《材料设计方法》电子教案本课程共 32 学时，16 讲，2 专题内容使用哈工大版教材为主，同时在教材内容的基础上增加一些新的内容，力求使内容更加生动、 丰富相比往年教学，今年的教学设计体现出以下特色：①课堂教学与课外实践相结合，强化学生运用所学知识解决实际问题的能力；②课堂讲授与师生间的研讨相结合，改变了传统“一言堂”的教学方式，增强了学生自主学习的能力本学期的教学设计如下：专题一理论基础，内容涵盖绪论、能带理论、量子化学、数值分析基础等内容，教学安排10 学时，其中研讨课0 学时专题二模拟计算方法， 为本课程的重点内容， 内容涵盖第一性原理、 分子动力学、 蒙特卡洛方法等，教学安排20 学时，其中研讨课4 学时本课程总结与复习，教学安排 2 学时第一讲 绪论（ 2 课时） 81 页 pptⅠ授课题目材料设计方法绪论Ⅱ教学目的与要求：1.了解材料设计的产生背景、历史与现状； 2.了解材料设计的内涵与研究内容；3.知道材料设计的层次以及主要实现途径；4.知道本课程的内容体系及进度安排 Ⅲ讲授内容1.背景、历史与现状； 2.内涵与研究内容；3.技术实现途径Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：内涵与研究内容2.教学难点：层次与技术实现途径，要求对本课程的框架结构有较为清晰的认识。
V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来小问题：材料科学是什么时候诞生的？材料设计思想是什么时候产生的？ VI 板书绪论1. 背景、历史与现状新材料的发展遇到了挑战 1950s ~ 现在从原子、分子结构上设计材料2. 内涵与研究内容通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料3. 技术实现途径第一性原理计算机模拟（分子动力学、蒙特卡洛法）人工智能（数据库与专家系统）VII 课外作业举几个近年来材料科学领域取得重大突破的例子第二讲固体能带理论I (2 课时) 44 页 ppt Ⅰ授课题目（章节）固体能带理论I ：量子力学概述及金属电子论 Ⅱ教学目的与要求：1.了解能带理论产生的背景2.知道量子力学的作用3.理解特鲁德模型的优点与不足Ⅲ教学重点与难点 重点：金属电子论难点：量子力学的相关背景知识及其贡献Ⅳ讲授内容 1. 量子力学概述2. 特鲁德模型 V 课堂研讨 采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来小问题：1.为什么金属中的电子可以看成处在一维无限势阱中呢？2.光电效应是什么现象？ 3.光电效应是谁给出完美解释的？4.光电效应与费米能级的关系？5.为什么经常使用费米能级而不是费米面、费米球呢？ VI 板书第一篇 现代材料设计理论 一、能带理论基础1. 量子力学概述诞生时间： 1900 ~ 1930 集大成者：普朗克、波尔、波恩、薛定谔、海森堡、泡利、狄拉克等作用：描述微观粒子的运动状态，能带理论——半导体物理学；量子化学2. 金属电子论 德鲁特→索末菲→布洛赫→泡利第三讲固体能带理论II (4课时 ) 44 页 ppt Ⅰ授课题目（章节）固体能带理论II：索末菲理论，能带思想的初步提出Ⅱ教学目的与要求：1.了解索末菲的个人生平；2.理解索末菲模型的基本思想；3.理解能带的形成原因；4.了解费米能级、空带、满带的概念。
Ⅲ教学重点与难点重点：索末菲模型的物理思想 难点：能带的形成原因及费米能级的物理概念Ⅳ讲授内容3. 索末菲理论① 一维晶体② 三维晶体 ③ 电子能量分布状态（排布原则）④ 费米能级Ⅴ课外作业无 VI 板书设计3. 索末菲模型① 一维晶体② 三维晶体③ 电子排布原则④ 费米能级第四讲固体能带理论III (2 课时 ) 44 页 ppt Ⅰ授课题目（章节） 固体能带理论III ：布洛赫理论Ⅱ教学目的与要求：1.了解能带理论的建立时间和相关人物生平 2.理解能带理论的出发点3.理解布洛赫定理、布洛赫函数、布里渊区等概念4.了解固体的实际能带结构5.知道如何运用能带理论判断金属、绝缘体和半导体6.了解能带理论的深远意义Ⅲ教学重点与难点重点：能带理论的框架体系 难点：布洛赫函数、布里渊区Ⅳ讲授内容1. 布洛赫理论2. 