《材料设计计算基础》课程教学大纲

《材料设计计算基础》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145223318课程名称（中/英文）：材料设计计算基础/Fundamentalsofmaterialdesigncalculation课程类别：个性化选修课程学分：2总学时：32理论学时：24实验/实践学时：8适用专业：材料成型与控制工程适用对象：本科先修课程：高等数学、材料科学基础、程序设计基础教学环境：多媒体教室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的为适应经济与社会发展需要，培养德智体美劳全面发展，人文与工程素养并重，掌握扎实的自然科学基础理论和材料设计与加工基本能力；具有获得材料成型及控制工程及相关领域的执业（职业）资格的能力；具有工程创新潜质和终身学习能力的高素质应用型人才。在本课程MaterialsStudio软件实操环节，介绍我国在信息化制造业2025中的发展目标，让学生深刻意识到在科技飞速发展的今天，创新是第一生产力，激发学生勇于创新、服务祖国的理想。2.对接培养的岗位能力经过本课程的学习，为社会培养具有良好的人文与科学素养、社会责任感、职业道德品质和敬业爱国精神的人才。并使其具备坚实的自然科学基础和工程理论，掌握材料设计的相关知识，提升实践能力，能够在建筑型材、机械装备制造、汽车等行业从事相关领域的生产工艺、材料设计、新产品研发与质量控制等工作；增强学生的国际视野、创新思维、多渠道自主学习和终身学习能力，持续自我完善，能够快速适应职业发展与岗位变迁。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1.3]综合运用数学、自然科学、工程基础和材料科学基础专业知识分析选择材料、制定合理的材料组成，揭示不同元素对材料性能的影响。[毕业要求指标点2.3]能够借助文献检索、数据分析等多种手段解决材料设计过程中的实际工程问题，以获得有效结论。[毕业要求指标点4.3]能够根据研究方案，利用实验平台或装置，安全的开展科学实验，分析和解释材料设计的结果，并通过信息综合得到合理有效的结论。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下教学目标1：熟悉第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，了解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。（支撑毕业要求指标点1.3）教学目标2：提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，具备基本的抽象思维基本能力，培养学生整体思维、融会贯通、学会学习的能力。（支撑毕业要求指标点2.3）教学目标3：要求掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，掌握MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。了解Origin软件的应用场景，掌握折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。（支撑毕业要求指标点4.3）四、教学课时安排（一）学时分配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知识点1第一性原理计算的起源与发展44--1、2知识点2分子动力学模拟44--1、2知识点3linux系统66--1、2知识点43种计算材料科学中常用的计算软件66--1、2、3合计2020--1、2、3（二）实践教学安排（指含有实验或实践内容的课程）序号实验/实践项目名称实验学时实验类型实验要求每组人数备注1linux系统的上机实操2综合性选做42VESTA软件实操2综合性必做43MaterialsStudio软件实操4设计性选做24Origin软件操作4创新性必做2五、教学内容及教学设计知识点1第一性原理计算的起源与发展1.教学内容了解第一性原理计算的起源及在国内外的发展现状；熟悉第一性原理计算在材料科学中的主要研究内容；了解第一性原理计算在材料科学中的应用。介绍材料设计技术在现代信息技术制造中的地位及现代工业体系中的应用，激发学生的民族自豪感和专业学习的兴趣，投身祖国建设的理想。2.教学重点第一性原理计算在材料科学中的主要研究内容。3.教学难点第一性原理计算在材料科学中的基本应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）多媒体教学，课堂互动式教学及课堂讨论。知识点2分子动力学模拟1.教学内容熟悉分子动力学模拟的基本概念及原理；了解分子动力学模拟在计算材料领域的应用场景。介绍我国理论化学学科奠基人唐敖庆先生突破重重阻扰，回归报效祖国的案例。将唐敖庆先生的案例作为思政元素点与本讲专业知识点融合，将我国理论计算化学的过去与当下相融合，让学生掌握专业知识的同时，培养学生正确的人生价值观、家国情怀和责任意识。2.教学重点分子动力学模拟的原理。3.教学难点分子动力学模拟在计算材料领域的应用。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）多媒体教学，课堂互动式教学及课堂讨论。知识点3linux系统1.教学内容了解什么是linux系统；掌握linux系统与Windows系统的区别；熟悉linux操作系统的主要用途；掌握linux操作系统中基本的操作命令。介绍了我国理论计算化学前辈邓从豪院士推导出“邓势”函数的故事，以此故事引出双原子分子势能函数的形式及物理意义。不但能让学生体会前辈科学家求实创新严谨的科学态度，尤其是能让学生了解中国科学家在分子模拟发展中做出的贡献，既可以提高学习分子模拟的兴趣，还有助于培养学生的科学素养和家国情怀。2.教学重点掌握linux操作系统与Windows操作系统的区别。3.教学难点掌握linux操作系统中基本的操作命令。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）多媒体教学，课堂互动式教学及课堂讨论。知识点43种计算材料科学中常用的计算软件1.教学内容了解3种软件的主要用途；编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等的方法；熟悉MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法；掌握Origin软件几种基本的作图方式。通过介绍2013年诺贝尔化学奖三位得主的科研经历，引导学生除了向书本和老师学习之外，还要重视多学科的交叉学习，重视合作与交流，培养学生团队协作和合作交流意识。2.教学重点掌握Origin软件中折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。3.教学难点MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）多媒体教学，课堂互动式教学及课堂讨论。