《分子模擬基礎與應用》教學大綱一、課程基本信息課程名稱分子模擬基礎與應用MolecularSimulation:FundamentalsandApplications課程編碼CHM224021020開課院部化學工程學院課程團隊精細化工教學團隊學分2.0課內學時32講授32實驗0上機0實踐0課外學時32適用專業化學工程與工藝授課語言中文先修課程無機及分析化學、有機化學、物理化學（2-1）、物理化學（2-2）課程簡介（限選）本課程是化學工程與工藝專業的一門專業選修課。本課程主要學習分子動力學、量子力學、介觀動力學的基本原理，以及材料科學分子模擬軟件MaterialsStudio的基本操作。課程的特點是理論學習與上機操作并重。要求了解分子模擬理論與軟件的發展簡史；掌握有機小分子、聚合物、金屬與合金、巖石與粘土礦物、催化劑等建模與結構優化計算；掌握分子在固體表面與孔道中吸附與擴散的模擬計算；掌握混合體系表面張力、粘度、密度等物理性質的模擬計算原理；掌握化學反應模擬的計算原理。課程內容盡可能反映國內外分子模擬在石油工業相關領域的成果和最新進展。通過本課程的學習，為將來從事石油化工應用基礎研究、相關的催化劑與添加劑的分子設計與合成開發等打下基礎。Thiscourseisaprofessionalelectivecourseforchemicalengineeringandtechnologymajors.Thiscoursemainlystudiesthebasicprinciplesofmoleculardynamics,quantummechanicsandmesoscopicdynamics,aswellasthebasicoperationofMaterialsStudio,amolecularsimulationsoftwareforMaterialsscience.Thecharacteristicofthecourseisthatboththeoreticalstudyandcomputeroperationareemphasized.Itisrequiredtounderstandthedevelopmenthistoryofmolecularsimulationtheoryandsoftware;Masterthemodelingandstructuraloptimizationcalculationoforganicsmallmolecules,polymers,metalsandalloys,rocksandclayminerals,catalysts,etc;masterthesimulationcalculationofmolecularadsorptionanddiffusiononsolidsurfaceandpore;Masterthesimulationcalculationprincipleofphysicalpropertiessuchassurfacetension,viscosityanddensityofmixedsystem;Masterthecalculationprincipleofchemicalreactionsimulation.Thecontentofthecoursereflectsasmuchaspossibletheachievementsandlatestprogressofmolecularsimulationathomeandabroadinrelatedfieldsofpetroleumindustry.Throughthestudyofthiscourse,wewilllayafoundationforfuturebasicresearchonpetrochemicalapplications,moleculardesignandsynthesisdevelopmentofrelatedcatalystsandadditives.負責人大綱執筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業要求指標點任務自選1M1目標1：能記憶并理解分子動力學、量子力學的基本原理與計算流程是2M2目標2：能使用分子模擬軟件MaterialsStudio進行分子模擬計算。能夠應用建模工具建立單分子、聚合物、單晶胞、表面與界面、納米結構及無定形周期性結構等模型。是3M3目標3：能應用分子動力學模擬方法計算指定體系的動力學和熱力學性質參數。是4M4目標4：能應用量子化學計算方法計算指定體系的分子軌道等化學性質參數與化學反應模擬。是5M5目標5：能與小組成員開展討論、擁有一定答辯能力是6M6目標6：能保障課程正常秩序（政治層面、課堂保障層面，非學生能力層面）否三、課程內容序號章節號標題課程內容/重難點支撐課程目標課內學時教學方式課外學時課外環節1第1章第1章緒論本章重點難點：分子模擬基礎知識，分子模擬的學習方法。////21.11.1分子模擬概述分子模擬發展概況；分子模擬的研究內容與方法；分子模擬研究現狀及發展趨勢。M11講授1自學資料31.21.2分子模擬基礎知識分子模擬計算軟件及其發展概況，分子模擬的基本原理；分子模擬的目的和意義。M11講授1自學資料4第2章第2章分子模擬的理論基礎本章重點難點：群論、分子動力學、量子化學、晶體學的基本概念。////52.12.1分子模擬的數學基礎坐標系、分子圖形、分子表面、晶體等基本概念，統計力學基礎，能量最小化原理M11講授1自學資料62.22.2量子化學基本原理薛定諤方程，電子相關與HF方法，密度泛函理論，半經驗分子軌道方法M11講授1課后作業72.32.3分子動力學基本原理積分運動等式，分子體系中的積分方法，不同系綜中的分子動力學，相關函數M11講授1自學資料82.42.4介觀分子動力學基本原理耗散粒子動力學模擬的原理與方法，介觀動力學模擬的原理與方法M11講授1自學資料9第3章第3章分子動力學原理及應用本章重點難點：分子動力學力場、分子動力學模擬計算參數設置。