《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：101145123208课程名称（中/英文）：计算材料学/ComputationalMaterialScience课程类别：个性化选修课程学分：1总学时：16理论学时：16实验/实践学时：0适用专业：材料物理适用对象：本科先修课程：量子力学基础与固体物理学教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的本课程是材料物理专业的个性化选修课程，以量子力学基础与固体物理学为前导课程，偏重计算材料学的发展现状、主要理论框架和设计实践方法，是应用高性能计算机进行材料科学研究以及设计的理论基础课程。通过学习要求学生了解掌握计算材料学的基本知识和基础理论，为后继专业课程的学习、将来从事材料学科研以及新材料的设计与开发等技术工作奠定良好基础。在课程授课过程中，注意结合马克思主义原理的思想，培养学生的科学思维方式，解决问题要抓住问题的主要矛盾，先解决主要矛盾，再解决次要矛盾，从而培养学生发现问题，提出问题和解决问题的能力。2.对接培养的岗位能力通过本课程的学习和解决科学问题的训练，培养学生的科学思维方式，理性合理的解决问题，为以后在工作中解决实际问题奠定基础。知识：通过本课程的学习，使学生了解计算材料学的基础知识，包括原子间相互作用势、密度泛函理论、分子动力学等常见的计算材料方法。能力：能够比较熟练的使用常见的计算材料软件，对材料的物理性能进行预测并根据需要设计新材料。素质：提升进行材料科学研究的基本能力和综合素养，形成自主学习的意识。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点1.2]能够针对工程领域的系统或过程，选择或建立相应的数学、物理模型，用于进行太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的分析与评价，并利用计算机求解。[毕业要求指标点1.3]能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域复杂工程问题的推演分析。[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，针对新能源材料领域的复杂工程问题进行分析，并进行计算与设计。2.课程教学目标总目标：本课程要求学生掌握计算材料学的基本概念和基本规律；了解当前计算材料学的主要方法及其应用，掌握基本的计算模拟理念和方法；加深学生对材料组织结构性能本构关系的理解，激发并拓宽学生新的材料研究理念与思维模式；开阔思路，培养用物理、数学模型考虑研究对象的能力和习惯；使其充分了解材料计算和模拟既是理论和实验方法的融合，又是对两者的重要补充，是现代材料学不可或缺的研究方法。教学目标1：要求学生掌握计算材料学的基本概念和基本规律，能够根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。（支撑毕业要求指标点1.2）教学目标2：注意提高分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合，能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。（支撑毕业要求指标点1.3）教学目标3：通过本课程的学习，使学生具有计算材料方面的知识素养，以便今后进一步深入学习材料学知识，能够选择专业模拟软件和计算方法，针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。（支撑毕业要求指标点5.2）四、教学课时安排学时分配主题内容总学时理论学时实验、实践学时1计算材料学导论4402密度泛函理论基础

4403赝势平面波方法4404分子动力学方法440合计16160五、教学内容及教学设计主题1计算材料学导论1.教学内容了解计算物理历史，计算材料学理论体系，计算材料学研究动态与展望，计算材料设计实践方法。2.教学重点掌握计算材料理论体系，了解计算尺度、电子结构、原子分子演化结构；熟悉第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛方法等计算材料方法。3.教学难点理解第一性原理、分子动力学和蒙特卡洛等计算方法。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段结合视频讲授教材内容。通过介绍计算材料学科的历史发展，对比我国与发达国家的相关领域的发展现状，培养学生的爱国主义精神。主题2密度泛函理论基础1.教学内容第一性原理近似，Hohenberg-Kohn定理、Kohn-Sham定理，交换关联泛函，自洽计算，基矢展开，计算方案分类，计算框架分析，计算流程，物理性质分析。2.教学重点理解和熟悉Hohenberg-Kohn定理、Kohn-Sham定理，交换关联泛函，自洽计算，计算流程，物理性质分析。3.教学难点理解和掌握Hohenberg-Kohn定理、Kohn-Sham定理，自洽计算等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段结合视频讲授教材内容。通过介绍Hohenberg和Kohn等科学家在密度泛函领域的贡献，培养学生对科学前沿领域探索的兴趣，同时加强学生科技强国的爱国主义思想。主题3赝势平面波方法1.教学内容平面波展开与截断能，赝势，模守恒赝势，超软赝势，Hellmann-Feynman力，超原胞方法，自洽电子弛豫方法，几何结构优化方法，快速傅里叶变换，k空间取样规则，几何结构的构建，计算操作方法。2.教学重点平面波展开与截断能，赝势，Hellmann-Feynman力，超原胞方法，自洽电子弛豫方法，几何结构优化方法，k空间取样规则，几何结构的构建。3.教学难点平面波展开与截断能，赝势，Hellmann-Feynman力，几何结构的构建等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段结合视频讲授教材内容。同时通过介绍我国科学家在计算材料学相关领域的前沿科学成果，使学生了解我国科研工作者为国家科学发展做出的重要贡献，培养学生的家国情怀。主题4分子动力学方法1.教学内容分子动力学基本原理，分子动力学基本框架，系综，分子动力学研究流程，计算结果的解析方法，计算关键技术。2.教学重点分子动力学基本原理，分子动力学基本框架，系综，分子动力学研究流程。3.