《計算材料學(xué)》課程教學(xué)大綱

一、課程基本情況

課程代碼：101145123016

課程名稱（中/英文）：計算材料學(xué)/CompulalionalMaterialsScience

課程類別：專業(yè)選修課

學(xué)分：1

總學(xué)時：16

理論學(xué)時：16

實驗/實踐學(xué)時：0

適用專業(yè)：無機非金屬材料工程

適用對象：本科

先修課程：高等數(shù)學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、大學(xué)物理、物理化學(xué)。

教學(xué)環(huán)境：線下或混合式教學(xué)

開課學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院

二、課程簡介

1.課程任務(wù)與目的

《計算材料學(xué)》是材料科學(xué)與計算機科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興學(xué)

科，是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能的計算機模擬與設(shè)計的學(xué)科，是材料科學(xué)研究

里的“計算機實驗“。它涉及材料、物理、計算機、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。本課程把計算機

作為材料科學(xué)研究的工具，把基礎(chǔ)科學(xué)理論，尤其是晶體學(xué)，固體物理、物理化學(xué)中的基本

理論，應(yīng)用到新材料的開發(fā)和性能研究中，改善實驗研究手段，提高實驗效率。同時更深層

次地解析實驗結(jié)果背后的理論，揭示客觀規(guī)律，證實客觀規(guī)律，使科學(xué)理論建立在更加客觀

的基礎(chǔ)上。結(jié)合計算材料學(xué)發(fā)展歷史中的案例和故事，開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識,

樹立科學(xué)的計算材料學(xué)觀念。通過對國內(nèi)外的學(xué)者介紹和軟件介紹，培養(yǎng)同學(xué)們家國情仰;,

堅定文化自信和大國自豪感，注重專業(yè)知識與人格的培養(yǎng).培養(yǎng)學(xué)牛的社會豐義核心價值觀.

恪守職業(yè)道德，傳承民族精神，激發(fā)學(xué)生工業(yè)興國、愛國熱情。并講解華人科學(xué)家在計算材

料及相關(guān)物理化學(xué)領(lǐng)域的故事，如沈呂九等，并講解實際計算案例，使同學(xué)們了解計算模擬

方法在材料學(xué)研究中的作用，進而促進課程知識和學(xué)習(xí)能力目標(biāo)的達成。

2.對接培養(yǎng)的崗位能力

通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解計算機在無機材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，了解無

機材料組成、結(jié)構(gòu)及性能之間的內(nèi)在關(guān)系；掌握無機材料不同性能的內(nèi)在影響因素和各因素

間的協(xié)同機制，能夠通過計算機模擬分析復(fù)雜材料體系的晶體結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)以及力學(xué)，熱

學(xué)，磁學(xué)等方面的性能。了解材料制備過程中的物相變化規(guī)律，能夠用理論闡明材料形成過

程的本質(zhì)，掌握應(yīng)用模擬解決材料開發(fā)生產(chǎn)的實際問題，為今后從事無機材料生產(chǎn)和新材料

開發(fā)、研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。通過本課程實驗，使學(xué)生加深對理論教學(xué)內(nèi)容的理解，掌

握無機材料性能預(yù)測、分析的基本原理和方法，著重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題和獨立思

考的能力，并使學(xué)生科學(xué)研究能力得到一定的訓(xùn)練。

課程教學(xué)目標(biāo)

1.課程對畢業(yè)要求的支撐

［畢業(yè)要求指標(biāo)點L2］具有無機非金屬材料專業(yè)領(lǐng)域需要的數(shù)據(jù)分析能力，能針對具體

的對象建立數(shù)學(xué)模型并利用計算機求解。

［畢業(yè)要求指標(biāo)點1.3］能夠?qū)⑾嚓P(guān)工程專業(yè)知識和數(shù)學(xué)分析方法用于推演、分析無機非

金屬材料領(lǐng)域工程問題。

［畢業(yè)要求指標(biāo)點2.3］能認(rèn)識到解決無機非金屬材料領(lǐng)域復(fù)雜工程問題有多種方案可

選擇，會通過文獻研究尋求可替代的解決方案。

［畢業(yè)要求指標(biāo)點5.2］能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟

件，對無機非金屬材料領(lǐng)域更雜工程問題進行分析、計算與設(shè)計。

2.課程教學(xué)目標(biāo)

