《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）：选修课程英文名称：ComputationalMaterialsScience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：毕业设计授课地点：松山湖校区6B-204授课时间：2023级金属材料1班：1-12周，周二3-4节授课对象：2023级金属材料1班开课学院：材料科学与工程学院在任课教师姓名/职称：王康讲师答时间、地点与方式：课后答疑，教师邮箱wangk@dgut.edu.cn（王康）课程考核方式：开卷（V）闭卷（）课程论文（）其它（）《计算材料科学数理棋型及计算机模拟》周志、孙本哲编著/科学出版社/ISBN：9787030367952使用教材：课程简介：计算材料学是近二十年兴起的第三种材料研究范式，与实验、理论研究相辅相成。本课程是一门材料科学基础、材料物理和材料化学等多学科交叉的专业选修课，根据金属材料工程的人才培养方案要求和学生先修课程情况，系统讲授有限元法、相场法、机器学习法等计算模拟方法在金属材料的制备过程、显微组织形成机制和物理性能设计中的应用，并通过“翻转课堂”的教学模式激发学生学习兴趣和自主学习能力，促进学生对材料计算建模知识的掌握和运用。本课程在达成教学目标的基础上，还有助于巩固和提升材料专业学生的专业基础知识能力水平，积累和拓展材料学研究手段和工具，为学生后续理论课程和毕业设计奠定坚实基础。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工程科学的基本原理分析解决金属材料制学的基本原理：识别、表达、并通过文献研究分析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）：选修 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： 2023 级金属材料 1 班：1-12 周，周二 3-4 节 授课地点：松山湖校区 6B-204 授课对象： 2023 级金属材料 1 班 开课学院： 材料科学与工程学院 任课教师姓名/职称：王康 / 讲师 答疑时间、地点与方式：课后答疑，教师邮箱 wangk@dgut.edu.cn（王康） 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：计算材料学是近二十年兴起的第三种材料研究范式，与实验、理论研究相辅相成。本课程是一门材料科学基础、材料物理和材料化学等多学 科交叉的专业选修课，根据金属材料工程的人才培养方案要求和学生先修课程情况，系统讲授有限元法、相场法、机器学习法等计算模拟方法在金属材 料的制备过程、显微组织形成机制和物理性能设计中的应用，并通过“翻转课堂”的教学模式激发学生学习兴趣和自主学习能力，促进学生对材料计算 建模知识的掌握和运用。本课程在达成教学目标的基础上，还有助于巩固和提升材料专业学生的专业基础知识能力水平，积累和拓展材料学研究手段和 工具，为学生后续理论课程和毕业设计奠定坚实基础。 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 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 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
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，具备属材料工程领域复杂技术问题进行研究，包括设计实验设计、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背后的物理和化学原理，理解材料模拟计算结果的内有效的结论涵，学会材料模拟计算结果的分析和归纳方法目标3：掌握计算材料学建模所需的基本编程技能，No.5使用现代工具：能够针对金属材料的设计、制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、课程思支撑课教学主题授课敏师学时教教学方法作业安排次政融入点）（线上/线下）程目标《计算材料学》课程绪论。重点：计算材料学建模基础和实例介绍。王康2线下课堂讲授目标1计算材料学绪论难点：计算材料学的建模步骤、1模型分类和常用建模方法。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2
2 程问题的方法，了解将实际工程问题进行模型化的方 法。 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。 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 王康 2 《计算材料学》课程绪论。 重点： 计算材料学建模基础和实 例介绍。 难点： 计算材料学的建模步骤、 模型分类和常用建模方法。 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 线下 课堂讲授 目标 1
