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1、分子模拟基础课程教学大纲一、课程简介课程中文名分子模拟基础课程英文名Molecular simulation课程代码083W51F课程学分3总学时数68课程类别口通识课程 口学科基础课 13专业课 口实验实践课 口其他课程性质口必修13选修 口其他课程形态口线上13线下口线上线下混合口其他考核方式口闭卷 口开卷 口一页开卷口面试 口试 口答辩口论文口报告大型作业课程作品13其他开课学院物理科学与技术学院开课基层教 学组织物理系面向专业物理学开课学期3.1学期课程负责人审核人先修课程大学物理、热力学与统计物理后续课程无课程网址无课程简介分子模拟基础是物理学专业物质与计算科学方向模块一门重要的 选
2、修课程。通过理论讲授与计算机模拟实验相结合的办法，使同学们掌握 分子模拟相关的背景知识，了解分子模拟在化学、化工、生物、材料科学、 制药、物理等领域的重要应用，初步培养学生在建模、编程、结果分析等 方面的动手能力，为有兴趣从事分子模拟研究的同学提供一个基础训练。 课程主要内容：分子模拟基本概念，系综的概念，Boltzmann分布和 Maxwell-Boltzmann分布，经验力场，分子动力学模拟程序的基本框架，蒙 特卡洛模拟方法的基本概念，以及简单是数据分析、批量化数据处理代码的编与等。本课程是物理学专业物质与计算科学方向模块选修课程。（英文）二、课程目标力学是物理学类专业一门专业基础课和核心
3、课，是后续专业课程的基础。 本课程使学生以矢量和微积分为基础系统理解经典力学的基本理论和方法，初步 具备用高等数学解决力学问题的能力。通过课程学习，同时培养学生核心价值观, 树立科学的世界观、积极向上的人生观，以及爱岗敬业的事业观，立志成为有理 想信念和人文情怀的科技人才。通过教学活动，达到以下课程目标：表1课程目标序号具体课程目标课程目标1培养学生探索未知、追求真理的科学意识，结合立场观点，增强当代大学生责 任感和使命感意识，引导学生的科技报国的家国情怀和使命担当。课程目标2系统掌握分子模拟和系综的概念，建立微观尺度下的分子世界与宏观世界中可 观测的物理量之间定量的联系，了解统计力学的一些基
4、本概念与内容，分子动 力学模拟程序的基本框架，理解数值求解牛顿运动方程的基本方法，能够编写 简单的分子动力学模拟程序，并分析体系的热力学性质和结构性质。课程目标3掌握“阅读并理解文献”的能力，培养建模、编程、结果分析等方面的动手能 力。了解分子模拟的研究思路和方法，以及其在化学、化工、生物、材料科学、 制药、物理等领域的重要应用。了解计算机在当今大数据、人工智能、新材料 设计等方面的重要性以及我国科技工作者对该领域的发展所作出的突出贡献。课程目标4通过分子模拟基本知识的学习和计算机程序的编写，理解微观尺度下的分子世 界与宏观世界中可观测的物理量之间定量的联系，激发探索和创新精神。结合 计算机模
5、拟在新型冠状病毒结构解析、新型疫苗设计等方面的应用以及我国在 此次疫情对健康的贡献，引导学生在大学期间努力学习基础知识，为投身建设 做好准备。三、 课程目标与毕业要求对应关系本课程的课程目标对科学教育专业毕业要求指标点的支撑情况如表2所示:表21物理学专业：课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程 目标毕业要求1.科学知识1.1掌握图等数学、线性代数、概率统计、数学物理等数学 基本理论和方法，掌握普通物理、理论物理基础知识和实验2, 3技能，了解物理学的理论前沿、应用前景和最新发展动态以 及相关技术领域的发展状况，能应用于教育、科学研究和实 践问题。毕业要求3.使用现代工具3.1.能够选择
6、运用现代实验仪器，和包括软件在内的基本工 具进行科学研究，完成设计开发工作1, 4毕业要求5.职业规范指标点5.L通过思政、人文、社科、体质训练、军训等课 程的学习，理解世界观、人生观和价值观的基本意义及其影 响。指标点5.2.理解物理学及相关技术行业的社会价值，遵守 从事的职业道德和行为规范，具有社会责任感，能够履行职 责。了解国家科学技术、知识产权等有关政策和法规。具有 法律意识，自觉遵纪守法。1, 4四、课程目标与教学内容和方法的对应关系表3课程目标与教学内容、教学方法的对应关系教学内容详细内容与要求教学方法课程目标1.绪论(1)教学内容 分子模拟的发展史； 分子模拟在当今科技发展的应用
