计算机在材料科学中应用课程教学规范.doc

计算机在材料科学中应用课程教学规范课程编号：适用专业：材料科学与工程专业课程性质：专业基础课 学时数：24学时(理论部分) 学分：1.5学分执笔人：林修洲 编写日期：2007年3月15日审核人： 审核日期：2007年 月 日第一部分 教学基本要求一、目的及任务计算机在材料科学中的应用是针对材料科学与工程专业的本科学生设置的一门专业必修课。本课程主要涉及计算机在材料科学与工程中的应用现状和研究方法等内容。学生在具备一定的计算机基础和学习了材料科学基础、材料工程基础等专业课程的基础上，通过本课程的学习，初步掌握计算机在材料科学与工程中的各种应用及其研究方法，能使用计算机解决本专业的一些问题。重点掌握使用计算机分析处理实验数据的各种方法和材料数据库、专家系统以及计算材料学等方面的知识，掌握在互联网上检索与利用有关专业知识的方法和技巧，理解和了解计算机在材料科学与工程其他方面的应用。二、本课程的先行课程计算机文化基础、高级语言程序、高等数学、线性代数与概率、材料科学基础、材料工程基础、材料现代分析方法等。三、各章节具体内容要求绪 论掌握的内容：1、计算机在材料科学中的应用概况；了解的内容：1、计算机与材料科学的关系。第一章 材料科学研究中的常用数值分析方法掌握的内容：1、线性方程组的常用数值解法；2、用插值法进行实验数据处理的方法；3、用最小二乘曲线拟合法进行实验数据处理的方法；熟悉的内容：1、非线性方程求根的常用方法；了解的内容：1、有限差分法和有限单元法。第二章 材料科学研究中的数据与图像处理掌握的内容：1、利用Origin进行数据处理的常用方法；2、材料研究中图像的常用处理方法；熟悉的内容：1、编制简单程序处理实验数据的方法。了解的内容：1、Excel、Matlab等软件进行数据处理的方法；第三章 材料科学数据库与新材料设计掌握的内容：1、材料数据库的特点、设计思想、开发过程与方法；2、材料专家系统的工作原理、常用开发工具与方法；熟悉的内容：1、已开发的各种材料数据库与专家系统；2、计算机技术在新材料、新合金设计中的应用情况；了解的内容：1、人工神经网络技术在材料科学专家系统与新材料设计中的应用。第四章 计算机在材料检测中的应用掌握的内容：1、在线测量系统的组成与基本原理；熟悉的内容：1、计算机在材料成分检测中的应用；2、计算机在材料组织结构检测中的应用；3、计算机在材料力学性能的检测中的应用；4、计算机在材料物理性能的测量中的应用；了解的内容：1、计算机在联机电化学测试系统中的应用。第五章 材料加工过程的计算机控制掌握的内容：1、各种材料加工过程的计算机控制系统的组成、原理及应用；熟悉的内容：1、计算机控制系统的结构、组成、特点与基本原理；2、计算机控制技术在材料科学与工程中的应用概况。第六章 计算机模拟技术在材料科学研究中的应用掌握的内容：1、材料科学研究中主要物理场的数值模拟；2、计算机相图分析；熟悉的内容：1、常用计算机模拟技术原理与方法；2、材料组织转变过程的计算机模拟；了解的内容：1、材料加工工艺的计算机模拟。第七章 互联网在材料科学与工程中的应用掌握的内容：1、在互联网上检索和利用材料科学信息资源的方法和技巧；2、材料科学文献资料的网络检索与查阅方法；了解的内容：1、互联网上材料科学与工程专业的主要信息资源。第八章 材料科学与工程中的计算机辅助制图掌握的内容：1、用AutoCAD绘制零件图、设备图的过程和方法；熟悉的内容：1、计算机辅助制图与材料科学与工程专业的关系。2、材料加工工艺流程图的绘制方法和过程3、工程施工图的绘制方法与过程了解的内容：1、常用制图工具的特点与应用四、建议教材与教学参考书1、教材：许鑫华，叶卫平. 计算机在材料科学中的应用. 北京：机械工业出版社,20032、参考书 1. 樊新民 等. 材料科学与工程中的计算机技术. 合肥：中国矿业大学出版社，20002. 李英民. 