《計(jì)算材料學(xué)》課程教學(xué)大綱

ADDINCNKISM.UserStyle《計(jì)算材料學(xué)》課程教學(xué)大綱（理論課程）一、課程基本信息課程號(hào)1123S02024開(kāi)課單位化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院課程名稱(chēng)（中文）計(jì)算材料學(xué)（英文）ComputationalMaterialsScience課程性質(zhì)必修/選修考核類(lèi)型考試課程學(xué)分2課程學(xué)時(shí)34課程類(lèi)別專(zhuān)業(yè)發(fā)展課程（專(zhuān)業(yè)拓展課（學(xué)術(shù)研究））先修課程無(wú)機(jī)化學(xué)，量子化學(xué)適用專(zhuān)業(yè)（類(lèi)）材料化學(xué)二、課程描述及目標(biāo)（一）課程簡(jiǎn)介《計(jì)算材料學(xué)》課程是本專(zhuān)業(yè)（類(lèi)）的一門(mén)專(zhuān)業(yè)發(fā)展課程，是一門(mén)正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，是利用計(jì)算對(duì)材料的組成，結(jié)構(gòu)，性能等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)的學(xué)科，是連接材料學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的橋梁?！队?jì)算材料學(xué)》課程旨在通過(guò)理論教學(xué)與實(shí)踐操作訓(xùn)練，使學(xué)生掌握計(jì)算材料學(xué)不同理論模型和方法所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)、原理，具備應(yīng)用通用計(jì)算材料軟件的基本能力，為學(xué)生從事科學(xué)研究和材料領(lǐng)域的相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。（二）教學(xué)目標(biāo)通過(guò)本課程，學(xué)生將初步掌握材料研究過(guò)程中常用的基本計(jì)算機(jī)模擬方法和原理，了解計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料學(xué)中的應(yīng)用。針對(duì)材料研究領(lǐng)域的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，了解模擬方法研究材料問(wèn)題的一般步驟和方法。課程目標(biāo)1：掌握計(jì)算材料學(xué)所涉及的不同理論模型和方法，學(xué)會(huì)針對(duì)不同的材料體系和計(jì)算要求選擇對(duì)應(yīng)的理論模型和方法。課程目標(biāo)2：掌握計(jì)算材料學(xué)分子動(dòng)力學(xué)方法，理解立場(chǎng)，勢(shì)能面，過(guò)渡態(tài)等概念，理解分子動(dòng)力學(xué)的基本思想和基本原理。課程目標(biāo)3：掌握第一性原理方法，了解其他常用的量子力學(xué)方法，使用MaterialStudio等通用軟件計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)，光學(xué)等材料性能。掌握Linux系統(tǒng)的基本使用命令。課程目標(biāo)4：掌握(MonteCarlo)蒙特卡洛方法，理解隨機(jī)型問(wèn)題的蒙特卡洛模擬蒙特卡洛方法在統(tǒng)計(jì)物理和材料模擬中的應(yīng)用。課程目標(biāo)5：了解計(jì)算材料學(xué)前沿發(fā)展方向，了解結(jié)構(gòu)搜索和預(yù)測(cè)方法和相關(guān)軟件。三、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重1-1：掌握數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料等方面的基本理論和基本知識(shí)；課程目標(biāo)10.31-2：掌握材料制備（或合成）技術(shù)、材料加工和改性技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)與性能的分析方法；課程目標(biāo)20.22-2：具有一定的科學(xué)研究和實(shí)際工作能力，具有一定的批判性思維；課程目標(biāo)30.22-3：具有一定的運(yùn)用計(jì)算機(jī)的能力和用英語(yǔ)進(jìn)行交流的能力；課程目標(biāo)40.153-2：具有良好的科學(xué)文化素養(yǎng)，掌握科學(xué)的方法論；課程目標(biāo)50.15四、教學(xué)方式與方法計(jì)算材料學(xué)課程采用課堂講解、并輔以主流計(jì)算軟件操作聯(lián)系，通過(guò)設(shè)置作業(yè)任務(wù)，以啟發(fā)、討論等多種形式，使學(xué)生積極參與課堂教學(xué)活動(dòng)，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣。同時(shí)注重理論聯(lián)系實(shí)際、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶。利用自制的多媒體課件豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展教學(xué)空間，形象、生動(dòng)、直觀地向?qū)W生展示難于理解的理論模型和科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)成果。五、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)（一）教學(xué)重點(diǎn)本課程的教學(xué)重點(diǎn)：分子動(dòng)力學(xué)中的涉及力場(chǎng)、勢(shì)能面、能量最小化、過(guò)渡態(tài)概念、分子動(dòng)力學(xué)的基本思想和基本原理、分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算流程、數(shù)值求解方法；第一性原理方法涉及的重點(diǎn)概念包括Hartree-Fock方法、分子軌道理論、基函數(shù)組、能帶理論、能帶計(jì)算方法、密度泛函理論、交換和關(guān)聯(lián)、局域密度近似、贗勢(shì)方法、密度泛函計(jì)算流程、以及相關(guān)軟件的介紹和使用；蒙特卡洛方法涉及的重點(diǎn)是隨機(jī)數(shù)、隨機(jī)變量抽樣、Metropolis抽樣、確定性問(wèn)題的蒙特卡洛方法求解，隨機(jī)型問(wèn)題的蒙特卡洛模擬、蒙特卡洛方法在統(tǒng)計(jì)物理和材料模擬中的應(yīng)用。