《計算材料學(xué)A》課程大綱

課程代碼080118L課程名稱中文名材：計算材料學(xué)A英文名:ComputationalMaterialsScienceA課程類別專業(yè)基礎(chǔ)修讀類別必修學(xué)分3.0學(xué)時48開課學(xué)期第6學(xué)期開課單位材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)系適用專業(yè)無機非金屬材料工程專業(yè)無機非金屬材料科學(xué)方向先修課程高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料性能學(xué)等后續(xù)有關(guān)專業(yè)課程和教學(xué)環(huán)節(jié)畢業(yè)設(shè)計(論文)主講教師／職稱秦國強/副教授，張光磊/教授考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例作業(yè)

+期末考試（50%）+（50%）教材及主要參考書（1）《計算材料學(xué)基礎(chǔ)》，張躍編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2007年。（2）《計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用》，張光磊編著，中南大學(xué)出版社，2008年。（3）《計算材料學(xué)》，D.羅伯編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。（4）《MaterialsStudio培訓(xùn)教程》，創(chuàng)騰科技有限公司，華南師范大學(xué)，2006年。一課程性質(zhì)和目標(biāo)本課程是無機非金屬材料工程專業(yè)的專業(yè)必修課，主要學(xué)習(xí)材料組成、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的計算機模擬與預(yù)測的基礎(chǔ)理論和軟件應(yīng)用，是材料科學(xué)與計算機科學(xué)交叉學(xué)科的一門課程。課程內(nèi)容包括：材料模型的基本概念，建立模型的基本原則和方法，認識不同尺度下的第一性原理計算、分子動力學(xué)模擬及介觀模擬的典型材料計算方法和軟件應(yīng)用原理，進行不同尺度下典型無機非金屬材料的計算。培養(yǎng)學(xué)生運用材料計算方法進行材料學(xué)中結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系預(yù)測的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生達到以下目標(biāo)：知識目標(biāo)：解釋計算材料學(xué)的發(fā)展歷程，認識其在材料研發(fā)中的作用。能夠辨別與選用合適的理論或軟件模塊對無機非金屬材料進行多尺度建模,并能解釋模型的局限性。能夠解釋第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬等典型材料計算方法，開展無機非金屬材料結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和性能的模型建立和計算，分析計算和預(yù)測結(jié)果的合理性和局限性。能夠選擇和運用基本數(shù)據(jù)處理技術(shù)和技巧。能力目標(biāo)：能選用材料計算技術(shù)開展材料組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的計算和預(yù)測分析能力。（1）本課程所能支撐的畢業(yè)要求如下：二本課程所支撐的畢業(yè)要求序號畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求指標(biāo)點具體內(nèi)容課程目標(biāo)1畢業(yè)要求5-3能根據(jù)混凝土/陶瓷產(chǎn)品研發(fā)與檢測需要，選擇分析方法與現(xiàn)代工具對復(fù)雜無機非金屬材料工程問題進行模擬預(yù)測和結(jié)果分析，并能分析模擬和預(yù)測的局限性。課程目標(biāo)1、2、3、4（2）本課程內(nèi)容與畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系教學(xué)內(nèi)容課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點理論教學(xué)（一）緒論1畢業(yè)要求5-3（二）分子結(jié)構(gòu)建立與計算2，3，4畢業(yè)要求5-3（三）晶體結(jié)構(gòu)建立與計算2，3，4畢業(yè)要求5-3（四）無機非晶體結(jié)構(gòu)建立與模擬2，3，4畢業(yè)要求5-3（五）聚合物結(jié)構(gòu)建立與計算2，3，4畢業(yè)要求5-3（六）納米材料結(jié)構(gòu)建立2，3，4畢業(yè)要求5-3（七）介觀方法與材料計算2，3，4畢業(yè)要求5-3（八）數(shù)據(jù)處理2，3，4畢業(yè)要求5-3三教學(xué)基本內(nèi)容（一）理論教學(xué)基本內(nèi)容（48學(xué)時）1

緒論（2學(xué)時）（1）基本要求理解本課程的意義及在材料研究中的地位，理解本課程的主要教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)特點與學(xué)習(xí)方法，樹立認真鉆研的學(xué)習(xí)態(tài)度，理解本課程的發(fā)展歷史及相關(guān)教材及參考書的特點。（2）教學(xué)內(nèi)容材料計算的層次及發(fā)展簡況課程大綱解讀課程性質(zhì)、目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的關(guān)系、教學(xué)與學(xué)習(xí)方法、教學(xué)進程、考核形式與基本要求，預(yù)期達成學(xué)習(xí)效果。（3）重點2