對應(yīng)畢業(yè)要求，具體內(nèi)容如下：

教學(xué)目標(biāo)1：能夠掌握第一性原理的主要計算方法中密度泛函理論、能帶理論，有效質(zhì)

量等相關(guān)概念和理論，解釋晶體結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)、晶體缺陷等與性能的關(guān)系，并能夠利用這

些知識去構(gòu)建晶體模型、計算目標(biāo)性能、分析相關(guān)機理。（支撐畢業(yè)要求1.2）。

教學(xué)H標(biāo)2：能夠以無機非金屬材料工程問題為導(dǎo)向，從材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、

化學(xué)鍵，能帶雜化、固體表面與界面、相變等基本理論角度進行分析推演，并能夠利用這些

知識去分析、表達無機非金屬材料工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。（支撐畢業(yè)要求1.3）。

教學(xué)目標(biāo)3：能夠查閱相關(guān)文獻資料，運用無機非金屬材料的晶體學(xué)信息，借助第一性

原理計算對材料的化學(xué)組成、物相結(jié)構(gòu)、理化性能以及相互關(guān)系進行識別、表達和分析，能

夠判斷無機非金屬材料生產(chǎn)加工過程的復(fù)雜問題及其合理性，并獲得有效結(jié)論。（支撐畢業(yè)

要求2.3）。

教學(xué)目標(biāo)4：能夠正確識別無機非金屬材料領(lǐng)域復(fù)雜的工程問題，判斷相關(guān)問題方向，

查詢文獻資料，利用專業(yè)對應(yīng)的模擬軟件，對相關(guān)問題進行模擬、仿真，分析問題所在，并

設(shè)計可行的解決方案，對癥下藥，選擇適當(dāng)?shù)膬x器，有效解決復(fù)雜的工程問題。（支撐畢業(yè)

要求5.2）。

四、教學(xué)課時安排

（一）學(xué)時分配

主題或教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時學(xué)時完成課程

知識點講實5->教學(xué)目標(biāo)

課驗踐

主計算材料學(xué)概

22001

題1論

主第一性原理及

44001、2、3

題2其應(yīng)用

分子動力學(xué)方

44001、2、3

題3法

主

蒙特卡洛方法22001、4

題4

主材料介觀尺度

22001、2、4

題5模擬

連續(xù)介質(zhì)數(shù)值

主

模擬計算基礎(chǔ)及工22001、2、3、4

題6

程應(yīng)用

合1

16

計6

五、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)設(shè)計

主題1計算材料學(xué)概論

1.教學(xué)內(nèi)容

1.課程內(nèi)涵及研究意義

2.計算材料學(xué)的發(fā)展歷史與作用

3.計算材料學(xué)的范圍、層次及任務(wù)

4.計算材料學(xué)的類型和方法

5.國內(nèi)外研究動態(tài)與展望

2.教學(xué)重點

計算材料學(xué)發(fā)展特點、歷史、基本概念以及特點。

3.教學(xué)難點

計算材料學(xué)的層次和特點。

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

課堂講授，結(jié)合計算材料學(xué)發(fā)展歷史中的故事和案例，尤其是國內(nèi)學(xué)者，如唐敖慶、江

元生和張乾二等老一輩學(xué)者的經(jīng)歷，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、辯證思維能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新

能力；并通過歷史人物，公式推導(dǎo)，理論的發(fā)展演變，傳遞給學(xué)生堅持、求實等積極品質(zhì)；

培養(yǎng)同學(xué)們的理論聯(lián)系實際、透過現(xiàn)象看本質(zhì)等哲學(xué)思維方式；通過幾款國產(chǎn)軟件的介紹，

培養(yǎng)同學(xué)們愛國主義情懷，堅定文化自信，進而促進課程知識和能力目標(biāo)的達成。

主題2第一性原理及其應(yīng)用

1.教學(xué)內(nèi)容

1.概論-量子理論基礎(chǔ)

2.薛定謂方程及量子化學(xué)方法

3.密度泛函理論基礎(chǔ)

