《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：10总学时/周学时/学分：24/2/1.5先修课程：高等数学、大学物理、材料科学基础后续课程支撑：毕业设计授课时间：2,4-14周，周二，1-2节授课地点：松山湖校区6B302（涉及上机课时在学期前预约后确定）授课对象：2020级金属材料开课学院：材料科学与工程学院年课教师姓名/取称：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@dgutedu.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课程菌介：《计算材料学》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”。本课程的主要面向金属材料工程专业大三年级本科生，针对授课对象已完成的先修课程情况，本课程主要简介计算机技术在材料科学研究中的前沿发展，者重针对金属材料的显微组织和力学性能等同题背后的科学原理，讲授利用计算机编程和科学计算软件开展问题分析的思路和实现途径，使学生基本掌握应用数、理、化基础知识和计算机工具研究材料科学领域物理现象的一般方法。本课旨在加深学生对材料科学内涵的理解和应用，培养学生将实际问题抽象化、模型化为数学物理问题的技能，提升学生的计算机应用能力，引导学生的创新意识。课程教学目标及对单业要求指标点的支撑：支撑毕业要求指标点毕业要求课程教学目标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：10 先修课程： 高等数学、大学物理、材料科学基础 后续课程支撑： 毕业设计 授课时间： 2, 4-14 周，周二，1-2 节 授课地点：松山湖校区 6B302（涉及上机课时在学期前预约后确定） 授课对象： 2020 级金属材料 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”。本课程的主要面向金属材料工程专业大三年级本科生，针对授课对象已完成的先修课程情况，本课程主要简介计算机技术在材料科 学研究中的前沿发展，着重针对金属材料的显微组织和力学性能等问题背后的科学原理，讲授利用计算机编程和科学计算软件开展问题分析的思路和实 现途径，使学生基本掌握应用数、理、化基础知识和计算机工具研究材料科学领域物理现象的一般方法。本课旨在加深学生对材料科学内涵的理解和应 用，培养学生将实际问题抽象化、模型化为数学物理问题的技能，提升学生的计算机应用能力，引导学生的创新意识。 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1：4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对金属4-1掌握自然科学的基本原理及方法，学会分析材料科学、材料加工领域具体问题的主要影响因材料工程领域复杂技术问题进行研究，包括设计实具备实验设计、数据分析和总结规律的素，了解利用数学、物理学实际问题进行抽象化、模型化验、分析与解释数据、并通过信息综合得出合理有能力。的方法。效的结论。目标2：5-1能够开发、选择及使用现代专业检5.使用现代工具：能够针对金属材料的设计、制备、了解基于科学计算方法开展材料设计、失效分析、性能预测设备、资源及技术来分析金属材料工加工等问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、测和工艺优化的基本原理，学会利用程序科学计算软件或程中涉及合金设计与制备、产品加工等现代工程工具和信息技术工具，对金属材料工程领程序编译器对材料科学、材料加工中的实际问题进行建模方面的复杂工程问题，并能够理解其局域复杂问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性。限性和计算分析。目标3：7-2能够正确和客观的评价针对复7.环境和可持续发展：能够理解和评价针对金属材学会利用丰富网络资源进行自主学习并解决实际问题，能杂工程问题的金属材料工程专业工料问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影结合材料科学、材料加工领域前沿或常见的问题或现象，程实践对环境社会可持续发展的响。利用科学计算软件或程序编译器开展计算分析，影响。理论教学进程表教学模式授课教学时教学内容（重点、难点、课程思政融入支撑课周次教学主题教学方法作业安排师数点)程目标（线上/线下）计算机在现代科学中的重要性、如何利目标3用网络信息化学习、科学在信息化社会周洁线下课堂讲投22计算材料学绪论的发展趋势。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。2
2 目标 1： 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，了解利用数学、物理学实际问题进行抽象化、模型化 的方法。 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。 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 2： 了解基于科学计算方法开展材料设计、失效分析、性能预 测和工艺优化的基本原理，学会利用程序科学计算软件或 程序编译器对材料科学、材料加工中的实际问题进行建模 和计算分析。 5-1 能够开发、选择及使用现代专业检 测设备、资源及技术来分析金属材料工 程中涉及合金设计与制备、产品加工等 方面的复杂工程问题，并能够理解其局 限性 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。 目标 3： 学会利用丰富网络资源进行自主学习并解决实际问题，能 结合材料科学、材料加工领域前沿或常见的问题或现象， 利用科学计算软件或程序编译器开展计算分析。 7-2 能够正确和客观的评价针对复 杂工程问题的金属材料工程专业工 程实践对环境、社会可持续发展的 影响。 7．环境和可持续发展：能够理解和评价针对金属材 料问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影 响。 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 2 计算材料学绪论 周洁 2 计算机在现代科学中的重要性、 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。 线下 课堂讲授 目标 3
