《计算材料学》课程教学大纲

《计算材料学》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145123016课程名称（中/英文）：计算材料学/ComputationalMaterialsScience课程类别：专业选修课学分：1总学时：16理论学时：16实验/实践学时：0适用专业：无机非金属材料工程适用对象：本科先修课程：高等数学、材料科学基础、大学物理、物理化学。教学环境：线下或混合式教学开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《计算材料学》是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。本课程把计算机作为材料科学研究的工具，把基础科学理论，尤其是晶体学，固体物理、物理化学中的基本理论，应用到新材料的开发和性能研究中，改善实验研究手段，提高实验效率。同时更深层次地解析实验结果背后的理论，揭示客观规律，证实客观规律，使科学理论建立在更加客观的基础上。结合计算材料学发展历史中的案例和故事，开拓学生视野，培养学生创新意识，树立科学的计算材料学观念。通过对国内外的学者介绍和软件介绍，培养同学们家国情怀，坚定文化自信和大国自豪感，注重专业知识与人格的培养，培养学生的社会主义核心价值观，恪守职业道德，传承民族精神，激发学生工业兴国、爱国热情。并讲解华人科学家在计算材料及相关物理化学领域的故事，如沈吕九等，并讲解实际计算案例，使同学们了解计算模拟方法在材料学研究中的作用，进而促进课程知识和学习能力目标的达成。2.对接培养的岗位能力通过本课程的学习，让学生了解计算机在无机材料科学与工程领域的应用状况，了解无机材料组成、结构及性能之间的内在关系；掌握无机材料不同性能的内在影响因素和各因素间的协同机制，能够通过计算机模拟分析复杂材料体系的晶体结构，电子结构以及力学，热学，磁学等方面的性能。了解材料制备过程中的物相变化规律，能够用理论阐明材料形成过程的本质，掌握应用模拟解决材料开发生产的实际问题，为今后从事无机材料生产和新材料开发、研究提供坚实的理论基础。通过本课程实验，使学生加深对理论教学内容的理解，掌握无机材料性能预测、分析的基本原理和方法，着重培养学生分析、解决实际问题和独立思考的能力，并使学生科学研究能力得到一定的训练。课程教学目标课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点1.2]具有无机非金属材料专业领域需要的数据分析能力，能针对具体的对象建立数学模型并利用计算机求解。[毕业要求指标点1.3]能够将相关工程专业知识和数学分析方法用于推演、分析无机非金属材料领域工程问题。[毕业要求指标点2.3]能认识到解决无机非金属材料领域复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。[毕业要求指标点5.2]能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对无机非金属材料领域复杂工程问题进行分析、计算与设计。2.课程教学目标对应毕业要求，具体内容如下：教学目标1：能够掌握第一性原理的主要计算方法中密度泛函理论、能带理论，有效质量等相关概念和理论，解释晶体结构，电子结构、晶体缺陷等与性能的关系，并能够利用这些知识去构建晶体模型、计算目标性能、分析相关机理。(支撑毕业要求1.2)。教学目标2：能够以无机非金属材料工程问题为导向，从材料的晶体结构、电子结构、化学键，能带杂化、固体表面与界面、相变等基本理论角度进行分析推演，并能够利用这些知识去分析、表达无机非金属材料工程领域复杂工程问题。(支撑毕业要求1.3)。教学目标3：能够查阅相关文献资料，运用无机非金属材料的晶体学信息，借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，能够判断无机非金属材料生产加工过程的复杂问题及其合理性，并获得有效结论。(支撑毕业要求2.3)。教学目标4：能够正确识别无机非金属材料领域复杂的工程问题，判断相关问题方向，查询文献资料，利用专业对应的模拟软件，对相关问题进行模拟、仿真，分析问题所在，并设计可行的解决方案，对症下药，选择适当的仪器，有效解决复杂的工程问题。(支撑毕业要求5.2)。四、教学课时安排（一）学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题1计算材料学概论22001主题2第一性原理及其应用44001、2、3主题3分子动力学方法44001、2、3主题4蒙特卡洛方法22001、4主题5材料介观尺度模拟22001、2、4主题6连续介质数值模拟计算基础及工程应用22001、2、3、4合计1616五、教学内容及教学设计主题1计算材料学概论1.教学内容课程内涵及研究意义计算材料学的发展历史与作用计算材料学的范围、层次及任务计算材料学的类型和方法国内外研究动态与展望2.教学重点计算材料学发展特点、历史、基本概念以及特点。