4.密度泛函離散變分方法

5.固體能帶理論及其各種近似方法介紹

6.第一性原理計算實例及其在新計算材料學(xué)中的應(yīng)用

2.教學(xué)重點

第一性原理計算設(shè)計方法在新材料開發(fā)方面的應(yīng)用。

3.教學(xué)難點

分子動力學(xué)對平衡態(tài)和非平衡態(tài)的模擬及其應(yīng)用范用。

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

課堂講授與線下自學(xué)相結(jié)合，采用分組討論、啟發(fā)式教學(xué)方法，除了理論知識講授，結(jié)

合用計算實例進行結(jié)果分析，將分析方法與計算相關(guān)理論融入其中，使學(xué)生了解學(xué)習(xí)密度泛

函理論，掌握第一性原理計算的基本要點。并介紹該方法對國內(nèi)材料研發(fā)與應(yīng)用的部分實際

案例，培養(yǎng)學(xué)生對國內(nèi)計算材料發(fā)展的熱愛。

主題3分子動力學(xué)及其方法

1.教學(xué)內(nèi)容

1.分子力場概念與分類

2.原子間相互作用勢

3.能量極小值與分子力學(xué)方法

4.分子動力學(xué)基本原理

5.分子動力學(xué)模擬計算過程

6.分子動力學(xué)為發(fā)展和局限性

7.分子動力學(xué)方法在計算材料學(xué)中的應(yīng)用

2.教學(xué)重點

分子動力學(xué)的基本方法和概念，以及基本原理和特點。

3.教學(xué)難點

分子動力學(xué)對平衡態(tài)和非平衡態(tài)的模擬及其應(yīng)用范圍。

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

課堂講授與線下自學(xué)相結(jié)合，在知識講授的過程中，由在經(jīng)典案例中引出基本概念，講

解模型構(gòu)造，平衡相與非平衡相以及相關(guān)結(jié)果，并加以引導(dǎo)分析，教授模擬過程的基本操作

和借本結(jié)果分析方法。介紹國內(nèi)超級計算機平臺的發(fā)展，以及國內(nèi)計算平臺對計算材料的支

持，培養(yǎng)學(xué)生對中國在該領(lǐng)域的熱愛。

主題4蒙特卡洛方法

1.教學(xué)內(nèi)容

概率與統(tǒng)計基本知識

2.蒙特卡洛方法起源和發(fā)展

3.蒙特卡洛法基本原理

4.隨機拍樣方法

5.蒙特卡洛方法在計算材料學(xué)中的應(yīng)用

2.教學(xué)重點

解蒙特卡洛計算的基本思想，隨機變量及變量分布確定，期望值方差的計算過程。

3.教學(xué)難點

蒙特卡羅方法的收斂性，誤差，特點及其主要應(yīng)用范圍

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

采用多媒體課堂講授的教學(xué)方法，注意加強與學(xué)生們的互動，通過問題討論、啟發(fā)式教

學(xué)、案例式教學(xué)等形式來使大家掌握蒙特卡洛原理的基本概念和實際應(yīng)用。

主題5材料介觀尺度模擬

1.教學(xué)內(nèi)容

1.模擬微觀組織深化的意義

2.相場理論表示微觀組織的主要原理方法

3.相場方法模擬微觀組織演化的一般步驟

2.教學(xué)重點

理解學(xué)習(xí)模擬微觀組織演化的意義，理解相場理論表示微觀組織的方法，掌握用相場方

法模擬微觀組織演化的一般步驟。

3.教學(xué)難點

微觀結(jié)構(gòu)的相場表示與微觀結(jié)構(gòu)的演化驅(qū)動力及演化方程。

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

課堂講授與線上自學(xué)相結(jié)合，采用問題討論式、啟發(fā)式教學(xué)方法，選取國內(nèi)外經(jīng)典案例

尤其是國內(nèi)科學(xué)家相關(guān)的經(jīng)典案例進行剖析，使大家掌握相場模擬中模擬長度尺度，計算時

間，邊界條件以及相關(guān)結(jié)果的初步分析，也激勵學(xué)生對模擬計算的學(xué)習(xí)熱情，加深學(xué)生投身

國內(nèi)計算材料建設(shè)發(fā)展的熱情。

主題6連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)及工程應(yīng)用

1.敦學(xué)內(nèi)容

1.連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)