计算机在材料热加工领域中的应用. 北京：机械工业出版社，20013. 曾令可，叶卫平. 计算机在材料科学与工程中的应用. 武汉：武汉理工大学出版社，20044. 德 D.罗伯（著），项金钟，吴兴惠（译）. 计算材料学. 北京：化学工业出版社，20025. 朱波，蔡珣，钱宇白. 现代材料处理工艺过程计算机控制. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20046. 金一庆，陈越. 数值方法. 北京：机械工业出版社，20007. 廖晓钟，赖汝. 科学与工程计算. 北京：国防工业出版社，20038. 叶卫平，方安平，于本方. Origin7.0科技绘图及数据分析. 北京：机械工业出版社，2003 9. 易倍思工作室. 中文AutoCAD2004基础教程. 上海：上海科学技术出版社，2003第二部分 教学大纲一、课程开设对象大学四年制本科材料科学与工程专业。二、教学总学时根据培养方案的要求，本课程的理论教学总学时为24学时；另外，作为一门实践性非常强的课程，本课程还配套有一门24学时的上机训练课。三、各章内容及参考学时绪 论（参考学时：1学时）（一）内容概要0.1 计算机与材料科学0.2 计算机在材料科学中的应用概况0.2.1 材料科学研究中的数据与图像处理0.2.2 材料科学数据库与新材料设计0.2.3 计算机在材料检测中的应用0.2.4 材料加工过程的计算机控制0.2.5 计算机模拟技术在材料研究中的应用0.2.6 互联网在材料科学与工程中的应用0.2.7 材料科学与工程中的计算机辅助制图第一章 材料科学研究中的常用数值分析方法（参考学时：5学时）（一）内容概要1.1 非线性方程求根1.2 线性方程组的数值解法1.3 插值法与最小二乘曲线拟合法1.3.1 插值法1.3.2 曲线拟合法1.4 有限差分法与有限单元法1.4.1 有限差分法1.4.2 有限单元法（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配1.1 非线性方程求根1.2 线性方程组的数值解法1.3 插值法与最小二乘曲线拟合法1.4 有限差分法与有限单元法1121第二章 材料科学研究中的数据与图像处理（参考学时：7学时）（一）内容概要2.1 材料研究中的数据处理2.1.1 编制简单程序处理试验数据2.1.2 利用Origin进行数据处理2.1.3 Excel、Matlab等软件在试验数据处理中的应用2.2 材料科学研究中的计算机图像分析与处理2.2.1 计算机图像的二值化处理2.2.2 粒径分析（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配2.1 材料研究中的数据处理2.2 材料科学研究中的计算机图像分析与处理52第三章 材料科学数据库与新材料设计（参考学时：2学时）（一）内容概要3.1 材料科学与工程数据库3.1.1 概述3.1.2 材料科学数据库的应用举例3.2 材料科学专家系统3.2.1 专家系统基础3.2.2 典型材料科学专家系统分析3.3 人工神经网络技术在材料研究中的应用3.3.1 人工神经网络实现材料设计与优化3.3.2 人工神经网络与材料工艺优化3.3.3 人工神经网络与材料性能预测3.3.4 基于人工神经网络的材料智能加工与智能控制（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配3.1 材料科学与工程数据库3.2 材料科学专家系统3.3 人工神经网络技术在材料研究中的应用0.510.5第四章 计算机在材料检测中的应用（参考学：1学时）（一）内容概要4.1 在线测量系统的组成与基本原理4.2 计算机在材料成分检测中的应用4.3 计算机在材料组织结构检测中的应用4.4 计算机在材料力学性能的检测中的应用4.5 计算机在材料物理性能的测量中的应用4.6 