计算材料学课程 MT309 Spring 2020

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研究生课程

课程代码:MT309
课程名称(中/英文):计算材料学 / Computational Materials Science
学时/学分:51 / 3
先修课程:材料热力学,量子力学与统计物理,固体物理,材料科学基础,C++(或FORTRAN)程序设计
面向对象: 材料科学与工程学院本科三年级学生
开课院(系)、教研室:材料科学与工程学院,材料模拟与计算实验室(LMMS)


课程简介

本课程将从微观粒子(原子、电子)到宏观连续体等跨尺度及多结构层次介绍计算材料学的基本概念,主要研究方法和技术。内容涵盖数值模拟、统计分析及可视化等相关技术和软件,重点讲授分子动力学(MD)、蒙特卡洛法(MC)、有限元(FEM)和介观尺度模拟技术在材料科学与工程领域中的应用,从而加深学生对材料“组织结构—性能”本构关系的理解,使学生掌握基本的计算模拟理念和方法,激发并拓宽学生新的材料研究理念与思维模式,使其充分了解材料计算和模拟既是理论和实验方法的融合,又是对两者的重要补充,是现代材料学不可或缺的新的研究方法。


历史沿革

“计算材料学”是一门伴随科学前沿发展而诞生的新兴课程。尤其从近十年来的发展趋势来看,计算材料学已得到学术界的广泛关注与认可,正快速发展成为材料学中的一门主流专业课程。材料的组成、结构、性能与服役性能是材料研究的四大要素。传统的材料研究以实验研究为主要手段,是一门实验科学。但随着对材料性能的要求不断提高,材料学研究对象的空间尺度不断变小,材料应用环境日益复杂,仅仅依靠实验来进行研究已难以满足现代新材料设计和发展的要求。计算机模拟技术可以根据有关的基本理论,通过模拟计算对材料开展跨尺度多结构层次的研究。因此,在现代材料学领域中,计算模拟与实验、理论已成为同等重要的研究手段。正是在这种学科发展的背景之下,对本科生开展“计算材料学”理论与实践基础教学就变得极为迫切。

为顺应学科发展的需要,早在2006年,在多名院士、专家的倡导与提议下,上海交通大学材料科学与工程学院即在国内外高校中率先开设了“计算材料学”本科必修专业课程,授课对象为材料学院大三学生。2007年春季,金朝晖教授从德国回交大任教,作为交大“学科带头人”主持这门课程的教学,与教学创新团队一起确立了教学理念,规范了课程大纲,开启了理论与实践并重的全新教学模式。授课过程中,鼓励学生进行探究型学习,启发学生学以致用,通过思维拓展,培养他们的科学创新意识。教学团队主讲教师都是有海外留学经历、思维活越的中青年骨干,在授课中体现出了开放、创新、严谨的学术研究与教学理念,受到了学生们广泛的欢迎和认可。

教学实践表明,“计算材料学”课程对材料学科本科人才培养不可或缺。经教学团队多年不懈努力,该课程目前已经树立起自己的品牌效应,其教学模式也得到了国内外其他院校的认同,起到了教学示范作用。通过组办“多尺度材料模拟暑期国际讲习班”、邀请海外著名学者成为学科发展专家顾问、参加MRS国际材料学大会开展教学方法与实践学术交流等方式,提升了本课程的国际知名度和影响力。

课程主要建设历程和获奖情况: 2008年:完善课程体系构建,组建教学团队,由金朝晖、顾剑锋、张澜庭、沈耀4位教师分别承担4个课程模块及相关实验的教学。完成课程网站建设; 2009年,“计算材料教学实验室”建成,配置多媒体教室、实验机房、工作站和计算集群; 2010年,本课程被列为“上海交通大学精品课程”、“上海市教委重点课程”。本科教学拓展至硕士和博士研究生专业选修课:“材料多尺度模拟”(全英文授课); 2011年,教学增加至48课时,3学分。分班授课;德国科学院院士、计算材料学国际著名学者P. Gumbsch博士受聘为上海交通大学顾问教授; 2012年,优化实验教学,完善课程讲义及实验手册,实施校级优质课程建设; 2013年,被评为上海交通大学本科优质课程。邀请该领域国际知名教授授课,主办为期一周的“多尺度材料模拟暑期国际讲习班”,提升课程教学国际知名度及影响力; 2014年,基于多年教学实践经验,落实应用于本科生教学的“计算材料学”教材建设; 2015年,金朝晖教授获“材料学院最受欢迎教师奖”;本课程获“上海交通大学教学成果二等奖”。


Laboratory for Materials Modeling and Simulations | School of Materials Science and Engineering | Shanghai Jiao Tong University
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