2.常用商'也軟件使用簡介

3.無機材料應(yīng)用中的流場分析與計算

4.無機材料的溫度場分析與計算

5.無機材料的應(yīng)力場分析與計算

2.教學(xué)重點

掌握有限元的基本理論和方法，掌握有限單元法分析的步驟，了解常用有限元分析軟件,

并能夠用限單元法分析并計算無機材料應(yīng)用中的流場、溫度場、與應(yīng)力場。

3.教學(xué)難點

有限元的基本理論與方法，耐火材料的熱應(yīng)力計算。

4.教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）

通過引導(dǎo)學(xué)生線下查閱自學(xué)連續(xù)介質(zhì)模型，課上引入名人典故，如中國科學(xué)院院士馮康

培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和，講授連續(xù)介質(zhì)模型的構(gòu)筑，力場中的數(shù)值問題模擬，動力學(xué)描述和

連續(xù)介質(zhì)方程。

六、學(xué)生成績評定

1.課程考核方式及比例

本課程考核學(xué)生獲取知識的能力、應(yīng)用所學(xué)知識分析問題和解決問題能力等；本課程

考核方式采用作業(yè)評測、課堂表現(xiàn)、階段測驗和期末考試等多種形式、多個階段等全過程的

考核，使學(xué)生成績評定更加合理多樣，優(yōu)化課程評價體系，進一步提升本課程教學(xué)效果。

學(xué)生成績評定表

平時成績

期

考核出作課堂階段答q小實中考

末考

方式勤業(yè)表現(xiàn)測驗辯目論文驗試

試

VJ

成績比25

5520

例%00

2.課程考核方式評價權(quán)重

本課程教學(xué)目標(biāo)與考核方式評價權(quán)重如表所示:

考核評價方式權(quán)重（％）

支撐畢業(yè)

課程教學(xué)過程性考核

要求實期末合

目標(biāo)出勤及作業(yè)及

指標(biāo)點驗考試計

課堂階段

2

教學(xué)目標(biāo)1指標(biāo)點1.2010010

0

2

教學(xué)目標(biāo)2指標(biāo)點1.3010010

0

2

教學(xué)目標(biāo)3指標(biāo)點2.3010010

0

4

教學(xué)目標(biāo)4指標(biāo)點5.21010020

0

\

合計1040050

00

3.課程成績評價標(biāo)準(zhǔn)

平時成績評定及考核標(biāo)準(zhǔn)

考核

考核結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)節(jié)

評估不及格

優(yōu)秀良好中等及格

項目及權(quán)（＜60

(90-1005?)（80-89分）（70-79分）（60-69分）

重分）

無遲到、早退、無遲到、早退偶有遲到、早有遲到、早退、遲到、早

曠課現(xiàn)象：積極參加現(xiàn)象；較為積極參退現(xiàn)象：能夠主動偶爾有曠課現(xiàn)象；退、曠課較多：

出勤

課堂討論，并有自己加課堂討論，并提參加課堂討論；主參與課堂討論；基不能有效參加

及課堂表

獨到的見解；能夠準(zhǔn)出自己的見解：能要問題回答正確.木能夠回答相關(guān)問課堂討論；回

現(xiàn)（10%）

確回答所有問題。夠正確回答問題。題。答不出主要問

題。

能夠獨立完成能夠獨立完成能夠獨立完基本能夠獨立不能獨立

作業(yè)，能夠靈活運用作業(yè)，能夠運用所成作業(yè)，能夠運用完成作業(yè)，部分題完成作業(yè)，作

所學(xué)知識和理論解學(xué)知識和理論解決所學(xué)知識和理論目解答不準(zhǔn)確，運業(yè)提交不及

作業(yè)

決問題，并獲得正詢問題，并獲得正確解決問題，并獲得用所學(xué)知識和理論時，準(zhǔn)詢率較

(20

結(jié)論，作業(yè)完成質(zhì)量結(jié)論，作業(yè)完成歷有效結(jié)論，完成質(zhì)分析解決問題的能低，運用所學(xué)

%)

優(yōu)秀量較氤量符合要求，力基本符合要求。知識和理論分

析問題的能力

不足。

階段完成所有階段完成所有階段完成所芍階基本完成階段基本完成

測驗測驗，準(zhǔn)確率高。測驗，準(zhǔn)確率較高。段測驗，準(zhǔn)照率中測驗,準(zhǔn)確率較低。階段測試，準(zhǔn)

（20%）等。確率低。

課程教學(xué)目標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

考核

考核結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)節(jié)