计算机在联机电化学测试系统中的应用第五章 材料加工过程的计算机控制（参考学时：1学时）（一）内容概要5.1 计算机控制技术基础5.1.1 计算机控制系统的基本功能及其结构与组成5.1.2 计算机控制系统的主要特点和基本要求5.1.3 计算机工业控制系统的分类与选用5.2 材料加工过程的计算机控制系统5.2.1 高分子材料加工的计算机控制5.2.2 金属材料加工的计算机控制5.2.3 无机非金属材料烧成的计算机控制5.2.4 在线腐蚀监控第六章 计算机模拟技术在材料科学研究中的应用（参考学时：3学时）（一）内容概要6.1 材料科学研究中常用计算机模拟技术原理与方法6.2 材料科学研究中主要物理场的数值模拟6.2.1 温度场的计算模拟6.2.2 应力场的计算模拟6.2.3 浓度场的计算模拟6.3 材料科学与行为工艺的计算机模拟6.3.1 组织转变过程的计算机模拟6.3.2 相平衡计算机模拟分析（计算机相图分析）6.3.3 材料加工工艺的计算机模拟（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配6.1 材料科学研究中常用计算机模拟技术原理与方法6.2 材料科学研究中主要物理场的数值模拟6.3 材料科学与行为工艺的计算机模拟111第七章 互联网在材料科学与工程中的应用（参考学时：2学时）（一）内容概要7.1 互联网上材料科学信息资源的检索和利用7.1.1 搜索引擎7.1.2 材料科学专业网站7.1.3 网上专业数据库资源7.2 材料科学文献检索7.2.1 索引数据库检索7.2.2 全文数据库检索（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配7.1 互联网上材料科学信息资源的检索和利用7.2 材料科学文献检索11第八章 材料科学与工程中的计算机辅助制图（参考学时：2学时）（一）内容概要8.1 计算机辅助制图与材料科学与工程专业的关系8.2 主要制图工具简介8.3 零件图与设备装配图的绘制8.4 材料加工工艺流程图的绘制8.5 工程施工图的绘制（二）参考学时安排章 节 名 称学 时 分 配8.1 计算机辅助制图与材料科学与工程专业的关系8.2 主要制图工具简介8.3 零件图与设备装配图的绘制8.4 材料加工工艺流程图的绘制8.5 工程施工图的绘制0.50.51自学自学第三部分 教学实施细则一、课程重点、难点及处理方法主讲教师应在授课中突出重点，分散难点，紧密结合上机训练教学环节进行教学，使学生对主要内容有清晰、深刻的认识，牢固掌握所学知识。上机训练时，认真指导学生编程、绘图、处理数据，注重培养学生应用计算机解决实际问题的能力。绪 论重 点：计算机在材料科学中的应用概况。难 点：计算机在材料科学中的应用概况。主要知识点：计算机与材料科学的关系；计算机在材料科学中的应用概况等。第一章 材料科学研究中的常用数值分析方法重 点：线性方程组的数值解法（消元法）；插值法；最小二乘曲线拟合法。难 点：最小二乘曲线拟合法；有限差分法；有限单元法。主要知识点：非线性方程求根的常用方法（对分法、迭代法、Newton法、弦截法等）；线性方程组的数值解法（Gauus 消元法、主元素法、Jacobi迭代法、Gauss-Seidel迭代法等）；插值法；最小二乘曲线拟合法；有限差分法；有限单元法等。第二章 材料科学研究中的数据与图像处理重 点：Origin数据处理；Origin科技绘图；计算机图像的二值化处理。难 点：Origin曲线拟合；计算机图像的二值化处理；粒径分析。主要知识点：编程处理试验数据；Origin工作界面；Origin数据的输入、编辑与保存；Origin数据处理（一般计算、统计处理、回归分析等）；Origin科技绘图（二维图、三维图、图形修饰、图形输出等）；Origin曲线拟合；Origin图形数据分析；Excel、Matlab等软件在试验数据处理中的应用；计算机图像的二值化处理；粒径分析等。