分子結(jié)構(gòu)建立與計算（10學(xué)時）（1）基本要求構(gòu)建簡單分子模型，運用多種顯示模式。（2）教學(xué)內(nèi)容分子結(jié)構(gòu)的建立。生成Projects；打開并且觀察3D文檔，多種顯示模式的選擇，原子的添加、修改及化學(xué)鍵設(shè)定。性能模擬與計算模擬計算分子穩(wěn)定構(gòu)型、尺寸、化學(xué)鍵及紅外光譜。學(xué)生練習(xí)與討論（3）重點和難點難點：模擬紅外光譜。（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容理解晶體材料的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建典型晶體結(jié)構(gòu)，理解并運用穩(wěn)定性判據(jù)以及晶體電子和光學(xué)性能計算方法。3.

晶體結(jié)構(gòu)建立與計算（20學(xué)時）重點：分子模型的構(gòu)建方法。分別構(gòu)建水分子、苯酚分子、卟啉、甲基乙酸甲脂、分子等結(jié)構(gòu)，計算并分析其穩(wěn)定構(gòu)型、尺寸、化學(xué)鍵及紅外光譜。晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建無機非金屬晶體的構(gòu)建及特征分析、分子晶體的構(gòu)建及特征分析、摻雜晶體的構(gòu)建、分子在晶體表面吸附模型的構(gòu)建。晶體性能計算3）課堂練習(xí)及討論（3）重點和難點難點：晶體熱穩(wěn)定性計算判據(jù)（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容理解無機非晶體的結(jié)構(gòu)特征；構(gòu)建玻璃模型并進行和計算模擬。4.

無機非晶體結(jié)構(gòu)建立與模擬（4學(xué)時）重點：晶體模型的構(gòu)建方法及第一性原理計算。構(gòu)建Alpha石英晶體；導(dǎo)入ZnO、TiO2、SnO2和典型硅酸鹽晶體；處理分子晶體：尿素；構(gòu)建SiGe摻雜體系；用第一性原理預(yù)測Si的晶格參數(shù)；計算對比金剛石和石墨的內(nèi)聚能；計算ZnO的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和差分電子密度圖，進行電子布局分析；計算分析TiO2的光學(xué)性能，模擬CaO的XRD譜圖；構(gòu)建CO分子在Pd(110)表面的吸附模型。第一性原理計算簡介、CASTEP模塊的使用、熱穩(wěn)定性計算，平衡態(tài)結(jié)構(gòu)預(yù)測、電子性能計算、光學(xué)性能計算、力學(xué)性能計算和衍射圖譜模擬。無機非晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建非晶結(jié)構(gòu)特征分析，無機非晶體結(jié)構(gòu)的建立；使用分子動力學(xué)方法模擬玻璃結(jié)構(gòu)分子動力學(xué)方法簡介、力場和勢函數(shù)、Forcite模塊的使用、徑向分布函數(shù)課堂練習(xí)與討論（3）重點和難點難點：徑向分布函數(shù)計算與分析。（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生理解聚合物材料的結(jié)構(gòu)特征；構(gòu)建聚合物模型，理解并計算氫鍵。5.

聚合物結(jié)構(gòu)建立與計算（2學(xué)時）重點：Forcite模塊的使用。使用Forcite模塊模擬構(gòu)建石英玻璃，分析其結(jié)構(gòu)特征；聚合物結(jié)構(gòu)的構(gòu)建聚合物的結(jié)構(gòu)特征分析；聚合物建模工具介紹。聚合物的計算計算聚合物之間的氫鍵。課堂練習(xí)與討論（3）重點和難點難點：聚合物模型構(gòu)建聚合物中氫鍵的模擬。（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容理解納米材料的結(jié)構(gòu)特征；構(gòu)建納米材料結(jié)構(gòu)模型。6.

納米材料結(jié)構(gòu)建立（4學(xué)時）重點：多種聚合物模型的構(gòu)建方法。分別多甲基異丁烯酸鹽、聚苯乙烯（PPV）、丁二烯和丙烯腈所組成的無序混合物等，計算其中的氫鍵。納米材料的構(gòu)建納米材料的結(jié)構(gòu)分析，納米材料的建模工具及方法課堂練習(xí)及討論（3）重點和難點難點：納米團簇和納米薄膜的構(gòu)建方法。（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容理解介觀方法基本原理，利用介觀方法模擬材料。7.

