《计算材料学》课程教学大纲.docx

计算材料学课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145123016课程名称中，英文）：计算材料学/Computationa1.Materia1.sScience课程类别：专业选修课学分：I总学时：16理论学时：16实整实践学时：0适用专业：无机非金属材料J1.程适用对象：本科先修课程：商等数学、材料科学基础、大学物理.物理化学。教学环境：城下或混合式教学开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1 .课程任务与日的计W材料学3是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科.是关于材料组成、结构.性能、眼役性能的计算机模拟与设计的学科.是材料科学研究里的“计算机实验”.它涉及材料、物理、计驾机、数学、化学等多门学科.本课程把计尊机作为材料科学研究的工具,把电础科学理论，尤其是晶体学，固体物理、物理化学中的基本理论，应用到新材料的开发和性能研究中，改湃实验研究手段，提高实骆效率。同时更深层次地解析实验结果背后的理论，揭示客观规律，证实客观规律，使科学理论建立在更加客观的基础上.结合计算材料学发展历史中的案例和故事.开拓学生视野,培养学生创痂意识，树立科学的计尊材料学观念.通过对国内外的学拧介绍和软件介绍.培养同学们家国情怀.坚定文化自信和大国自豪感,注童专业知识与人格的培养,培养学':的H公匕义核心价值氏.恪守职业道博,传承民族精神,激发学生工业兴国、赞国热情，并讲解华人科学家在计算材料及相关物理化学触域的故小,如沈H九23并讲解实际计算案例，使同学们了解计算模拟方法在材料学研究中的作用，进而促进课程知识和学习能力目标的达成。2 .对接培养的岗位能力通过本课程的学习,让学生了解计算也在无机材料科学与工程领域的应用状况,了解无机材料组成、结构及性能之间的内在关系：塞旌无机材料不同性能的内在影响因素和各因素间的出同机制，能弊通过计算机模拟分析复杂材料体系的晶体结构，电子结构以及力学,热学,思学等方面的性能.了解材料制得过程中的物相变化规律,能够用理论闺明材料形成过程的本质，掌握应川模拟解决材料开发生产的实际问题，为今后从W无机材料生产和新材料开发、研究提供坚实的理论础,通过本课程实蛤，使学生加深对理论教学内容的理解，掌握无机材料性能预测、分析的基本原理和方法，普重培养学生分析、解决实际问遨和独立思考的能力,并使学生科学研究能力得到一定的训练.课程教学目标1 .课程对毕业要求的支撑I毕业央求指标点1.2具有无机非金属材料专业领域需要的数据分析能力，能针对具体的对象建立数学模型并利用计算机求解,毕业要求指标点13能步将相关工程专业知识和数学分析方法川于推演、分析无机非金原材料领域工程向即，【毕业要求指标点2.3能认识到解决无机非金属材料额域发杂工程问起有多种方案可选择.会通过文献研究寻求可替代的解决方案.I毕业要求指标点5.2能州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，对无机非命版材料翼域复杂工程问魄进行分析、计算与设计，2 .课程教学目标对应毕业要求，具体内容如下：教学目标1：他师掌握第一性原理的主要计算方法中密度泛南理论、能带理论,有效质豉等相关概念和理论,解择晶体结构,电子结构、晶体缺陷等与性能的关系,并能修利用这些知识去构建晶体模型、计算目标性能、分析相关机理.（支抵毕业要求1.2）.教学目标2：能够以无机非金屈材料工程问题为导向，从材料的晶体结构、电子结构、化学键，能带杂化、固体表面与界面、相变等票本理论角度进行分析推演，并能钙利用这些知识去分析、友达无机非金属材料工程领域发柴工程问题.（支找毕业要求1.3）.教学目标3：能够查阅相关文献资料,运用无机非金属材料的晶体学信息.借助第一性原理计徵对材料的化学如成、物相结构、理化性能以及相互关系进行识别、表达和分析，能师判断无机非金属材料生产加工过程的笈杂问题及其合理性，并获得有效结论。（支撑毕业要求2.3）。教学目标4：能够正确识别无机非金瓶材料领域红柴的工程何廷，判断相关问遨方向，查询文献资料，利用专业对应的模拟软件,对相关问题进行模拟、仿真,分析问超所在，并设计可行的解决方案.对症下药.选择适当的仪器.有效解决复杂的工程问题.（支撑毕业要求S2）.四、教学课时安排（一）学时分配主题或教学内容总学时学时完成课程知识点iff课5金践教学目标主SSI计算材料学概论22OC1主盟2第一性原理及其应用44OO1、2、3主SS3分子动力学方法44OOK2、3主题4蒙特卡洛方法22OC1、4主跑5材料介观尺度模拟22OC1、2、4主典6连续介质数值模拟计算基础及工程应用22OC1、2、3、4合计16I6五、教学内容及教学设计主题1计算材料学概论I,教学内容1 .课程内涵及研究意义2 .计总材料学的发展历史与作用3 .计算材料学的范围、层次及任务4 .计贪材料学的类型和方法5 .国内外研究动志与展里6 .教学IE点计算材料学发展特点、历史、基本概念以及特点.7 .教学难点计算材料学的层次和特点。8 .