《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/实贱学时：12总学时/周学时/学分：32/4/2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）授课时间：1-8周，周三/周五，5-6节授课对象：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（）《材料计算方法》张跃编薯/北京航空航天大学出版社/SIBN:9787512433755使用教材：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毕业要求课程教学目标支撑毕业要求指标点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：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
目标1：C4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对金C4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属材料工程领域复杂技术问题进行研究，包括设计具备实验设计、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、模型化实验、分析与解释数据、并通过信息综合得出合理能力。的方法。有效的结论。目标2：C5能够开发、选择及使用现代专业检C5.使用现代工具：能够针对金属材料的设计、制测设备、资源及技术来分析金属材料工了解基于科学计算方法开展材料设计、失效分析、性能预备、加工等问题，开发、选择与使用恰当的技术、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、产品加工等资源、现代工程工具和信息技术工具，对金属材料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，并能够理解其局工程领域复杂问题进行预测与模拟，并能够理解其限性。局限性。和计算分析。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C12具有自主学习和终身学习的意识，C12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，结合材料科学、材料加工领域前沿或常见的问题或现象，有不断学习和适应发展的能力。有不断学习和适应发展的能力。利用科学计算软件或程序编译器开展计算分析。理论教学进程表教学模式授课敏学时教学内容（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）（线上/线下）程目标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上课堂讲授2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。 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
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上周洁课堂讲授目标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、求解课后作业1：利用方程组）和在MATLAB中的实现，并介材料学的数据分析MATLAB分析处和模型化①：数值分绍在材料科学中的应用。周洁线上2课堂讲授目标1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2图）解解线性方程组难点：学会建立正确数学模型目标1周洁2线上介绍微分方程的基本概念和在matlab中课堂讲授材料学的数据分析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
的求解和模型化②：微分方程的W求解重点：微分方程的基本概念难点：matlab求解微分方程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研究的计算王康线上目标1地材料学实验数据及解释材料学现象。课堂讲授4机应用简介课程思政融入点?：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响，使学生深入认识学好理论知识和计算机技能的重要性。介绍计算材料学在材料微观组织研究中课后作业2：计算材料学在材料的应用。MATLAB在计算微观组织图像的分王康线上课堂讲授目标22重点：利用材料科学计算软件量化材料材料学中的应用实析和量化计算中的5践。（程序设计和微观组织图的过程与步骤。应用绘图）难点：材料微观组织图形量化的原理。课堂讲授目标1王康线上2计算材料学在材料介绍计算材料学在材料温度场、浓度场4
