《计算材料学》教学大纲课程名称：计算材料学课程类别（必修/选修）：必修课程英文名称：ComputationalMaterialsScience其中实验/实践学时：0总学时/周学时/学分：24/2/1.5先修课程：高等数学、线性代数、大学计算机基础与计算思维、材料科学基础、材料热力学后续课程支撑：毕业设计授课时间：2021级金属材料1班：1-12周，周四1-2节：2021级金属授课地点：松山湖校区6A-403材料2班：1-12周，周四3-4节授课对象：2021级金属材料1、2班开课学院：材料科学与工程学院在课教师姓名/职称：王康/副教授、周洁/讲师答疑时间、地点与方式：1.课堂：每次上课的课前、课间和课后进行答疑：2.课外：致电教师王康（13556643810）周洁（15120055211）约定时间地点答疑：3.线上：建立微信课程群线上答/发送邮件至教师邮箱wangk@dgut.edu.cn，zhoujie@dgut.edu.cn答疑。课程考核方式：开卷（）闭卷（）课程论文（）其它（）使用教材：《计算材料科学数理模型及计算机模拟》周志、孙本哲编著／科学出版社/ISBN：9787030367952课程简介：计算材料学是一门以计算机及计算机技术为工具和手段，结合凝聚态物理、材料科学基础等学科知识，对材料的组成、结构、性能以及使役性能进行分析计算的学科，为复杂体系规律、性质的研究提供了重要手段，是解决复杂材料问题的一门应用科学。本课程基于金属材料工程的人才培养方案要求和学生先修课程情况，讲授材料科学建模原理、常用数值分析方法，依托计算机面向对象语言，重点针对合金凝固和再结品过程、材料细观力学、金属材料加工过程等领域的若干具体问题开展计算材料学的建模应用。课程还将简介第一性原理、分子动力学等计算材料学的前沿技术和分析方法，介绍基于面向对象语言的计算材料学模型编程实现路径。通过本课程教学，使学生学会分析材料科学、材料加工领域具体问题的主要影响因素，学会利用数学、物理学等只是将实际问题模型化，通过材料计算实践，深入理解材料设计、失效分析和性能预测的基本原理，掌握计算机编程工具的使用，为学生将来从事金属材料相关领域的工程和科学研究莫定知识基础。1
1 《计算材料学》教学大纲 课程名称： 计算材料学 课程类别（必修/选修）：必修 课程英文名称：Computational Materials Science 总学时/周学时/学分：24/2/1.5 其中实验/实践学时：0 先修课程： 高等数学、线性代数、大学计算机基础与计算思维、材料科学基础、材料热力学 后续课程支撑： 毕业设计 授课时间： 2021 级金属材料 1 班：1-12 周，周四 1-2 节；2021 级金属 材料 2 班：1-12 周，周四 3-4 节 授课地点：松山湖校区 6A-403 授课对象： 2021 级金属材料 1、2 班 开课学院： 材料科学与工程学院 任课教师姓名/职称：王康/副教授、周洁/讲师 答疑时间、地点与方式：1.课堂：每次上课的课前、课间和课后进行答疑；2.课外：致电教师王康（13556643810）、周洁（15120055211）约定时间地 点答疑；3.线上：建立微信课程群线上答疑/发送邮件至教师邮箱 wangk@dgut.edu.cn， zhoujie@dgut.edu.cn 答疑。 课程考核方式：开卷（√）闭卷（）课程论文（）其它（ ） 使用教材： 《计算材料科学数理模型及计算机模拟》周志敏、孙本哲 编著 / 科学出版社 /ISBN: 9787030367952 课程简介：计算材料学是一门以计算机及计算机技术为工具和手段，结合凝聚态物理、材料科学基础等学科知识，对材料的组成、结构、性能以及使役 性能进行分析计算的学科，为复杂体系规律、性质的研究提供了重要手段，是解决复杂材料问题的一门应用科学。本课程基于金属材料工程的人才培养 方案要求和学生先修课程情况，讲授材料科学建模原理、常用数值分析方法，依托计算机面向对象语言，重点针对合金凝固和再结晶过程、材料细观力 学、金属材料加工过程等领域的若干具体问题开展计算材料学的建模应用。课程还将简介第一性原理、分子动力学等计算材料学的前沿技术和分析方法， 介绍基于面向对象语言的计算材料学模型编程实现路径。通过本课程教学，使学生学会分析材料科学、材料加工领域具体问题的主要影响因素，学会利 用数学、物理学等只是将实际问题模型化，通过材料计算实践，深入理解材料设计、失效分析和性能预测的基本原理，掌握计算机编程工具的使用，为 学生将来从事金属材料相关领域的工程和科学研究奠定知识基础
