《分子模拟基础与应用》课程教学大纲.docx

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1、分子模拟基础与应用教学大纲一、课程基本信息课程名称分子模拟基础与应用Molecular Simulation: Fundamentals and Applications课程编码CHM224021020开课院部化学工程学院课程团队精细化工教学团队学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业化学工程与工艺授课语言中文先修课程无机及分析化学、有机化学、物理化学（27）、物理化学（2-2）课程简介 （限选）本课程是化学工程与工艺专业的一门专业选修课。本课程主要学习分子动力学、量子力学、介观动力学的基本原理，以及材料科学分 子模拟软件Materials Studio的基本操作。

2、课程的特点是理论学习与上机操作并重。要求了解分子模拟理论与软件的发展简史；掌握有 机小分子、聚合物、金属与合金、岩石与粘土矿物、催化剂等建模与结构优化计算；掌握分子在固体表面与孔道中吸附与扩散的模拟计 算；掌握混合体系表面张力、粘度、密度等物理性质的模拟计算原理；掌握化学反应模拟的计算原理。课程内容尽可能反映国内外分子模 拟在石油工业相关领域的成果和最新进展。通过本课程的学习，为将来从事石油化工应用基础研究、相关的催化剂与添加剂的分子设计与 合成开发等打下基础。This course is a professional elective course for chemical engineer

3、ing and technology majors. This course mainly studies the basic principles of molecular dynamics, quantum mechanics and mesoscopic dynamics, as well as the basic operation of Materials Studio, a molecular simulation software for Materials science. The characteristic of the course is that both theore

4、tical study and computer operation are emphasized. It is required to understand the development history of molecular simulation theory and software; Master the modeling and structural optimization calculation of organic small molecules, polymers, metals and alloys, rocks and clay minerals, catalysts

5、, etc; master the simulation calculation of molecular adsorption and diffusion on solid surface and pore; Master the simulation calculation principle of physical properties such as surface tension, viscosity and density of mixed system; Master the calculation principle of chemical reaction simulatio

6、n. The content of the course reflects as much as possible the achievements and latest progress of molecular simulation at home and abroad in related fields of petroleum industry. Through the study of this course, we will lay a foundation for future basic research on petrochemical applications, molec

7、ular design and synthesis development of related catalysts and additives.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1 ：能记忆并理解分子动力学、量子力学的基本原理与计算流程是2M2目标2 ：能使用分子模拟软件Materials Studio进行分子模拟计算。能够应用建模工具建立单分 子、聚合物、单晶胞、表面与界面、纳米结构及无定形周期性结构等模型。是3M3目标3 ：能应用分子动力学模拟方法计算指定体系的动力学和热力学性质参数。是4M4目标4 ：能应用量子化学计算方法计算指定体

8、系的分子轨道等化学性质参数与化学反应模拟。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1章第1章绪论本章重点难点：分子模拟基础知识，分子模拟的学习方法。/ /21. 11.1分子模拟概述分子模拟发展概况；分子模拟的研究内容与方法；分子模拟研 究现状及发展趋势。Ml1讲授1自学资料31.2L2分子模拟基础 知识分子模拟计算软件及其发展概况，分子模拟的基本原理；分子 模拟的目的和意义。Ml1讲授1自学资料4第2章第

9、2章分子模拟 的理论基础本章重点难点：群论、分子动力学、量子化学、晶体学的基本 概念。/52. 12.1分子模拟的数 学基础坐标系、分子图形、分子表面、晶体等基本概念，统计力学基 础,能量最小化原理Ml1讲授1自学资料62.22. 2量子化学基本 原理薛定谤方程，电子相关与HF方法，密度泛函理论，半经验分子 轨道方法Ml1讲授1课后作业72.323分子动力学基 本原理积分运动等式，分子体系中的积分方法，不同系综中的分子动 力学，相关函数Ml1讲授1自学资料82.42. 4介观分子动力耗散粒子动力学模拟的原理与方法，介观动力学模拟的原理与Ml1讲授1自学资料学基本原理方法9第3章第3章分子动力

10、学原理及应用本章重点难点：分子动力学力场、分子动力学模拟计算参数设 置。/103. 13.1力场简介势函数，简正模式，势能函数的具体形式，常见的力场Ml1讲授1自学资料113.23. 2分子建模分子模型的绘制，分子构型的优化，复杂分子结构的创建M21讲授、上 机1课后作业123.33. 3分子动力学模 拟计算参数设置短程相互作用的设置，长程相互作用的设置，力场的选择，平 衡的判断，模拟结果和偏差分析Ml, M21讲授、上 机1自学资料133.43. 4分子间的相互 作用-互溶性的模 拟计算构建分子，分子结构优化，相互作用能计算M2, M32讲授、上 机2课后作业143.53. 5分子间的相互