教学方窠设计（含教学方法、教学手段课堂讲授，结合计算材料学发展历史中的故事和案例,尤其是国内学者，如唐放庆、江元生和张乾：等老一辈学者的经历，培养学生的科学精神、辩证思维Ife力、创新意识和创新能力：并通过历史人物，公式推导，埋论的发展演变,传递给学生坚持、求实等枳极从质：培养同学们的理论联系实际、透过现以看本痂等哲学刖维方式：通过几款国产软件的介绍.培养同学们爱国主义情怀,坚定文化自信,进而促进课程知识和能力目标的达成.主题2第一性原理及其应用1 .教学内容I.概论-量干理论基础2 .薛定港方程及址子化学方法3 .密度泛函理论基础4 .密度泛函离散变分方法5 .固体能带理论及其各种近似方法介绍6 .第一件原理计律实例及其在新计算材料学中的应用7 .教学重点第一性原理计算设计方法在新材料开发方面的应用.8 .教学潍点分子动力学对平衡态和非平衡态的模拟及其应用范困.9 .教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线下自学相结合.采用分组讨论、启发式教学方法,除了理论知识讲授.结合用计算实例进行结果分析,将分析方法与计算相关理论融入其中，使学生了斛学习密度泛函理论，掌握第一性阻理计芽的域本要点。并介绍该力法XjM内材料研发与应用的部分实际案例，培养学生对国内计算材料发展的热爱，±«3分子动力学及其方法1 .教学内容1. 分子力场概念与分类2. 原子间相互作用势3. 能量极小值与分子力学方法4. 分子动力学基本原理5. 分子动力学模拟计算过程6. 分子动力学的发展和局限性7. 分子动力学方法在计修材料学中的应用2 .教学重点分子动力学的堪本方法和概念，以及基本原理和特点，3 .教学观点分子动力学对平衡态和非平衡态的模拟及其应用范围.4 .教学方案设计（含教学方法、教学手段）课堂讲授与线下自学相结合在知识讲授的过程中,由在经典案例中引出基本概念.讲解模基构造，平衡相与非平衡相以及相关结果，并加以引导分析，教授模拟过程的荔本操作和借本结果分析方法,介绍国内超级计总HI平台的发展，以及国内计算平台对计蚱材科的支持，培养学生对中国在该领域的热爱。主题4IMe卡洛方法I.教学内容微率与毓计基本知识2. 蒙特卡洛方法起源和发展3. 莱特卡洛法基本原理4. 珈机抽样方法5. 蒙特K洛方法在计算材料学中的应用2 .教学重点解蒙特卡洛计算的基本思想，班机变M及变盘分布确定，期里他方差的计算过程。3 .教学难点蒙特卡罗方法的收敛性，误差，特点及其主要应用范围4 .教学方案设计（含教学方法、教学手段）采用多媒体课堂讲授的教学方法.注意加强与学生们的互动,通过问超讨论、启发式教学、案例式教学等形式来使大家掌握蒙特卡洛俅理的基本概念和实际应用.主题S材料介观尺度模拟1.教学内容1 .模拟微观组织深化的意义2 .相场理论表示微观组织的主要除理方法3 .相场方法模拟微观组织演化的一般步骤4 .教学重点理解学习模拟微观如织演化的意义,丹解相场理论衣示微观纲织的方法，掌握用相场方法模拟微观组织演化的一般步骤。5 .教学难点微观结构的相场表示与微观结构的演化.驱动力及演化方程.6 .教学方案设计（含教学方法、数学手段课堂讲授与线上自学相结合，采用问即忖论式、启发式教学方法，选取国内外经典累例尤其是国内杵学家川关的经典案例进行剖析,使大家掌握相场模拟中模拟长度尺度.计算时间.边界条件以及相关结果的初步分析,也通由学生对模拟计算的学习热慵,加深学生投分国内计算材料建设发展的热情。7 题69介质数值模IR计算物及工程应用1 .教学内容2 .连续介质数值模拟计算基础3 .常用商业软件使用简介4 .无机材料应用中的流场分析与计算5 .无机材料的温度场分析与计算6 .无机材料的应力场分析与计算7 .教学应点掌握有果元的基本理论和方法，掌握有限段元法分析的步骤,了解常用有限元分析状件，并能膨用限单元法分析并计算无机材料应用中的流场、M度场、与应力场。8 .教学玳点彳f限元的战本理论与方法，耐火材料的热应力计算.9 .教学方案设计（含教学方法、教学手段）通过引导学生线下查阅自学连续介质模型,课上引入名人典故,如中国科学院院士冯康培养学生的爱国情怀和,讲授连续介版模型的何筑，力场中的数值问题模拟，动力学描述和连续介质方程.六、学生成缴评定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鹿和解决问题能力等：本课程考核方式采用作业评测、课堂表现、阶段测验和期末考试等多种形式、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段绒中考试W末考试出助作业课-表现阶段测验W4目小论文或J成比例%52O520502 .1®考犊方式时RM本课程教学目标与考核方式N价权重如表所示：支,毕业考核评价方式权（%）课程教学要求性考核实险期末考试A目标指标点出勤及课堂作业及阶段合计教学目标I指标点1.201()01020教学目标2指标点1.30IO0IO20教学目标3指标点2.30IO01020教学目标4指标点5.2IO1002040合计1040050I(K)3.课程成缜评价标盘平时成缄评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权里优秀（3MoO分）口好(80-89分)中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（6）分出勤及课堂友现（10%）无迟到、早退、旷课现象：枳极参加课堂讨论,并有自己独到的见解I能”准确问答所有何5B.无迟到'早退