《计算机在材料科学中的应用》课程教学大纲

《计算机在材料科学中的应用》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称计算机在材料科学中的应用课程编号330020131课程性质专业选修课课程类别专业课开课单位无机材料教研室授课学期第7学期学分/学时2/30课内学时30理论授课16上机学时14课内实践0实验学时0课外学时40适用专业新能源材料与器件是否双语否先修课程《材料科学基础》、《固体物理》、《半导体材料与器件》后续课程毕业实习、毕业设计（论文）二、课程简介本课程是新能源材料与器件专业的一门重要选修课程。新能源材料与器件领域是当今世界科技发展的前沿领域，涉及到太阳能、风能、电池储能等众多可持续能源的开发与利用。通过本课程的学习，学生能够掌握文献检索、数据分析软件使用以及材料模拟技术原理，从而为后续的实践课程打下坚实的基础。本课程的核心目标是培养学生独立研究和解决问题的能力。在学习过程中，学生将学会如何运用各种文献检索工具，获取新能源领域的最新研究动态和技术进展。同时，学生还将掌握数据分析软件的使用方法，以便对实验结果进行深入的分析和解读。此外，通过学习材料模拟技术原理，学生将能够利用计算机模拟方法预测材料性能，为新型材料的研究与开发提供理论依据。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标通过本课程的学习，使学生达到以下目标：课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标2.材料模拟技术原理的学习。通过这一部分的学习，学生将掌握计算机模拟方法，能够预测材料性能。这将为学生在新材料研究与开发领域提供有力的理论依据，为我国新能源产业的发展做出贡献。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标1指标点2-1：掌握工程科学基本原理。指标点2-3：具有应用新能源材料与器件的基本原理，并通过文献研究对新能源材料与器件工程领域内复杂工程问题进行识别、分析、表达，以获得有效结论的能力。指标点4-3：掌握新能源材料工程科学基础实验的基本原理和方法，能对实验数据进行采集、处理和分析，并通过信息综合得到合理有效的结论。指标点5-3：具有针对新能源材料与器件领域复杂工程问题进行信息搜集、文献检索，并对相应信息进行分析、研究以获得对新能源材料与器件领域复杂工程问题进行预测、模拟与优化的能力。指标点10-2：具备一般的外文科技文献阅读理解能力和外文写作能力，对新能源材料与器件领域国际前沿有基本了解。2-问题分析4-研究5-使用现代工具10-沟通课程目标2指标点4-3：掌握新能源材料工程科学基础实验的基本原理和方法，能对实验数据进行采集、处理和分析，并通过信息综合得到合理有效的结论。指标点10-1：具备就新能源材料复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，准确有效的陈述发言、清晰表达或回应指令的能力，以及具备撰写报告和设计文稿的能力。4-研究10-沟通课程目标3指标点6-2：了解新能源材料工程实践及解决方案的社会制约因素，能够合理分析与评价新能源材料工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化等方面的影响。指标点6-2：能够正确认识新能源材料实践对环境和社会可持续发展的影响，明确实施新能源材料工程实践及其解决方案中应承担的责任。指标点7-1：能够理解和评价新能源材料产品或新能源材料项目对人文和自然环境的影响。指标点7-2：了解新能源材料产品及工程项目的相关标准和规范，能针对可能产生的不良影响给出积极的应对方案。指标点7-3：在工程实践中主动应用能够改善环境、促进社会可持续发展的先进技术。指标点8-1：具有良好的思想素质和社会道德。指标点8-2：具有正确的世界观和人生观。指标点8-3：具有社会责任感。指标点8-4：能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。6-工程与社会7-环境和可持续发展8-职业规范四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容第一单元文献检索（学时数：4学时）课程主要内容文献基础定义、特点、分类；常用中文文献、英文文献检索方法。重点和难点重点：文献基础定义、特点及分类，文献检索方法。难点：检索方法的应用。教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合的教学方式，全面介绍文献检索涉及的定义、特点、分类及检索方式；（2）布置调研任务，使学生充分利用课后时间，熟练使用文献检索工具。