介觀方法與材料計算（4學(xué)時）重點：多種納米模型的構(gòu)建方法。分別構(gòu)建單壁、多壁碳納米管；石墨烯；納米超薄膜；納米團簇。介觀模擬介紹介觀方法基本原理；介觀模擬模塊介紹及基本操作課堂練習(xí)及討論（3）3重點和難點難點：MesoDyn模塊操作。（1）基本要求（2）教學(xué)內(nèi)容Origin的基本功能及應(yīng)用。使用Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理。重點：Origin軟件的作圖。四達成課程目標(biāo)的途徑和措施本課程涉及到的教學(xué)方法有“講授法”、“案例教學(xué)法”、“多媒體視頻法”、“課堂討論法”、“課堂練習(xí)法”等，教學(xué)內(nèi)容緊跟各種材料發(fā)展前沿，及時補充新材料、新技術(shù)等內(nèi)容，根據(jù)每屆學(xué)生特點和教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)方法，以提高整體學(xué)習(xí)效果，促進畢業(yè)要求指標(biāo)點的達成。2）充分利用多媒體手段。通過材料制備于應(yīng)用方面的動畫/視頻播放與講解，使學(xué)生在課堂上切身感受材料生產(chǎn)過程、使用環(huán)境等，加深認識。2.

教學(xué)手段3.課外閱讀要求4.多環(huán)節(jié)訓(xùn)練（2）期末考試課程考核由作業(yè)和期末考試兩部分組成，內(nèi)容須覆蓋全部課程目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點。各考核環(huán)節(jié)及所占比重見下表：五.課程綜合記分方法（1）作業(yè)（課堂講解/討論）要求學(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）、圖書館資源（期刊、專業(yè)文獻）等多種手段獲取信息，進行課外文獻和案例檢索，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，拓展專業(yè)視野，認識行業(yè)最新發(fā)展前沿。本課程采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，采用“多媒體”結(jié)合“板書”的教學(xué)手段進行授課，“多媒體”可將抽象的內(nèi)容生動化，將動畫視頻、錄像及圖片穿插到教學(xué)內(nèi)容中，使學(xué)生“身臨其境”地學(xué)習(xí)，達到課程目標(biāo)要求?！鞍鍟笨捎糜谳o助表達，二者充分發(fā)揮優(yōu)勢，揚長避短。3）課堂練習(xí)。為使學(xué)生真正操作方法和技巧，老師針對教學(xué)知識點講解演示后給出練習(xí)題，課堂上安排大量時間供學(xué)生進行練習(xí)，老師隨時監(jiān)督、學(xué)生學(xué)習(xí)的程度和效果，如發(fā)現(xiàn)問題或錯誤可及時糾正改進，保證學(xué)習(xí)效果。1）案例教學(xué)法，以點帶面。教師通過引入具體問題啟發(fā)學(xué)生思考，介紹材料研究和發(fā)展的整體概況。1.

本課程的教學(xué)方法難點：多數(shù)列數(shù)據(jù)的處理及作圖。（3）重點和難點2）課堂練習(xí)及討論1)數(shù)據(jù)處理的概念及內(nèi)容；理解并運用Origin數(shù)據(jù)處理軟件。8.

數(shù)據(jù)處理（2學(xué)時）重點：介觀模擬的概念及基本方法。使用MesoDyn模塊模擬油水分離?？己谁h(huán)節(jié)比重（%）作業(yè)50期末考試50總計100（注：無故曠勤1/3者，不允許參加期末考試。）評分標(biāo)準：作業(yè)：每次作業(yè)必須在正式上課前交，遲交作業(yè)或作業(yè)不滿足下列要求，均以零分計。每次作業(yè)按百分制評分，總評后折算成50分。作業(yè)（課堂講解/討論）的評分標(biāo)準觀測點85~100分75~84分60~74分＜60分完成進度嚴格按照作業(yè)要求并及時完成基本按照作業(yè)要求并及時完成不能按照作業(yè)要求，未及時完成不能按照作業(yè)要求，未及時完成概念程度概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念錯誤分析或結(jié)論有效性分析合理、結(jié)論有效分析基本合理、結(jié)論基本有效分析不合理不能制定正確和合理解決問題的方案。課堂講解/討論思路清晰，表達準確，積極發(fā)言進行溝通交流，儀態(tài)大方。思路較清晰，表達基本準確，概念基本清楚，發(fā)言比較積極，儀態(tài)較大方。表達不清晰，概念有錯誤，發(fā)言交流比較被動。講解錯誤，不能進行有效溝通，舉止不得體。

