教学大纲-计算材料学

教学大纲

大纲编写人：汤爱涛、谭军、侯自勇、董志华、张昂、袁媛、刘传璞

大纲审核人：杨艳

编写日期：2023.6.25

一、课程基本信息

课程名称	(中文)计算材料学导论
	(英文) Introduction to Computational Materials Science
课程编号	MSE30010
课程学分	3	总学时	56
学时分配	理论:40; 实验:0; 上机:16; 课外:16 （课外学时不计入总学时）
课程类型	专业核心课专业选修课
开课学期	3-1
先修课程	材料科学基础、大学物理、物理化学、程序设计技术
适用专业	材料科学与工程
教材、参考书及其他资料	使用教材： 1.汤爱涛等主编，计算材料学，重庆：重庆大学出版社，2024 2.汤爱涛等主编，计算机在材料工程中的应用，重庆：重庆大学出版社，2008 参考教材： 1.D.罗伯（德）编著，计算材料学,北京：化学工业出版社,2002 2.萨奥尔（美）著，数值分析，北京：机械工业出版社出版，2014 3.曾令可等主编，计算机在材料科学与工程中的应用，武汉：武汉理工大学出版社，2014 4. 王勖成，有限单元法，北京：清华大学出版社，2003

二、课程描述

专业基础课程。课程介绍计算材料学数学基础、第一性原理计算、分子动力学、蒙特卡罗方法、有限元法、热力学和动力学计算、机器学习等,使同学们初步掌握计算机技术在材料科学与工程专业领域应用的基本知识、相关数学方法以及有关软件的基本使用方法，开拓同学们的思路和视野，培养同学们的创新能力。

三、课程目标

掌握现代化工具在专业领域的应用基本方法，提高计算机应用能力。

(1) 初步掌握计算机技术在专业领域应用的基本知识、相关数学方法以及有关软件的基本使用方法；

(2) 能使用现代化工具和信息技术对材料加工使用过程中的微观组织能进行基本数值模拟计算，对宏观性能变化能建立相应的预测模型，并能够分析、理解其局限性。

四、课程目标与毕业要求的对应关系

毕业要求	毕业要求指标点	课程目标对毕业要求的支撑关系	支撑权重
5	5-2能够针对材料科学与工程领域复杂工程问题，开发、选择和使用现代专业检测设备和分析手段，有效利用现代工程工具和信息技术工具，对复杂工程问题进行预测与模拟，并能够分析、理解其局限性。	目标1	0.3

五、课程教学内容与学时分配

序号	知识单元/章节	知识点	教学要求	推荐学时	教学方式	支撑课程目标
1	第1章绪论	计算材料学的定义和涵盖的研究领域，计算材料学在材料科学中的应用和重要性，常见的计算方法和软件介绍，包括分子动力学、蒙特卡罗方法、有限元方法等。	（1）了解计算材料学的定义、研究内容和研究方法（2）理解常见的计算方法和软件	2	课堂教学	1
2	第2章计算材料学数学基础	数据的基础处理方法，包括误差分析、数据清洗、数据变换等，数学模型的基本概念和建立步骤，以及在材料科学中的应用，数值计算方法的基本原理和应用，例如线性代数、微积分、最优化方法等，概率论和统计学的基本概念，包括随机变量、概率分布、统计推断等。	（1）掌握数据的基础处理方法，包括误差分析和曲线拟合等（2）熟悉数学模型的概念和建立步骤（3）理解数值计算方法的基本原理和应用（4）掌握概率论和统计学的基本概念和在材料科学中的应用	8+8	课堂教学+上机实验	1
3	第3章第一性原理计算	第一性原理理论基础，包括量子力学基本原理、薛定谔方程等，多体系统的Schr?dinger方程的求解方法和实践，电子结构计算方法和实践，包括密度泛函理论、从头算等，材料性能的第一性原理计算方法和实践，例如力学性质、光学性质等。	（1）理解第一性原理理论基础和多体系统的Schr?dinger方程（2）熟悉电子结构计算方法和实践（3）掌握材料性能的第一性原理计算方法和应用	6+2	课堂教学+上机实验	1
4	第4章分子动力学计算	分子动力学计算理论基础，包括分子力场、分子运动方程等，分子动力学模拟的步骤和实现，包括初始构型的设置、边界条件的设置等，分子动力学软件的使用和实现，例如LAMMPS、GROMACS等，材料结构和性能的分子动力学计算实践，例如力学性质、扩散性质等。	（1）理解分子动力学计算理论基础和势函数（2）熟悉分子动力学软件实现和LAMMPS模拟基本流程（3）掌握材料结构与性能的分子动力学计算方法和应用	6+2	课堂教学+上机实验	1
5	第5章蒙特卡罗方法	蒙特卡罗方法的基本原理和实现步骤，随机数生成和抽样的方法和实现，蒙特卡罗积分和方差减少技术的介绍和实践，在材料科学中蒙特卡罗方法的应用和实践，例如相变模拟、晶格动力学模拟等。	（1）理解蒙特卡罗方法的发展和基本原理（2）熟悉随机数产生和抽样的方法（3）掌握常用蒙特卡罗方法和提高效率的方法和应用	8	课外学时	1
6	第6章有限元方法	有限元方法的基本原理和实现步骤，包括单元划分、近似函数选择、求解线性方程组等，有限元软件的使用和实现，例如ANSYS、SolidWorks等，材料结构和性能的有限元计算实践，例如弹性性质、塑性性质等，有限元方法的误差分析和收敛判定技术。	（1）理解有限元方法理论基础和单元与离散化模型（2）熟悉有限元方法常用软件和工具箱（3）掌握有限元方法的应用	8	课外学时	1
7	第7章热力学和动力学计算	热力学基本概念和定律，包括态函数、热力学平衡、热力学第一定律等，相图计算方法和实现，包括焓-熵法、模式识别法等，动力学模拟的基本原理和实现步骤，包括反应速率理论、分子动力学模拟等，在材料科学中热力学和动力学计算的应用和实践，例如反应速率常数的计算、材料稳定性和反应性的预测等。	（1）了解热力学计算原理和相图计算方法简介（2）熟悉相图数据库与计算软件简介和动力学计算方法简介（3）掌握热力学和动力学计算的应用	8+2	课堂教学+上机实验	1
8	第8章机器学习	机器学习的基本概念和原理，包括监督学习、无监督学习、强化学习等，常见的机器学习算法和应用领域，例如决策树、支持向量机、神经网络等，在材料科学中机器学习的应用和实践，例如材料设计、性能预测等，机器学习模型的训练和评估方法和技术，包括交叉验证、过拟合和欠拟合的预防和处理等。	（1）了解机器学习基础理论和发展现状（2）熟悉常见的机器学习方法，如k-近邻算法、贝叶斯算法、支持向量机等（3）掌握典型机器学习方法的应用	10+2	课堂教学+上机实验	1

