《材料設(shè)計計算基礎(chǔ)》課程教學大綱

《材料設(shè)計計算基礎(chǔ)》課程教學大綱一、課程基本情況課程代碼：101145223318課程名稱（中/英文）：材料設(shè)計計算基礎(chǔ)/Fundamentalsofmaterialdesigncalculation課程類別：個性化選修課程學分：2總學時：32理論學時：24實驗/實踐學時：8適用專業(yè)：材料成型與控制工程適用對象：本科先修課程：高等數(shù)學、材料科學基礎(chǔ)、程序設(shè)計基礎(chǔ)教學環(huán)境：多媒體教室開課學院：材料科學與工程學院二、課程簡介1.課程任務(wù)與目的為適應(yīng)經(jīng)濟與社會發(fā)展需要，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，人文與工程素養(yǎng)并重，掌握扎實的自然科學基礎(chǔ)理論和材料設(shè)計與加工基本能力；具有獲得材料成型及控制工程及相關(guān)領(lǐng)域的執(zhí)業(yè)（職業(yè)）資格的能力；具有工程創(chuàng)新潛質(zhì)和終身學習能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。在本課程MaterialsStudio軟件實操環(huán)節(jié)，介紹我國在信息化制造業(yè)2025中的發(fā)展目標，讓學生深刻意識到在科技飛速發(fā)展的今天，創(chuàng)新是第一生產(chǎn)力，激發(fā)學生勇于創(chuàng)新、服務(wù)祖國的理想。2.對接培養(yǎng)的崗位能力經(jīng)過本課程的學習，為社會培養(yǎng)具有良好的人文與科學素養(yǎng)、社會責任感、職業(yè)道德品質(zhì)和敬業(yè)愛國精神的人才。并使其具備堅實的自然科學基礎(chǔ)和工程理論，掌握材料設(shè)計的相關(guān)知識，提升實踐能力，能夠在建筑型材、機械裝備制造、汽車等行業(yè)從事相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)工藝、材料設(shè)計、新產(chǎn)品研發(fā)與質(zhì)量控制等工作；增強學生的國際視野、創(chuàng)新思維、多渠道自主學習和終身學習能力，持續(xù)自我完善，能夠快速適應(yīng)職業(yè)發(fā)展與崗位變遷。三、課程教學目標1.課程對畢業(yè)要求的支撐[畢業(yè)要求指標點1.3]綜合運用數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和材料科學基礎(chǔ)專業(yè)知識分析選擇材料、制定合理的材料組成，揭示不同元素對材料性能的影響。[畢業(yè)要求指標點2.3]能夠借助文獻檢索、數(shù)據(jù)分析等多種手段解決材料設(shè)計過程中的實際工程問題，以獲得有效結(jié)論。[畢業(yè)要求指標點4.3]能夠根據(jù)研究方案，利用實驗平臺或裝置，安全的開展科學實驗，分析和解釋材料設(shè)計的結(jié)果，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。2.課程教學目標對應(yīng)畢業(yè)要求指標點，具體內(nèi)容如下教學目標1：熟悉第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，了解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景。（支撐畢業(yè)要求指標點1.3）教學目標2：提升學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，具備基本的抽象思維基本能力，培養(yǎng)學生整體思維、融會貫通、學會學習的能力。（支撐畢業(yè)要求指標點2.3）教學目標3：要求掌握材料在VESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等。了解MaterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，掌握MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法。了解Origin軟件的應(yīng)用場景，掌握折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法。（支撐畢業(yè)要求指標點4.3）四、教學課時安排（一）學時分配知識點教學內(nèi)容總學時學時完成課程教學目標講課實驗實踐知識點1第一性原理計算的起源與發(fā)展44--1、2知識點2分子動力學模擬44--1、2知識點3linux系統(tǒng)66--1、2知識點43種計算材料科學中常用的計算軟件66--1、2、3合計2020--1、2、3（二）實踐教學安排（指含有實驗或?qū)嵺`內(nèi)容的課程）序號實驗/實踐項目名稱實驗學時實驗類型實驗要求每組人數(shù)備注1linux系統(tǒng)的上機實操2綜合性選做42VESTA軟件實操2綜合性必做43MaterialsStudio軟件實操4設(shè)計性選做24Origin軟件操作4創(chuàng)新性必做2五、教學內(nèi)容及教學設(shè)計知識點1第一性原理計算的起源與發(fā)展1.教學內(nèi)容了解第一性原理計算的起源及在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；熟悉第一性原理計算在材料科學中的主要研究內(nèi)容；了解第一性原理計算在材料科學中的應(yīng)用。介紹材料設(shè)計技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)制造中的地位及現(xiàn)代工業(yè)體系中的應(yīng)用，激發(fā)學生的民族自豪感和專業(yè)學習的興趣，投身祖國建設(shè)的理想。2.教學重點第一性原理計算在材料科學中的主要研究內(nèi)容。3.教學難點第一性原理計算在材料科學中的基本應(yīng)用。4.教學方案設(shè)計（含教學方法、教學手段）多媒體教學，課堂互動式教學及課堂討論。知識點2分子動力學模擬1.教學內(nèi)容熟悉分子動力學模擬的基本概念及原理；了解分子動力學模擬在計算材料領(lǐng)域的應(yīng)用場景。介紹我國理論化學學科奠基人唐敖慶先生突破重重阻擾，回歸報效祖國的案例。