////103.13.1力場簡介勢函數，簡正模式，勢能函數的具體形式，常見的力場M11講授1自學資料113.23.2分子建模分子模型的繪制，分子構型的優化，復雜分子結構的創建M21講授、上機1課后作業123.33.3分子動力學模擬計算參數設置短程相互作用的設置，長程相互作用的設置，力場的選擇，平衡的判斷，模擬結果和偏差分析M1,M21講授、上機1自學資料133.43.4分子間的相互作用-互溶性的模擬計算構建分子，分子結構優化，相互作用能計算M2,M32講授、上機2課后作業143.53.5分子間的相互作用-擴散系數的模擬計算氣體分子、聚合體或沸石等材料的構建與優化，分子動力學的運行與分析，數據分析與擴散系數計算M2,M3,M53講授、討論、上機3課后作業15第4章第4章量子化學基礎與應用本章重點難點：量子化學基本假設、密度泛函理論、量子化學計算流程////164.14.1密度泛函理論密度泛函理論方法與傳統HF方法之間的區別，密度泛函理論的基本假設，密度泛函理論方法的應用領域M11講授2自學資料174.24.2密度泛函模擬計算參數設置泛函選擇，各個基函數的精度，SCF迭代誤差，布里淵區采樣，Coretreatment，基組選擇，各個原子軌道的半徑設置M2,M41講授、上機1自學資料184.34.3分子結構優化與光譜性能計算分子結構優化，分子軌道的計算和分析，紅外和拉曼光譜分析M2,M42講授、上機2課后作業194.44.4化學反應模擬計算化學反應的自由能，優化搜索化學反應過渡態M2,M4,M53講授、討論、上機3課后作業204.54.5分子在表面的吸附固體表面的吸附理論，分子和表面的構造與優化，表面的弛豫，能量與態密度分析M2,M4,M53講授、討論、上機3課后作業21第5章第5章介觀分子動力學原理及應用本章重點難點：粗粒化方法、粗粒化力場擬合////225.15.1介觀模擬方法簡介基本原理，熱力學部分，動力學部分M11講授1自學資料235.25.2粗粒化分子動力學粗粒化原理，粗粒化力場M11講授1自學資料245.35.3全原子分子的粗粒化方法粗粒化方法、粗粒化力場擬合方法M11講授1自學資料255.45.4粗粒化模擬計算參數設置如何選擇步幅和噪聲，如何選擇排斥參數，如何選擇Flory-Huggins參數M2,M31講授、上機1自學資料265.55.5復雜液相體系的粗粒化分子動力學計算介觀動力學方法模擬表面活性劑在溶液中的聚集行為，嵌段共聚物相行為的模擬M2,M3,M54講授、討論、上機3課后作業四、考核方式序號考核環節操作細節總評占比1平時作業1.每周布置2-3道題目，平均每次課1道題以上。2.成績采用百分制，根據作業完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學生對分子模擬基本知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力題型主要有簡答、分析和案例題等。20%2大作業1.本課程要求利用MaterialsStudio計算工具建立分子、聚合物、晶體等具體研究對象的模型，設計出解決實際體系中熱力學、動力學和化學反應問題的計算方案，并對計算結果進行分析討論。2.以小組形式（4-5人一組），經過查閱文獻、方案設計、運行計算、小組討論等完成小論文的撰寫。通過教師評審（權重占50%）和小組間互評（權重占50%）得到各個小組的評分，小組內成員再經過組內互評，得到小組內各成員的貢獻度。根據各小組的評分和組內各成員的貢獻度，得到各位學生的評分。20%3考勤隨機點名、刷卡點名等5%4課堂表現隨機檢查學生上課精神狀態、回答問題、分組討論、上機等情況15%5期末考試1.閉卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學生對分子模擬基本知識的掌握能力，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有選擇題、簡答題、綜合題、案例題等。40%五、評分細則序號課程目標考核環節大致占比評分等級1M1平時作業20%A-對分子動力學、量子力學基本原理等知識點理解無誤。B-對上述知識點理解存在少量錯誤。C-對上述知識點理解存在一定量錯誤。D-或對上述知識點理解存在大量錯誤。2M1大作業10%（見大作業評分標準）3M1考勤5%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。4M1課堂表現15%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。5M1期末考試50%（見試卷評分標準）6M2平時作業40%A-對分子、聚合物、晶體等對象的建模、結構優化等計算方法相關的知識點理解無誤。B-對上述知識點理解存在少量錯誤。C-對上述知識點理解存在一定量錯誤。D-或對上述知識點理解存在大量錯誤。7M2大作業20%（見大作業評分標準）8M2考勤5%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。9M2課堂表現5%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。10M2期末考試30%（見試卷評分標準）11M3平時作業30%A-對體系的動力學、熱力學性質模擬計算相關的知識點理解無誤。B-對上述知識點理解存在少量錯誤。C-對上述知識點理解存在一定量錯誤。D-或對上述知識點理解存在大量錯誤。12M3大作業30%（見大作業評分標準）13M3考勤5%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。14M3課堂表現5%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。15M3期末考試30%（見試卷評分標準）16M4平時作業30%A-對化學反應模擬計算相關的知識點理解無誤。B-對上述知識點理解存在少量錯誤。C-對上述知識點理解存在一定量錯誤。D-或對上述知識點理解存在大量錯誤。17M4大作業30%（見大作業評分標準）18M4考勤5%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。19M4課堂表現5%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。20M4期末考試30%（見試卷評分標準）21M5大作業60%（見大作業評分標準）22M5考勤5%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。23M5課堂表現35%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。24M6考勤50%A-缺勤2次以內。B-缺勤3次及以上且很少參加課堂討論。25M6課堂表現50%A-能積極、準確地回答問題。B-回答問題基本正確。C-回答問題存在一定量的錯誤。D-不能回答問題。評分等級說明：[A,B,C,D,E]=[90-100,80-89,70-79,60-69,0-59];[A,B,C,D]=