布里渊区 3. 能带理论的意义Ⅴ课外作业从以前所学的课程、科研训练甚至日常生活中，举出 1~2 个事例说明材料设计思想在材料科学领域的重要意义VI 板书4. 能带理论 ① 布洛赫理论假设：单电子性质、周期势场布洛赫波函数：布洛赫波的特征：允带、禁带② 布里渊区提出时间： 1930 年提出者：布里渊定义：能带出现间断点的等能面所包含的空间特征：所有的布里渊区中的能态数目均相同（2N）③ 能带理论的意义半导体掺杂半导体 pn 结理论半导体器件第五讲 现代化学键理论（ 2课时） 61 页 pptⅠ授课题目 现代化学键理论Ⅱ教学目的与要求：1.了解量子化学的研究内容与意义；2.理解量子化学的研究方法；3.知道什么是价键理论、什么是分子轨道理论，两者有什么关联和区别？4.了解量子化学的发展趋势。
Ⅲ讲授内容 1. 量子化学的前世今生；2. 价键理论；3. 分子轨道理论； 4. 现代量子化学Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：化学键理论——价键理论在材料体系的应用及实现方法2.教学难点：价键理论思想V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来VI 板书 二、现代化学键理论1. 量子化学的前身今生背景：量子力学的发展意义：对化学键的解释，计算化学键的键能，从而对分子、材料的性质进行预测 内容体系：价键理论（含杂化轨道理论）、分子轨道理论2. 价键理论ikrkeUr)(创立者： 1927 年，海特勒、伦敦；1930 年，鲍林进一步发展内容： 运用量子力学计算化学键，用原子轨道的重组杂化成键来理解化学，从而解释了共价化合物形成的原因局限性：氧分子的顺磁性；计算量大；离域键解释3. 分子轨道理论创立者： 1927-1928 年，马利肯内容： 运用量子力学计算化学键，认为分子中的电子围绕整个分子运动，从而解释了共价化合物形成的原因 局限性：比价键理论更完美，但也存在着局限性，即不能解释空间结构4. 现代量子化学特点：计算机为量子化学插上了翅膀VII 课外作业请以你参加的科研训练计划、探索性试验的体会来看，如何进行创新性研究？。
第六讲数值模拟基础I (2课时) 30 页 ppt Ⅰ授课题目数值模拟基础I ：计算机技术与回归分析Ⅱ教学目的与要求：1.了解计算机的产生背景；2.了解计算机的发展过程；3.知道现代计算机发展过程中的关键人物 4.理解线性回归思想；5.知道线性回归在现代材料设计领域的应用 Ⅲ讲授内容1. 计算机的诞生背景；2. 计算机的发展历程；3. 计算机发展过程中的关键性人物；4. 线性回归分析法 Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：线性回归分析；2.教学难点：线性回归思想在材料设计领域的应用意义 V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来VI 板书三、数值模拟基础1. 计算机的发展历程电子管计算机→晶体管计算机→集成电路式计算机→大规模集成电路计算机→微机2. 数值模拟的一般过程 一般过程：实际问题→数学模型→数值计算方法→程序设计→上机计算求出结果3. 线性回归分析一元线性回归多元线性回归 VII 课外作业无第七讲数值模拟基础II (2 课时 ) 30 页 ppt Ⅰ授课题目数值模拟基础II：分子动力学基础Ⅱ教学目的与要求：1. 知道分子动力学的基本思想；2. 了解分子动力学模型的物理基础；3. 理解分子动力学常用的算法；4. 了解分子动力学在计算机上的实现途径。