2）

期末考試：期末考試成績是通過開卷考試的卷面成績給出，考核內(nèi)容覆蓋課程知識點。按期末考試的標(biāo)準答案和評分標(biāo)準百分制評分，總評后折算成50分。試卷藍圖設(shè)計如下：試卷藍圖設(shè)計課程目標(biāo)

對應(yīng)試題把握能力層次目標(biāo)分值百分比（%）認識理解應(yīng)用1一2-55-105-1010-2010-202二10-2010-2040-6080-9080-90

100

六、評估方法本課程采用基于課程目標(biāo)（即預(yù)期學(xué)習(xí)成果）的評估方法，包括：1）根據(jù)課程目標(biāo)設(shè)計并實施相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動；2）收集學(xué)習(xí)活動中各種學(xué)習(xí)成果的評估資料；3）分析和評估實際的學(xué)習(xí)成果，做出正確的判斷。4）寫出反思和持續(xù)改進報告（包括評估過程、評估結(jié)果、教學(xué)反思和持續(xù)改進）。

課程目標(biāo)1評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點解釋計算材料學(xué)的發(fā)展歷程,認識其在材料研發(fā)和研制中的作用認識計算材料學(xué)的內(nèi)涵、意義、層次，認識計算材料學(xué)的發(fā)展歷程、特點及其在材料研發(fā)和產(chǎn)品研制中的作用。期末考試

課程目標(biāo)2評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點1、能夠辨別與選用合適的理論或軟件模塊對無機非金屬材料進行多尺度建模無機非金屬材料典型分子、晶體、非晶體、聚合物、納米材料等的模型構(gòu)建方法。作業(yè)（課堂講解/討論）

期末考試

2、解釋模型的局限性認識各種模型所代表的物理意義及適用范圍，針對不同材料體系和目的選取不同的建模方法。作業(yè)（課堂講解/討論）

課程目標(biāo)3評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點1、解釋第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬等典型材料計算方法認識第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬的理論基礎(chǔ)、典型軟件與模塊，認識計算模塊參數(shù)設(shè)置方法。作業(yè)（課堂講解/討論）

期末考試

2、利用第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬展開無機非金屬材料結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)及性能計算第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬對無機非金屬對于材料結(jié)構(gòu)、性能的計算方法，溫度、時間、壓力等工藝參數(shù)設(shè)置方法。作業(yè)（課堂講解/討論）

期末考試

3、理解第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬計算和預(yù)測的局限性認識第一性原理、分子動力學(xué)和介觀模擬等材料計算方法的適用范圍和局限性，針對不同材料體系和目的選取合適的材料計算方法。作業(yè)（課堂講解/討論）

4、能夠辨別及運用基本數(shù)據(jù)處理技術(shù)和技巧認識數(shù)據(jù)處理的作用和必要性，認識典型數(shù)據(jù)處理軟件，基本數(shù)據(jù)處理技術(shù)和技巧。作業(yè)（課堂講解/討論）

課程目標(biāo)4評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點具備選用材料計算技術(shù)開展材料組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的科學(xué)研究能力。具有針對不同材料體系和研究目的，選用不同計算方法、軟件和參數(shù)設(shè)置，研究無機非金屬材料組成、結(jié)構(gòu)與性能。作業(yè)（課堂講解/討論）

七課程目標(biāo)達成評價與持續(xù)改進機制課程評價周期定為每2年評價一次，評價小組由教學(xué)指導(dǎo)委員會和專業(yè)負責(zé)人組成。評價小組依據(jù)畢業(yè)要求達成度目標(biāo)值設(shè)置課程達成目標(biāo)值，采用課程總評成績分析法進行評價。依據(jù)課程評價的結(jié)果，尋找問題，持續(xù)改進課程教學(xué)質(zhì)量。依據(jù)畢業(yè)要求達成度評價結(jié)果，持續(xù)改進課程體系。2持續(xù)改進機制建立持續(xù)改進制度成立本課