《材料设计与建模》课程教学大纲

《材料设计与建模》课程设计教学大纲一、课程基本信息中文名称:材料设计与建模英文名称：MaterialsDesignandModeling课程代码：19047301课程性质：以周开设的独立实践教学环节学分：1总学时：1周适用学院及专业：材料科学与工程学院无机非金属材料工程专业先修课程：大学计算机、高等数学A、线性代数、概率论、大学物理B、Python语言、材料科学基础A开课单位：材料科学与工程学院材料工程系无机非金属材料工程教研室二、课程设计性质、目的课程设计性质：材料设计与建模是无机非金属材料工程专业本科生以周开设的独立实践教学环节之一，与《文献检索与科技论文写作训练》、《材料实验设计与数据处理》共同构成材料设计研究基础知识模块。课程设计目的：学生通过该课程的学习，激发爱国热情、民族自豪感，坚定“四个自信”；培养勤奋严谨的学习态度，实事求是的科学精神；培养理论联系实践的能力和创新意识，具有锐意进取、锲而不舍的精神，达到“立德树人”的目标。了解计算模拟的有关概念，纳观、微观、介观到宏观材料相关性质的理论预测方法，了解各方法的基本理论知识及其在材料开发设计和研究中的应用，能够根据材料问题类型所涉及的尺度选择适用软件和模块，能够从给定数据出发利用相关软件建立物理模型及数值计算，掌握模拟分析的基本流程，能够利用所学的专业知识对简单专业问题的模拟结果进行分析解释。三、课程设计教学目标本课程支撑毕业要求指标点3.1、5.1和10.1。学生通过计算机辅助材料设计与建模的具体实例，激发学生追求卓越、实事求是、认真严谨的科研精神。通过我国科学家在该学科领域取得的杰出成就的介绍，激发学生的爱国热情、民族自豪感，进一步坚定“四个自信”；通过科学家献身科学、励精图治典型事迹的介绍，培养学生不畏艰险、勇于创新、锲而不舍的创新意识和工匠精神。通过本课程设计，学生应具备以下能力：目标1：设计/开发解决方案，用本专业工程基础知识和专业知识，对材料进行多尺度设计和建模，采用先进的设计辅助工具对设计与建模结果进行评价。（支撑毕业要求指标点3.1）目标2：使用现代工具，根据材料问题类型所涉及的尺度选择适用软件和模块，能够从给定数据出发利用相关软件建立物理模型及数值计算。（支撑毕业要求指标点5.1）目标3：能够就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，包括撰写报告和设计说明书、陈述发言、清晰表达或回应指令。（支撑毕业要求指标点10.1）课程教学目标与毕业要求的关系矩阵教学目标毕业要求指标点达成途径考核方式目标13.1运用本专业工程基础知识和专业知识，对材料进行多尺度设计和建模，采用先进的设计辅助工具对设计与建模结果进行评价。实际案例、查阅相关资料、课程设计成果平时表现、设计说明书（含图）目标25.1能够根据材料问题类型所涉及的尺度选择适用软件和模块，能够从给定数据出发利用相关软件建立物理模型及数值计算。课堂讲授、典型案例、上网查阅相关资料和课程作业平时表现、设计说明书（含图）目标310.1能够以口头、文稿，图表、多媒体等方式，针对材料复杂工程问题的解决方案、过程和结果，正确表达自己的观点，回应质疑。课程设计成果展示PPT展示、回答问题四、课程设计内容与要求设计内容：（1周，支撑毕业要求指标点3.1、5.1和10.1）通过量子力学方法、分子动力学方法和有限元法的应用案例，学习各种经典计算软件的操作以及物理模型的建立和数值计算，掌握模拟分析的基本流程。构建表面活性剂分子模型，采用DMol3进行分子构型优化，绘制其分子轨道等值面，绘制电子密度图和静电势图，计算电荷分布，计算分子的表面积和体积；构建有机分子模型，采用DMol3方法计算其红外、拉曼光谱，半经验方法计算其紫外可见光谱，培养学生严谨的逻辑思维能力，从实验现象和结果出发，通过归纳和演绎，构建模型；构建晶体模型，计算晶体X射线衍射光谱，培养学生运用计算机辅助设计和建模的能力；构建复合材料保温板物理模型，采用有限元模拟计算保温板的温度场分布，培养学生理论联系实际，分析和解决问题的能力，进一步培养自主学习和创新能力。设计要求：熟悉MaterialsStudio软件中各项功能的含义和基本操作，掌握三维分子机构的创建方法，掌握三维分子结构的调整和优化技巧，掌握分子面的计算和分析方法，了解分子面和分子性质的关系；掌握常见光谱图的计算方法，了解光谱图的分析方法，了解理论光谱图的价值和意义通过介绍我国科学家在该领域取得的杰出成就，激发学生的爱国热情、民族自豪感，进一步坚定“四个自信”；熟悉ANSYS软件中各项的含义和基本操作，掌握保温板的建模方法及其热工性能计算分析方法通过多学科交叉的课程设计，培养学生勤奋严谨的学习态度，实事求是的科学精神；通过采用计算机辅助设计技术，培养学生理论联系实践的能力和创新意识，具有锐意进取、锲而不舍的精神；学生在实践过程中应充分考虑无机非金属材料在开发、制备和应用过程中对环境和可持续发展的影响，增强社会责任感和专业意识；通过文献检索，了解国内外相关领域的发展现状和学科前沿，树立强国意识、践行工匠精神，坚守持之以恒、锲而不舍的科研态度。考核和成绩评定方式考核内容包括：出勤、平时表现、设计完成情况、设计说明书、答辩。本课程设计成绩评定方式按学校有关规定执行。课程设计成绩分五部分：出勤、平时表现、设计完成情况、设计说明书和答辩，分值分别占10%，10%，20%，30%、30%，总成绩采用优秀、良好、中、及格、不及格五级制来评定。六、指导书和参考文献[1]张跃等编著，计算材料学基础，北京，北京航空航天大学出版社，2007[2]Frenkel等著，汪文川译，分子模拟—从算法到应用，北京，化学工业出版社，2004[3]杨小震等著，软物质的计算机模拟与理论方法，北京，化学工业出版社，2010[4]苑世领，张恒，张冬菊著，分子模拟—理论与实验，北京，化学工业出版社，2016[5]Klaus-Jürgen，Bathe著，轩建平译，有限元法（第2版）上—理论、格式与求解方法，北京，高等教育出版社，2016[6