將唐敖慶先生的案例作為思政元素點與本講專業(yè)知識點融合，將我國理論計算化學的過去與當下相融合，讓學生掌握專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生正確的人生價值觀、家國情懷和責任意識。2.教學重點分子動力學模擬的原理。3.教學難點分子動力學模擬在計算材料領(lǐng)域的應(yīng)用。4.教學方案設(shè)計（含教學方法、教學手段）多媒體教學，課堂互動式教學及課堂討論。知識點3linux系統(tǒng)1.教學內(nèi)容了解什么是linux系統(tǒng)；掌握linux系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)的區(qū)別；熟悉linux操作系統(tǒng)的主要用途；掌握linux操作系統(tǒng)中基本的操作命令。介紹了我國理論計算化學前輩鄧從豪院士推導出“鄧勢”函數(shù)的故事，以此故事引出雙原子分子勢能函數(shù)的形式及物理意義。不但能讓學生體會前輩科學家求實創(chuàng)新嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，尤其是能讓學生了解中國科學家在分子模擬發(fā)展中做出的貢獻，既可以提高學習分子模擬的興趣，還有助于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和家國情懷。2.教學重點掌握linux操作系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)的區(qū)別。3.教學難點掌握linux操作系統(tǒng)中基本的操作命令。4.教學方案設(shè)計（含教學方法、教學手段）多媒體教學，課堂互動式教學及課堂討論。知識點43種計算材料科學中常用的計算軟件1.教學內(nèi)容了解3種軟件的主要用途；編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等的方法；熟悉MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法；掌握Origin軟件幾種基本的作圖方式。通過介紹2013年諾貝爾化學獎三位得主的科研經(jīng)歷，引導學生除了向書本和老師學習之外，還要重視多學科的交叉學習，重視合作與交流，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和合作交流意識。2.教學重點掌握Origin軟件中折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法。3.教學難點MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法。4.教學方案設(shè)計（含教學方法、教學手段）多媒體教學，課堂互動式教學及課堂討論。六、學生成績評定1.課程考核方式及比例本課程考核學生獲取知識的能力、應(yīng)用所學知識分析問題和解決問題能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力等；考核方式采用出勤、作業(yè)評測、課堂表現(xiàn)、平時階段測驗等多種形式、多個階段等全過程的考核，使學生成績評定更加合理多樣，優(yōu)化課程評價體系，進一步提升本課程教學效果。學生成績評定表考核方式平時成績期中考試期末考試出勤作業(yè)課堂表現(xiàn)階段測驗答辯項目小論文實驗√√√√√成績比例%51051010602.課程考核方式評價權(quán)重本課程教學目標與考核方式評價權(quán)重如表所示：課程教學目標支撐畢業(yè)要求指標點考核評價方式權(quán)重（%）過程性考核實驗期末考試合計出勤及課堂表現(xiàn)作業(yè)及階段測驗教學目標1指標點1.357215~3029~44教學目標2指標點2.336415~2029~34教學目標3指標點4.327415~1829~30合計102010601003.課程成績評價標準平時成績評定及考核標準考核環(huán)節(jié)考核結(jié)果及標準評估項目及權(quán)重優(yōu)秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）出勤及課堂表現(xiàn)（10%）無遲到、早退、曠課現(xiàn)象。積極參加課堂討論，并有自己獨到的見解，能夠準確回答問題，并有自己獨到的見解偶爾有遲到、早退現(xiàn)象。較為積極參加課堂討論，能夠準確回答問題，并提出自己的見解有遲到、早退現(xiàn)象。能夠主動參加課堂討論，能夠回答問題有遲到、早退、偶爾有曠課現(xiàn)象。參與課堂討論，基本能回答相關(guān)問題遲到、早退、曠課較多。不能有效參加課堂討論，回答不出所有問題作業(yè)（10%）能夠獨立完成作業(yè)，作業(yè)完成質(zhì)量優(yōu)秀，能夠靈活運用所學知識和理論解決問題，并獲得正確結(jié)論能夠獨立完成作業(yè)，完成質(zhì)量較高，能夠運用所學知識和理論解決問題，并獲得正確結(jié)論能夠獨立完成作業(yè)，完成質(zhì)量符合要求，能夠運用所學知識和理論解決問題，并獲得有效結(jié)論基本能夠獨立完成作業(yè)，部分題目解答存在抄襲現(xiàn)象，運用所學知識和理論解決問題的能力基本符合要求不能獨立完成作業(yè)，存在明顯抄襲現(xiàn)象，不具備運用所學知識和理論解決問題的能力階段測驗（10%）完成所有階段測驗，根據(jù)參考答案評分，總評成績?yōu)閮?yōu)秀完成所有階段測驗，根據(jù)參考答案評定分，總評成績?yōu)閮?yōu)良完成所有階段測驗，根據(jù)參考答案評分，總評成績?yōu)橹械韧瓿伤须A段測驗，根據(jù)參考答案評分，總評成績?yōu)榧案駴]有完成階段測試，根據(jù)參考答案評分，總評成績不及格實驗（10分%）實驗報告能夠獨立完成，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)合理，數(shù)據(jù)處理正確，圖表規(guī)范。能夠正確完成實驗報告中提出的問題，并對實驗中遇到的問題進行深入的討論，提出自己的見解。實驗報告能夠獨立完成，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)合理，數(shù)據(jù)處理正確，圖表基本規(guī)范。能夠完成實驗報告中提出的問題，并對實驗中遇到的問題進行討論，提出意見。實驗報告能夠完成，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)基本合理，能夠進行數(shù)據(jù)處理，圖表基本規(guī)范。