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
内部的物理场分析分析中的应用和实现方法，简介材料微与计算中的应用1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。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，简介材料微计算材料学在材料观组织相场建模方法。线上王康课堂讲授目标126内部的物理场分析重点：利用材料科学计算软件研究材料与计算中的应用ⅡI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。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)。计算材料学的前沿王康线下目标32重点：计算材料学的发展前沿及其在材课堂讲授研究简介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、8分子动力学建模原理。在材料科学领域内自选题目，利用计算课堂讨论：分学习计算材料学自由实材料学原理和工具，建模分析1个具体。小组预先利用科学王康线下目标32课堂讲授践的分组汇报重点：学生分组根据所选计算材料学实计算软件分析自选践课题进行PPT口头汇报。。的材料问题，课堂5
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
上每组15分钟PPT难点：选定合适的题目，并运用好科学介绍本组的分析工计算软件，在PPT讲解中体现恰当的材作。料学问题计算分析过程和结果。20实践教学进程表教学支撑课项目类型（验证/综合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）/设计）方式程目标实践MATLAB的常用应用：计算、插值、拟线上操作演示合、解线性方程组、解微分方程周洁综合目标1MATLAB中常用操作2学生练习重点：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重点：有限元软件使用的基本过程3难点：有限元分析实现的原理计算材料学案例①：有线上操作演示/课程思政融入点②：引导学生学习两弹一星精周洁目标2限元法在材料科学中的2综合学生练习神，引导学生不要畏惧力学问题的计算，中国应用1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，不要惧新软件新方法。同时推荐原子弹记录电影《横空出世》6
6 难点：选定合适的题目，并运用好科学 计算软件，在 PPT 讲解中体现恰当的材 料学问题计算分析过程和结果。 上每组 15 分钟 PPT 介绍本组的分析工 作。 20 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 3 MATLAB 中常用操作 周洁 2 实践 MATLAB 的常用应用：计算、插值、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 线上操作演示/ 学生练习 目标 1 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 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》。 综合 线上操作演示/ 学生练习 目标 2
演示有限元软件使用的流程，进行实际建模分计算材料学案例①：有线上操作演示/析综合限元法在材料科学中的周洁2目标2学生练习重点：有限元软件的实际使用应用ⅡI难点：边界条件和载荷分析步演示MATLAB在材料微观组织研究中的应用。计算材料学案例②：金线上操作演示/重点：利用MATLAB量化材料微观组织图的2目标2属材料微观组织的量化王康综合6学生练习程序实现。分析难点：MATLAB量化微观组织图形量化的原理。介绍MATLAB在材料温度场分析中的应用。计算材料学案例③：材重点：利用MATLAB软件研究材料温度场的综合实验目标2料加工的温度场与浓度王康2过程与步骤。场I难点：材料内部物理场分析的MATLAB实现原理。7介绍MATLAB在材料浓度场分析中的应用，简介相场建模的原理。计算材料学案例④：材重点：利用MATLAB软件研究材料浓度场的实验目标3料加工的温度场与浓度王康2综合过程与步骤。场ⅡI难点：材料内部物理场分析的MATLAB实现原理。12合计7
