计算材料学A

《计算材料学A》课程大纲

一课程性质和目标

本课程是无机非金属材料工程专业的专业必修课，主要学习材料组成、结构和性能关系的计算机模拟与预测的基础理论和软件应用，是材料科学与计算机科学交叉学科的一门课程。课程内容包括：材料模型的基本概念，建立模型的基本原则和方法，认识不同尺度下的第一性原理计算、分子动力学模拟及介观模拟的典型材料计算方法和软件应用原理，进行不同尺度下典型无机非金属材料的计算。培养学生运用材料计算方法进行材料学中结构和性能关系预测的能力，培养学生的创新能力和创新意识。

通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：

知识目标：

1. 解释计算材料学的发展历程，认识其在材料研发中的作用。
2. 能够辨别与选用合适的理论或软件模块对无机非金属材料进行多尺度建模,并能解释模型的局限性。
3. 能够解释第一性原理、分子动力学和介观模拟等典型材料计算方法，开展无机非金属材料结构、工艺参数和性能的模型建立和计算，分析计算和预测结果的合理性和局限性。能够选择和运用基本数据处理技术和技巧。
4. 能力目标：
5. 能选用材料计算技术开展材料组成、结构与性能关系的计算和预测分析能力。（1）本课程所能支撑的毕业要求如下：
6. 二本课程所支撑的毕业要求

（2）本课程内容与毕业要求指标点的对应关系

三教学基本内容

（一）理论教学基本内容（48学时）

1 绪论（2学时）

（1） 基本要求

理解本课程的意义及在材料研究中的地位，理解本课程的主要教学内容、教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度，理解本课程的发展历史及相关教材及参考书的特点。

（2） 教学内容

• 材料计算的层次及发展简况
• 课程大纲解读

课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果。

（3） 重点

2 分子结构建立与计算（10学时）

（1）基本要求

构建简单分子模型，运用多种显示模式。

（2）教学内容

1. 分子结构的建立。
2. 生成Projects；打开并且观察3D 文档，多种显示模式的选择，原子的添加、修改及化学键设定。
3. 性能模拟与计算
4. 模拟计算分子稳定构型、尺寸、化学键及红外光谱。
5. 学生练习与讨论（3） 重点和难点难点：模拟红外光谱。（1） 基本要求（2） 教学内容
6. 理解晶体材料的结构特征，构建典型晶体结构，理解并运用稳定性判据以及晶体电子和光学性能计算方法。
7. 3. 晶体结构建立与计算（20学时）
8. 重点：分子模型的构建方法。
9. 分别构建水分子、苯酚分子、卟啉、甲基乙酸甲脂、分子等结构，计算并分析其稳定构型、尺寸、化学键及红外光谱。

1. 晶体结构的构建
2. 无机非金属晶体的构建及特征分析、分子晶体的构建及特征分析、掺杂晶体的构建、分子在晶体表面吸附模型的构建。
3. 晶体性能计算3）课堂练习及讨论（3） 重点和难点难点：晶体热稳定性计算判据（1） 基本要求（2） 教学内容
4. 理解无机非晶体的结构特征；构建玻璃模型并进行和计算模拟。
5. 4. 无机非晶体结构建立与模拟（4学时）
6. 重点：晶体模型的构建方法及第一性原理计算。
7. 构建Alpha 石英晶体；导入ZnO、TiO₂、SnO₂和典型硅酸盐晶体；处理分子晶体：尿素；构建SiGe掺杂体系；用第一性原理预测Si的晶格参数；计算对比金刚石和石墨的内聚能；计算ZnO的能带结构、态密度和差分电子密度图，进行电子布局分析；计算分析TiO₂的光学性能，模拟CaO的XRD谱图；构建CO 分子在 Pd(110)表面的吸附模型。
8. 第一性原理计算简介、CASTEP模块的使用、热稳定性计算，平衡态结构预测、电子性能计算、光学性能计算、力学性能计算和衍射图谱模拟。

1. 无机非晶体结构的构建
2. 非晶结构特征分析，无机非晶体结构的建立；
3. 使用分子动力学方法模拟玻璃结构
4. 分子动力学方法简介、力场和势函数、Forcite模块的使用、径向分布函数
5. 课堂练习与讨论（3） 重点和难点难点：径向分布函数计算与分析。（1） 基本要求（2）教学内容
6. 要求学生理解聚合物材料的结构特征；构建聚合物模型，理解并计算氢键。
7. 5. 聚合物结构建立与计算（2学时）
8. 重点：Forcite模块的使用。
9. 使用Forcite模块模拟构建石英玻璃，分析其结构特征；