能夠基本完成實驗報告中中提出的問題，對實驗中遇到的問題進行討論。實驗報告基本能夠獨立完成，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)圖表齊全，基本完成實驗報告中提出的問題。實驗報告不能獨立完成，存在抄襲現(xiàn)象，報告中提出的問題沒有或基本沒有回答。課程教學目標評價標準考核環(huán)節(jié)考核結(jié)果及標準評估項目及權(quán)重優(yōu)秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教學目標1熟練掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，充分了解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景。準確掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，了解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景。掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，較好了解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景?；菊莆盏谝恍栽碛嬎?、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，基本了解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景。不能掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行的基本原理及運行規(guī)律，不能理解計算機模擬在材料設(shè)計方面的應(yīng)用實例及發(fā)展前景。教學目標2熟練掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題、分析問題和解決問題的能力，具備抽象思維能力，大幅度提升整體思維、融會貫通、學會學習的能力。準確掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題、分析問題和解決問題的能力，具備較好的抽象思維能力，較好的提升整體思維、融會貫通、學會學習的能力。掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題、分析問題和解決問題的能力，具備一定程度的抽象思維能力，一定程度上提升整體思維、融會貫通、學會學習的能力?；菊莆盏谝恍栽碛嬎恪⒎肿觿恿W模擬、linux系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題、分析問題和解決問題的能力，具備基本的抽象思維能力，基本提升整體思維、融會貫通、學會學習的能力。不能掌握第一性原理計算、分子動力學模擬、linux系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題、分析問題和解決問題的能力，不具備基本的抽象思維能力，不能提升整體思維、融會貫通、學會學習的能力。教學目標3熟練掌握材料在VESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，熟練掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等。充分了解MaterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，熟練掌握MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法。充分了解Origin軟件的應(yīng)用場景，熟練掌握折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法。準確掌握材料在VESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，準確掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等。準確了解MaterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，準確掌握MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法。準確了解Origin軟件的應(yīng)用場景，準確掌握折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法。掌握材料在VESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等。了解MaterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，掌握MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法。了解Origin軟件的應(yīng)用場景，掌握折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法?；菊莆詹牧显赩ESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，基本掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等?；玖私釳aterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，基本掌握MaterialsStudio軟件中提供搭建分子、晶體及高分子材料結(jié)構(gòu)模型的方法?；玖私釵rigin軟件的應(yīng)用場景，掌握折線圖、柱狀圖、曲線圖的繪制方法及歸一化圖譜的擬合方法。不能掌握材料在VESTA軟件中晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)可視化操作，不能掌握將cif格式的晶體結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)換為POSCAR的形式，編輯、獲取各類晶體結(jié)構(gòu)信息及二維切面等。不了解MaterialsStudio軟件的出現(xiàn)背景、軟件概況，