教学难点掌握分子动力学基本框架，系综等。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段结合视频讲授教材内容。讲解分子动力学方法的过程中，结合当前我国和世界各国在该领域的研究成果、科学成就以及在材料科学的相关应用介绍，增强学生的爱国情怀，树立科学世界观，同时培养学生不畏艰辛的探索精神。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、实践动手能力和创新能力等；考核方式采用出勤、作业评测、课堂表现、平时阶段测验等多种形式、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其他√√√成绩比例%203010402.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（%）过程性考核期末考试合计出勤及课堂表现作业教学目标1指标点1.2101011~1631~36教学目标2指标点1.3101011~1631~36教学目标3指标点5.2101011~1631~36合计3030401003.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（30%）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，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退现象。较为积极参加课堂讨论，能够准确回答问题，并提出自己的见解。有迟到、早退现象。能够主动参加课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课现象。参与课堂讨论，基本能回答相关问题。迟到、早退、旷课较多。不能有效参加课堂讨论，回答不出所有问题。作业（30%）能够独立完成作业，作业完成质量优秀，能够灵活运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量较高，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，完成质量符合要求，能够运用所学知识和理论解决问题，并获得有效结论。基本能够独立完成作业，部分题目解答存在抄袭现象，运用所学知识和理论解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，存在明显抄袭现象，不具备运用所学知识和理论解决问题的能力。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熟练掌握计算材料学的基本概念和基本规律，能够根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，熟练的将其用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。准确掌握计算材料学的基本概念和基本规律，能够根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，较好的将其用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。掌握计算材料学的基本概念和基本规律，能够根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，能够将其用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。基本掌握计算材料学的基本概念和基本规律，能够根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，基本能够将其用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。不能掌握计算材料学的基本概念和基本规律，无法根据不同的应用领域建立相应的数学、物理模型，无法将其用于进行功能材料领域复杂问题的分析和评价。教学目标2具有熟练的分析和解决实际问题能力，并重视理论与实际案例的结合，能够熟练的将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。具有分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合，能够准确的将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。具有一定的分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合，能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。基本具有分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合，基本上能够将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。不具有分析和解决实际问题的能力，并重视理论与实际案例的结合，无法将工程基础知识、专业知识和数学、物理模型相结合用于进行功能材料材料领域问题的计算。教学目标3具有优秀的计算材料方面的知识素养，能够熟练的选择专业模拟软件和计算方法，针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。具有良好的计算材料方面的知识素养，能够准确选择专业模拟软件和计算方法，针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。具有计算材料方面的知识素养，能够选择专业模拟软件和计算方法，针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。具有一定计算材料方面的知识素养，基本能够选择专业模拟软件和计算方法，针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。不具有计算材料方面的知识素养，无法选择专业模拟软件和计算方法，无法针对功能材料复杂问题的模拟计算结果进行分析。七、教材、参考书目、重要文献以及课程网络资源建议教材：江建军主编.计算材料学：设计实践方法.高等教育出版社,2022主要参考书：（1）D.罗伯(DierkRaabe)主编.