計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1、“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué) 周 靜 顧少軒 趙志宏 摘要 :“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用” 課程是為材料科 學(xué)專業(yè)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代新材料研究而開設(shè)的一門重 要專業(yè)基礎(chǔ)課 , 我們在進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上 , 結(jié)合本 專業(yè)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用特點(diǎn) , 對該課程的目標(biāo)任務(wù)、 性 質(zhì)、基本要求及課程內(nèi)容進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞 : 材料科學(xué)專業(yè) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 課程教學(xué)內(nèi)容 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 , 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日 益顯示出其強(qiáng)大的生命力。計(jì)算機(jī)在材料工業(yè)、材料 科學(xué)研究中的應(yīng)用也是相當(dāng)普遍的 , 在建材工業(yè)領(lǐng) 域, 如生產(chǎn)工藝與熱工過程中的數(shù)值計(jì)算、原材料和 產(chǎn)品性能測試與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中

2、的數(shù)據(jù)處理、物料反應(yīng)過 程的數(shù)值仿真、配料配方與生產(chǎn)設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)、生產(chǎn)過程與作業(yè)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、繁重操作與質(zhì) 量檢測的人工智能化等都離不開計(jì)算機(jī)這一重要工 具。為了適應(yīng)現(xiàn)代建材工業(yè)的發(fā)展 , 拓寬材料科學(xué)專 業(yè)學(xué)生的知識面 , 培養(yǎng)可以利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和工具 從事材料研究開發(fā)和利用的高級專業(yè)人才 , 開設(shè)“計(jì) 算機(jī)在材料研究中的應(yīng)用”課程并制定其合理的教學(xué) 內(nèi)容很有必要。本文對該課程的目標(biāo)任務(wù)、性質(zhì)、基本要求及課程內(nèi)容進(jìn)行了探討一、課程設(shè)置的目標(biāo)任務(wù)及性質(zhì) 材料科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué) , 實(shí)驗(yàn)是制備新材料和 測定其結(jié)構(gòu)和性能的直接手段。而由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、 計(jì)算理論的迅速發(fā)展 , 許多更加

3、復(fù)雜、大型的計(jì)算成 為可能 , 使得在材料研究領(lǐng)域 , 采用計(jì)算方法來研究 材料的結(jié)構(gòu)和性能 , 并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究成為一種新的研 究方向。材料科學(xué)專業(yè)主要是培養(yǎng)新材料開發(fā)研究 人才, 而計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代材料科學(xué)研究中必不可少的工 具。用計(jì)算方法來研究材料 , 對材料的性能進(jìn)行預(yù)測 和指導(dǎo) , 就是根據(jù)相關(guān)理論 , 采用合適的計(jì)算模型和 計(jì)算方法 , 確立材料的理論模型 , 有目的地指導(dǎo)制備 所需性能的材料。 本課程的教學(xué)目的是 , 通過基礎(chǔ)理論知識、應(yīng)用 實(shí)例的講授和上機(jī)實(shí)習(xí)操作 , 使得學(xué)生了解應(yīng)用計(jì)算 機(jī)進(jìn)行材料科學(xué)研究的具體過程 , 將計(jì)算機(jī)作為有力 的工具應(yīng)用于材料科學(xué)研究。二、課程基本要求

4、 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 , 為材料科學(xué)專業(yè)提供了一種新的技 術(shù)手段。要完成本課程的教學(xué)任務(wù) , 要求學(xué)生具備計(jì) 算機(jī)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)知識 , 因此, 該課程 應(yīng)在開設(shè)數(shù)學(xué)、物理、“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”、“微機(jī)原理 及應(yīng) 用”、“算法語言”、“固體物理”等相關(guān)知識的基 礎(chǔ)上開 設(shè)。根據(jù)該課程的目標(biāo)任務(wù)及性質(zhì) , 課程的教學(xué)內(nèi)容 應(yīng)具有以下幾點(diǎn)要求 :1. 專業(yè)與計(jì)算機(jī)之間的溝通 , 著重介紹基本的應(yīng) 用方法;2. 材料科學(xué)專業(yè)對計(jì)算機(jī)的實(shí)際需求 ;3. 結(jié)合材料科學(xué)研究中的實(shí)際課題 , 讓學(xué)生能夠 提出確切的計(jì)算研究方案和計(jì)算模型 , 熟練地上機(jī)操 作計(jì)算, 準(zhǔn)確地輸入相關(guān)數(shù)據(jù) , 對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行合理 分

5、析。4. 將理論計(jì)算、材料制備實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果相結(jié) 合, 加強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)代“實(shí)驗(yàn)、理論、計(jì)算”三位一體科 研手段及交叉學(xué)科研究的認(rèn)識 , 全面提高學(xué)生的理論水 平和科研工作素質(zhì)。三、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì) “計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容較 多, 所涉及知識面很廣 , 而按照教學(xué)計(jì)劃只安排 50 學(xué) 時(shí)。為使得學(xué)生能更好、更系統(tǒng)掌握所學(xué)知識 , 在教 學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況合理安排學(xué)時(shí)數(shù) , 教學(xué) 內(nèi)容立爭做到主次分明、詳略得當(dāng)。該課程要求學(xué)生 有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力 , 在學(xué)時(shí)安排上 , 理論課與上 機(jī)實(shí)踐的比例為 2 :3 , 通過一些應(yīng)用實(shí)例 , 以作業(yè)的 形式讓學(xué)生對計(jì)算機(jī)在材料研究中

