曲华師范大学课程教学大纲学院：物理工程学院课程名称：材料计算物理英文名称：ComputationalPhysicsforMaterials Science课程代码：074746选修课课程性质：计划学时：理论：54实践/实验：18学分：4授课时间：1-18 周授课地点：实验中心A115适用专业：新能源材料与器件专业审核人：批准人：执笔人：易文才易文才课程负责人：授课教师：易文才修订日期：2022年07月15日
学 院： 物理工程学院 课程名称： 材料计算物理 英文名称：Computational Physics for Materials Science 课程代码： 074746 课程性质： 选修课 计划学时：理论：54 实践/实验：18 学 分： 4 授课时间： 1-18 周 授课地点： 实验中心 A115 适用专业： 新能源材料与器件专业 执笔人： 易文才 审核人： 批准人： 课程负责人： 易文才 授课教师： 易文才 修订日期：2022 年 07 月 15 日
《材料计算物理》课程教学大纲一、课程简介内容方面：材料计算物理是利用物理原理和计算机数值计算技术模拟材料微观世界作用机理的一门学科，是新能源材料与器件专业拓展选修课。材料计算物理是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。在当代材料研发过程中，材料计算模拟发挥着越来越重要的作用。材料计算模拟覆盖领域广泛，包括气敏材料、热电材料、超硬材料、光催化材料、超导材料、储氢材料、电极材料等，该课程的实施有利于新能源材料与器件专业学生全面掌握利用计算机设计新能源材料及器件的相关理论知识和实践方法，为将来升学或从事新能源材料与器件方面计算设计提供前沿的技能支撑。该课程需学生提前掌握《无机化学》、《固体物理》、《材料科学基础》、《半导体材料与器件》等相关课程。表述方法方面：本课程将以通俗易懂的语言介绍量子力学及相关第一性原理工具，介绍第一性原理计算在材料设计前沿的应用和实施方法。通过本课程的学习，学生将能够掌握超级计算机集群的使用方法，具备利用超级计算机设计新材料的思维方法和实践能力。二、课程目标本课程系统讲授材料计算物理的应用、量子力学数值实施方法、密度泛函理论、超算集群的使用、吸附能的计算模拟、能带结构计算与分析等内容，使学生能够：1.了解材料计算物理的发展历史，熟悉材料计算物理在二维气敏材料、光催化材料、单原子催化材料、表面拉曼增强基底材料、二维异质结材料、钙钛矿（光伏）材料、电池（电极）材料、含能材料、热电材料等领域的应用实例。掌握材料计算物理涉及的计算模拟尺度、模拟方法和实施流程，初步掌握量子力学方法在计算机中的数值运算方法。了解材料计算物理在基因工程中的重要应用和对社会发展的重要驱动力（支撑毕业要求2，6)2.掌握材料计算物理研究中常用的材料模型构建方法，学会运用科学的思维和科学研究方法将材料研究中的具体问题转换成材料计算模型。通过对密度泛函理论的学习，掌握Kohn-Sham自洽方程的数值求解、质势方法、基组和泛函。通过深入具体的材料结构分析，掌握对材料在物理、化学过程中微观变化过程的分析能力，掌握一种典型的材料计算模拟程序和超级计算机集群的使用方法。同时，培养学生在科学研究中的思维方法、严谨的科学态度和细致、踏实的工作作风。（支撑毕业要求3，5）3.要求学生在掌握材料模拟方法的前提下，能够检索查询材料计算模拟相关的科学1/ 9
《 材料计算物理 》课程教学大纲 1 / 9 一、课程简介 内容方面：材料计算物理是利用物理原理和计算机数值计算技术模拟材料微观世界 作用机理的一门学科，是新能源材料与器件专业拓展选修课。材料计算物理是一门正在 快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的 学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等 多门学科。在当代材料研发过程中，材料计算模拟发挥着越来越重要的作用。材料计算 模拟覆盖领域广泛，包括气敏材料、热电材料、超硬材料、光催化材料、超导材料、储 氢材料、电极材料等，该课程的实施有利于新能源材料与器件专业学生全面掌握利用计 算机设计新能源材料及器件的相关理论知识和实践方法，为将来升学或从事新能源材料 与器件方面计算设计提供前沿的技能支撑。该课程需学生提前掌握《无机化学》、《固体 物理》、《材料科学基础》、《半导体材料与器件》等相关课程。 表述方法方面：本课程将以通俗易懂的语言介绍量子力学及相关第一性原理工具， 介绍第一性原理计算在材料设计前沿的应用和实施方法。通过本课程的学习，学生将能 够掌握超级计算机集群的使用方法，具备利用超级计算机设计新材料的思维方法和实践 能力。 