Ⅲ讲授内容1．数学模型的确立；2．数值算法；3. 在计算机上的实现 Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：数值算法；2.教学难点：数值算法V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来VI 板书 三、数值模拟基础5. 分子动力学基础① 数学模型的确立 ② 数值算法③ 上机模拟 ④ 结果分析VII 课外作业研讨实践课组织第八讲第一性原理 I (2 课时 ) 48 页 ppt Ⅰ授课题目第一性原理I ：概述与计算方法 Ⅱ教学目的与要求：1.弄清楚第一性原理的含义；2.了解第一性原理计算的原则；3.了解第一性原理计算所采用的近似方法；4.了解密度泛函思想、局限性及其提出者；5.知道局域密度近似思想及其与第一原理、密度泛函等概念的关系 Ⅲ讲授内容 1. 上篇内容回顾2. 第一性原理概述；3. 密度泛函思想；4. 局域密度近似 Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：第一性原理的含义；2.教学难点：密度泛函思想、局域密度近似理论V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来设计问题：1. 你想过物质存在的本质了吗？2. 你能够找到一把揭开物质之谜的钥匙吗？3. 材料的性能是否完全取决于它们的电子状态？VI 板书 第 2 篇 现代材料设计与计算方法一、第一性原理1. 概述合理的近似，运用薛定谔方程对实际问题进行求解。
2. 密度泛函计算原则 对象：能量、电子密度近似处理：总能量是电子密度的唯一泛函3. 近似方法密度泛函思想——局域密度近似准粒子方程 第一性原理分子动力学方法4. 在计算机上的实现计算软件：高斯、MS、ADF 等 VII 课外作业研讨实践课组织第九讲第一性原理 II (2课时 ) 51页 ppt Ⅰ授课题目第一性原理II：实现途径与应用Ⅱ教学目的与要求：1.了解第一性原理计算软件的功能与作用；2.知道第一性原理计算的一般过程；3.了解一些基本概念，如能态密度、带隙、布居数等； 4.知道如何对第一性原理计算结果进行分析 Ⅲ讲授内容1. 计算软件；2. 能带计算Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：第一性原理计算的一般过程；2.教学难点：运算结果分析 V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来VI 板书一、第一性原理 4. 计算软件Materials Studio、Gaussian 、ADF等5. 能带计算与性能预测建模→几何优化→能带计算→结果分析（电、热、磁、光等性质）VII 课外作业研讨实践课组织第十讲 第一性原理 III （2 课时）I 授课题目第一性原理III ：典型实例 Ⅱ 教学目的与要求：了解第一性原理目前在材料领域的应用现状及未来发展趋势。
Ⅲ 讲授内容6．典型实例Ⅳ 教学重点与难点1.教学重点：材料性能预测的一般过程；2.教学难点：计算步骤V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来问题设计： 1.为什么要进行能带计算？2.运用第一性原理可以预言材料的哪些性质？VI 板书 一、第一性原理6. 典型实例 超硬材料、高温合金材料、半导体材料等VII 课外作业研讨实践课组织第十一讲分子动力学 I（2 课时） 44 页 pptⅠ授课题目 分子动力学I ：原理概述Ⅱ教学目的与要求：1.理解分子动力学思想；2.了解分子动力学模拟的一般过程；3.知道几个基本概念，如势函数、时间步长、边界条件等 Ⅲ讲授内容1. MD 方法概述； 2. 基本原理和步骤；3. 模拟计算的一般过程Ⅳ教学重点与难点1.教学重点：分子动力学思想2.教学难点：势函数的选取和边界条件的确定V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与到课堂教学过程中来VI 板书二、分子动力学模拟1. 方法概述一种基于经典力学的计算机模拟技术2. 原理和步骤根据递推公式由初始状态逐步到达平衡状态，统计平均计算材料的性能3. 模拟过程 建立模型→初始状态、势函数以及时间步长的确定→趋于平衡的计算→结果分析第十二讲分子动力学 II （2课时） 43 页 pptⅠ授课题目 分子动力学II ：应用实例Ⅱ教学目的与要求：1.了解一些基本概念，如静态性能、动态性能、径向分布函数、关联函数等；2.懂得对 MD 运算结果进行分析；3.知道 MD 模拟的优点与应用领域。
Ⅲ讲授内容1. 性能分析；2. 应用实例 Ⅳ教学重点与难点1.教学重点： MD 模拟的应用2.教学难点：计算结果分析V 课堂研讨采用启发式教学形式，鼓励学生们参与。