支撑课程目标通过本单元的学习，学生能够了解文献、知识、信息、情报之间的关系，掌握文献根据载体形式、出版形式、加工层次不同而进行的分类；能够熟悉中文及英文文献的检索方式、检索渠道，并能熟练使用，为后续毕业设计（论文）的撰写提供先行知识储备，锻炼学生的思维及应用软件的能力。支撑课程目标课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第二单元数据处理（学时数：4学时）课程主要内容Origin软件介绍、特点、应用情况及使用方法；Endnote软件介绍、特点、应用情况及使用方法。重点和难点重点：Origin和Endnote的使用。难点：Origin对应情况出图；使用Endnote在Word中插入文献及文献格式、位置的调整。教学方法（1）通过多媒体课件和传统教学相结合的教学方式，全面介绍Origin和Endnote两个软件的基本情况，了解Origin和Endnote的应用范围，掌握Origin和Endnote两个软件的使用方法。（2）布置练习任务，使学生充分利用课后时间，熟练使用Origin和Endnote两个软件。学生学习预期成果通过本单元的学习，使学生能够了解Origin和Endnote两个软件，可以使用Origin软件根据不同情况要求进行出图，并对图片进行美化；可以使用Endnote在Word中插入文献，并根据不同情况要求，对文献格式进行调整。通过本单元的学习，锻炼学生数据处理能力，提高学生科研及审美能力。支撑课程目标课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第三单元第一性原理（学时数：8学时）课程主要内容1-1材料计算模拟的层次及对应的方法：从原子、分子、晶体到宏观尺度，了解各个层次的计算方法及其应用。1-2深入掌握密度泛函理论（DFT）及其实现方法，包括Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）和无轨道密度泛函理论（OF-DFT）。1-3熟悉应用DeviceStudio在材料模拟中建立各种模型，如晶体、表面、界面、掺杂等。1-4掌握利用第一性原理计算软件（如MS、nanodcal）研究材料的基本物性，如电子结构、力学性能、热力学性质等。1-5学习如何从模拟结果中提取有价值的信息，对材料进行理性设计和优化。重点难点重点：密度泛函理论的基本原理及其在材料模拟中的应用。难点：学会从大量模拟数据中分析和提取有价值的信息，为材料设计和优化提供理论依据。教学方法本课程采用讲授、讨论、案例分析和实践相结合的教学方法，旨在帮助学生深入理解和掌握课程内容。3-1讲授密度泛函理论（DFT）的基本原理及其在材料模拟中的应用，通过讲解DFT的各种泛函和交换泛函，使学生了解DFT的局限性和改进方向。3-2讲解无轨道密度泛函理论（OF-DFT）的基本原理及其在材料模拟中的应用，对比OF-DFT与KS-DFT的异同，使学生能够灵活运用两种方法进行材料模拟。3-3以DeviceStudio为例，讲解如何在材料模拟中建立各种模型，如晶体、表面、界面、掺杂等，培养学生实际操作能力。3-4利用第一性原理计算软件（如MS、nanodcal）进行材料基本物性研究，如电子结构、力学性能、热力学性质等，使学生熟练掌握计算方法。3-5案例分析：选取具有代表性的材料模拟案例，分析模拟过程中的关键问题和解决方案，帮助学生学会从实际问题出发，运用所学知识解决实际问题。学生学习预期成果4-1学生能够理解并运用计算模拟的方法在原子、分子、晶体和宏观尺度上进行材料研究。4-2学生能够熟练掌握密度泛函理论（DFT）及其实现方法，包括Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）和无轨道密度泛函理论（OF-DFT），并能在实际问题中应用。4-3学生能够从模拟结果中提取有价值的信息，对材料进行理性设计和优化。支撑课程目标课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标2.材料模拟技术原理的学习。通过这一部分的学习，学生将掌握计算机模拟方法，能够预测材料性能。这将为学生在新材料研究与开发领域提供有力的理论依据，为我国新能源产业的发展做出贡献。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第五单元文献检索上机（学时数：2学时）课程主要内容检索网址的搜索检索相应文献及文献有关内容汇总线上图书馆的使用知网、维普、万方等数据库的使用重点难点文献检索及相关文献的关联实施方式机房实践操作、现场辅导学习要求遵守机房安全要求，听从教师指挥，不随意乱动机房物品，不随意乱动按钮。实验要求（1）本次实验为实践性实验。（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组，独立完成。