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。介绍MATLAB语言的基本功能和向量科学计算软件简介：矩阵运算的基本操作线下周洁课堂讲投目标12重点：MATLAB的基本功能MATLAB难点：矩阵运算介绍数值分析基础（插值、拟合、求解方课后作业1：利用程组）和在MATLAB中的实现，并介绍材料学的数据分析MATLAB分析处和模型化①：数值分在材料科学中的应用。周洁线下课堂讲授目标125理数据（编程与绘析和线性方程组求重点：利用MATLAB实现数值分析和求图)解解线性方程组难点：学会建立正确数学模型3
3 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。 4 科学计算软件简介： MATLAB 周洁 2 介绍 MATLAB 语言的基本功能和向量 矩阵运算的基本操作 重点：MATLAB 的基本功能 难点：矩阵运算 线下 课堂讲授 目标 1 5 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）和在 MATLAB 中的实现，并介绍 在材料科学中的应用。 重点：利用 MATLAB 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 课后作业 1：利用 MATLAB 分 析 处 理数据（编程与绘 图） 目标 1
介绍微分方程的基本概念和在matlab中材料学的数据分析的求解线下周洁目标12和模型化②：微分方课堂讲投重点：微分方程的基本概念程的求解难点：matlab求解微分方程以凝固和形变再结晶过程中的微观组织演变为主线，介绍从宏观至微观尺度的多尺度模拟方法及基本理论。重点：宏观至介观尺度的多尺度模拟方法的区别于联系。材料微观组织的多难点：材料微观组织多尺度模拟的数学王康线下目标12课堂讲授7尺度模拟简介物理模型。课程思政融入点：从“哈工大等部分一流大学和科研机构被禁用某国外著名科学计算软件”谈起，阐释科学计算软件被国外“卡脖子”对国内科学研究的影，使学生深入认识学好理论知识和计算机技能的重要性。以面心立方纯金属材料为例，介绍纯金纯金属材料凝固显属凝固组织形成的数学物理原理。线下王康课堂讲投目标22微组织的形成原理重点：面心立方金属凝固结晶生长的数与晶粒生长模型学物理原理。4
4 6 材料学的数据分析 和模型化②：微分方 程的求解 周洁 2 介绍微分方程的基本概念和在 matlab 中 的求解 重点：微分方程的基本概念 难点：matlab 求解微分方程 线下 课堂讲授 目标 1 7 材料微观组织的多 尺度模拟简介 王康 2 以凝固和形变再结晶过程中的微观组织 演变为主线，介绍从宏观至 微观尺度的 多尺度模拟方法及基本理论 。 重点：宏观至介观尺度的多尺度模拟方 法的区别于联系。 难点：材料微观组织多尺度模拟的数学 物理模型 。 课程思政融入点 ③ ： 从“哈工大等部分 一流大学和科研机构被禁用 某国外著名 科学计算软件”谈起，阐释科学计算软件 被国外“卡脖子”对国内科学研究的影 响，使学生深入认识学好理论知识和计 算机技能的重要性 。 线下 课堂讲授 目标 1 8 纯金属材料凝固显 微组织的形成原理 与晶粒生长模型 王康 2 以面心立方纯金属材料为例，介绍纯金 属凝固组织形成的数学物理原理 。 重点：面心立方金属凝固结晶生长的数 学物理原理 。 线下 课堂讲授 目标 2
难点：金属凝固结晶生长的相场控制方程。课后作业2：介绍“Ginzburg-Landau”相场计算原理，MATLAB在计算讲授纯金属材料凝固过程中晶粒长大的纯金属材料凝固结王康2线下课堂讲授目标3材料学中的应用实计算机模拟实现方法。晶生长的相场实现践。（程序设计和绘重点：凝固相场方法的主要建模思路。图）难点：金属凝固相场的编程实现原理。14实践教学进程表教学支撑课项目类型（验证/综周次实验项目名称授课教师学时教学内容（重点、难点、课程思政融入点）合/设计）方式程目标以MATLAB语言为案例，简介其在数学计算、计算材料学相关的编程函数插值和拟合、解线性方程组、解微分方程2周洁综合实验目标110语言重点：解线性方程组、插值拟合难点：解微分方程介绍有限元法的基本原理和有限元软件使用的基本流程计算材料学案例①：有重点：有限元软件使用的基本过程限元法在材料科学中的周洁2综合实验目标2111难点：有限元分析实现的原理应用I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5
5 难点：金属凝固结晶生长的相场控制方 程。 9 纯金属材料凝固结 晶生长的相场实现 王康 2 介绍“Ginzburg-Landau”相场计算原理， 讲授纯金属材料凝固过程中晶粒长大的 计算机模拟实现方法。 重点：凝固相场方法的主要建模思路。 难点：金属凝固相场的编程实现原理。 线下 课堂讲授 课后作业 2 ： MATLAB 在 计 算 材料学中的应用实 践。（程序设计和绘 图） 目标 3 14 实践教学进程表 周次 实验项目名称 授课教师 学时 教学内容（重点、难点、课程思政融入点） 项目类型（验证/综 合/设计） 教学 方式 支撑课 程目标 10 计算材料学相关的编程 语言 周洁 2 以 MATLAB 语言为案例，简介其在数学计算、 函数插值和拟合、解线性方程组、解微分方程 重点：解线性方程组、插值拟合 难点：解微分方程 综合 实验 目标 1 11 计算材料学案例①：有 限元法在材料科学中的 应用 I 周洁 2 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 综合 实验 目标 2