第三章 材料科学数据库与新材料设计重 点：材料数据库的特点与应用举例；专家系统的工作原理与新材料设计；人工神经网络技术在新材料、新合金设计中的应用。难 点：专家系统的工作原理；人工神经网络技术在新材料、新合金设计中的应用。主要知识点：材料数据库的特点；材料数据库的开发过程与方法；材料数据库应用举例；专家系统的概念、历史与发展；专家系统的工作原理与分类；专家系统的开发工具与方法；典型材料科学专家系统；人工神经网络技术基本原理；人工神经网络实现材料设计与优化；人工神经网络与材料工艺优化；人工神经网络与材料性能预测；基于人工神经网络的材料智能加工与智能控制等。第四章 计算机在材料检测中的应用重 点：在线测量系统的组成与基本原理；联机电化学测试系统；金相图像计算机分析系统。难 点：在线测量系统的组成与基本原理；金相图像计算机分析系统。主要知识点：在线测量系统的组成与基本原理；计算机在材料成分检测中的应用；金相图像计算机分析系统；材料缺陷计算机评定；材料显微组织的计算机仿真；电子万能材料试验机的计算机辅助测试系统；专项材料力学性能实验设备的计算机数据采集和处理系统；磁性测量的计算机数据处理；超导材料特性曲线计算机测量；金属熔点附近热物性参数的计算机测量；联机电化学测试系统等。第五章 材料加工过程的计算机控制重 点：各种材料加工过程的计算机控制系统。难 点：计算机控制系统的结构、组成及工作原理。主要知识点：计算机控制系统的基本功能及其结构与组成；计算机控制系统的主要特点和基本要求；计算机工业控制系统的分类与选用；高分子材料加工的计算机控制；金属材料加工的计算机控制；无机非金属材料烧成的计算机控制；在线腐蚀监控等。第六章 计算机模拟技术在材料科学研究中的应用重 点：温度场、应力场的计算模拟；计算机相图分析。难 点：常用计算机模拟技术原理与方法；材料科学研究中主要物理场的数值模拟；计算机相图分析。主要知识点：材料科学研究中常用计算机模拟技术原理与方法；温度场的计算模拟；应力场的计算模拟；浓度场的计算模拟；材料组织转变过程的计算机模拟；计算机相相图分析；材料加工工艺的计算机模拟等。第七章 互联网在材料科学与工程中的应用重 点：材料科学专业网站；网上专业数据库资源；材料科学电子文献检索（EI、SCI、SDOS、CNKI等）。难 点：网上专业数据库资源。主要知识点：公用搜索引擎、专业搜索引擎；材料科学专业网站（协会网站、专业综合信息网站、研究机构网站、研究专题网站、专业WWW虚拟图书馆等）；网上专业数据库资源（专利数据库、材料性能网络数据库等）；索引数据库检索（EI、SCI、ISTP、CA等）；全文数据库检索（SDOS、ACS、IEEE、中国期刊网CNKI全文数据库、维普全文数据库等）等。第八章 材料科学与工程中的计算机辅助制图重 点：用AutoCAD绘制零件图、设备图的过程和方法。难 点：用AutoCAD绘制零件图、设备图的过程和方法；工程施工图的绘制。主要知识点：计算机辅助制图与材料科学与工程专业的关系；主要制图工具简介；零件图与设备装配图的绘制；材料加工工艺流程图的绘制；工程施工图的绘制等。二、作业次数、类型、要求、作业量、批改要求一）、作业要求：1.本课程旨在培养学生综合运用计算机解决本专业实际问题的能力，同时了解和掌握计算机在材料科学与工程中的应用的最新研究进展和发展趋势，实践性非常强，应与上机训练紧密结合；作业形式多样，可包括：编制程序、综合讨论分析、最新文献调研与小论文、上机操作结果等，部分作业可与上机实验结合，并以实验报告的形式递交。每次作业在布置后的12周内交，防止缺交或迟交。2.作业大多要求用计算机打印，但要注意防止学生相互拷贝。3.教师按“A”、“B”、“C”、“D”、“E”五级记分每次登记作业情况，期末计算作业成绩。4.在每学期末，主讲教师必须将平时成绩登记册、评分标准等教学资料交资料室存档。二）、批改要求1.批改作业数量：教师每次批改作