《能源物理多尺度模擬》課程教學(xué)大綱

《能源物理多尺度模擬》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱能源物理多尺度模擬Multi-scaleSimulationofEnergyPhysics課程編碼SCC522321030開課院部理學(xué)院課程團隊能源物理方法與技術(shù)方向教學(xué)團隊學(xué)分3.0課內(nèi)學(xué)時56講授32實驗24上機0實踐0課外學(xué)時0適用專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)授課語言中文先修課程高等數(shù)學(xué)（2-1）、力學(xué)、高等數(shù)學(xué)（2-2）、電磁學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理課程簡介（限選）能源物理多尺度模擬是針對應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科學(xué)生掌握能源物理方法與技術(shù)而設(shè)置的一門專業(yè)選修課程。課程主要涉及第一性原理計算、分子動力學(xué)模擬、蒙特卡羅模擬、介觀模擬、有限元等數(shù)值計算方法的基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用。通過本課程的講授和實戰(zhàn)訓(xùn)練，使學(xué)生加深對各種數(shù)值模擬計算方法及其應(yīng)用的認識和理解，掌握各種數(shù)值模擬計算方法的基礎(chǔ)理論和基本知識，掌握各種模擬方法和模擬軟件在石油石化、光電轉(zhuǎn)換材料、超級電容器、吸附分離材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生采用多尺度模擬技術(shù)解決復(fù)雜能源物理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)實驗進行系統(tǒng)地設(shè)計、實施以及對實驗結(jié)果進行正確分析的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生將來從事能源物理應(yīng)用領(lǐng)域的科研、生產(chǎn)及開發(fā)工作打好堅實的基礎(chǔ)。Multi-scalesimulationofenergyphysicsisanelectivecourseforundergraduatesmajoringinappliedphysicstomasterthemethodsandtechniquesofenergyphysics.Thecoursemainlyinvolvesthebasictheoryandpracticalapplicationoffirst-principlescalculation,moleculardynamicssimulation,montecarlosimulation,coarse-grainedmoleculardynamicsimulation,finiteelementcalculationmethods.Afterthestudy,studentswillbeabletodeeplyunderstandandgraspvariousnumericalsimulationmethodsandtheirapplications,andgrasptheapplicationofseveralsoftwaresonpetrochemicalengineering,photovoltaicconversionmaterials,supercapacitor,adsorptionseparationmaterials,etc.Throughthis,studentswillbetrainedtosolvecomplexenergyphysicsproblemsusingmulti-scalesimulationtechnology,andtoownthescienceliteracytosystematicallydesign,perform,andanalyzetherelevantscientificexperiments.Itwilllayasolidfoundationforstudentstoengageintheresearch,productionanddevelopmentofenergyphysicsfield.負責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務(wù)自選1M1目標1：掌握能源物理多尺度模擬方法的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能，具備解決能源物理中復(fù)雜問題的能力。