二、课程目标 本课程系统讲授材料计算物理的应用、量子力学数值实施方法、密度泛函理论、超 算集群的使用、吸附能的计算模拟、能带结构计算与分析等内容，使学生能够： 1. 了解材料计算物理的发展历史，熟悉材料计算物理在二维气敏材料、光催化材 料、单原子催化材料、表面拉曼增强基底材料、二维异质结材料、钙钛矿（光伏）材料、 电池（电极）材料、含能材料、热电材料等领域的应用实例。掌握材料计算物理涉及的 计算模拟尺度、模拟方法和实施流程，初步掌握量子力学方法在计算机中的数值运算方 法。了解材料计算物理在基因工程中的重要应用和对社会发展的重要驱动力（支撑毕业 要求 2，6） 2.掌握材料计算物理研究中常用的材料模型构建方法，学会运用科学的思维和科学 研究方法将材料研究中的具体问题转换成材料计算模型。通过对密度泛函理论的学习， 掌握 Kohn-Sham 自洽方程的数值求解、赝势方法、基组和泛函。通过深入具体的材料结 构分析，掌握对材料在物理、化学过程中微观变化过程的分析能力，掌握一种典型的材 料计算模拟程序和超级计算机集群的使用方法。同时，培养学生在科学研究中的思维方 法、严谨的科学态度和细致、踏实的工作作风。（支撑毕业要求 3，5） 3.要求学生在掌握材料模拟方法的前提下，能够检索查询材料计算模拟相关的科学
《材料计算物理》课程教学大纲前沿问题，并对相关问题进行系统总结和解决问题思路进行探讨，使学生通过课堂讨论、课后交流，培养语言表达能力、团队协作能力、人际交往能力。同时，掌握材料计算物理新方法与新技术。（支撑毕业要求2，3）4.通过上机实践和学生分组调研，学会以团队形式积极开展合作学习，对材料计算模拟某一领域特定问题进行归纳总结，掌握该领域模拟方法研究材料问题的一般步骤和方法，增强学生在教学与科学研究中分析问题和解决问题的能力。（支撑毕业要求2，3）表1：课程目标与毕业要求具体指标点的对应关系表课程目标1：掌握材料计算物理基础知识和具体应用领域。课程目标2：掌握材料计算模拟软件和超级计算机模拟平台的使用。课程目标课程目标3：学会检索材料计算物理前沿问题的方法，培养自主解决问题的能力。课程目标4：通过团队协作的方式，调研材料计算物理中一个具体的前沿研究方向，提升对材料计算模拟在材料基因计划、人类材料发展驱动力的认识。课程目标课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4毕业要求指标点了解材料计算物理计算方法的前沿信息、发展趋势以及国内外材料计算物理的应用领域，掌握材料计毕业要求2问算物理相关文献的检索和vV题分析获取方法，初步具备运用材料计算物理解决自然科学与工程技术中遇到的现实问题的能力。掌握利用材料计算模拟解决新能源领域的实际问题或需求，学会运用综合运毕业要求3设用材料计算物理技术设计计/开发解决方新材料结构并探究性质，案能够利用材料计算模拟提出材料研发中有效的解决方案。针对晶体材料设计的相关问题，选择和使用恰当的毕业要求5使材料计算模拟软件，对问Y用现代工具题进行预测和模拟。并利用化学、材料学基础知识2 /9
《 材料计算物理 》课程教学大纲 2 / 9 前沿问题，并对相关问题进行系统总结和解决问题思路进行探讨，使学生通过课堂讨论、 课后交流，培养语言表达能力、团队协作能力、人际交往能力。同时，掌握材料计算物 理新方法与新技术。（支撑毕业要求 2，3） 4.通过上机实践和学生分组调研，学会以团队形式积极开展合作学习，对材料计算 模拟某一领域特定问题进行归纳总结，掌握该领域模拟方法研究材料问题的一般步骤和 方法，增强学生在教学与科学研究中分析问题和解决问题的能力。（支撑毕业要求 2,3） 表 1：课程目标与毕业要求具体指标点的对应关系表 课程目标 课程目标 1：掌握材料计算物理基础知识和具体应用领 域。 课程目标 2：掌握材料计算模拟软件和超级计算机模拟 平台的使用。 课程目标 3：学会检索材料计算物理前沿问题的方法， 培养自主解决问题的能力。 课程目标 4：通过团队协作的方式,调研材料计算物理中 一个具体的前沿研究方向，提升对材料计算模拟在材料 基因计划、人类材料发展驱动力的认识。 课程目标 毕业要求指标点 课程目标 1 课程目标 2 课程目标 3 课程目标 4 毕业要求2 问 题分析 了解材料计算物理计算方 法的前沿信息、发展趋势 以及国内外材料计算物理 的应用领域，掌握材料计 算物理相关文献的检索和 获取方法，初步具备运用 材料计算物理解决自然科 学与工程技术中遇到的现 实问题的能力。 √ √ √ 毕业要求3 设 计/开发解决方 案 掌握利用材料计算模拟解 决新能源领域的实际问题 或需求，学会运用综合运 用材料计算物理技术设计 新材料结构并探究性质， 能够利用材料计算模拟提 出材料研发中有效的解决 方案。 √ √ √ 毕业要求5 使 用现代工具 针对晶体材料设计的相关 问题，选择和使用恰当的 材料计算模拟软件，对问 题进行预测和模拟。并利 用化学、材料学基础知识 √ √
