《材料科学与工程计算材料学》课程教学大纲和课程简介.docx

材料科学与工程计算材料学课程简介课程编号：02034025课程名称：计算材料学/ Computational Materials Science学分：2. 5学时：40 (含上机：24)适用专业：材料科学与工程建议修读学期：6开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系课程负责人：先修课程：材料科学基础，固体物理等。考核方式与成绩评定标准：闭卷考试及上机考试，平时成绩(含出勤、作业)占20%,期 末闭卷和上机考试综合评定成绩占80%o教材与主要参考书目：无教材参考书目如下：1 .计算材料学基础，张跃，北京航空航天大学出版社，2007年6月。2 .材料设计，熊家炯，天津大学出版社，2000年12月。内容概述：中文：计算材料学是近20年里发展起来的除实验研究和理论研究之外的第 三种材料的科学研究方法。本课程主要介绍计算材料学中从微观、介观到宏观尺度的主要 计算模拟方法及其在计算机上的实现途径。通过学习，应使学生初步掌握应用计算机解决 材料科学问题的基本原理、思路和方法，尤其是掌握应用蒙特卡罗、元胞自动机方法模拟 材料的组织结构演变，以及相图计算、第一性原理和有限元等计算模拟方法在新材料研 究、性能预测和分析中的应用。培养学生运用计算机解决实际科学与工程实际问题的能 力，引导学生的创新意识。实验教学内容涵盖编程实践、统计分析及相关技术和软件。英文： Computational materials science is developed in the last 20 years and considered to be a third scientific method beyond experimental and theoretical studies in materials research. This course introduces numerical simulation methods from micro, meso to macro-scale in materials science. Through the study, students should learn the basic principle, ideas and methods to solve the problem of material science by application of computational materials science. Particularly, the course offers an introduction on Monte Carlo (MC) simulation, cellular automata (CA) simulation, phase diagram calculation, finite element method and abinitio concepts. Combining theoretical studies and experiments, students can apply appropriate simulation methods to supplement their own research, to predict material properties and to design new material. It covers techniques and software for numerical simulation, data analysis and visualization, timely developed and widely used in computational material sciences.计算材料学料教学大纲课程编号：02034025课程名称：计算材料学/ Computational Materials Science学分：2. 5学时：40 （含上机：24）适用专业：材料科学与工程建议修读学期：6开课单位：材料科学与工程学院材料物理与化学系课程负责人：先修课程：材料科学基础，固体物理等一、课程性质、目的与任务【课程性质】计算材料学是材料科学与工程专业的专业课程。结合本校材料科学与工程专业的特 色方向，重点介绍量子力学第一性原理计算方法，及其在材料合成，预测新材料性能及材料 设计等方面的应用。通过本课程的学习，使学生充分了解材料的计算模拟和设计是一个重要 的研究工具，加深对材料“结构-性能”本构关系的理解；使学生具有利用科学计算方法解决 实际材料物理问题的基本能力，培养学生创新意识和科学远见。【教学目的与任务】教学目标：计算材料学讲授的是利用现代高速计算机技术，结合物理学、化学、生物学、 材料学等相关学科的基础知识，可以对材料从微观到宏观多尺度的结构、性能等进行理论计 算的一门课程。学习这门课程要求学生能够从微观机制上解释、预测材料性能或者对新材料 的合成制备等做出理论预测。作为配套的计算材料学实验，应用计算材料学的理论知识结合 具体的程序软件能进一步提高学生对理论知识的理解，同时也能够形象直观地展示材料的微 观、宏观结构以及性能信息，使材料的按需设计、合理定制成为可能。本课程目标分为课程教学和课程设计两部分。1 .课程教学活动对学生能力培养的安排本课程课堂教学主要培养学生的计算材料学理论基础，掌握材料的结构，性能等属性, 理解不同的结构对于性能的影响。2 .上机实验活动对学生自主研究能力初步培养的安排通过文献检索查阅相关资料，结合实验方法，自己实验计算几个材料典型算例，在计算中获得解决实际材料科学与工程问题的基本能力，并且初步学会计算软件的使用。【对应毕业要求】对应毕业要求：2.1 ：掌握材料科学与工程研究的方法与能力。5.1 ：能针对材料的研发、应用和技术改进等复杂工程问题，选用恰当的设备、仪 器、软件或其他工具等进行分析。5.2 ：能对现代工具所得结果进行理论预测、模拟和分析，提出解决方案，并能够理 解其局限性。二、教学内容及学时分配(按章节列出内容要求学时等，实验上机项目要列在课程内容一栏)计算材料学总学时数为40学时，其中理论教学为16学时，实验教学为24学时；课程 教学共有五章，具体内容及学时安排等如下表所示：课程内容教学要求重点 ()难点(A)学时安排实验学 时上机学时备注第一章绪论21.1计算材料学的发展概况C11.2微观领域主要的计算方法上机实验：熟悉相关计算软件的界面B12第二章基于第一性原理的主要计算方法42.1密度泛函理论A22.2准粒子方程B12.3 Car-Parrinello 方法B1第三章晶体结构上机实验：单质及化合物晶体结构建立323.1晶格的对称性A23.2倒格子、布里渊区A1第四章晶体物理性质的计算54.1 Bloch定理、能带理论与计算A14.2晶体的总能量上机实验：单点能的计算A144.3晶体结构几何优化上机实验：合金的晶体结构几何优化A144.4电子结构与费米能级上机实验：硅，合金及二氧化硅的电子结构计算及 分析A164.5其他性质分析B1第五章材料设计25.1合金中的点缺陷上机实验：合金引入空位计算A125.2合金、半导体材料掺杂上机实验：合金、半导体的元素替代计算及分析A25.3形成焙、表面能计算上机实验：氧化锌的形成焰、表面能计算B12（教学基本要求：A-掌握；B-熟悉；C.了解）三、建议实验（上机）项目及学时分配.熟悉相关计算软件的界面21 .单质及化合物晶体结构建立2.单点能的计算42 .合金的晶体结构几何优化4.硅，合金及二氧化硅的电子结构计算及分析 63 .合金引入空位计算2.合金、半导体的元素替代计算及分析24 .氧化锌的形成焰、表面能计算2四、教学方法与教学手段多媒体教学，上机实验五、考核方式与成绩评定标准课程考核成绩采用平时成绩+期终考试成绩相结合的方式，平时成绩占课程考核成绩的 20%,平时成绩考核采用作业、报告相结合的方式；期终考试成绩占课程考核成绩的80%, 期终考试对应该课程支撑毕业要求指标点的情况如下表所示：课程支撑毕业要求指标点期中考试中相应分数（范围）指标点3.450%指标点5.150%总计100%六、教材与主要参考书目无教材参考书目如下：1 .计算材料学基础，张跃，北京航空航天大学出版社，2007年6月。2 .材料设计，熊家炯，天津大学出版社，2(X)0年12月。七、大纲编写的依据与说明本大纲依据“安徽工业大学材料科学与工程专业本科指导性培养方案(2013修订版)。 并经专业教研室讨论以及学院教学委员会审定后编写的。