六、课程考核方式与课程目标的对应关系

(1) 课程考核方式及总评成绩组成比例

本课程根据平时成绩、上机实验成绩和期终考试成绩进行综合考核，平时成绩占20%，上机实验成绩20%，期终考试成绩占 60%。

(2) 课程目标与考核方式的关系

课程目标	分目标考察知识点与考核方式
目标1	考察知识点: 计算材料学数学基础、第一性原理计算、分子动力学、蒙特卡罗方法、有限元法、热力学和动力学计算、机器学习等。考核方式：（1）期末考试（2）平时作业、上机实验

(3) 评分标准

1）平时成绩（占20%）

① 通过互联网学习了解计算机在材料科学与工程中应用的商业软件发展情况,选择一个自己有兴趣且课堂上没有学习过的商业软件试述其发展现状、功能和应用领域范围。

② 利用网上材料数据库查询某种二元合金和二元氧化物相图（根据当年研究热点定）某种金属材料（根据当年研究热点定）基础数据（成分，热处理，性能等）

评分依据	等级
软件功能介绍全面，现状应用分析深入，并能利用数据库查询获取到最新的且全面规定要求的二元合金基础数据等	A（90分以上）
现状应用分析较深入，功能介绍全面，且能利用数据库查询规定要求二元合金全面基础数据	B（80分以上）
软件功能了解，软件现状应用等分析不够，能利用数据库查询到大部分基础数据。	C（70分以上）
软件功能有一定了解，无现状应用分析，能利用数据库查询到部分基础数据的	D（60分以上）
软件介绍不详细且未利用数据库查询到数据	F（60分以下）
抄袭	不计绩

2）上机实验成绩（占20%）

实验1	数据处理应用实践—Origin的应用	2学时
实验2	常用数值计算方法应用实践	2学时
实验3	温度场的模拟计算实践	2学时
实验4	浓度场的模拟计算实践	2学时
实验5	第一性原理计算实践	2学时
实验6	分子动力学计算实践	2学时
实验7	相图计算实践-TCW的应用	2学时
实验8	人工神经网络应用实践	2学时

评分依据			等级
实验表现好，善于独立思考，对复杂问题进行预测与模拟，并能够分析、理解其局限性，操作流利，能熟练掌握Excel, Origin等软件，实验报告内容完整逻辑清晰。			A（90分以上）
实验表现良好，能够完成实验，对Excel, Origin等软件掌握良好，实验报告内容完整逻辑较清晰。			B（80分以上）
实验表实验报告内容现较好，能利用Excel, Origin等软件解决初步问题，实验报告内容完整。			C（70分以上）
表现一般，但按时完成实验，实验报告内容基本完整字迹潦草。			D（60分以上）
不能按时完成实验，实验报告内容不完整，报告缺失。			F（60分以下）
抄袭			不计绩

3) 期终考试:按照试卷的参考答案进行评分（占60%）。