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：32/4/2 其中实验/实践学时：12 先修课程： 高等数学、线性代数、材料科学基础 后续课程支撑： 毕业设计 授课时间： 1-8 周，周三/周五，5-6 节 授课地点：松山湖校区 6E101（线上上课采用优学院直播、线下实践课地点待定） 授课对象： 2019 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： 《材料计算方法》张跃 编著/北京航空航天大学出版社/SIBN:9787512433755 课程简介：《计算材料学》课程将全面简介计算机技术在材料科学研究中的应用，基于科学计算软件讲授材料学问题的物理模型和数学处理方法，主要 针对《材料科学基础》、《金属学》等先修课程中具体的材料科学、材料加工等问题在理论层面进行深化教学。本课程目标使本科生初步掌握在材料科 学研究领域中更好应用计算机的思路、方法和原理，主要侧重两大方面：其一、讲授计算材料学的基本实现过程和原理，简介材料计算研究前沿的第一 性原理、分子动力学、人工神经网络和机器学习等；其二、聚焦数值计算(有限元、有限差分)方法，针对温度、浓度等物理场阐释数学计算方法和物理 模型在材料学科中的应用。本课旨在在加强学生对基础知识、基本方法学习的基础上，结合计算科学研究领域的新方法、新技术中计算机的应用，注重 培养学生利用数学物理方法将实际问题抽象化、模型化的能力，培养和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
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。 C4 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。 C4．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。 C5 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。 C5．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。 C12 具有自主学习和终身学习的意识， 有不断学习和适应发展的能力。 C12．终身学习：具有自主学习和终身学习的意识， 有不断学习和适应发展的能力。 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、 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。 线上 课堂讲授 目标 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。 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 线上 课堂讲授 目标 1 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）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 线上 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 材料学的数据分析 周洁 2 介绍微分方程的基本概念和在 matlab 中 线上 课堂讲授 目标 1
4 和模型化②：微分方 程的 W 求解 的求解 重点：微分方程的基本概念 难点：matlab 求解微分方程 4 材料学研究的计算 机应用简介 王康 2 介绍材料学实验与理论的联系，简介实 验数据的计算处理方法和材料学现象的 计算分析方法。 重点：材料学实验设计与理论的联系， 计算方法在材料学研究中的应用。 难点：如何利用计算方法和计算机分析 材料学实验数据及解释材料学现象。 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。 线上 课堂讲授 目标 1 5 计算材料学在材料 微观组织图像的分 析和量化计算中的 应用 王康 2 介绍计算材料学在材料微观组织研究中 的应用。 重点：利用材料科学计算软件量化材料 微观组织图的过程与步骤。 难点：材料微观组织图形量化的原理。 线上 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 2 计算材料学在材料 王康 2 介绍计算材料学在材料温度场、浓度场 线上 课堂讲授 目标 1
5 内部的物理场分析 与计算中的应用 I 分析中的应用和实现方法，简介材料微 观组织相场建模方法。 重点：利用材料科学计算软件研究材料 内部物理场的过程与步骤。 难点：材料内部物理场的建模原理。 6 计算材料学在材料 内部的物理场分析 与计算中的应用 II 王康 2 介绍计算材料学在材料温度场、浓度场 分析中的应用和实现方法，简介材料微 观组织相场建模方法。 重点：利用材料科学计算软件研究材料 内部物理场的参数意义与设置。 难点：材料内部物理场的建模原理。 线上 课堂讲授 目标 1 8 计算材料学的前沿 研究简介 王康 2 简介计算材料学的前沿方法、前沿研究 取得的突破(第一性原理、分子动力学、 人工神经网络与及其学习)。 重点：计算材料学的发展前沿及其在材 料科学研究中发挥的作用。 难点：针对材料性质计算的量子力学、 分子动力学建模原理。 线下 课堂讲授 目标 3 计算材料学自由实 践的分组汇报 王康 2 在材料科学领域内自选题目，利用计算 材料学原理和工具，建模分析 1 个具体。 重点：学生分组根据所选计算材料学实 践课题进行 PPT 口头汇报。 线下 课堂讲授 课堂讨论：分学习 小组预先利用科学 计算软件分析自选 的材料问题，课堂 目标 3