计算机在材料科学中的应用

“计算机在材料科学中的应用”

课程教学内容设计①

武汉理工大学周静顾少轩赵志宏

摘要:“计算机在材料科学中的应用”课程是为材料科学专业学生适应现代新材料研究而开设的一门重

要专业基础课,我们在进行充分调研的基础上,结合本专业和现代计算机应用特点,对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。

关键词:材料科学专业计算机应用课程教学内容随着科学技术的飞速发展,现代计算机的应用日益显示出其强大的生命力。计算机在材料工业、材料科学研究中的应用也是相当普遍的,在建材工业领域,如生产工艺与热工过程中的数值计算、原材料和产品性能测试与科学实验中的数据处理、物料反应过程的数值仿真、配料配方与生产设备的计算机辅助设计、生产过程与作业的自动调节控制、繁重操作与质量检测的人工智能化等都离不开计算机这一重要工具。为了适应现代建材工业的发展,拓宽材料科学专业学生的知识面,培养可以利用现代计算技术和工具从事材料研究开发和利用的高级专业人才,开设“计算机在材料研究中的应用”课程并制定其合理的教学内容很有必要。本文对该课程的目标任务、性质、基

本要求及课程内容进行了探讨。

一、课程设置的目标任务及性质

材料科学是一门实验科学,实验是制备新材料和

测定其结构和性能的直接手段。而由于计算机技术、计算理论的迅速发展,许多更加复杂、大型的计算成为可能,使得在材料研究领域,采用计算方法来研究材料的结构和性能,并指导实验研究成为一种新的研究方向。材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才,而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具。用计算方法来研究材料,对材料的性能进行预测和指导,就是根据相关理论,采用合适的计算模型和计算方法,确立材料的理论模型,有目的地指导制备所需性能的材料。

本课程的教学目的是,通过基础理论知识、应用

实例的讲授和上机实习操作,使得学生了解应用计算机进行材料科学研究的具体过程,将计算机作为有力的工具应用于材料科学研究。

二、课程基本要求

计算机应用,为材料科学专业提供了一种新的技

术手段。要完成本课程的教学任务,要求学生具备计算机和数学基础知识和相关专业知识,因此,该课程应在开设数学、物理、“计算机基础”、“微机原理

及应

用”、“算法语言”、“固体物理”等相关知识的基础上开

设。根据该课程的目标任务及性质,课程的教学内容应具有以下几点要求:

1. 专业与计算机之间的沟通,着重介绍基本的应

用方法;

2. 材料科学专业对计算机的实际需求;

3. 结合材料科学研究中的实际课题,让学生能够

提出确切的计算研究方案和计算模型,熟练地上机操作计算,准确地输入相关数据,对输出数据进行合理分析。

4. 将理论计算、材料制备实验和测试结果相结

合,加强学生对现代“实验、理论、计算”三位一体科研

手段及交叉学科研究的认识,全面提高学生的理论水平和科研工作素质。

三、课程教学内容设计

“计算机在材料科学中的应用”课程教学内容较多,所涉及知识面很广,而按照教学计划只安排50 学时。为使得学生能更好、更系统掌握所学知识,在教学过程中根据学生的实际情况合理安排学时数,教学

内容立争做到主次分明、详略得当。该课程要求学生有较强的实际动手能力,在学时安排上,理论课与上

机实践的比例为2 :3 ,通过一些应用实例,以作业的形式让学生对计算机在材料研究中的应用有一个感

性认识。进行材料的计算研究大致可分为以下几个

步骤:

1. 根据具体研究的目标建立物理模型;

2. 将固体物理学的基本原理和理论用于该模型,

把研究材料的具体结构和性能的目标转化为数学模

型(即建立数学计算公式) ;

3. 选择适当的计算方法和建立相应的计算程序;

4. 运行程序,对所得结果进行分析,得出材料的

某些结构或性能信息。

根据课程涉及到的内容我们将课程内容分为三

个部分:

第一部分是程序设计基础,讲述一些计算机系统

及软件技术、程序设计方法。目前,市场上流通的材料研究方面的应用软件远远赶不上材料研究领域的

千变万化,要求材料工作者能根据自己的实际要求设计开发一些应用软件,需要掌握一些计算机系统及软件技术、程序设计方法方面的知识。对于材料科学专业的学生,在“计算机在材料科学中的应用”课程中,

我们用12 个学时的时间讲述上述内容。

第二部分是计算方法及应用,让学生了解常用数

学问题的数值解法及其算法程序(如代数方程式求解、线性方程组求解、特征制问题和常微分方程求解等) ,这部分内容用12 个学时完成。

第三部分为材料研究中的常用计算方法,要求学

生能结合材料科学研究中的实际课题,提出确切的计算方案和计算模型,对输出结果作合理地分析和有意义的讨论。用26 个学时介绍如下内容:

①晶胞常数的计算,用实验测得的XRD 衍射数

据计算实际晶体的晶胞常数;

②用晶体结构对称性学会用软件方法绘制晶胞

图,进行新材料结构的设计;

③讲解Xα计算方法,掌握SCC - DV - Xα计算

方法理论知识,学会应用其程序计算材料的能级、态密度和键强度等材料电子结构,得出材料的相关性能。

四、结束语

在教学实践过程中发现,学生的基础理论知识与

相关的专业知识还有些欠缺,建议今后在开设了群论、量子力学、测试技术、材料工艺等方面的课程之后

再开设此门课程。随着材料科学与计算机的飞速发展“, 计算机在材料科学中的应用”课程内容也在不断

更新与完善。

参考文献

1. 孙承绪. 计算机在硅酸盐工业中的应用. 华东

理工大学出版社,1994

2. 肖慎修,孙泽民,刘洪霖,鄢国森. 量子化学中

的离散变分Xα方法及计算程序. 四川大学出版社, 1986

3. 宓锦效,闵新民. 无机材料晶体结构(电子出版物) . 武汉工业大学出版社电子出版部,1999

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(3) 本软件提供了六种动画功能按钮,分别为播

放、暂停、停止、倒放、开头和末尾,能够方便、灵活地

控制动画的演示。为了方便学生仔细体会一些物理化学动态概念,又设计了动画速度控制滑动条,可以对动画的速度进行调节。

(4) 对讲课的内容又设计了三个跳转功能按钮,

分别为第一页、上一页、下一页。为教师浏览授课内容以及前后内容的衔接提供了方便。