11、作用-扩散系数的 模拟计算气体分子、聚合体或沸石等材料的构建与优化，分子动力学的 运行与分析，数据分析与扩散系数计算M2, M3, M 53讲授、讨 论、上机3课后作业15第4章第4章量子化学 基础与应用本章重点难点：量子化学基本假设、密度泛函理论、量子化学 计算流程/164. 14.1密度泛函理论密度泛函理论方法与传统HF方法之间的区别，密度泛函理论的 基本假设，密度泛函理论方法的应用领域Ml1讲授2自学资料174.24. 2密度泛函模拟 计算参数设置泛函选择，各个基函数的精度，SCF迭代误差，布里渊区采 样，Core treatment,基组选择，各个原子轨道的半径设置M2, M41讲授、

12、上 机1自学资料184.34. 3分子结构优化 与光谱性能计算分子结构优化，分子轨道的计算和分析，红外和拉曼光谱分析M2, M42讲授、上 机2课后作业194.44. 4化学反应模拟计算化学反应的自由能，优化搜索化学反应过渡态M2, M4, M53讲授、讨 论、上机3课后作业204.54. 5分子在表面的 吸附固体表面的吸附理论，分子和表面的构造与优化，表面的弛 豫，能量与态密度分析M2, M4, M53讲授、讨 论、上机3课后作业21第5章第5章介观分子本章重点难点：粗粒化方法、粗粒化力场拟合/动力学原理及应用225. 15.1介观模拟方法 简介基本原理，热力学部分，动力学部分Ml1讲授1自

13、学资料235.25. 2粗粒化分子动力学粗粒化原理，粗粒化力场Ml1讲授1自学资料245.35. 3全原子分子的粗粒化方法粗粒化方法、粗粒化力场拟合方法Ml1讲授1自学资料255.45. 4粗粒化模拟计 算参数设置如何选择步幅和噪声，如何选择排斥参数，如何选择Flory-Huggins 参数M2, M31讲授、上 机1自学资料265.55. 5复杂液相体系 的粗粒化分子动力 学计算介观动力学方法模拟表面活性剂在溶液中的聚集行为，嵌段共 聚物相行为的模拟M2, M3, M54讲授、讨 论、上机3课后作业四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1 .每周布置2-3道题目，平均每次课1道题

14、以上。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计算工具建立分子、聚合物、晶体等具体研究对象的模型，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

15、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状态、回答问题、分组讨论、上机等情况15%5期末考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分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40%五、评分细则题、简答题、综合题、案例题等。序号课程目标考核环小大致占比评分等级1Ml平时作业20%A-对分子动力学、量子力学基本原理等知识点理解无误。 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

16、-或对上述知识点理解存在大量错误。2Ml大作业10%（见大作业评分标准）3Ml考勤5%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上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。5Ml期末考试50%（见试卷评分标准）6M2平时作业40%A-对分子、聚合物、晶体等对象的建模、结构优化等计算方法相关的知识点理解无误。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。7M2大作业20%（见大作业评分标准）8M2考勤5%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加

17、课堂讨论。9M2课堂表现5%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。10M2期末考试30%（见试卷评分标准）11M3平时作业30%A-对体系的动力学、热力学性质模拟计算相关的知识点理解无误。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。12M3大作业30%（见大作业评分标准）13M3考勤5%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。14M3课堂表现5%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。15M3期末考试3

18、0%（见试卷评分标准）16M4平时作业30%A-对化学反应模拟计算相关的知识点理解无误。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。17M4大作业30%（见大作业评分标准）18M4考勤5%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。19M4课堂表现5%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。20M4期末考试30%（见试卷评分标准）21M5大作业60%（见大作业评分标准）22M5考勤5%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。23M5课堂表现35%A-

19、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。24M6考勤50%A-缺勤2次以内。B-缺勤3次及以上且很少参加课堂讨论。25M6课堂表现50%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。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1分子模拟-理论与实验，苑世领，化学工业出版社，2016.09, lSBN:978-7-122-27708-4. （*主教材）2图书1分子模拟的理论与实践，陈正隆，化学工业出版社，2007. 07, ISBN:9787122004390.3图书1量子化学-基本原理和从头计算法（第2版），徐光宪，科学出版社，2009. 03, ISBN:9787030220394.