《材料基因與數(shù)據(jù)科學(xué)》課程教學(xué)大綱

《材料基因與數(shù)據(jù)科學(xué)——Python實(shí)現(xiàn)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱材料基因與數(shù)據(jù)科學(xué)：Python實(shí)現(xiàn)MaterialGenesandDataScience:PythonImplementation課程編碼MAT320521020開課院部材料科學(xué)與工程學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)材料信息學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時(shí)32講授32實(shí)驗(yàn)0上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)0適用專業(yè)材料物理授課語言雙語先修課程程序設(shè)計(jì)（Python）、高等數(shù)學(xué)（2-1）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、線性代數(shù)、量子力學(xué)課程簡介（限選）本課程面向已修完高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及普通物理學(xué)（或物理化學(xué)）等課程的材料物理專業(yè)學(xué)生開設(shè)的選修課程。本課程在系統(tǒng)回顧Python語言基礎(chǔ)語法后，介紹常用Python模塊的使用，包括Numpy科學(xué)計(jì)算、Matplotlib可視化處理、SciPy數(shù)值計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)等實(shí)用前沿知識。培養(yǎng)學(xué)生掌握python腳本的編寫方法，并以材料科學(xué)中的實(shí)際問題為例，如晶體坐標(biāo)文件格式轉(zhuǎn)換、擴(kuò)胞/卷管、構(gòu)建哈密頓量、求解一維諧振勢薛定諤方程、擬合Morse經(jīng)驗(yàn)勢等，使學(xué)生學(xué)會(huì)使用科學(xué)計(jì)算模塊解決材料科學(xué)中的問題，掌握基本的創(chuàng)新方法，培養(yǎng)獨(dú)立思考、分析問題、以及利用材料科學(xué)的相關(guān)科學(xué)原理和材料基因工程技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生用計(jì)算機(jī)分析、解決復(fù)雜材料工程問題的興趣，為從事本專業(yè)的工程工作打下良好的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。Thiscourseisanelectivecourseformaterialphysicsstudentswhohavecompletedcoursesinadvancedmathematics,linearalgebra,andgeneralphysics(orphysicalchemistry).AftersystematicallyreviewingthebasicgrammarofPython,thiscourseintroducestheuseofsomePythonmodules,includingpracticalfrontierknowledgesuchasNumpyforscientificcalculation,Matplotlibforvisualization,SciPyfornumericalcalculationandmachinelearning,etc.Thiscourseusesexamplesofpracticalproblemsinmaterialscience,suchasconversionofcrystalcoordinatefileformats,unitcellexpansion/nanotuberolling,constructionofHamiltonian,solvingone-dimensionalSchrodingerequationwithharmonicoscillatorpotential,fittingMorseempiricalpotential,etc.,totrainstudentstomasterthemethodofwritingpythonscripts,usescientificcalculationmodulestosolveproblemsinmaterialsscience,anduserelevantscientificprinciplesofmaterialscienceandmaterialgenomeengineeringtechnologytosolvepracticalproblems,stimulatestudents'interestinusingcomputerstoanalyzeandsolvecomplexmaterialsengineeringproblems.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1熟悉Python開發(fā)環(huán)境，掌握編寫和運(yùn)行python腳本的方法。是5.15.12M2學(xué)會(huì)使用科學(xué)計(jì)算中的NumPy、Matplotlib、SciPy模塊解決材料科學(xué)中的問題：構(gòu)建哈密頓量、求解一維諧振勢薛定諤方程、擬合Morse經(jīng)驗(yàn)勢。是4.24.23M3能運(yùn)用材料科學(xué)的相關(guān)科學(xué)原理和材料基因工程技術(shù)，激發(fā)學(xué)生用計(jì)算機(jī)分析、解決復(fù)雜材料工程問題的興趣。是9.29.2三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第1章Python基礎(chǔ)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：搭建Python開發(fā)環(huán)境、高級數(shù)據(jù)類型、函數(shù)、模塊////21.1搭建Python開發(fā)環(huán)境Anaconda安裝與使用，Jupiternotebook使用M11講授1自學(xué)/作業(yè)31.2Python語法基礎(chǔ)回顧一基本數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符和表達(dá)式、流程控制M11講授1自學(xué)/作業(yè)41.3Python語法基礎(chǔ)回顧二列表、元組、序列、字典、集合、列表解析M12講授1自學(xué)/作業(yè)51.4Python語法基礎(chǔ)回顧三字符串的格式化，常用字符串操作，打開/關(guān)閉文件、文件打開模式、讀寫文件，用戶輸入（input、raw_input）M11講授1自學(xué)/作業(yè)61.5材料基因工程實(shí)例1讀取石墨烯結(jié)構(gòu)文件（.vasp格式）、擴(kuò)胞M31講授1大作業(yè)71.6函數(shù)函數(shù)的定義和調(diào)用、參數(shù)、返回值、變量作用域、匿名函數