（4）实验准备学生学习预期成果通过本单元的学习，学生能够独立使用计算机检索相关文献，并能根据文献内容关联相关文献，能够熟练使用我校图书馆，获取多种学习资源，为毕业设计（论文）打好基础。支撑课程目标课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第六单元Origin、Endnote上机使用（学时数：4学时）课程主要内容Origin软件的安装及使用；Endnote软件的安装及使用。重点难点重点：Origin和Endnote软件的熟练使用。难点：根据教师要求使用Origin出图，使用Endnote调整文献格式。实施方式机房实践操作、现场辅导学习要求遵守机房安全要求，听从教师指挥，不随意乱动机房物品，不随意乱动按钮。实验要求（1）本次实验为实践性实验。（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组，独立完成。（4）实验准备：提前下载Origin和Endnote安装包。学生学习预期成果通过本单元的学习，学生可以熟练使用Origin和Endnote软件，能够根据教师要求，调整图片形式，线条粗细，颜色，调整文献插入格式、顺序，为毕业设计（论文）的撰写提供基础训练。支撑课程目标课程目标1.课程以培养学生独立研究和解决问题的能力为核心目标，旨在帮助学生掌握新能源领域的最新研究动态和技术进展。在学习过程中，学生将学会运用各种文献检索工具，高效地获取新能源领域的知识体系。此外，课程还将教授数据分析软件的使用方法，使学生能够对实验结果进行深入的分析和解读，从而提高研究能力。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第七单元MS上机使用（学时数：4学时）课程主要内容1-1安装MaterialStudio软件：本单元将详细介绍如何在Windows或Mac操作系统上安装MaterialStudio软件，包括所需的硬件和软件配置，以及安装过程中的注意事项。1-2学习MaterialStudio的基本操作：在本环节，我们将学习MaterialStudio软件的基本界面和操作，包括创建新项目、打开已有项目、保存和导出结果等。1-3搭建各种模型：本单元将重点介绍如何在MaterialStudio中搭建各种模型，如晶体、表面、界面、掺杂等。我们将学习不同模型的建立方法，以及如何对模型进行优化和调整。1-4研究材料的基本物性：利用MaterialStudio软件，我们可以研究材料的基本物性，如电子结构、力学性能、热力学性质等。在本环节，我们将学习如何对这些性质进行计算和分析，以深入了解材料的行为。重点难点重点：模型搭建、计算设置难点：结果分析实施方式机房实践操作、现场辅导学习要求同过本单元学习，学生能够熟悉使用MaterialStudio，并处理数据。能够构建简单的晶体模型，并正确进行计算。实验要求（1）本次实验为实践性实验。（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组，独立完成。（4）实验准备提前下载MaterialStudio安装包。学生学习预期成果6-1学生能够运用MaterialStudio软件在材料模拟中建立各种模型，如晶体、表面、界面、掺杂等。6-2学生能够利用第一性原理计算软件MaterialStudio软件研究材料的基本物性，如电子结构、力学性能、热力学性质等。支撑课程目标课程目标2.材料模拟技术原理的学习。通过这一部分的学习，学生将掌握计算机模拟方法，能够预测材料性能。这将为学生在新材料研究与开发领域提供有力的理论依据，为我国新能源产业的发展做出贡献。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。第八单元Nanodcal上机使用（学时数：4学时）课程主要内容1-1Nanodcal软件介绍：介绍Nanodcal的发展历程、版本更新、应用领域和重要性。1-2软件安装与配置：指导学生安装Nanodcal软件，并对其进行适当的参数配置，以满足后续实验需求。1-3基本操作与功能：详细讲解DeviceStudio、Nanodcal的基本操作，如文件管理、计算任务提交、结果查询等，并介绍软件中的常用功能，如模拟计算、数据可视化等。1-4案例实战：通过具体案例，让学生上手操作，熟悉DeviceStudio、Nanodcal在实际问题中的应用。1-5软件的高级功能与应用：介绍DeviceStudio、Nanodcal的高级功能，如高通量计算、自动化脚本等，并探讨在这些功能支持下，如何解决实际科研问题。重点难点重点：DeviceStudio、Nanodcal软件的安装与配置：确保学生能够独立完成软件的安装和参数配置，为后续实验打下基础。基本操作与功能的掌握：让学生熟练运用Nanodcal的基本操作和功能，提高实验效率。