模拟对无机非金属对于材料结构、性能的计算方法，温度、时间、压力等工艺参数设置方法。作业（课堂讲解/讨论）

期末考试

3、理解第一性原理、分子动力学和介观模拟计算和预测的局限性认识第一性原理、分子动力学和介观模拟等材料计算方法的适用范围和局限性，针对不同材料体系和目的选取合适的材料计算方法。作业（课堂讲解/讨论）

4、能够辨别及运用基本数据处理技术和技巧认识数据处理的作用和必要性，认识典型数据处理软件，基本数据处理技术和技巧。作业（课堂讲解/讨论）

课程目标4评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点具备选用材料计算技术开展材料组成、结构与性能关系的科学研究能力。具有针对不同材料体系和研究目的，选用不同计算方法、软件和参数设置，研究无机非金属材料组成、结构与性能。作业（课堂讲解/讨论）

七课程目标达成评价与持续改进机制课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负责人组成。评价小组依据毕业要求达成度目标值设置课程达成目标值，采用课程总评成绩分析法进行评价。依据课程评价的结果，寻找问题，持续改进课程教学质量。依据毕业要求达成度评价结果，持续改进课程体系。2持续改进机制建立持续改进制度成立本课