课程教学目标及对毕业要求指标点的支撑：毕业要求支撑毕业要求指标点课程教学目标目标1：理解应用数学、自然科学和工程科学的基本2.1具有综合运用所学的数学，自然科学和No.2问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科原理，掌握识别、表达、分析金属材料领域的复杂工学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析工程科学的基本原理分析解决金属材料制程问题的方法，了解将实际工程问题进行模型化的方备、加工领域的复杂工程问题。金属材料领域的复杂工程问题，以获得有效结论。法。目标2：理解决定材料加工过程、微观组织演变和使No.4研究：能够基于科学原理并采用科学方法对金属材料工程领域复杂技术问题进行研究，包括设计役性能优劣背后的科学规律，了解材料科学实际问题4.1掌握自然科学的基本原理及方法，具备背后的物理和化学原理，理解材料模拟计算结果的内实验设计、数据分析和总结规律的能力。实验、分析与解释数据、并通过信息综合得出合理有效的结论涵，学会材料模拟计算结果的分析和归纳方法。No.5使用现代工具：能够针对金属材料的设计、制目标3：掌握计算材料学建模所需的基本编程技能，了解材料精细结构计算、微观组织演变模拟、细观力5.2能够应用现代工程工具和信息技术工备、加工等问题，开发、选择与使用恰当的技术、学性能仿真的相关软件特点和基本操作方法，学会针具，对金属材料制备、加工领域复杂工程问资源、现代工程工具和信息技术工具，对金属材料对具体的材料科学实际问题选择正确的材料计算技术题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。工程领域复杂问题进行预测与模拟，并能够理解其手段。局限性。理论教学进程表教学模式周教学内容（重点、难点、课程思支撑课授课教师学时数教学主题教学方法作业安排次政融入点）程目标（线上/线下）周洁2线下课堂讲授目标3计算材料学绪论计算机在现代科学中的重要性、2
2 课程教学目标及对毕业要求指标点的支撑： 课程教学目标 支撑毕业要求指标点 毕业要求 目标 1：理解应用数学、自然科学和工程科学的基本 原理，掌握识别、表达、分析金属材料领域的复杂工 程问题的方法，了解将实际工程问题进行模型化的方 法。 2.1 具有综合运用所学的数学，自然科学和 工程科学的基本原理分析解决金属材料制 备、加工领域的复杂工程问题。 No. 2 问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科 学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析 金属材料领域的复杂工程问题，以获得有效结论。 目标 2：理解决定材料加工过程、微观组织演变和使 役性能优劣背后的科学规律，了解材料科学实际问题 背后的物理和化学原理，理解材料模拟计算结果的内 涵，学会材料模拟计算结果的分析和归纳方法。 4.1 掌握自然科学的基本原理及方法，具备 实验设计、数据分析和总结规律的能力。 No.4 研究：能够基于科学原理并采用科学方法对金 属材料工程领域复杂技术问题进行研究，包括设计 实验、分析与解释数据、并通过信息综合得出合理 有效的结论 目标 3：掌握计算材料学建模所需的基本编程技能， 了解材料精细结构计算、微观组织演变模拟、细观力 学性能仿真的相关软件特点和基本操作方法，学会针 对具体的材料科学实际问题选择正确的材料计算技术 手段。 5.2 能够应用现代工程工具和信息技术工 具，对金属材料制备、加工领域复杂工程问 题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。 No.5 使用现代工具：能够针对金属材料的设计、制 备、加工等问题，开发、选择与使用恰当的技术、 资源、现代工程工具和信息技术工具，对金属材料 工程领域复杂问题进行预测与模拟，并能够理解其 局限性。 理论教学进程表 周 次 教学主题 授课教师 学时数 教学内容（重点、难点、课程思 政融入点） 教学模式 （线上/线下） 教学方法 作业安排 支撑课 程目标 1 计算材料学绪论 周洁 2 计算机在现代科学中的重要性、 线下 课堂讲授 目标 3
如何利用网络信息化学习、科学在信息化社会的发展趋势。初步介绍课程内容和计算机在材料学科学习与研究中的应用。重点：理解计算机在材料学研究中的重要作用。难点：如何正确利用信息化资源。课程思政融入点①：1）在计算机网络迅速发展的现代社会，如何利用计算机和网络获取知识和自主学习，引导学生养成自主学习的习惯：2）随着计一算机工具的迅速发展，合理利用计算软件能极大提高学习和研究效率：3）面对网络复杂情况，应用计算机过程中也应注意识别有害信息。介绍数值分析基础（插值、拟合、求解方程组）材料学的数据分析和作业1选代法求解线下目标1周洁2模型化①：数值分析和重点：实现数值分析和求解线性方2课堂讲授线性方程组程组线性方程组求解难点：学会建立正确数学模型3