6、的應(yīng)用有一個(gè)感 性認(rèn)識。進(jìn)行材料的計(jì)算研究大致可分為以下幾個(gè) 步驟:1. 根據(jù)具體研究的目標(biāo)建立物理模型 ;2. 將固體物理學(xué)的基本原理和理論用于該模型 , 把研究材料的具體結(jié)構(gòu)和性能的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模 型（ 即建立數(shù)學(xué)計(jì)算公式 ） ;3. 選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法和建立相應(yīng)的計(jì)算程序 ;4. 運(yùn)行程序 , 對所得結(jié)果進(jìn)行分析 , 得出材料的 某些結(jié)構(gòu)或性能信息。根據(jù)課程涉及到的內(nèi)容我們將課程內(nèi)容分為三 個(gè)部分:第一部分是程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) , 講述一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 及軟件技術(shù)、程序設(shè)計(jì)方法。目前 , 市場上流通的材 料研究方面的應(yīng)用軟件遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上材料研究領(lǐng)域的 千變?nèi)f化 , 要求材料工作者能根據(jù)自己的實(shí)際

7、要求設(shè) 計(jì)開發(fā)一些應(yīng)用軟件 , 需要掌握一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及軟 件技術(shù)、程序設(shè)計(jì)方法方面的知識。對于材料科學(xué)專 業(yè)的學(xué)生 , 在“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程中 我們用 12 個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間講述上述內(nèi)容。 第二部分是計(jì)算方法及應(yīng)用 , 讓學(xué)生了解常用數(shù) 學(xué)問題的數(shù)值解法及其算法程序 （ 如代數(shù)方程式求 解、線性方程組求解、特征制問題和常微分方程求解 等） , 這部分內(nèi)容用 12 個(gè)學(xué)時(shí)完成。 第三部分為材料研究中的常用計(jì)算方法 , 要求學(xué) 生能結(jié)合材料科學(xué)研究中的實(shí)際課題 , 提出確切的計(jì) 算方案和計(jì)算模型 , 對輸出結(jié)果作合理地分析和有意 義的討論。用 26 個(gè)學(xué)時(shí)介紹如下內(nèi)容 : 晶胞常數(shù)的計(jì)

8、算，用實(shí)驗(yàn)測得的XRD衍射數(shù) 據(jù)計(jì)算實(shí)際晶體的晶胞常數(shù) ; 用晶體結(jié)構(gòu)對稱性學(xué)會(huì)用軟件方法繪制晶胞 圖, 進(jìn)行新材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ; 講解Xa計(jì)算方法，掌握SCC - DV - X a計(jì)算 方法理論知識 , 學(xué)會(huì)應(yīng)用其程序計(jì)算材料的能級、態(tài) 密度和鍵強(qiáng)度等材料電子結(jié)構(gòu) , 得出材料的相關(guān)性 能。四、結(jié)束語 在教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn) , 學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識與 相關(guān)的專業(yè)知識還有些欠缺 , 建議今后在開設(shè)了群 論、量子力學(xué)、測試技術(shù)、材料工藝等方面的課程之 后再開設(shè)此門課程。隨著材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)的飛速發(fā) 展“ , 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程內(nèi)容也在不 斷更新與完善。參考文獻(xiàn)1. 孫承緒 . 計(jì)算機(jī)在

9、硅酸鹽工業(yè)中的應(yīng)用 . 華東 理工大學(xué)出版社 ,19942. 肖慎修, 孫澤民,劉洪霖, 鄢國森. 量子化學(xué)中 的離散變分Xa方法及計(jì)算程序.四川大學(xué)出版社， 19863. 宓錦效， 閔新民. 無機(jī)材料晶體結(jié)構(gòu) (電子出版 物) . 武漢工業(yè)大學(xué)出版社電子出版部 ，1999 (上接第 83 頁)(3) 本軟件提供了六種動(dòng)畫功能按鈕 ， 分別為播 放、暫停、停止、倒放、開頭和末尾 ， 能夠方便、靈活 地 控制動(dòng)畫的演示。為了方便學(xué)生仔細(xì)體會(huì)一些物理 化學(xué)動(dòng)態(tài)概念 ， 又設(shè)計(jì)了動(dòng)畫速度控制滑動(dòng)條 ， 可以 對動(dòng)畫的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。(4) 對講課的內(nèi)容又設(shè)計(jì)了三個(gè)跳轉(zhuǎn)功能按鈕 ， 分別為第一頁、上一頁

10、、下一頁。為教師瀏覽授課內(nèi) 容以及前后內(nèi)容的銜接提供了方便。三、教學(xué)效果 物理化學(xué)多媒體教學(xué)軟件在材料科學(xué)與工程專 業(yè) 96 本碩連續(xù)試點(diǎn)班 ,96 無機(jī)非金屬材料、材料科 學(xué)與工程 ,97 精細(xì)化工、無機(jī)非金屬材料等專業(yè)十幾 個(gè)班級進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐 , 受到師生們的一致好評 , 認(rèn) 為采用多媒體軟件教學(xué) , 不僅能加大教學(xué)信息量 , 縮 短學(xué)時(shí), 提高教學(xué)效率 , 而且可以使抽象概念形象化 , 微觀圖象宏觀化 , 學(xué)生容易理解 , 印象深刻 , 取得了良 好的教學(xué)效果。四、結(jié)束語 MCAI 是一種嶄新的教學(xué)工具 , 我們開發(fā)的物理 化學(xué)多媒體教學(xué)軟件還只是一種嘗試 , 還有很多功能 有待進(jìn)一步開發(fā)。參考文獻(xiàn)1. 馬曉，王