《计算材料学》课程简介和教学大纲格式
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2．采用多媒体教学，丰富课堂的教学内容。 3．加强教学中课堂以外的自学环节和编程练习，使学生能做到预习、课堂听课和自学 有机统一。结合课堂对编程作业的讲评，加深学生对计算材料学基本概念、基本方法和编程 技巧的理解和掌握。
（二）考试评分与建议 本门课程的总评分分为 2 个部分，每部分占总成绩的比例如下：课后编程作业：20％；
第三章 分子动力学方法（12 学时） 3.1 分子动力学运动方程的求解 3.2 势函数（力）及其求解 3.3 边界条件和约束问题 3.3 分子动力学方法的软、硬球模型 3.4 分子动力学方法在材料科学中的应用
2
第四章 量子力学第一性原理（12 学时) 4.1 量子力学基础知识 4.2 分子的结合能计算 4.3 物质的能带结构及其计算 4.4 多电子体系的电子态 4.5 密度泛函概要
simulation on materials science are illustrated.
二、教学目标 (一)学习目标
通过《计算材料学》课程的学习，使学生初步掌握材料研究过程中常用的基本计算机模
拟方法和原理，了解计算机模拟技术在材料学中的应用。针对材料研究领域的特点，结合学
习材料科学基础和计算机技术，了解模拟方法研究材料问题的一般步骤和方法。
方法，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学方法以及第一性原理。本课程中还较多 例举了材料研究中的实际模拟问题。
（二）英文简介 The course introduces the basic conceptions，ideas and methods in computa
tional materials science. According to the space scale of numerical simula tion, the course presents microstructure simulation，atom simulation and quantu m mechanics, for instance, finite difference method，Monte-Carlo method，molecu le dynamical simulation and first-principle. In this course, some examples of
注：以上结果可以通过课堂提问、课后编程作业以及笔试等环节测量。
三、课程要求 （一）授课方式与要求
1．采用教师课堂授课为主，学生课后自学和编程练习为辅的方式。课程着重介绍基于 模拟空间尺度的各类模拟原理、方法和技术，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学 方法以及第一性原理。并结合以上知识，例举材料研究中的实际模拟问题。
（二）可测量结果 通过本课程的学习，使学生能够做到： （1）了解《计算材料学》方法的理论基础，基本原理、及适用范围； （2）初步掌握计算材料学研究中常用的计算方法和数值摸拟技术，通过后续专业课程
的学习，具有深入分析材料的结构、组成及其在物理、化学过程中微观变化机制的能力；
1
（3）具备专业从事材料模拟与计算的初步基础，掌握计算材料学新方法、新技术的自 学能力。
期末开卷考试：80％。 四、教学安排
每周 6 学时，共 8 周（其中安排编程、上机调试 6 学时）。 （一）主要内容：
第一章 微分方程的常用数值计算方法(6 学时) 1.1 差分格式 1.2 线性方程组的数值计算方法 1.3 MATLAB 语言基础
第二章 蒙特卡罗方法（6 学时） 2.1 蒙特卡罗方法基础知识 2.2 蒙特卡罗方法在材料科学中的应用
第二次：MATLAB 语言基础 主要内容： 介绍 MATLAB 语言的主要优点、操作环境和运行方式。了解 MATLAB 语言的变量、表达式 以及程序结构与控制。掌握绘图函数、数据拟合等技术。 第三次：蒙特卡罗方法基础知识 主要内容： 介绍蒙特卡罗方法的基本思想和方法、蒙特卡罗模拟方法的过程和步骤。了解随机变量 及其分布函数、期望值、方差和标准误差、大数法则和中心极限定理。掌握任意分布随机变 量的抽样方法。 课堂讨论：
讨论用蒙特卡罗方法求解定积分的思想和步骤。 第四次：蒙特卡罗方法在材料科学中的应用 主要内容： 介绍薄膜生长初期形貌、多晶材料正常晶粒生长和减反射镀膜玻璃反射率的蒙特卡罗模 拟方法。 第五次：分子动力学运动方程的求解 主要内容：
3
介绍采用分子动力学方法（MD），按所研究的材料系统内禀力动力学规律来计算并确定 系统微观状态随时间的改变。得到系统平衡态下的 M 个微观状态，则对系统某个感兴趣的宏 观量物理量的计算变成求
编程作业讲评（3 学时） 总复习、答疑（3 学时）
（二）教学课时安排及内容 第一次 ：微分方程的常用数值计算方法 主要内容： 以一维稳态和非稳态导热问题为例，介绍以所研究的材料作为连续介质，将其空间网格
化和导热微分方程离散、形成完整的差分格式的有限差分方法，了解如何将此类问题转化为 线性方程组的求解，掌握计算机数值求解线性方程组的方法，如：雅克比迭代法、高斯－赛 德尔迭代法、逐次超松弛迭代法等。
《计算材料学》课程简介和教学大纲格式
课程代码： 09192010
课程名称：计算材料学 Computational Materials Science
学分： 3.0
周学时 6
面向对象：材料科学与工程专业本科生
预修课程要求：无
一、课程介绍（100-150 字）
（一）中文简介
本课程着重介绍计算材料学中的一些基本概念、思想和方法，以计算模拟的空间尺度 为分类依据，偏重于讲述显微尺度模拟、原子模拟和基于量子力学第一性原理的模拟技术和
的问题。
AM
1 M
M i1
ห้องสมุดไป่ตู้A(Xi )
求解该问题首先需要建立系统分子运动方程，然后通过直接对系统中的每个分子运动
方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量随时间的迁移，即在相空间的运动 轨迹，再利用统计的方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
本次课程主要讲述求解分子动力学运动方程的方法，如：Verlet 法、蛙跃法和 Gear 方法（预纠法） 等。
（二）考试评分与建议 本门课程的总评分分为 2 个部分，每部分占总成绩的比例如下：课后编程作业：20％；
第三章 分子动力学方法（12 学时） 3.1 分子动力学运动方程的求解 3.2 势函数（力）及其求解 3.3 边界条件和约束问题 3.3 分子动力学方法的软、硬球模型 3.4 分子动力学方法在材料科学中的应用
2
第四章 量子力学第一性原理（12 学时) 4.1 量子力学基础知识 4.2 分子的结合能计算 4.3 物质的能带结构及其计算 4.4 多电子体系的电子态 4.5 密度泛函概要
simulation on materials science are illustrated.