3 如何利用网络信息化学习、 科学 在信息化社会的发展趋势。初步介 绍课程内容和计算机在材料学科 学习与研究中的应用。 重点： 理解计算机在材料学研究 中的重要作用。 难点：如何正确利用信息化资源。 课程思政融入点①： 1）在计算 机网络迅速发展的现代社会， 如 何利用计算机和网络获取知识和 自主学习，引导学生养成自主学习 的习惯；2）随着计算机工具的迅 速发展，合理利用计算软件能极大 提高学习和研究效率；3）面对网 络复杂情况，应用计算机过程中也 应注意识别有害信息。 2 材料学的数据分析和 模型化①：数值分析和 线性方程组求解 周洁 2 介绍数值分析基础（插值、拟合、 求解方程组） 重点：实现数值分析和求解线性方 程组 难点：学会建立正确数学模型 线下 课堂讲授 作业 1 迭代法求解 线性方程组 目标 1
介绍微分方程的基本概念、有限差材料学的数据分析和分法线下2目标1周洁模型化②：微分方程的课堂讲授重点：有限差分法W求解难点：有限差分法介绍有限元法的基本原理和有限元软件使用的基本流程重点：有限元软件使用的基本过程难点：有限元分析实现的原理课程思政融入点②：引导学生学有限元法在材料科学习两弹一星精神，引导学生不要畏作业2数值求解微周洁4线下课堂讲授目标24-5中的应用分方程惧力学问题的计算，中国第一颗原子弹是算盘打出来的。现在学习条件变好了，更要学会利用先进计算方法，解决实际问题，不要惧怕新软件新方法。同时推荐原子弹记录电影《横空出世》介绍分子动力学方法的基本原理和基本流程线下课堂讲授6分子动力学方法简介周洁目标121重点：分子动力学原理难点：分子动力学原理4
4 3 材料学的数据分析和 模型化②：微分方程的 W 求解 周洁 2 介绍微分方程的基本概念、有限差 分法 重点：有限差分法 难点：有限差分法 线下 课堂讲授 目标 1 4-5 有限元法在材料科学 中的应用 周洁 4 介绍有限元法的基本原理和有限 元软件使用的基本流程 重点：有限元软件使用的基本过程 难点：有限元分析实现的原理 课程思政融入点②：引导学生学 习两弹一星精神，引导学生不要畏 惧力学问题的计算，中国第一颗原 子弹是算盘打出来的。现在学习条 件变好了，更要学会利用先进计算 方法，解决实际问题，不要惧怕新 软件新方法。同时推荐原子弹记录 电影《横空出世》。 线下 课堂讲授 作业 2 数值求解微 分方程 目标 2 6 分子动力学方法简介 周洁 2 介绍分子动力学方法的基本原理 和基本流程 重点：分子动力学原理 难点：分子动力学原理 线下 课堂讲授 目标 1
介绍合金组织多尺度模拟的发展历程和当前主流的实现方法。重点：材料组织多尺度模拟的概念，合金微观组织的热力学与动力学决定因素。合金组织多尺度模拟王康2线下课堂讲授目标2难点：合金多尺度模拟方法中不同7的若干基础问题模型的优势与局限性。课程思政融入点③：从中国某些重点科研机构被封锁使用MATLAB软件，谈工程软件对国家重大需求的重大支撑作用。作业3合金凝固组介绍合金凝固温度场的数理模型织模拟编程综合作与模拟实现方法。业：闸释相场模拟重点：合金凝固温度场的数理模合金凝固的温度场模王康线下课堂讲授程序代码各字段意目标22型。8型与模拟义，归纳总结合金难点：合金凝固的温度初始条件和组织的相场模拟的边界条件，合金凝固传热的数值计步骤。算方法。介绍合金凝固组织演变的相场模合金凝固组织演变的王康2线下课堂讲授目标2型。9模型重点：材料微观组织演变的相场理5
5 7 合金组织多尺度模拟 的若干基础问题 王康 2 介绍合金组织多尺度模拟的发展 历程和当前主流的实现方法。 重点：材料组织多尺度模拟的概 念，合金微观组织的热力学与动力 学决定因素。 难点：合金多尺度模拟方法中不同 模型的优势与局限性。 课程思政融入点③：从中国某些 重 点 科 研 机 构 被 封 锁 使 用 MATLAB 软件，谈工程软件对国 家重大需求的重大支撑作用。 线下 课堂讲授 目标 2 8 合金凝固的温度场模 型与模拟 王康 2 介绍合金凝固温度场的数理模型 与模拟实现方法。 重点：合金凝固温度场的数理模 型。难点：合金凝固的温度初始条件和 边界条件，合金凝固传热的数值计 算方法。 线下 课堂讲授 作业 3 合金凝固组 织模拟编程综合作 业：阐释相场模拟 程序代码各字段意 义，归纳总结合金 组织的相场模拟的 步骤。 目标 2 9 合金凝固组织演变的 模型 王康 2 介绍合金凝固组织演变的相场模 型。重点：材料微观组织演变的相场理 线下 课堂讲授 目标 2