计算机在腐蚀防护中的应用教学大纲

一、课程目标
    《计算机在腐蚀防护中的应用》是为材料物理专业学生开设的一门专业基础课程，它主要介绍计算机模拟的概念和种类以及其在腐蚀和防护领域中的应用，为学生学习后续专业课及从事相关工作奠定基础。
二、基本要求
    要求学生重点学习并掌握计算机模拟的定义及其不同层次的模拟方法，了解计算机技术在腐蚀和防护各领域的应用，培养学习兴趣。学习各种计算机模拟方法；掌握各种模拟方法的运算流程，并结合所学理论知识与防腐蚀工程技术的应用实例了解各种计算机模拟方法在腐蚀和防护方面的运用实例。
三、教学内容与学时分配建议
第一章  计算机在腐蚀和防护方面的应用（3学时）
    §1.1 前言；§1.2 现场监测与控制；§1.3 信息处理；§1.4 专家系统；§1.5 计算机模拟技术。
要求：
    1．掌握现场检测与控制、信息处理、专家系统和计算机模拟的含义和基本流程。
    2．了解计算机在现场检测与控制、信息处理、专家系统和计算机模拟等方面所起的作用，以及在腐蚀和防护方面中的应用。
第二章  背景知识—原子物理学（2学时）
    §2.1 前言；§2.2 原子物理学的发展；§2.3 原子模型；§2.4 电子自旋。
要求：
    1．了解原子物理学的发展历程以及相应的标志性事件。
    2．掌握汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型以及波尔原子模型的特点和缺陷；掌握电子的发现、α粒子的散射实验、氢原子光谱、史特恩—盖拉赫实验等与原子模型的关系。
第三章  背景知识—量子力学（2学时）
    §3.1 波尔理论的困难；§3.2 波粒二象性；§3.3 波函数；§3.4 薛定谔方程及其应用。
要求：
    1．了解波尔理论的困难。
    2．掌握波粒二象性、德布罗意物质波、不确定关系、波函数、薛定谔方程的含义。
    3. 了解隧道效应的含义、扫描隧道显微镜的工作原理及其用途。
    4. 掌握量子力学与经典力学的区别与联系。
第四章  计算机分子模拟简介（4学时）
    §4.1 计算机模拟与理论和实验的关系；§4.2 计算机模拟的工作流程；§4.3 计算机分子模拟的层次和内容；§4.4 量子力学层次的模拟方法；§4.5 分子力学方法；§4.6 统计力学方法；§4.7 介观层次的模拟；§4.8 宏观层次的模拟；§4.9 对接技术。
要求：
    1．掌握计算机分子模拟的定义；计算机模拟与理论和实验的关系；计算机模拟的工作流程。
    2．重点掌握计算机分子模拟中量子化学层次、统计力学层次、介观层次、宏观层次和对接技术的内容和含义及其相应的计算方法。
    3．了解计算机分子模拟各个层次适用的对象。
第五章  量子化学计算方法（4学时）
    §5.1 量子化学计算发展史；§5.2 基本原理和半经验方法；§5.3 密度泛函方法；§5.4 量子化学计算方法的应用。
要求：
    1．了解量子化学的发展史；掌握量子化学计算开始和成熟的标志。
    2． 掌握量子化学的基本原理；掌握从头算（HF方法）、半经验方法和密度泛函理论的基本思想。掌握从头算的三个基本近似以及类氢离子型轨、Slater 型和 Gauss 型三种分子轨道。
    3. 了解量子化学计算的功能及其在各领域的应用。
第六章  分子力学方法（3学时）
    §6.1 分子力学方法简介；§6.2 分子动力学方法的应用。
要求：
    1．掌握分子力学的定义和基本思想，分子力学计算分基本流程。
    2．了解分子力学的发展历程，以及分子力学方法的应用。
    3. 掌握分子力学和量子化学计算的区别于联系。
第七章  Monte Carlo方法（2学时）
    §7.1 Monte Carlo方法简介；§7.2 Monte Carlo方法的应用。
要求：
    1．掌握分子力学的定义和基本思想，分子力学计算分基本流程。
    2．了解分子力学的发展历程，以及分子力学方法的应用。
    3. 掌握分子力学和量子化学计算的区别于联系。
第八章  分子动力学模拟（4学时）
    §8.1 系综理论；§8.2 分子动力学方法；§8.3 模拟细节；§8.4 参量的计算；§8.5 液态水的MD模拟；§8.6 误差分析；§8.7 分子动力学方法的应用。
要求：
    1．掌握常用的系综；三种Verlet算法；周期性边界条件；分子动力学的定义、计算流程、计算参量；分析计算误差来源。
    3. 了解分子动力学方法的应用。　
第九章  耗散粒子动力学（2学时）
    §9.1 DPD发展历史；§9.2 DPD基本原理；§9.3 DPD基本操作；§9.4 DPD应用举例。
要求：
    1．了解耗散粒子动力学的发展历史、基本原理及其应用。
    2．掌握珠子的概念。
第十章  有限元方法（1学时）
要求：
    1．掌握有限元方法的基本流程。
    2．了解有限元方法的应用范围。　
第十一章  大型计算软件简介（1学时）
要求：
    1．了解Materials Studio、VASP、NanoSuite、Gaussian和ANSYS等计算机模拟软件的特点和应用范围。 　
第十二章  计算机分子模拟应用—咪唑啉类缓蚀剂缓蚀机理的研究 （4学时）
    §12.1 研究背景；§12.2 研究方法；§12.3 研究对象；§12.4 研究内容；§12.5 结论。
要求：
    1．了解不同层次的分子模拟方法的特点及其在缓蚀剂开发中的应用。
四、教材
    1.《计算材料学基础》，张跃主编，北京航空航天大学出版社，2007年
五、主要参考资料
    1.《计算化学:从理论化学到分子模拟》，陈敏伯主编，科学出版社，2009年
    2.《材料科学中数值模拟与计算》，徐瑞主编，哈尔滨工业大学出版社，2005年
    3.《计算材料学》，(德国)D.罗伯主编，化学工业出版社，2002年
    4.《计算物理学》，马文淦主编，科学出版社，2005年