評估優(yōu)秀

良好中等及格不及格

項目及權(quán)（90-100

（80?89分）（70?79分）（60-69分）（＜60分）

重分）

正確認(rèn)識計算正確認(rèn)識計算能夠認(rèn)識計算能夠認(rèn)識計算無法認(rèn)識計算

材料學(xué)在材料研發(fā)材料學(xué)在材料研發(fā)材料學(xué)在材料研發(fā)材料學(xué)在材料研發(fā)材料學(xué)在材料研發(fā)

和研制中的作用，和研制中的作用，和研制中的作用，和研制中的作用，和研制中的作用,

能以活表述計算材能清晰表述計算材能正確表述計算材基本能表述計算材不能清晰表述計算

料學(xué)相關(guān)的基本理料學(xué)相關(guān)的基本理科學(xué)相關(guān)的基本理料學(xué)相關(guān)的基本理材料學(xué)相關(guān)的基本

教學(xué)

論知識，能靈活分論知識，能正確分論知識，能分析無論知識，基本會分理論知識，不能分

目標(biāo)1

析無機井金屬材料析無機非金屬材料機井金屬材料領(lǐng)域析無機井金屬材料析無機北金屬材料

領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，的相關(guān)數(shù)據(jù)，會針領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域F勺相關(guān)數(shù)據(jù)，

能夠針對專業(yè)問題能熟練針對專業(yè)問對專業(yè)問題構(gòu)建數(shù)基本針對專業(yè)問題無法針對專業(yè)問題

靈活構(gòu)建數(shù)學(xué)模型題構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并學(xué)模型并進行求構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進

并進行求解分析。進行求解。解。行求解。行求解。

能夠系統(tǒng)掌握

計算材料科學(xué)基本能夠準(zhǔn)確掌握

能夠掌握計算基本掌握計算

理論，靈活運用相U算材料科學(xué)基本不能將計算材

材料科學(xué)基本理論材料科學(xué)基本理論

關(guān)軟件模擬分析無理論分析方法，合料學(xué)相關(guān)的專業(yè)理

分析方法，運用所分析方法，運用所

教學(xué)機非金屬材料工程理運用所學(xué)理論分論知識和分析方法

學(xué)理論分析材料生學(xué)理論分析材料生

目標(biāo)2問題，并能對材料析材料生產(chǎn)、加工用于推演、分析無

產(chǎn)、加工及服役過產(chǎn)、加工及服役過

生產(chǎn)、加工及服役及服役過程中的復(fù)機非金屬材料領(lǐng)域

程中的豆雜工程問程中的復(fù)雜工程問

過程中的復(fù)雜工程雜工程問題，提出工程問題。

題，思路基本正確.題，思路不夠準(zhǔn)確。

問題提出準(zhǔn)確的解正確的解決思路。

決思路。

能夠查閱并靈能夠查閱并正

基本能夠查閱不能夠查閱正

活利用文獻資料，確利用文獻資料，能夠查閱相關(guān)

正確文獻資料，不確文獻資料，難以

熟練借助第?性原正確合理借助第一文獻資料，能夠借

能夠借助第一性原借助第一性原理計

理計算對材料的化性原理計算對材料助笫一性原理計算

理計算對材料的化算對材料的化學(xué)組

學(xué)組成、物相結(jié)構(gòu)、的化學(xué)組成、物相對材料的化學(xué)組

學(xué)組成、物相結(jié)構(gòu)、成、物相結(jié)構(gòu)、理

理化性能以及相互結(jié)構(gòu)、理化性能以成、物相結(jié)構(gòu)、理

教學(xué)理化性能以及相互化性能以及相互關(guān)

關(guān)系進行識別、表及相互關(guān)系進行識化性能以及相互關(guān)

目標(biāo)3關(guān)系進行識別、表系進行識別、表達

達和分析，準(zhǔn)確判別、表達和分析,系進行識別、表達

達和分析，能夠判和分析，不能夠判

斷無機非金屬材料并準(zhǔn)確判斷無機非和分析，并判斷無

斷無機非金屬材料斷無機非金屬材料

生產(chǎn)加工過程的復(fù)金屬材料生產(chǎn)加工機非金屬材料生產(chǎn)

生產(chǎn)加工過程的復(fù)生產(chǎn)加工過程的復(fù)