1023S06017-计算材料学-2023版人才培养方案教学大纲.docxVIP

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ADDINCNKISM.UserStyle《计算材料学》课程教学大纲

（理论课程·2023版）

课程基本信息

课程号

1023S06017

开课单位

物理科学与技术学院

课程名称

（中文）计算材料学

（英文）ComputationalMaterialsScience

课程性质

选修

考核类型

考查

课程学分

3

课程学时

51

课程类别

专业发展课程（专业拓展课）

先修课程

普通物理、固体物理

适用专业（类）

新能源材料与器件

二、课程描述及目标

（一）课程简介

《计算材料学》将从微观粒子（原子、电子）到宏观连续体等跨尺度及多结构层次介绍计算材料学的基本概念，主要研究方法和技术。内容涵盖数值模拟、统计分析及可视化等相关技术和软件，重点讲述显微尺度模拟、原子模拟和基于量子力学第一性原理的模拟技术和方法，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学方法以及第一性原理。从而加深学生对材料“组织结构—性能”本构关系的理解。

（二）教学目标

通过本课程，使学生掌握基本的计算模拟理念和方法，激发并拓宽学生新的材料研究理念与思维模式，使其充分了解材料计算和模拟既是理论和实验方法的融合，又是对两者的重要补充，是现代材料学不可或缺的新的研究方法。

课程目标1：了解《计算材料学》方法的理论基础，基本原理、及适用范围；

课程目标2：初步掌握计算材料学研究中常用的计算方法和数值摸拟技术，通过后续专业课程的学习，具有深入分析材料的结构、组成及其在物理、化学过程中微观变化机制的能力；掌握蒙特卡洛方法的原理及应用；能初步解决一些简单的设计和模拟问题。

课程目标3：具备专业从事材料模拟与计算的初步基础，掌握计算材料学新方法、新技术的自学能力。

课程目标4：通过科学思维方法的训练，培养学生运用科学原理解决实际问题的工程能力，为将来从事材料设计及研发工作奠定必要的基础。

三、课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求指标点

课程目标

权重

2.具有从事新能源材料与器件专业相关工作所需要的数学，自然科学，工程基础和专业知识，能够将其用于解决新能源材料与器件相关领域的复杂工程问题

课程目标1

课程目标2

50%

3.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理、专业知识和技术方法，识别、表达材料结构与性能的关系，分析并解决新能源材料与器件制备过程出现的问题，并综合文献研究分析具体的新能源材料与器件相关领域的复杂工程问题，以获得有效结论。

课程目标2

20%

4.在考虑安全、环保、法律法规等相关标准，以及社会、健康、文化等制约因素的前提下，能够具备根据特定的需求对新能源材料与器件设计、制备配方、生产设备及工艺流程等进行设计及制定开发解决方案的能力，并在设计和开发环节中体现创新意识。

课程目标3

20%

5.能够综合运用新能源材料与器件专业基础理论和技术手段分析对解决新能源材料与器件的制备、结构设计、性能等复杂工程问题进行研究分析及实验验证，能够确定研究路线，选择和设计可行的实验方案，安全进行实验操作，分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

课程目标4

10%

四、教学方式与方法

采用教师课堂授课为主，学生课后自学和编程练习为辅的方式。采用多媒体教学，丰富课堂的教学内。

五、教学重点与难点

(一)教学重点

微分方程的常用数值计算，蒙特卡罗方法，分子动力学方法，量子力学第一性原理。

(二)教学难点

蒙特卡洛方法的原理及应用，分子动力学方法的应用，物质的能带结构及其计算。

六、教学内容、基本要求与学时分配

序号

教学内容

基本要求

学时

教学

方式

对应课程目标

1

第0章绪论

通过绪论的讲述，使学生总体了解计算材料学、多尺度模拟、高性能计算。

2

讲授

课程目标1

课程目标2

2

第1章微分方程的常用数值计算方法

了解差分格式，掌握线性方程组的数值计算方法，熟悉MATLAB语言基础

6

讲授

课程目标2

课程目标3

课程目标4

第2章蒙特卡洛方法

了解蒙特卡洛方法的由来，掌握蒙特卡洛方法的原理及应用；能初步解决一些简单的设计和模拟问题，了解蒙特卡洛方法与分子动力学方法的区别。

10

讲授

课程目标2

课程目标3

课程目标4

2

第3章分子动力学方法

掌握势函数（力）及其求解，

理解边界条件和约束问题，

掌握分子动力学方法的软、硬球模型，了解分子动力学方法在材料科学中的应用。

12

讲授

课程目标2

课程目标3

课程目标4

3

第4章量子力学第一性原理

了解量子力学基础知识，掌握分子的结合能计算，熟悉物质的能带结构及其计算，理解多电子体系的电子态和密度泛函概要。

12

课程目标2

课程目标3

课程目标4

4

第5章有限元方法

理解有限元基本原理和方法，掌握有限