《分子模拟方法及应用》课程教学大纲.docx

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1、分子模拟方法及应用教学大纲一、课程基本信息课程名称分子模拟方法及应用Molecular Simulation Methods and Applications课程编码CHM225821020开课院部化学工程学院课程团队专业基础与双语教学团队学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时0适用专业本研一体化班(化学化工类)授课语言中文先修课程无机及分析化学(2-2),数值计算方法、有机化学、物理化学(2T)课程简介 (限选)分子模拟方法在生物、物理、化学及材料等领域常常被称为“计算机实验”，它已经与实验和理论科学一起构成自然科学的三大分 支。本课程是为本研一体化班开设的一门专业选修课，

2、也可作为其它学科有关专业研究生的选修课。本课程的目标是在物理化学，反应动 力学，无机和有机结构化学和谱学等有关分子的基本理论与具体化学实用之间用计算和模拟方法架设一桥梁。通过本课程的学习，使学生 掌握分子模拟的基本原理，包括量子力学方法(Quantum Mechanics),分子动力学模拟方法(Molecular Dynamics),粗粒化分子动力学 方法(Coarse-Grained Molecular Dynamics),耗散粒子动力学模拟方法(Dissipative Particle Dynamics)等。使学生了解现代理论 化学研究的新方法，掌握分子模拟技术在不同领域的应用；使学生从基

3、本理论出发，自己动手建立各种微观模型，计算分子、晶体、纳米 团簇的态密度、电荷分布、红外光谱与核磁共振谱等电子结构信息，模拟复杂体系的微观动力学和热力学参数。从而为今后的科学研究、 技术开发以及工程应用做好理论准备。Molecular simulation method is often called Computer experiment in the fields of biology, physics, chemistry and materials. It has formed three branches of natural science together with experi

4、ment and theoretical science. This course is a professional elective course for the integrated course of research and development, and can also be used as an elective course for graduate students of other disciplines. The goal of this course is to build a bridge between the basic theories of molecul

5、es related to physical chemistry, reaction kinetics, inorganic and organic structural chemistry and spectroscopy and specific chemical applications by means of calculation and simulation. Through the study of this course, students can master the basic principles of Molecular simulation, including Qu

6、antum Mechanics, Molecular Dynamics, coarse-Grained Molecular Dynamics, Dissipative Particle Dynamics, etc. To enable students to understand the new methods of modern theoretical chemistry research and master the application of molecular simulation technology in different fields; To enable students

7、to set up various microscopic models by themselves from the basic theory to calculate molecules, crystals, the electronic structure information such as density of states, charge distribution,infrared spectrum and nuclear magnetic resonance spectrum of nanoclusters, simulate the microscopic dynamics

8、and thermodynamic parameters of complex systems. So as to make theoretical preparations for future scientific research, technology development and engineering application.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标0BE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1 ： 了解分子模拟领域的发展历史，了解多尺度分子模拟方法在现代科研工作中的意义和学术地 位。是2M2目标2 ：掌握分子力学/分子动力学的基本原理，通过分子力学方法对有机

9、分子、无机材料、聚合物 等进行结构优化计算。掌握力场选择与拟合方法，通过不同系综的应用，模拟微观体系的动态过 程，应用微观模拟结果解释宏观现象。是3M3目标3 ：掌握量子化学模拟计算的基本原理，能够选择适合的泛函，模拟计算有机分子、无机材料、 聚合物等的电子结构。计算基元反应的热效应及过渡态。是4M4目标4 ：掌握介观尺度模拟方法的基本原理，能够根据实际情况，对全原子体系进行粗粒化处理，设 计合理的模型，在介观空间尺度和纳秒级时间尺度模拟体系的动态过程。是5M5目标5 ：能与小组成员开展讨论、拥有一定答辩能力是6M6目标6 ：能保障课程正常秩序（政治层面、课堂保障层面，非学生能力层面）否三、课

10、程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课 程目标课内 学时教学方式课外 学时课外环节1第一章绪论本章重点难点：把握分子模拟在自然科学研究中的重要性，了 解分子模拟的常用方法1 .分子模拟的定义与内涵2 .分子模拟的历史和国内外发展现状3 .几种常用的分子模拟方法Ml2讲授1作业2第二章分子模拟的理论基本章重点难点：掌握分子的对称性及坐标的描写，了解统计力4讲授1作业础学的基本概念，了解量子力学基本概念，了解密度泛函理论基 本概念。1 .分子对称性2 .基本统计原理3 .统计力学基本概念4 .统计力学与模拟计算的关系5 .量子力学基本概念6 .密度泛函理论简介33第三章力场本章重点难点：了解力

11、场的一般特性，掌握几种常见的力场1 .力场简述2 .力场作用项的一般表达式3 .几种常见的力场M22讲授1作业4第四章分子动力学模拟方 法本章重点难点：掌握分子动力学的基本原理，掌握不同系综的 分子动力学模拟方法1 .分子动力学模拟的基本原理2 .牛顿运动方程的数值解法3 .分子动力学模拟流程4 .各种系综的分子动力学模拟方法5 .分子动力学模拟的应用M28讲授2作业5第五章量子力学模拟方法本章重点难点：量子力学在化学中的应用基本原理、分子的热 力学参数计算方法、基元反应过渡态与嫌方法。1 .量子力学在化学中应用的基本原理2 .常用泛函简介3 .分子结构优化与基本性质参数计算4 .基元反应过渡