3.教学难点计算材料学的层次和特点。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授，结合计算材料学发展历史中的故事和案例，尤其是国内学者，如唐敖庆、江元生和张乾二等老一辈学者的经历，培养学生的科学精神、辩证思维能力、创新意识和创新能力；并通过历史人物，公式推导，理论的发展演变，传递给学生坚持、求实等积极品质；培养同学们的理论联系实际、透过现象看本质等哲学思维方式；通过几款国产软件的介绍，培养同学们爱国主义情怀，坚定文化自信，进而促进课程知识和能力目标的达成。主题2第一性原理及其应用1.教学内容1.概论-量子理论基础2.薛定谔方程及量子化学方法3.密度泛函理论基础4.密度泛函离散变分方法5.固体能带理论及其各种近似方法介绍6.第一性原理计算实例及其在新计算材料学中的应用2.教学重点第一性原理计算设计方法在新材料开发方面的应用。3.教学难点分子动力学对平衡态和非平衡态的模拟及其应用范围。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线下自学相结合，采用分组讨论、启发式教学方法，除了理论知识讲授，结合用计算实例进行结果分析，将分析方法与计算相关理论融入其中，使学生了解学习密度泛函理论，掌握第一性原理计算的基本要点。并介绍该方法对国内材料研发与应用的部分实际案例，培养学生对国内计算材料发展的热爱。主题3分子动力学及其方法1.教学内容分子力场概念与分类原子间相互作用势能量极小值与分子力学方法分子动力学基本原理分子动力学模拟计算过程分子动力学的发展和局限性分子动力学方法在计算材料学中的应用2.教学重点分子动力学的基本方法和概念，以及基本原理和特点。3.教学难点分子动力学对平衡态和非平衡态的模拟及其应用范围。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线下自学相结合，在知识讲授的过程中，由在经典案例中引出基本概念，讲解模型构造，平衡相与非平衡相以及相关结果，并加以引导分析，教授模拟过程的基本操作和借本结果分析方法。介绍国内超级计算机平台的发展，以及国内计算平台对计算材料的支持，培养学生对中国在该领域的热爱。主题4蒙特卡洛方法1.教学内容概率与统计基本知识蒙特卡洛方法起源和发展蒙特卡洛法基本原理随机抽样方法蒙特卡洛方法在计算材料学中的应用2.教学重点解蒙特卡洛计算的基本思想，随机变量及变量分布确定，期望值方差的计算过程。3.教学难点蒙特卡罗方法的收敛性，误差，特点及其主要应用范围4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用多媒体课堂讲授的教学方法，注意加强与学生们的互动，通过问题讨论、启发式教学、案例式教学等形式来使大家掌握蒙特卡洛原理的基本概念和实际应用。主题5材料介观尺度模拟1.教学内容1．模拟微观组织深化的意义2．相场理论表示微观组织的主要原理方法3．相场方法模拟微观组织演化的一般步骤2.教学重点理解学习模拟微观组织演化的意义，理解相场理论表示微观组织的方法，掌握用相场方法模拟微观组织演化的一般步骤。3.教学难点微观结构的相场表示与微观结构的演化驱动力及演化方程。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线上自学相结合，采用问题讨论式、启发式教学方法，选取国内外经典案例尤其是国内科学家相关的经典案例进行剖析，使大家掌握相场模拟中模拟长度尺度，计算时间，边界条件以及相关结果的初步分析，也激励学生对模拟计算的学习热情，加深学生投身国内计算材料建设发展的热情。主题6连续介质数值模拟计算基础及工程应用1.教学内容1．连续介质数值模拟计算基础2．常用商业软件使用简介3．无机材料应用中的流场分析与计算4．无机材料的温度场分析与计算5．无机材料的应力场分析与计算2.教学重点掌握有限元的基本理论和方法，掌握有限单元法分析的步骤,了解常用有限元分析软件，并能够用限单元法分析并计算无机材料应用中的流场、温度场、与应力场。3.教学难点有限元的基本理论与方法，耐火材料的热应力计算。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）通过引导学生线下查阅自学连续介质模型，课上引入名人典故，如中国科学院院士冯康培养学生的爱国情怀和，讲授连续介质模型的构筑，力场中的数值问题模拟，动力学描述和连续介质方程。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例本课程考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力等；本课程考核方式采用作业评测、课堂表现、阶段测验和期末考试等多种形式、多个阶段等全过程的考核，使学生成绩评定更加合理多样，优化课程评价体系，进一步提升本课程教学效果。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文实验√√√成绩比例%520520502.