該課程除了理論和方法學(xué)習(xí)之外，要求學(xué)生學(xué)會(huì)使用相關(guān)的通用軟件，理論結(jié)合實(shí)踐。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用搜索引擎，專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站，參考資料等方面的能力。培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。（二）教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)在于本課程涉及量子力學(xué)，分子動(dòng)力學(xué)等大量的基本理論知識(shí)，尤其是分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、力場(chǎng)、分子軌道理論、數(shù)學(xué)中泛函的概念、能帶理論、隨機(jī)變量等抽象概念。考慮的學(xué)生在前期的教學(xué)中沒(méi)有開(kāi)設(shè)固體物理課程，需要在本課程中對(duì)相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行講解，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合學(xué)生的接受情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整課程深度和難度。六、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1第1章計(jì)算材料學(xué)簡(jiǎn)介掌握計(jì)算材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容和研究目的；理解計(jì)算材料學(xué)涉及的學(xué)科；掌握計(jì)算材料的特征時(shí)間和空間尺度；掌握計(jì)算材料的理論方法；了解常用計(jì)算材料學(xué)軟件。4講授課程目標(biāo)12第2章分子動(dòng)力學(xué)掌握勢(shì)能面的定義；掌握能量最低原理；掌握力場(chǎng)的定義和作用項(xiàng)；理解力場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)形式；認(rèn)知不同的力場(chǎng)和分類(lèi)；理解能量最小化方法；掌握反應(yīng)路徑和過(guò)渡態(tài)；理解分子動(dòng)力學(xué)方法的基本原理；了解分子運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解方法；了解分子動(dòng)力學(xué)中的溫度和時(shí)間；了解邊界條件與初值；了解系綜原理；掌握MaterialsStudio軟件的安裝；認(rèn)知MaterialsStudio模塊；6講授課程目標(biāo)23第3章第一性原理計(jì)算理解量子力學(xué)基礎(chǔ)；掌握Born-Oppenheimer近似；理解變分原理；掌握密度泛函理論；理解自洽場(chǎng)計(jì)算；認(rèn)知分子軌道從頭計(jì)算法；理解能級(jí)和能帶理論；了解第一性原理計(jì)算軟件；理解Gussian軟件基礎(chǔ)知識(shí)。14講授課程目標(biāo)34第4章蒙特卡洛方法理解隨機(jī)數(shù)；理解隨機(jī)變量抽樣；認(rèn)知Metropolis抽樣；掌握確定性問(wèn)題的蒙特卡洛方法求解；掌握隨機(jī)型問(wèn)題的蒙特卡洛模擬；掌握蒙特卡洛方法在統(tǒng)計(jì)物理和材料模擬中的應(yīng)用4講授課程目標(biāo)45第5章材料模擬軟件簡(jiǎn)介掌握第一性原理常用程序CASTEP；認(rèn)知第一性原理常用程序vasp；理解結(jié)構(gòu)搜索和預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)介；認(rèn)知遺傳算法結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件USPEX；認(rèn)知群智算法結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件CALYPSO6講授課程目標(biāo)5合計(jì)七、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核類(lèi)型：√考試考查（二）考核方式：開(kāi)卷考試√閉卷考試課程論文課程報(bào)告其它：（三）成績(jī)?cè)u(píng)定：考核依據(jù)建議分值（百分比）考核/評(píng)價(jià)細(xì)則對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)平時(shí)考核60%出勤15%考勤情況課程目標(biāo)5作業(yè)40%完成進(jìn)度、基本概念、正確性課程目標(biāo)3表現(xiàn)5%回答問(wèn)題課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2期末考核40%閉卷考試課程目標(biāo)1、2、3、4九、課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)課程目標(biāo)的實(shí)際達(dá)成效果計(jì)算方式如下，達(dá)成值越高，教學(xué)效果越好。課程目標(biāo)達(dá)成度=畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度=十、教材與教學(xué)參考書(shū)（一）教材《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》，張躍等編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2007，第一版。（二）教學(xué)參考書(shū)《固體能帶理論》，謝希德、陸棟編著，