《材料计算物理》课程教学大纲对模拟结果进行分析，解决材料科学相关问题。通过组织学生共同完成个材料计算课题，深化学生对材料计算物理对材料毕业要求6工基因成的重要意义，并通V程与社会过团队协作理解材料计算物理对材料设计和人类社会的重要驱动力。三、教学内容课程目标与教学内容和教学方法的对应关系表表2：学时教学课程目课程目课程目课程目章节周次日期内容提要分配方法标1标2标 3标41.1材料计算物理发展简史掌握材1.2材料计算物理应用料计算第一章领域物理工材料计1.3材料计程技术1-2讲授法8算物理算物理计算的最新导论流程及常用进展、软件应用领域。1.4材料计算物理最新计算方法及面临挑战2.1量子力掌握量学图像子力学2.2一维定态问题的深和密度第二章入泛函理密度泛2.3自由电论在计 3-48讲授法1算机中函理论子气理论基础2.4基于密数值计度泛函理论算方法探究水分子的最新的结构与成进展键3.1基矢展掌握平第三章演示开与计算方面波基势平案5-68法，练矢、倒面波方习法空间积3.2倒空间法积分与K点分在材3/9
《 材料计算物理 》课程教学大纲 3 / 9 对模拟结果进行分析，解 决材料科学相关问题。 毕业要求6 工 程与社会 通过组织学生共同完成一 个材料计算课题，深化学 生对材料计算物理对材料 基因成的重要意义，并通 过团队协作理解材料计算 物理对材料设计和人类社 会的重要驱动力。 √ 三、教学内容 表 2：课程目标与教学内容和教学方法的对应关系表 周次 日期 章节 内容提要 学时 分配 教学 方法 课程目 标 1 课程目 标 2 课程目 标 3 课程目 标 4 1-2 第一章 材料计 算物理 导论 1.1 材料计 算物理发展 简史 1.2 材料计 算物理应用 领域 1.3 材料计 算物理计算 流程及常用 软件 1.4 材料计 算物理最新 计算方法及 面临挑战 8 讲授法 掌握材 料计算 物理工 程技术 的最新 进展、 应用领 域。 3-4 第二章 密度泛 函理论 基础 2.1 量子力 学图像 2.2 一维定 态问题的深 入 2.3 自由电 子气理论 2.4 基于密 度泛函理论 探究水分子 的结构与成 键 8 讲授法 掌握量 子力学 和密度 泛函理 论在计 算机中 数值计 算方法 的最新 进展 5-6 第三章 赝势平 面波方 法 3.1 基矢展 开与计算方 案 3.2 倒空间 积分与 K 点 8 演示 法，练 习法 掌握平 面波基 矢、倒 空间积 分在材
《材料计算物理》课程教学大纲设置料计算3.3材料计物理中算与设计实的具体实施方践指南法4.1材料计算模拟软件4.2材料晶体数据获得4.3零维小掌握材分子/团簇料计算第四章结构的建立模拟中材料计4.4一维纳各种材讲授法算模型7-8米管/纳米8料计算构建基带模型的建模型的立础建立方4.5二维材法料的构建4.6晶体表面的构建4.7异质结结构的构建5.1超算及其硬件简介5.2 Linux掌握当操作系统的代超级第五章使用计算机材料计演示集群的5.3VASP程算模拟法，探9-10序包简介8使用方平台与5.4VASP程究法法以及模拟程量化计序包的输入序入门和输出算软件5.5VASP相的入门关辅助软件的使用6.1结构优掌握使化简介用量化6.2小分子模拟软第六章掌握吸演示在固体表面件进行吸附能附能计11-8法，探结构优的吸附12算的应计算模6.3Bader究法化、吸用领域拟基础电荷的计算附能计6.4电荷差算及分析分的计算4/9
《 材料计算物理 》课程教学大纲 4 / 9 设置 3.3 材料计 算与设计实 践指南 料计算 物理中 的具体 实施方法 7 - 8 第四 章 材料计 算模型 构建 基 础 4.1 材料计 算模拟软件 4.2 材料晶 体数据获得 4.3 零维小 分子 /团簇 结构的建立 4.4 一维纳 米管 /纳米 带模型的建 立4.5 二维材 料的构建 4.6 晶体表 面的构建 4.7 异质结 结构的构建 8 讲授法 掌握材 料计算 模拟中 各种材 料计算 模型的 建立方法 9-10 第五章 材料计 算模拟 平台与 模拟程 序入门 5.1 超算及 其硬件简介 5.2 Linux 操作系统的 使用5.3 VASP 程 序包简介 5.4 VASP 程 序包的输入 和输出 5.5 VASP 相 关辅助软件 的使用 8 演示 法，探 究法 掌握当 代超级 计算机 集群的 使用方 法以及 量化计 算软件 的入门 11 - 1 2 第六章 吸附能 计算模 拟基础 6.1 结构优 化简介 6.2 小分子 在固体表面 的吸附 6.3 Bader 电荷的计算 6.4 电荷差 分的计算 8 演示 法，探 究法 掌握吸 附能计 算的应 用领域 掌握使 用量化 模拟软 件进行 结构优 化、吸 附能计 算及分析