课程考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核实验期末考试合计出勤及课堂作业及阶段教学目标1指标点1.201001020教学目标2指标点1.301001020教学目标3指标点2.301001020教学目标4指标点5.2101002040合计10400501003.课程成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀(90~100分)良好(80~89分)中等(70~79分)及格(60~69分)不及格(＜60分)出勤及课堂表现（10%）无迟到、早退、旷课现象；积极参加课堂讨论，并有自己独到的见解；能够准确回答所有问题。无迟到、早退现象；较为积极参加课堂讨论，并提出自己的见解；能够正确回答问题。偶有迟到、早退现象；能够主动参加课堂讨论；主要问题回答正确。有迟到、早退、偶尔有旷课现象；参与课堂讨论；基本能够回答相关问题。迟到、早退、旷课较多；不能有效参加课堂讨论；回答不出主要问题。作业（20%）能够独立完成作业，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论，作业完成质量优秀能够独立完成作业，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论，作业完成质量较高。能够独立完成作业，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论，完成质量符合要求。基本能够独立完成作业，部分题目解答不准确，运用所学知识和理论分析解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，作业提交不及时，准确率较低，运用所学知识和理论分析问题的能力不足。阶段测验（20%）完成所有阶段测验，准确率高。完成所有阶段测验，准确率较高。完成所有阶段测验，准确率中等。基本完成阶段测验，准确率较低。基本完成阶段测试，准确率低。课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）教学目标1正确认识计算材料学在材料研发和研制中的作用，能灵活表述计算材料学相关的基本理论知识，能灵活分析无机非金属材料领域的相关数据，能够针对专业问题灵活构建数学模型并进行求解分析。正确认识计算材料学在材料研发和研制中的作用，能清晰表述计算材料学相关的基本理论知识，能正确分析无机非金属材料领域的相关数据，能熟练针对专业问题构建数学模型并进行求解。能够认识计算材料学在材料研发和研制中的作用，能正确表述计算材料学相关的基本理论知识，能分析无机非金属材料领域的相关数据，会针对专业问题构建数学模型并进行求解。能够认识计算材料学在材料研发和研制中的作用，基本能表述计算材料学相关的基本理论知识，基本会分析无机非金属材料领域的相关数据，基本针对专业问题构建数学模型并进行求解。无法认识计算材料学在材料研发和研制中的作用，不能清晰表述计算材料学相关的基本理论知识，不能分析无机非金属材料领域的相关数据，无法针对专业问题构建数学模型并进行求解。教学目标2能够系统掌握计算材料科学基本理论，灵活运用相关软件模拟分析无机非金属材料工程问题，并能对材料生产、加工及服役过程中的复杂工程问题提出准确的解决思路。能够准确掌握计算材料科学基本理论分析方法，合理运用所学理论分析材料生产、加工及服役过程中的复杂工程问题，提出正确的解决思路。能够掌握计算材料科学基本理论分析方法，运用所学理论分析材料生产、加工及服役过程中的复杂工程问题，思路基本正确。基本掌握计算材料科学基本理论分析方法，运用所学理论分析材料生产、加工及服役过程中的复杂工程问题，思路不够准确。不能将计算材料学相关的专业理论知识和分析方法用于推演、分析无机非金属材料领域工程问题。教学目标3能够查阅并灵活利用文献资料，熟练借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，准确判断无机非金属材料生产加工过程的复杂问题及其合理性，获得准确有效的结论能够查阅并正确利用文献资料，正确合理借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，并准确判断无机非金属材料生产加工过程的复杂问题及其合理性，获得就教准确的结论能够查阅相关文献资料，能够借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，并判断无机非金属材料生产加工过程的复杂问题及其合理性基本能够查阅正确文献资料，不能够借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，能够判断无机非金属材料生产加工过程的复杂问题及其合理性。不能够查阅正确文献资料，难以借助第一性原理计算对材料的化学组成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，不能够判断无机非金属材料生产加工过程的复杂