是2.1,5.12.1,5.12M2目標2：具有系統(tǒng)地設(shè)計、實施模擬實驗以及對實驗結(jié)果進行正確分析的基本素質(zhì)和能力。是7.17.13M3目標3：具有通過科學(xué)討論及團隊協(xié)作進行科學(xué)研究的能力。是8.18.14M4目標4：通過本課程的學(xué)習(xí)，理解科學(xué)研究的基本過程，鍛煉科學(xué)研究的思維，培養(yǎng)科學(xué)研究的基本素質(zhì)。是9.39.3三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1緒論緒論能源物理多尺度模擬主要特點、基本內(nèi)容、參考教材、軟件和應(yīng)用簡介；課程的教學(xué)要求、教學(xué)方法和考核方式。M11講授//2第一章分子力學(xué)基礎(chǔ)本章重點難點：分子力場概念與數(shù)學(xué)描述，勢能面概念，能量最小化數(shù)值方法。////31.1分子力場分子力場的概念，分子內(nèi)相互作用及勢函數(shù)（鍵伸縮勢、鍵角彎曲勢、二面角扭曲勢），分子間相互作用及勢函數(shù)（Lennard-Jones勢、庫倫勢），分子力場的發(fā)展，常用分子力場介紹。M11講授1作業(yè)41.2勢能面與能量最小化勢能面概念，函數(shù)極小值，局域極小值與全局極小值；勢能極小值的數(shù)值求解，最速下降法，共軛梯度法，牛頓-拉森法；模擬退火概念與原理。M1,M32講授/討論2查閱文獻5第二章分子動力學(xué)方法本章重點難點：分子動力學(xué)方法的基本原理、計算控制和熱力學(xué)性能分析。////62.1分子動力學(xué)方法概述分子動力學(xué)模擬的概念，分子力學(xué)與分子動力學(xué)模擬的關(guān)系，分子動力學(xué)模擬的發(fā)展歷史，分子動力學(xué)模擬的適用領(lǐng)域，分子動力學(xué)模擬的意義，分子動力學(xué)模擬的發(fā)展趨勢。M11講授1查閱文獻72.2分子動力學(xué)模擬的基本原理分子體系的運動方程，牛頓運動方程的數(shù)值求解（Verlet算法、蛙跳算法、速度Verlet算法、Gear預(yù)測-校正算法），分子動力學(xué)模擬的計算機實現(xiàn)。M1,M32講授2作業(yè)82.3分子動力學(xué)模擬的計算控制原子初始速度，時間步長，周期性邊界條件，截斷半徑，長程力的計算，控溫原理與算法介紹，控壓原理與算法介紹。M1,M22講授/討論2綜合大作業(yè)92.4熱力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬計算分析模型的可視化，分子運動軌跡分析，徑向分布函數(shù)，時間相關(guān)函數(shù)，輸運性質(zhì)。M1,M42講授/討論2自學(xué)102.5分子動力學(xué)模擬應(yīng)用簡介分子動力學(xué)模擬在超級電容器、材料設(shè)計、石油工程等領(lǐng)域的應(yīng)用案例簡介。M1,M41講授/討論1查閱文獻11第三章介觀尺度動力學(xué)模擬方法本章重點難點：耗散粒子動力學(xué)模擬基本原理、介觀動力學(xué)模擬基本原理////123.1耗散粒子動力學(xué)模擬耗散粒子動力學(xué)模擬基本原理，排斥參數(shù)與Flory-Huggins參數(shù)，耗散粒子動力學(xué)模擬應(yīng)用簡介。M32講授2查閱文獻133.2介觀動力學(xué)模擬介觀動力學(xué)模擬基本原理，熱力學(xué)部分，動力學(xué)部分，參數(shù)部分，介觀動力學(xué)模擬應(yīng)用簡介。M32講授/討論2作業(yè)14第四章MonteCarlo模擬方法本章重點難點：隨機抽樣，確定性問題的MonteCarlo方法求解，重要取樣法，MetropolisMonteCarlo計算方法。////154.1MonteCarlo方法基礎(chǔ)隨機變量及其分布函數(shù)，隨機數(shù)和隨機抽樣，確定性問題的MonteCarlo方法求解。M1,M42講授2作業(yè)164.2MonteCarlo模擬MonteCarlo模擬中的配分函數(shù)，重要取樣法，Metropolis計算方法，不同系綜中的MonteCarlo模擬方法。M12講授2作業(yè)17第五章量子化學(xué)本章重點難點：微擾理論，變分原理，分子軌道理論，分子軌道從頭計算，密度泛函理論。////185.1量子力學(xué)基礎(chǔ)波函數(shù)及其統(tǒng)計詮釋，態(tài)疊加原理，薛定諤方程，自旋，全同粒子，原子單位制，非相對論近似，Born-Oppenheimer近似。