12、态搜索5 .反应动力学M310讲授2作业6弟八早介观动力学模拟方 法本章重点难点：了解粗粒化分子动力学与耗散粒子动力学模拟 的基本原理，掌握耗散粒子动力学模拟方法与粗粒化分子动力M46讲授2作业学模拟方法的联系与区别。1 .粗粒化分子动力学的基本原理2 .粗粒化分子动力学力场拟合3 .粗粒化分子动力学的应用4 .耗散粒子动力学的基本原理5 .耗散粒子动力学的模拟流程6 .耗散粒子动力学的应用四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1 .每次课布置卜2道题目。2 .成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3 .考核学生对分子模拟基本知识的掌握能力，学生综合运

13、用所学知识分析问题、解决问题的能力题型主要有简答、分析 和案例题等。20%2大作业1 .本课程要求利用Materials Studio软件包建立复杂体系的模型，设计出解决实际体系中热力学、动力学和化学反应 问题的计算方案，并对计算结果进行分析讨论。2 .以小组形式（4-5人一组），经过查阅文献、方案设计、运行计算、小组讨论等完成小论文的撰写。通过教师评审（权 重占50%）和小组间互评（权重占50%）得到各个小组的评分，小组内成员再经过组内互评，得到小组内各成员的贡献 度。根据各小组的评分和组内各成员的贡献度，得到各位学生的评分。20%3考勤随机点名、刷卡点名等5%4课堂表现随机检查学生上课精神

14、状态、回答问题、分组讨论、实际操作等情况15%5期末考试1 .闭卷考试，由上机考试和卷面考试两部分组成。成绩采用百分制，总分100分。2 .主要考核学生对分子模拟基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有选择 题、简答题、综合题、案例题等。40%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1Ml平时作业20%A-对分子模拟发展历史等知识点理解无误。B-对上述知识点理解存在少量错误。c-对上述知识点理解存在一定量错误。D-或对上述知识点理解存在大量错误。2Ml大作业20%见大作业评分标准3Ml考勤5%A-缺勤1次以内，正确回答问题，积极参与课堂讨论。B-缺勤

15、2次以内，能够回答问题，较积极参与课堂讨论。C-缺勤3次及以上，不回答问题，且很少参加课堂讨论。4Ml课堂表现15%A-能积极、准确地回答问题。B-回答问题基本正确。c-回答问题存在一定量的错误。D-不能回答问题，从不参加课堂讨论。5Ml期末考试50%见试卷评分标准6M2平时作业20%A-对分子动力学基本原理等知识点理解无误，上机操作准确无误。B-对上述知识点理解存在少量错误，上机操作有少量错误。C-对上述知识点理解存在一定量错误，上机操作错误较多。D-对上述知识点理解存在大量错误，基本没掌握上机操作要领。7M2大作业20%见大作业评分标准8M2考勤5%A-缺勤1次以内，正确回答问题，积极参与

16、课堂讨论。B-缺勤2次以内，能够回答问题，较积极参与课堂讨论。C-缺勤3次及以上，不回答问题，且很少参加课堂讨论。9M2课堂表现15%A-能积极、准确地回答问题。B-回答问题基本正确。C-回答问题存在一定量的错误。D-不能回答问题，从不参加课堂讨论。10M2期末考试40%见试卷评分标准11M3平时作业20%A-对量子化学知识点理解无误，上机操作准确无误。对上述知识点理解存在少量错误，上机操作有少量错误。 c-对上述知识点理解存在一定量错误，上机操作错误较多。D-对上述知识点理解存在大量错误，基本没掌握上机操作要领。12M3大作业20%见大作业评分标准13M3课堂表现15%A-能积极、准确地回答

17、问题。B-回答问题基本正确。C-回答问题存在一定量的错误。D-不能回答问题，从不参加课堂讨论。14M3考勤5%A-缺勤1次以内，正确回答问题，积极参与课堂讨论。B-缺勤2次以内，能够回答问题，较积极参与课堂讨论。C-缺勤3次及以上，不回答问题，且很少参加课堂讨论。15M3期末考试40%见试卷评分标准16M4平时作业20%A-对粗粒化分子动力学知识点理解无误，上机操作准确无误。B-对上述知识点理解存在少量错误，上机操作有少量错误。C-对上述知识点理解存在一定量错误，上机操作错误较多。D-对上述知识点理解存在大量错误，基本没掌握上机操作要领。17M5课堂表现40%A-能积极、准确地回答问题。B-回

18、答问题基本正确。c-回答问题存在一定量的错误。D-不能回答问题，从不参加课堂讨论。18M5考勤30%A-缺勤1次以内，正确回答问题，积极参与课堂讨论。B-缺勤2次以内，能够回答问题，较积极参与课堂讨论。C-缺勤3次及以上，不回答问题，且很少参加课堂讨论。19M5大作业30%见大作业评分标准评分等级说明：A, B, C, D, E = 90-100, 80-89, 70-79, 60-69, 0-59; A, B, C, D = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59; A, B, C = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59; A, B = 80-100, 0-79六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书 Computational Chemistry, Errol G. Lewars, Springer, 2011. （*主教材）2图书 Molecular Modeling: Principles and Applications, Andrew Leach, Prentice Hall, 2001.3图书1分子模拟：理论与实验，苑世领，化学工业出版社，2016.4图书1分子模拟的理论与实践，陈正隆，化学工业出版社，2007.5图书1计算化学，陈敏伯，科学出版社，2009.