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实验√√√√√成绩比例%51051010602.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表现作业及阶段测验教学目标1指标点1.357215~3029~44教学目标2指标点2.336415~2029~34教学目标3指标点4.327415~1829~30合计102010601003.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（10%）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阶段测验（10%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为优良完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格实验（10分%）实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表规范。能够正确完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行深入的讨论，提出自己的见解。实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表基本规范。能够完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行讨论，提出意见。实验报告能够完成，内容完整，数据基本合理，能够进行数据处理，图表基本规范。能够基本完成实验报告中中提出的问题，对实验中遇到的问题进行讨论。实验报告基本能够独立完成，内容完整，数据图表齐全，基本完成实验报告中提出的问题。实验报告不能独立完成，存在抄袭现象，报告中提出的问题没有或基本没有回答。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熟练掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，充分了解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。准确掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，了解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，较好了解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。基本掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，基本了解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。不能掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行的基本原理及运行规律，不能理解计算机模拟在材料设计方面的应用实例及发展前景。教学目标2熟练掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行中发现的问题、分析问题和解决问题的能力，具备抽象思维能力，大幅度提升整体思维、融会贯通、学会学习的能力。准确掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行中发现的问题、分析问题和解决问题的能力，具备较好的抽象思维能力，较好的提升整体思维、融会贯通、学会学习的能力。掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行中发现的问题、分析问题和解决问题的能力，具备一定程度的抽象思维能力，一定程度上提升整体思维、融会贯通、学会学习的能力。基本掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行中发现的问题、分析问题和解决问题的能力，具备基本的抽象思维能力，基本提升整体思维、融会贯通、学会学习的能力。不能掌握第一性原理计算、分子动力学模拟、linux系统运行中发现的问题、分析问题和解决问题的能力，不具备基本的抽象思维能力，不能提升整体思维、融会贯通、学会学习的能力。教学目标3熟练掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，熟练掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。充分了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，熟练掌握MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。充分了解Origin软件的应用场景，熟练掌握折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。准确掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，准确掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。准确了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，准确掌握MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。准确了解Origin软件的应用场景，准确掌握折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，掌握MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。了解Origin软件的应用场景，掌握折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。基本掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，基本掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。基本了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，基本掌握MaterialsStudio软件中提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的方法。基本了解Origin软件的应用场景，掌握折线图、柱状图、曲线图的绘制方法及归一化图谱的拟合方法。不能掌握材料在VESTA软件中晶体结构与电子结构可视化操作，不能掌握将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式，编辑、获取各类晶体结构信息及二维切面等。不了解MaterialsStudio软件的出现背景、软件概况，