M11講授1其他195.2微擾理論與變分原理定態(tài)和含時微擾理論，里茲變分，哈特里-?？俗郧鼋品椒ā1,M21講授/討論1作業(yè)205.3多電子原子的自洽場計算原子中電子態(tài)的描述，原子軌道，原子自旋軌道，閉殼層組態(tài)的Hartree-Fock方程，開殼層組態(tài)的Hartree-Fock方程。M32講授2查閱文獻215.4分子軌道從頭計算法分子軌道，分子的電子組態(tài)，Hartree-Fock-Roothaan方程，自旋密度，基組，Gauss型軌道函數(shù)基組，分子自洽場的計算。M12講授2作業(yè)225.5密度泛函理論Thomas-Fermi模型,Hobhenberg-Kohn定理，Kohn-Sham方程，局域密度近似（LDA），Lee-Yang-Parr的LDA，局域自旋密度近似（LSDA），廣義梯度近似（GGA），PW91方法，PBE方法，密度泛函理論的應(yīng)用。M1,M42講授/討論2查閱文獻23第六章有限差分和有限元方法本章重點與難點：差分方程的建立及求解，直接剛度法，加權(quán)余量法。////246.1有限差分法有限差分法的基本概念、原理，差分方程的建立，差分方程的求解方法，計算誤差分析，有限差分法解題示例。M12講授2作業(yè)256.2有限元法有限元法的基本概念、原理，直接剛度法（前處理過程，求解階段和后處理階段），加權(quán)余量法（配點法，子域法，最小二乘法，力矩法和伽遼金法），有限元程序的結(jié)構(gòu)和特點。M3,M42講授/討論2作業(yè)26第七章多尺度模擬實驗/////277.1分子模型的創(chuàng)建與優(yōu)化重點難點：構(gòu)建分子模型、優(yōu)化分子構(gòu)型MaterailsStudio軟件簡介及基本操作，三維分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，三維分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建與顯示。M13講授/實驗3作業(yè)287.2水溶液體系的分子動力學(xué)模擬重點難點：分子動力學(xué)模擬的基本原理和步驟，擴散系數(shù)，徑向分布函數(shù)。MaterialsStudio軟件FORCITE模塊的使用，構(gòu)建水和乙醇單分子結(jié)構(gòu)及二者溶液，參數(shù)設(shè)置，能量最小化，動力學(xué)模擬，計算均方位移曲線、擴散系數(shù)和徑向分布函數(shù)。M13講授/實驗3作業(yè)297.3油水體系的DPD模擬重點難點：耗散粒子動力學(xué)模擬方法與流程。MaterialsStudio軟件DPD模塊的介紹與使用，DPD珠子概念與模擬定義，DPD力場參數(shù)的編輯，DPD油分子與水分子建模，油水混相體系的DPD模型構(gòu)建，DPD模擬流程，模擬結(jié)果分析。M1,M23講授/討論/實驗3作業(yè)307.4嵌段共聚物相行為的介觀動力學(xué)模擬重點難點：介觀動力學(xué)模擬方法與流程。MaterialsStudio軟件Mesodyn模塊的介紹與使用，介觀分子類型和珠子定義，珠子間的相互作用參數(shù)編輯，介觀體系模型構(gòu)建，介觀動力學(xué)模擬，模擬結(jié)果分析。M1,M23講授/討論/實驗3查閱文獻317.5固體材料表面吸附行為的MonteCarlo模擬重點難點：氣體吸附相關(guān)理論，MonteCarlo模擬方法與流程。MaterialsStudio軟件SORPTION模塊的介紹與使用，MonteCarlo模擬方法，固體材料納米孔縫建模，吸附等溫線計算，密度和能量分布，吸附構(gòu)型，吸附熱計算。M1,M23講授/討論/實驗3查閱文獻327.6分子軌道的計算和分析重點難點：分子軌道計算，電荷分布。MaterialsStudio軟件Dmol3模塊的介紹與使用，分子軌道等值面，總電子密度，靜電勢，電荷分布，分子表面。M1,M23講授/討論/實驗3作業(yè)337.7第一性原理預(yù)測AlAs的晶格參數(shù)重點難點：幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度計算。MaterialsStudio軟件CASTEP模塊的介紹與使用，AlAs晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，設(shè)置CASTEP計算任務(wù)，結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化，能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，可視化電荷密度。