(shù)lambdaM11講授1自學(xué)/作業(yè)81.7模塊模塊的名字屬性、模塊的導(dǎo)入和使用（import、from）、模塊的搜索路徑、創(chuàng)建自己的模塊、dir函數(shù)、常用標(biāo)準(zhǔn)庫模塊（sys模塊、os模塊、time模塊、random模塊）M11講授1自學(xué)/作業(yè)91.8異常語法錯(cuò)誤和異常的區(qū)別、捕捉異常（或異常處理）、觸發(fā)異常（或拋出異常，raise語句）、try/catch/except/finally語句、with/as語句M11講授1自學(xué)/作業(yè)101.9材料基因工程實(shí)例2從石墨烯搭建碳納米管，并計(jì)算管徑M31講授1大作業(yè)11第2章快速處理數(shù)據(jù)—NumPy模塊（4學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)難點(diǎn)：矩陣運(yùn)算////122.1多維數(shù)組多維數(shù)組M21講授1自學(xué)/作業(yè)132.2數(shù)組操作索引（index）、分片（slice）、改變數(shù)組的維度（reshape）M21講授1自學(xué)/作業(yè)142.3常用函數(shù)loadtxt、arange、linspace、zeros、eyes、sum、randM21講授1自學(xué)/作業(yè)152.4材料基因工程實(shí)例3晶體結(jié)構(gòu)文件格式轉(zhuǎn)換（從.cif到.vasp笛卡爾坐標(biāo)與分?jǐn)?shù)坐標(biāo)文件和布里淵區(qū)倒格矢計(jì)算）M31講授1大作業(yè)16第3章繪制精美圖表曲線—Matplotlib模塊（4學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)難點(diǎn)：畫布與元素、latex語法////173.1繪制曲線plot，畫布（figure）和元素（subplot，axis）M20.5講授0.5自學(xué)/作業(yè)183.2設(shè)置圖表格式設(shè)置曲線的顏色、線型、線寬，設(shè)置圖表的標(biāo)題（title），設(shè)置x軸和y軸的區(qū)間范圍（xlim、ylim），設(shè)置x軸和y軸的標(biāo)簽文字（xlabel、ylabel），添加圖例（legend），保存圖表曲線（png、jpg、eps、pdf等格式）M21講授1自學(xué)/作業(yè)193.3插入數(shù)學(xué)公式Latex語法M20.5講授0.5自學(xué)/作業(yè)203.4材料基因工程實(shí)例4一維諧振子勢的哈密頓量構(gòu)建、薛定諤方程求解與可視化M32講授2大作業(yè)21第4章數(shù)值計(jì)算—SciPy模塊（4學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)難點(diǎn)：最小二乘擬合，傅里葉變換////224.1最小二乘擬合最小二乘擬合M21講授1自學(xué)/作業(yè)234.2線性代數(shù)計(jì)算線性代數(shù)計(jì)算M21講授1自學(xué)/作業(yè)244.3傅里葉變換與波函數(shù)的平面波展開傅里葉變換，平面波，波函數(shù)的平面波展開M21講授1自學(xué)/作業(yè)254.4材料基因工程實(shí)例5擬合Morse勢函數(shù)M31講授1大作業(yè)26第5章機(jī)器學(xué)習(xí)簡介（8學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)難點(diǎn)：機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)爬取、數(shù)據(jù)清洗、選擇模型、調(diào)參////275.1機(jī)器學(xué)習(xí)簡介應(yīng)用、挑戰(zhàn)與發(fā)展歷程，Scikit-learn與TensorFlow安裝配置M21講授1自學(xué)/作業(yè)285.2機(jī)器學(xué)習(xí)主要算法介紹分類、回歸、決策樹、隨機(jī)森林、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)M23講授3自學(xué)/作業(yè)295.3材料基因工程實(shí)例6手寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型M31.5講授1.5大作業(yè)305.4材料基因工程實(shí)例7電極材料高通量篩選與設(shè)計(jì)M32.5講授2.5大作業(yè)四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評占比1平時(shí)作業(yè)每次課布置1~3道題目，平均每次課1道題以上。考察分析問題和代碼編寫能力。成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時(shí)上交、是否獨(dú)立完成評分。30%2大作業(yè)本課程要求利用Python解決材料科學(xué)中的實(shí)際問題，根據(jù)代碼思路和代碼功能評分。60%3課堂表現(xiàn)隨機(jī)檢查學(xué)生上課精神狀態(tài)、回答問題情況、考勤10%五、評分細(xì)則序號課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時(shí)作業(yè)30%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。2M2平時(shí)作業(yè)30%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。3M3平時(shí)作業(yè)40%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。4M1大作業(yè)40%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。5M2大作業(yè)40%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。6M3大作業(yè)40%C-抄襲，未能按時(shí)完成。B-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖比較規(guī)范，代碼思路比較清晰，方案比較合理，答案準(zhǔn)確。A-獨(dú)立思考、按時(shí)完成，作圖規(guī)范，代碼思路清晰，功能完備，設(shè)計(jì)優(yōu)美，方案合理，答案準(zhǔn)確。7M1課堂表現(xiàn)30%C-精神狀態(tài)較差，回答問題有誤，缺勤3次以上。B-精神狀態(tài)一般，回答問題一般，缺勤1-2次。A-精神狀態(tài)飽滿，回答問題準(zhǔn)確，全勤。8M2課堂表現(xiàn)30%C-精神狀態(tài)較差，回答問題有誤，缺勤3次以上。B-精神狀態(tài)一般，回答問題一般，缺勤1-2次。A-精神狀態(tài)飽滿，回答問題準(zhǔn)確，全勤。9M3課堂表現(xiàn)20%C-精神狀態(tài)較差，回答問題有誤，缺勤3次以上。B-精神狀態(tài)一般，回答問題一般，缺勤1-2次。A-精神狀