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。重点：有限差分法、有限元法、有计算材料学的数值分限体积法的基本。王康2线下课堂讲授目标12析方法难点：有限差分法、有限元法、有限体积法的联系与区别。作业1（个人小作数值分析的基本概念（插值、拟合、求解方程组）业）：选代法求解计算材料学的数学基2线下王康目标23课堂讲授重点：数值分析的基本概念。础(1)：数值分析方法线性方程组（优学难点：线性方程组的求解步骤。院平台完成）微分方程的基本概念和数值解法计算材料学的数学基重点：微分方程的数值解法。2线下目标2王康课堂讲授础(2)：微分方程的数4难点：利用有限差分法求解微分方值求解程。（有限元）数值模型的建模基本方法数值模拟在材料科学重点：数值模型的建模方法与步王康2线下课堂讲授目标3中的应用：（1）建模方5骤。法与求解设置难点：数值模型建模的合理假设。课程思政融入点②：引导学生学3
3 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 计算材料学的数值分 析方法 王康 2 重点：有限差分法、有限元法、有 限体积法的基本。 难点：有限差分法、有限元法、有 限体积法的联系与区别。 线下 课堂讲授 目标 1 3 计算材料学的数学基 础 (1)：数值分析方法 王康 2 数值分析的基本概念（插值、拟合、 求解方程组） 重点： 数值分析的基本概念。 难点： 线性方程组的求解步骤。 线下 课堂讲授 作业 1 （个人小作 业）： 迭代法求解 线性方程组（优学 院平台完成） 目标 2 4 计算材料学的数学基 础 (2)：微分方程的数 值求解 王康 2 微分方程的基本概念和数值解法 重点：微分方程的数值解法。 难点：利用有限差分法求解微分方 程。 线下 课堂讲授 目标 2 5 数值模拟在材料科学 中的应用：(1) 建模方 法与求解设置 王康 2 (有限元)数值模型的建模基本方 法重点：数值模型的建模方法与步 骤。难点：数值模型建模的合理假设。 课程思政融入点②：引导学生学 线下 课堂讲授 目标 3
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》。（有限元）数值计算结果的数据处数值模拟在材料科学理与可视化课堂讲授2线下目标3王康中的应用：(2）求解结重点：数值结算结果的分析方法。6果分析与数据可视化难点：数值计算结果分析的编程实现。合金组织模拟计算的理论基础（有限差分法)。重点：材料组织模拟的热力学基础。合金凝固组织的计算难点：材料组织模拟的(有限差分)王康2线下课堂讲授目标2模拟：（1）凝固相变的1模型构建。热力学基础课程思政融入点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。合金凝固组织的计算合金凝固过程中温度场、组织演变2王康线下课堂讲授目标2模拟：（2）合金凝固的的数理模型与模拟实现方法。8相场模型置点：合金凝固组织的相场模型。4
4 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》。 6 数值模拟在材料科学 中的应用：(2) 求解结 果分析与数据可视化 王康 2 (有限元)数值计算结果的数据处 理与可视化 重点：数值结算结果的分析方法。 难点：数值计算结果分析的编程实 现。 线下 课堂讲授 目标 3 7 合金凝固组织的计算 模拟：(1) 凝固相变的 热力学基础 王康 2 合金组织模拟计算的理论基础(有 限差分法)。 重点：材料组织模拟的热力学基 础。难点：材料组织模拟的(有限差分) 模型构建。 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 合金凝固组织的计算 模拟：(2) 合金凝固的 相场模型 王康 2 合金凝固过程中温度场、组织演变 的数理模型与模拟实现方法。 重点：合金凝固组织的相场模型。 线下 课堂讲授 目标 2
难点：合金凝固组织相场模型的编程实现。人工神经的发展历程和原理。机器学习：人工神经网9王康2课堂讲授目标3重点：人工神经网络的基本原理。线下络基础难点：人工神经网络的训练方法。人工神经网络在材料科学问题中的应用。机器学习：人工神经网重点：材料科学问题的人工神经网102线下课堂讲授目标3络在材料学计算中的王康络建模方法。应用难点：人工神经网络模型的编程实现。材料性质计算的分子动力学、第一性原理法发展历程与应用简介。材料性质的模拟计算重点：分子动力学法基础、第一性11王康课堂讲授目标12线下方法简介原理法的基本原理。难点：材料性质微纳尺度模拟计算的基本假设、基本方程。应用计算材料学相关的方法与工作业2（分组大作课堂讲授《计算材料学》案例分具，展示材料科学中实际问题解决业）：授课班级学12王康2目标3线下+小组讨析课的案例。生分为4-5组，每论组4-6名学生，每重点：材料学实际问题的建模与求5
5 难点：合金凝固组织相场模型的编 程实现。 9 机器学习：人工神经网 络基础 王康 2 人工神经的发展历程和原理。 重点：人工神经网络的基本原理。 难点：人工神经网络的训练方法。 线下 课堂讲授 目标 3 10 机器学习：人工神经网 络在材料学计算中的 应用 王康 2 人工神经网络在材料科学问题中 的应用。 重点：材料科学问题的人工神经网 络建模方法。 难点：人工神经网络模型的编程实 现。 线下 课堂讲授 目标 3 11 材料性质的模拟计算 方法简介 王康 2 材料性质计算的分子动力学、第一 性原理法发展历程与应用简介。 重点：分子动力学法基础、第一性 原理法的基本原理。 难点：材料性质微纳尺度模拟计算 的基本假设、基本方程。 线下 课堂讲授 目标 1 12 《计算材料学》案例分 析课 王康 2 应用计算材料学相关的方法与工 具，展示材料科学中实际问题解决 的案例。 重点：材料学实际问题的建模与求 线下 课堂讲授 + 小 组 讨 论 作业 2（分组大作 业）：授课班级学 生分为 4-5 组，每 组 4-6 名学生，每 目标 3