M13講授/討論/實驗3自學(xué)347.8有限元方法應(yīng)用重點難點：加權(quán)余量法求解邊值問題的基本原理，有限元程序結(jié)構(gòu)。一維、二維有限元方法，有限元程序結(jié)構(gòu)，二維拉普拉斯方程和泊松方程的有限元求解。M1,M43講授/討論/實驗3查閱文獻四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.每次課布置1~2道題目，平均每周2道題以上。2.成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學(xué)生對能源多尺度模擬基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡答、分析計算和思考題。15%2課堂知識拓展考核1.針對于課程中的若干科學(xué)前沿問題進行調(diào)研，并進行分組研究討論。2.題目為開放性的、需要學(xué)生進行創(chuàng)造性思考完成的題目。3.成績采用百分制，根據(jù)每道題目思考的深入程度及創(chuàng)新性評分。4.考核學(xué)生對能源物理多尺度模擬中關(guān)鍵問題的思考及創(chuàng)新思維。15%3模擬專題考核1.針對于課程中的1-2個完整的問題進行模型建立分組研究討論。2.學(xué)生應(yīng)自主完成設(shè)計研究方案，建立模型，并給出建模的完整科學(xué)研究過程。3.成績采用百分制，根據(jù)研究報告及答辯情況進行評分。4.主要考核學(xué)生的基本科研素質(zhì)，對科研基本流程的掌握以及團隊協(xié)作能力。20%4期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學(xué)生對能源物理多尺度模擬基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有選擇題、簡答題、分析計算題等。40%5課堂表現(xiàn)隨機檢查學(xué)生上課積極性、課堂實時掌握情況。10%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時作業(yè)20%A-獨立思考、按時完成，作答規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準確B-獨立思考、按時完成，作答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準確C-獨立思考、按時完成，作答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準確D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，作答不規(guī)范，解題思路混亂2M1模擬專題考核30%A-完整完成整個研究流程，報告格式規(guī)范，講解清晰并且邏輯清楚，團隊分工明確交流充分B-完成了整個研究流程，報告格式比較規(guī)范，講解清晰，團隊分工明確C-基本完成整個研究流程，報告基本格式規(guī)范，講解基本清晰，團隊有一定分工D-研究流程不完整，報告格式不規(guī)范，講解混亂，團隊沒有明確分工3M1課堂表現(xiàn)10%A-全勤，精神狀態(tài)飽滿，回答問題準確B-缺勤1次，精神狀態(tài)良好，問題回答較好C-缺勤2-3次，精神狀態(tài)一般，問題回答一般D-缺勤3次以上，精神狀態(tài)較差，回答問題有誤4M1期末考試40%（見試卷評分標準）5M2模擬專題考核100%A-完整完成整個研究流程，報告格式規(guī)范，講解清晰并且邏輯清楚，團隊分工明確交流充分B-完成了整個研究流程，報告格式比較規(guī)范，講解清晰，團隊分工明確C-基本完成整個研究流程，報告基本格式規(guī)范，講解基本清晰，團隊有一定分工D-研究流程不完整，報告格式不規(guī)范，講解混亂，團隊沒有明確分工6M3平時作業(yè)30%A-獨立思考、按時完成，作答規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準確B-獨立思考、按時完成，作答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準確C-獨立思考、按時完成，作答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準確D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，作答不規(guī)范，解題思路混亂7M3課堂知識拓展考核30%A-按時完成，格式清晰，邏輯清楚，思考深入，有明確的創(chuàng)新觀點，進行了科學(xué)證明，并提出了更深刻的問題B-