《计算材料学基础》课程教学大纲

《计算材料学基础》课程教学大纲一、基本信息中文名称：计算材料学基础英文名称：FundamentalsofComputationalMaterialsScience课程代码：19045104课程性质：专业选修课学分：1.5总学时：24（其中理论：24实验：0上机：0实践：0）适用学院及专业：材料科学与工程学院材料科学与工程专业先修课程：材料科学基础A、无机材料物理性能、工程力学开课单位：材料科学与工程学院材料工程系材料科学与工程教研室二、课程地位与作用本课程面向基本学制为四年的本科生，是材料科学与工程专业的专业选修课之一。本课程是在学生学习并掌握必备的专业知识基础上，为加深学生对材料的认知和理解，提升其专业水平而设置的选修课程。本课程从微观粒子到宏观连续体尺度，基于分子动力学及有限元，重点讲授计算材料学基本概念和方法，内容涵盖数值模拟，数据处理，统计分析，数据可视化等相关技术和软件。通过培养学生计算技能，使其对材料设计更具方向性和前瞻性，推动学生的创新能力和工程研发能力。三、课程教学目标本课程支撑毕业要求指标点5.1、5.2。学生通过该课程的学习，使学生树立“理工结合”观念，认识到计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁，培养学生在材料学研究中的兴趣和专业能力，以及学生对材料科学的热爱和创新意识；掌握计算材料学中从纳观、微观、介观到宏观材料相关性质的理论预测方法，掌握不同尺度材料模拟计算软件的基本原理和操作流程；具备利用相关软件建立物理模型及数值计算的能力，能够根据材料问题类型所涉及的尺度选择适用的软件和模块；具备利用本课程基本知识进行科学研究的初步能力，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，能把实验结果、理论分析和文献研究相结合，得出合理有效的结论。通过本课程的学习，学生应具备以下能力：目标1：掌握不同尺度材料模拟计算软件的基本原理和操作流程，并能够利用相关软件建立物理模型进行初步的科学研究，理解不同材料计算方法的适用范围和局限性。（支撑毕业要求指标点5.1）目标2：能够利用所学的计算材料学知识对复杂工程问题的模拟结果进行分析、解释，能把计算结果与实验研究、理论分析和文献相结合，得出合理有效的结论。（支撑毕业要求指标点5.2）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教学方式考核方式目标15.1理解材料工程领域常用的信息技术工具、现代分析测试技术、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性。课堂讲授、典型案例和课程作业课程期末考试，课程作业目标25.2能够选择与使用恰当的研究设备和计算模拟方法获得有效数据，进一步利用信息资源、工程工具和专业模拟软件，对复杂工程问题进行分析、计算与设计。课堂讲授、典型案例和课程作业课程作业、课后讨论四、主要教学内容第1章绪论（2学时，支撑毕业要求指标点5.1）本章要求学生了解计算材料学的理论体系，了解材料计算的一般模式，理解尺度的概念以及多种算法的必要性。通过各种计算材料学方法和软件的学习和应用，培养学生严肃认真、实事求是、刻苦钻研的学习态度，以及浓厚的科研兴趣和探索精神。第2章量子力学方法（6学时，支撑毕业要求指标点5.1、5.2）本章要求学生了解量子力学方法的理论基础，理解基本概念。理解量子力学中态密度、波函数等基本概念和薛定谔方程的求解。通过典型案例分析，传达计算材料学在材料科学研究中的重要地位和作用，培养学生自学能力，提升信息素养，树立终身学习的意识。重点：薛定谔方程的求解。第3章分子动力学方法（6学时，支撑毕业要求指标点5.1、5.2）本章要求学生了解分子动力学方法的基本思想，理解分子动力学方法的基本概念。掌握物理模型建立以及数值计算，掌握模拟分析的基本流程。重点：系综、力场及数值计算方法。第4章有限元方法（6学时，支撑毕业要求指标点5.1、5.2）本章要求学生理解有限元法的基本原理和求解步骤，掌握直接刚度法求解弹簧状态，杆系统的稳态分析和热传导系统稳态分析等基本有限元问题。重点：有限元方法的基本思想和应用。第5章材料计算项目专题分析（4学时，支撑毕业要求指标点5.2）本章通过有限元法、量子力学方法和分子动力学方法的应用案例，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。通过材料计算的典型案例分析，强调计算材料学在材料科学研究中的重要地位和作用，培养学生自学能力，树立自主学习和终身学习的意识。重点：计算软件应用于材料的分析研究。五、教学方法本课程涉及的教学方法有课堂讲授法、讨论法、典型案例分析与计算等，具体根据教学内容和目标不同采取更合适的教学方法。课程授课以“讲授法”为主，并与学生课堂讨论等互动方式配合使用。在授课中针对关键问题设置讨论环节，讲解一些有代表性的习题，帮助学生掌握所学知识。在重点章节讲授结束后，均布置3-5道课后习题，作业面覆盖所讲内容的重点和难点，以便于学生巩固所学内容及考试复习。同时，鼓励学生针对工程实际问题开展讨论，加深对所学知识的理解和掌握。推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，加深对教学内容的理解，拓展专业视野，紧跟行业发展前沿。六、课程考核和成绩评定方式课程考核采用平时考核与结课大作业相结合的方式，平时考核成绩占20%，结课大作业成绩占80%。七、教材及参考文献1．教材张跃等编著，计算材料学基础，北京，北京航空航天大学出版社，20072．主要参考教材和参考文献[1]Frenkel等著，汪文川译，分子模拟—从算法