《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱

《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱一、基本信息中文名稱(chēng)：計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)英文名稱(chēng)：FundamentalsofComputationalMaterialsScience課程代碼：19045104課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)選修課學(xué)分：1.5總學(xué)時(shí)：24（其中理論：24實(shí)驗(yàn)：0上機(jī)：0實(shí)踐：0）適用學(xué)院及專(zhuān)業(yè)：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)先修課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)A、無(wú)機(jī)材料物理性能、工程力學(xué)開(kāi)課單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料工程系材料科學(xué)與工程教研室二、課程地位與作用本課程面向基本學(xué)制為四年的本科生，是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課之一。本課程是在學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握必備的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，為加深學(xué)生對(duì)材料的認(rèn)知和理解，提升其專(zhuān)業(yè)水平而設(shè)置的選修課程。本課程從微觀粒子到宏觀連續(xù)體尺度，基于分子動(dòng)力學(xué)及有限元，重點(diǎn)講授計(jì)算材料學(xué)基本概念和方法，內(nèi)容涵蓋數(shù)值模擬，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)可視化等相關(guān)技術(shù)和軟件。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算技能，使其對(duì)材料設(shè)計(jì)更具方向性和前瞻性，推動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程研發(fā)能力。三、課程教學(xué)目標(biāo)本課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1、5.2。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生樹(shù)立“理工結(jié)合”觀念，認(rèn)識(shí)到計(jì)算材料學(xué)是連接材料學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生在材料學(xué)研究中的興趣和專(zhuān)業(yè)能力，以及學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的熱愛(ài)和創(chuàng)新意識(shí)；掌握計(jì)算材料學(xué)中從納觀、微觀、介觀到宏觀材料相關(guān)性質(zhì)的理論預(yù)測(cè)方法，掌握不同尺度材料模擬計(jì)算軟件的基本原理和操作流程；具備利用相關(guān)軟件建立物理模型及數(shù)值計(jì)算的能力，能夠根據(jù)材料問(wèn)題類(lèi)型所涉及的尺度選擇適用的軟件和模塊；具備利用本課程基本知識(shí)進(jìn)行科學(xué)研究的初步能力，能夠利用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)單專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的模擬結(jié)果進(jìn)行分析解釋?zhuān)馨褜?shí)驗(yàn)結(jié)果、理論分析和文獻(xiàn)研究相結(jié)合，得出合理有效的結(jié)論。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具備以下能力：目標(biāo)1：掌握不同尺度材料模擬計(jì)算軟件的基本原理和操作流程，并能夠利用相關(guān)軟件建立物理模型進(jìn)行初步的科學(xué)研究，理解不同材料計(jì)算方法的適用范圍和局限性。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1）目標(biāo)2：能夠利用所學(xué)的計(jì)算材料學(xué)知識(shí)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的模擬結(jié)果進(jìn)行分析、解釋?zhuān)馨延?jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和文獻(xiàn)相結(jié)合，得出合理有效的結(jié)論。（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.2）課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的關(guān)系矩陣教學(xué)目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)教學(xué)方式考核方式目標(biāo)15.1理解材料工程領(lǐng)域常用的信息技術(shù)工具、現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性。課堂講授、典型案例和課程作業(yè)課程期末考試，課程作業(yè)目標(biāo)25.2能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)难芯吭O(shè)備和計(jì)算模擬方法獲得有效數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用信息資源、工程工具和專(zhuān)業(yè)模擬軟件，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)。課堂講授、典型案例和課程作業(yè)課程作業(yè)、課后討論四、主要教學(xué)內(nèi)容第1章緒論（2學(xué)時(shí)，支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1）本章要求學(xué)生了解計(jì)算材料學(xué)的理論體系，了解材料計(jì)算的一般模式，理解尺度的概念以及多種算法的必要性。通過(guò)各種計(jì)算材料學(xué)方法和軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是、刻苦鉆研的學(xué)習(xí)態(tài)度，以及濃厚的科研興趣和探索精神。第2章量子力學(xué)方法（6學(xué)時(shí)，支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1、5.2）本章要求學(xué)生了解量子力學(xué)方法的理論基礎(chǔ)，理解基本概念。理解量子力學(xué)中態(tài)密度、波函數(shù)等基本概念和薛定諤方程的求解。通過(guò)典型案例分析，傳達(dá)計(jì)算材料學(xué)在材料科學(xué)研究中的重要地位和作用，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，提升信息素養(yǎng)，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。重點(diǎn)：薛定諤方程的求解。第3章分子動(dòng)力學(xué)方法（6學(xué)時(shí)，支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1、5.2）本章要求學(xué)生了解分子動(dòng)力學(xué)方法的基本思想，理解分子動(dòng)力學(xué)方法的基本概念。掌握物理模型建立以及數(shù)值計(jì)算，掌握模擬分析的基本流程。重點(diǎn)：系綜、力場(chǎng)及數(shù)值計(jì)算方法。第4章有限元方法（6學(xué)時(shí)，支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.1、5.2）本章要求學(xué)生理解有限元法的基本原理和求解步驟，掌握直接剛度法求解彈簧狀態(tài)，桿系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和熱傳導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析等基本有限元問(wèn)題。重點(diǎn)：有限元方法的基本思想和應(yīng)用。第5章材料計(jì)算項(xiàng)目專(zhuān)題分析（4學(xué)時(shí)，支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)5.2）本章通過(guò)有限元法、量子力學(xué)方法和分子動(dòng)力學(xué)方法的應(yīng)用案例，學(xué)習(xí)各種經(jīng)典計(jì)算軟件的操作以及物理模型的建立和數(shù)值計(jì)算，掌握模擬分析的基本流程。通過(guò)材料計(jì)算的典型案例分析，強(qiáng)調(diào)計(jì)算材料學(xué)在材料科學(xué)研究中的重要地位和作用，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，樹(shù)立自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。重點(diǎn)：計(jì)算軟件應(yīng)用于材料的分析研究。五、教學(xué)方法本課程涉及的教學(xué)方法有課堂講授法、討論法、典型案例分析與計(jì)算等，具體根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)不同采取更合適的教學(xué)方法。課程授課以“講授法”為主，并與學(xué)生課堂討論等互動(dòng)方式配合使用。在授課中針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題設(shè)置討論環(huán)節(jié)，講解一些有代表性的習(xí)題，幫助學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)。在重點(diǎn)章節(jié)講授結(jié)束后，均布置3-5道課后習(xí)題，作業(yè)面覆蓋所講內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以便于學(xué)生鞏固所學(xué)內(nèi)容及考試復(fù)習(xí)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題開(kāi)展討論，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。推薦學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)資源、校園網(wǎng)資源（校園網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)）、圖書(shū)館資源（期刊、專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)）等多種手段獲取信息，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，拓展專(zhuān)業(yè)視野，緊跟行業(yè)發(fā)展前沿。六、課程考核和成績(jī)?cè)u(píng)定方式課程考核采用平時(shí)考核與結(jié)課大作業(yè)相結(jié)合的方式，平時(shí)考核成績(jī)占20%，結(jié)課大作業(yè)成績(jī)占80%。七、教材及參考文獻(xiàn)1．教材張躍等編著，計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，20072．主要參考教材和參考文獻(xiàn)[1]Frenkel等著，汪文川譯，分子模擬—從算法