7 4 计算材料学案例①：有 限元法在材料科学中的 应用 II 周洁 2 演示有限元软件使用的流程，进行实际建模分 析重点：有限元软件的实际使用 难点：边界条件和载荷分析步 综合 线上操作演示/ 学生练习 目标 2 6 计算材料学案例②：金 属材料微观组织的量化 分析 王康 2 演示 MATLAB 在材料微观组织研究中的应 用。重点：利用 MATLAB 量化材料微观组织图的 程序实现。 难点：MATLAB 量化微观组织图形量化的原 理。 综合 线上操作演示/ 学生练习 目标 2 7 计算材料学案例③：材 料加工的温度场与浓度 场 I 王康 2 介绍 MATLAB 在材料温度场分析中的应用。 重点：利用 MATLAB 软件研究材料温度场的 过程与步骤。 难点：材料内部物理场分析的 MATLAB 实现 原理。 综合 实验 目标 2 计算材料学案例④：材 料加工的温度场与浓度 场 II 王康 2 介绍 MATLAB 在材料浓度场分析中的应用， 简介相场建模的原理。 重点：利用 MATLAB 软件研究材料浓度场的 过程与步骤。 难点：材料内部物理场分析的 MATLAB 实现 原理。 综合 实验 目标 3 合计 12
课程考核评价依据及成绩比例（%）课程目标支撑毕业要求指标点作业考试考勤与课堂讨论目标一C40103040目标二C50152035目标三1501025C12总计251560100备注：1）根据东先理工学院考试管理规定》第十二条规定：广课3次（或6课时）学生不得带加该课程的期终者核，2）各项考核标准见附件所示。大纲编写时间：2022年2月20日系（部）审查意见：我系已对本课程教学大纲进行了审查，同意执行。系（部）主任签名：8日期：2022年2月21日备注：8
8 课程考核 课程目标 支撑毕业要求指标点 评价依据及成绩比例（%） 考勤与课堂讨论 作业 考试 目标一 C4 0 10 30 40 目标二 C5 0 15 20 35 目标三 C12 15 0 10 25 总计 15 25 60 100 备注：1）根据《东莞理工学院考试管理规定》第十二条规定：旷课 3 次（或 6 课时）学生不得参加该课程的期终考核。2）各项考核标准见附件所示。 大纲编写时间：2022 年 2 月 20 日 系（部）审查意见： 我系已对本课程教学大纲进行了审查，同意执行。 系（部）主任签名： 日期：2022 年 2 月 21 日 备注：
附录：各类考核评分标准表（仅供参考）作业评分标准评分标准观测点A(100)B(85)C(70)D(O)概念比较清楚，作业比较认真，概念基本清楚，答题基本正概念不太清楚，答题错误基本概念掌握程度概念清楚，答题正确。确。较多。答题比较正确。概念比较清楚，作业比较认真，概念基本清楚，答题基本正概念不太清楚，答题错误解决问题的方案正确性解题思路清晰，计算正确确。答题比较正确。较多。按时完成，书写较为一般，未交作业或后期补交，不按时完成，书写工整、清晰，按时完成，书写清晰，主要符号、作业完成态度部分符号、单位按照规范执能辨识，符号、单位等不符号、单位等按规范要求执行单位按照规范执行行按照规范执行课堂讨论（口头汇报）标准评分标准观测点A(100)B(85)C(70)D(O)概念清楚有一定混淆，分析基本概念掌握程度概念清楚，分析基本正确。概念和分析完全错误。概念清楚，分析正确。有一些小错误。解决问题的方案正确性分析思路清晰，建模计算正确分析思路清晰性不足，建模分析思路混乱，建模计算分析思路基本清晰，建模计算基9
9 附录：各类考核评分标准表（仅供参考） 作业评分标准 观测点 评分标准 A(100) B(85) C(70) D(0) 基本概念掌握程度 概念清楚，答题正确。 概念比较清楚，作业比较认真， 答题比较正确。 概念基本清楚，答题基本正 确。 概念不太清楚，答题错误 较多。 解决问题的方案正确性 解题思路清晰，计算正确 概念比较清楚，作业比较认真， 答题比较正确。 概念基本清楚，答题基本正 确。 概念不太清楚，答题错误 较多。 作业完成态度 按时完成，书写工整、清晰， 符号、单位等按规范要求执行 按时完成，书写清晰，主要符号、 单位按照规范执行 按时完成，书写较为一般， 部分符号、单位按照规范执 行 未交作业或后期补交，不 能辨识，符号、单位等不 按照规范执行 课堂讨论(口头汇报)标准 观测点 评分标准 A(100) B(85) C(70) D(0) 基本概念掌握程度 概念清楚，分析正确。 概念清楚，分析基本正确。 概念清楚有一定混淆，分析 有一些小错误。 概念和分析完全错误。 解决问题的方案正确性 分析思路清晰，建模计算正确 分析思路基本清晰，建模计算基 分析思路清晰性不足，建模 分析思路混乱，建模计算
本正确计算有小错误。大部分错误按时完成，PPT质量一般、未按时完成，PPT质量差、按时完成，PPT美观、小组各按时完成，PPT质量良好、小组小组各成员有个别溢竿充小组中相关工作的完成人作业完成态度成员分工合理明确，口头汇报各成员分工比较合理明确。口头数。口头汇报表达有小部分集中在少数人。口头汇报表达清晰。汇报表达良好。不流畅。效果极差。10
10 本正确 计算有小错误。 大部分错误 作业完成态度 按时完成，PPT 美观、小组各 成员分工合理明确，口头汇报 表达清晰。 按时完成，PPT 质量良好、小组 各成员分工比较合理明确。口头 汇报表达良好。 按时完成，PPT 质量一般、 小组各成员有个别滥竽充 数。口头汇报表达有小部分 不流畅。 未按时完成，PPT 质量差、 小组中相关工作的完成人 集中在少数人。口头汇报 效果极差