难点：通过具体案例，让学生学会如何运用DeviceStudio、Nanodcal解决实际问题，并培养学生的实际操作能力。引导学生探索Nanodcal的高级功能，并学会将其应用于实际科研中。实施方式机房实践操作、现场辅导学习要求同过本单元学习，学生能够熟悉使用DeviceStudio、Nanodcal，并处理数据。能够构建简单的晶体模型，并正确进行计算。实验要求（1）本次实验为实践性实验。（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组，独立完成。（4）实验准备提前下载DeviceStudio、Nanodcal安装包。学生学习预期成果6-1熟练安装和配置DeviceStudio、Nanodcal软件。6-2掌握DeviceStudio、Nanodcal的基本操作和常用功能。6-3学会运用DeviceStudio、Nanodcal解决实际问题，提高科研效率。6-4培养良好的团队协作能力和实验素养。支撑课程目标课程目标2.材料模拟技术原理的学习。通过这一部分的学习，学生将掌握计算机模拟方法，能够预测材料性能。这将为学生在新材料研究与开发领域提供有力的理论依据，为我国新能源产业的发展做出贡献。课程目标3.学生需要在学习过程中不断提高自己的文献检索、数据分析以及计算机模拟技能。这将有助于培养学生在新能源领域独立研究和发展新技术的能力。此外，课程还将强调团队协作和沟通能力的重要性，以培养学生在未来工作中与他人合作的能力。（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑理论课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例文献检索讲授、讨论、案例分析课程目标1、341:1.5数据处理讲授、讨论、案例分析课程目标1、341:1.5第一性原理讲授、讨论、案例分析课程目标1、2、381:1.5合计16实验课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排文献检索上机机房实践操作、现场辅导课程目标1、32Origin、Endnote上机使用机房实践操作、现场辅导课程目标1、34MS上机使用机房实践操作、现场辅导课程目标2、34Nanodcal上机使用机房实践操作、现场辅导课程目标2、34合计14五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩30%作业（百分制）50本门课程5次作业，主要考核文献检索、数据处理软件、第一性原理、理论计算程序使用的基本方法、实际应用等相关内容。作业评分的具体标准为：字迹是否整洁，计算是否准确，概念是否清晰，解决问题的方案是否合理等。目标分值=0.5*作业平均成绩测验（百分制）30考核内容及评价细则：每章均有对应的章节小测，主要考核各章节内容的易错点。题型为选择、判断等。目标分值=0.3*测验平均成绩课堂表现（百分制）10考核内容及评价细则：是否准时出勤（无故缺勤一次，扣10分，累计超过5次以上，一票否决，课程记为不及格），课堂上精神状态，回答问题时是否正确，学习通中参与投票、抢答等课堂活动。目标分值=0.1*课堂表现平均成绩小组讨论10考核内容及评价细则：能否查阅资料，是否积极主动参与讨论，能否阐明自己的观点和想法，能否与其他同学合作、交流，共同解决问题。目标分值=0.1*小组讨论平均成绩实践成绩40%实践（百分制）100考核内容及评价细则：实践是否全勤，预习充分，全程动手做参与，实践结果是否准确，实践报告所得结论是否准确，是否能对实践中出现的问题联系理论知识进行分析，与同组同学是否能协作。目标分值=1.0*实践平均成绩文献综述及实践报告30%知识40考核内容：主要考核学生对文献检索、数据处理软件、第一性原理、理论计算程序使用的基本方法、实际应用等相关内容的掌握情况，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。撰写文献综述一份、实践报告一份。根据文献综述内容的完整性、新颖性、书写自己是否清楚等进行成绩评定，实践报告根据实践结果的正确性进行成绩评定。能力30综合应用20创新10课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标文献检索概念、检索手段、分类课堂表现、作业、测验课程目标1、3数据处理软件操作流程课堂表现、作业、实操课程目标1、3第一性原理密度泛函理论的基本原理晶体、表面、界面、掺杂等模型搭建的原则能带结构、电子结构分析方法课堂表现、作业、测试课程目标1、2、3文献检索上机检索网址的应用情况、文献检索的准确性实践及报告课程目标1、3origin、Endnote上机使用软件的安装情况、图片的美观及准确性、文献格式的规整性实践及报告课程目标1、