二、教学目标 (一)学习目标
通过《计算材料学》课程的学习，使学生初步掌握材料研究过程中常用的基本计算机模
拟方法和原理，了解计算机模拟技术在材料学中的应用。针对材料研究领域的特点，结合学
习材料科学基础和计算机技术，了解模拟方法研究材料问题的一般步骤和方法。
方法，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学方法以及第一性原理。本课程中还较多 例举了材料研究中的实际模拟问题。
（二）英文简介 The course introduces the basic conceptions，ideas and methods in computa
tional materials science. According to the space scale of numerical simula tion, the course presents microstructure simulation，atom simulation and quantu m mechanics, for instance, finite difference method，Monte-Carlo method，molecu le dynamical simulation and first-principle. In this course, some examples of
注：以上结果可以通过课堂提问、课后编程作业以及笔试等环节测量。
三、课程要求 （一）授课方式与要求
1．采用教师课堂授课为主，学生课后自学和编程练习为辅的方式。课程着重介绍基于 模拟空间尺度的各类模拟原理、方法和技术，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学 方法以及第一性原理。并结合以上知识，例举材料研究中的实际模拟问题。
（二）可测量结果 通过本课程的学习，使学生能够做到： （1）了解《计算材料学》方法的理论基础，基本原理、及适用范围； （2）初步掌握计算材料学研究中常用的计算方法和数值摸拟技术，通过后续专业课程
的学习，具有深入分析材料的结构、组成及其在物理、化学过程中微观变化机制的能力；
1
（3）具备专业从事材料模拟与计算的初步基础，掌握计算材料学新方法、新技术的自 学能力。
期末开卷考试：80％。 四、教学安排
每周 6 学时，共 8 周（其中安排编程、上机调试 6 学时）。 （一）主要内容：
第一章 微分方程的常用数值计算方法(6 学时) 1.1 差分格式 1.2 线性方程组的数值计算方法 1.3 MATLAB 语言基础
第二章 蒙特卡罗方法（6 学时） 2.1 蒙特卡罗方法基础知识 2.2 蒙特卡罗方法在材料科学中的应用
第二次：MATLAB 语言基础 主要内容： 介绍 MATLAB 语言的主要优点、操作环境和运行方式。了解 MATLAB 语言的变量、表达式 以及程序结构与控制。掌握绘图函数、数据拟合等技术。 第三次：蒙特卡罗方法基础知识 主要内容： 介绍蒙特卡罗方法的基本思想和方法、蒙特卡罗模拟方法的过程和步骤。了解随机变量 及其分布函数、期望值、方差和标准误差、大数法则和中心极限定理。掌握任意分布随机变 量的抽样方法。 课堂讨论：
讨论用蒙特卡罗方法求解定积分的思想和步骤。 第四次：蒙特卡罗方法在材料科学中的应用 主要内容： 介绍薄膜生长初期形貌、多晶材料正常晶粒生长和减反射镀膜玻璃反射率的蒙特卡罗模 拟方法。 第五次：分子动力学运动方程的求解 主要内容：
3
介绍采用分子动力学方法（MD），按所研究的材料系统内禀力动力学规律来计算并确定 系统微观状态随时间的改变。得到系统平衡态下的 M 个微观状态，则对系统某个感兴趣的宏 观量物理量的计算变成求
编程作业讲评（3 学时） 总复习、答疑（3 学时）
（二）教学课时安排及内容 第一次 ：微分方程的常用数值计算方法 主要内容： 以一维稳态和非稳态导热问题为例，介绍以所研究的材料作为连续介质，将其空间网格
化和导热微分方程离散、形成完整的差分格式的有限差分方法，了解如何将此类问题转化为 线性方程组的求解，掌握计算机数值求解线性方程组的方法，如：雅克比迭代法、高斯－赛 德尔迭代法、逐次超松弛迭代法等。
《计算材料学》课程简介和教学大纲格式
课程代码： 09192010
课程名称：计算材料学 Computational Materials Science
学分： 3.0
周学时 6
面向对象：材料科学与工程专业本科生
预修课程要求：无
一、课程介绍（100-150 字）
（一）中文简介
本课程着重介绍计算材料学中的一些基本概念、思想和方法，以计算模拟的空间尺度 为分类依据，偏重于讲述显微尺度模拟、原子模拟和基于量子力学第一性原理的模拟技术和
的问题。
AM
1 M
M i1
ห้องสมุดไป่ตู้A(Xi )
求解该问题首先需要建立系统分子运动方程，然后通过直接对系统中的每个分子运动
方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量随时间的迁移，即在相空间的运动 轨迹，再利用统计的方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
本次课程主要讲述求解分子动力学运动方程的方法，如：Verlet 法、蛙跃法和 Gear 方法（预纠法） 等。