1. 聚合物结构的构建
2. 聚合物的结构特征分析；聚合物建模工具介绍。
3. 聚合物的计算
4. 计算聚合物之间的氢键。
5. 课堂练习与讨论（3） 重点和难点难点：聚合物模型构建聚合物中氢键的模拟。（1） 基本要求（2） 教学内容
6. 理解纳米材料的结构特征；构建纳米材料结构模型。
7. 6. 纳米材料结构建立（4学时）
8. 重点：多种聚合物模型的构建方法。
9. 分别多甲基异丁烯酸盐、聚苯乙烯（PPV）、丁二烯和丙烯腈所组成的无序混合物等，计算其中的氢键。

1. 纳米材料的构建
2. 纳米材料的结构分析，纳米材料的建模工具及方法
3. 课堂练习及讨论（3）重点和难点难点：纳米团簇和纳米薄膜的构建方法。（1） 基本要求（2） 教学内容
4. 理解介观方法基本原理，利用介观方法模拟材料。
5. 7. 介观方法与材料计算（4学时）
6. 重点：多种纳米模型的构建方法。
7. 分别构建单壁、多壁碳纳米管；石墨烯；纳米超薄膜；纳米团簇。

1. 介观模拟介绍
2. 介观方法基本原理；介观模拟模块介绍及基本操作
3. 课堂练习及讨论（3）3 重点和难点难点：MesoDyn模块操作。（1）基本要求（2）教学内容Origin的基本功能及应用。使用Origin软件进行数据处理。重点：Origin软件的作图。四达成课程目标的途径和措施本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“案例教学法”、“多媒体视频法”、“课堂讨论法”、“课堂练习法”等，教学内容紧跟各种材料发展前沿，及时补充新材料、新技术等内容，根据每届学生特点和教学内容，调整教学方法，以提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。2）充分利用多媒体手段。通过材料制备于应用方面的动画/视频播放与讲解，使学生在课堂上切身感受材料生产过程、使用环境等，加深认识。2. 教学手段3.课外阅读要求4.多环节训练（2）期末考试课程考核由作业和期末考试两部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。
4. 各考核环节及所占比重见下表：
5. 五.课程综合记分方法
6. （1）作业（课堂讲解/讨论）
7. 要求学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外文献和案例检索，加深对教学内容的理解，拓展专业视野，认识行业最新发展前沿。
8. 本课程采用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，将动画视频、录像及图片穿插到教学内容中，使学生“身临其境”地学习，达到课程目标要求。“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。
9. 3）课堂练习。为使学生真正操作方法和技巧，老师针对教学知识点讲解演示后给出练习题，课堂上安排大量时间供学生进行练习，老师随时监督、学生学习的程度和效果，如发现问题或错误可及时纠正改进，保证学习效果。
10. 1）案例教学法，以点带面。教师通过引入具体问题启发学生思考，介绍材料研究和发展的整体概况。
11. 1. 本课程的教学方法
12. 难点：多数列数据的处理及作图。
13. （3）重点和难点
14. 2）课堂练习及讨论
15. 1) 数据处理的概念及内容；
16. 理解并运用Origin数据处理软件。
17. 8. 数据处理（2学时）
18. 重点：介观模拟的概念及基本方法。
19. 使用MesoDyn模块模拟油水分离。

（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）

评分标准：

1. 作业： 每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成50分。
2. 作业（课堂讲解/讨论）的评分标准

2） 期末考试：期末考试成绩是通过开卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成50分。试卷蓝图设计如下：

试卷蓝图设计

六、评估方法

本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。

课程目标1评估设计

课程目标2评估设计

课程目标3评估设计

课程目标4评估设计

七课程目标达成评价与持续改进机制

课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负责人组成。评价小组依据毕业要求达成度目标值设置课程达成目标值，采用课程总评成绩分析法进行评价。依据课程评价的结果，寻找问题，持续改进课程教学质量。依据毕业要求达成度评价结果，持续改进课程体系。

2 持续改进机制

1. 建立持续改进制度

1. 成立本课程持续改进组。
2. 由课程持续改进组组长负责组织执行并监督持续改进过程。
3. 制定持续改进措施。

1. 成立本课程持续改进组组员：秦国强、张光磊
2. 组长：付华

1. 本课程持续改进方法

1. 平时成绩考核机制：根据每届学生学情，课程组教师须及时汇总统计学生平时成绩考核的各项指标，及时调整学生的状态，并做相应记录。
2. 期末考试考核机制：对期末考试试卷进行分析，统计各部分试题得分情况，将统计结果用于整体分析研究该门课程，用于课程的持续改进。

1. 本课程持续改进措施

1. 针对平时成绩考核，采取与学生讨论、与学生单独交流等措施改进。
2. 针对期末考试考核，根据学生考试出现的问题和本课程的重点内容对补考的学生采取辅导、答疑等措施改进。  
3. 制表：秦国强 审核：付华   批准：           发布日期：2018年
4.