7、； 目前常用的分子模拟软件。(2)教学重点：分子模拟的基本原理；分子模拟在新 药开发、新材料设计等方面的应用；分子模拟软件介 绍。(3)教学难点：分子模拟的基本原理。(4)教学要求：初步理解本课程的意义，以及分子模 拟在当今科技发展所起到的重要作用。课堂讲授1, 2, 3, 42.分子 模拟基础 知识(1)教学内容 力场 势能、势函数 分子间作用力 牛顿力学(2)教学重点：基于已有经验力场计算改变粒子运动 状态的作用力。(3)教学难点：势能函数求导；质点运动状态。(4)教学要求：利用简单的势能函数来讲解分子模拟 的基本原理。思政融合点1:知识点：描述粒子间相互作用，介绍物理学基本方法， 即“由
8、繁到简，由简到繁”。利用简单的势能函数描课堂讲 授、视频 学习、小 组讨论1, 2, 3,4述复杂体系内粒子间相互作用。建立力场模型是由繁 到简，研究实际问题由简到繁。思政拓展1：大学生制定四年的学习、生活目标(由繁 到简)，然后规划每年、每学期到每天的计划(由简 到繁)；思政拓展2:党的十九大提出实现中华民族伟大复兴 的中国梦，到本世纪中叶全面建成现代化强国的总体 奋斗目标(由繁到简)。为了实现这个目标，又详细 制定了 “分两步走”战略，以及“五位一体”、“四 个全面”、“两个维护”、“四个自信”等各个层面 的战略规划(有简到繁)。3.统计 力学基础(1)教学内容 系综； 温度； 涨落； 淄
9、 焰； 自由能；(2)教学重点：介绍微观体系内一些序参量还宏观体 系的体现。(3)教学难点：系综的概念。(4)教学要求：通过对微观体系一些序参量的描述来 反应体系的宏观性质。思政融合点2：知识点：系统在到达自由能最低点(稳定状态)的过 程中会经历多次的能量涨落，中间态转变。思政拓展：在学习过程中要保持不以物喜不以己悲的 心态。当面对成功而欢呼时请不要忘记奋斗的历程， 当因为失败而苦恼时不要丢弃奋斗的信心。在学习过 程中始终保持坚持不懈的努力，最终会实现自己的目 标。课堂讲 授、视频 学习、学 习、小组 讨论1, 2, 3,44.经典 力学知识(1)教学内容、匕 目匕里； 拉格朗日力学； 哈密顿
10、力学； 利用积分计算粒子的运动状态(2)教学重点：粒子间的势能与和其所受到的力的关 系。(3)教学难点：基于当前运动状态，通过计算粒子所课堂讲 授、视频 学习2, 3, 4受到的力来预测粒子的运动状态。(4)教学要求：能够利用积分计算粒子的运动状态。O5.经验 力场(1) 教学内容力场；势能函数；(2)教学重点：描述复杂体系原子间相互作用的势能 函数。(3)教学难点：复杂体系中各个原子间相互作用对其 宏观性质的影响。(4)教学要求：了解如何通过构建简单的力场模型来 描述复杂体系粒子间的相互作用。课堂讲授2, 3, 46.运动 方程积分(1)教学内容数值求解牛顿运动方程的基本方法；(2)教学重点
11、：分子体系的运动方程及求解思路。(3)教学难点：分子体系运动方程的数值解和解析解。(4)教学要求：掌握Verlet算法。课堂讲授2, 3, 47.分子 动力学模 拟程序(1) 教学内容 分子模拟程序的组成部分； 分子模拟程序的应用； 常用的分子模拟软件； 分子模拟结果数据分析； 简单的分析程序编写。(2)教学重点分子模拟程序的基本应用。(3)教学难点：模拟体系构建；数据分析代码编写。(4)教学要求：了解分子模拟程序的基本框架；掌握 简单的程序编写；理解微观体系粒子运动状态在宏观 体系的体现。思政融合点3:知识点：分子动力学模拟方法在蛋白质结构预测以及 新药研究设计方面的应用。思政拓展：我国科研
12、工作者在新冠病毒的结构解析和 疫苗研制走在了世界的前沿，这与我国长期大力扶持 基础科研研究以及大量科研工作者数十年如一日的坚 持努力是分不开的。引导当代大学努力学习，为以后 投身国家的可研建设做好准备。课堂讲 授、视频 学习2, 3, 48.文献 研读(1) 教学内容阅读分子模拟在新药设计开发、蛋白质结构解析、 新型材料设计以及物理领域的应该等相关文献。课堂讲 授、视频 学习、学2, 3, 4(2)教学重点：提高学生英文阅读、分子模拟在各个 领域的广泛应用。(3)教学难点：分子模拟揭示复杂体系作用机制。(4)教学要求：了解分子模拟在现在各个领域所起到 的不可替代作用。习五、实践环节及要求详细说
13、明每个实践环节主要内容和基本要求两方面。无六、学时分配各章节的学时分配如表4所示。表4学时分配表教学内容讲课 时数实验 时数实践 学时课内 上机 时数外机数 课上时自学 时数习题 课讨论 时数1.绪论22.分子模拟基础知识43.统计力学基础44.经典力学知识65.经验力场46.运动方程积分67.分子动力学模拟程 序4348.文献研读4合计3434总计课内68学时七、课程学生成绩评定方法1.课程考核与成绩评定方法本课程考核包括平时成绩和上机考核两部分。平时成绩，占比50%；上机考 核，占比50%。平时成绩至少包含4项考核项目，总占比50%。平时成绩的考核项目包括但 不仅限于课程思政实践(占5%)
14、、考勤、平时上机测试、文献研读、课堂综合表 现、线上学习等。上机实践考核主要为分子模拟程序编写，体系热力学性质、结构性质以及动 力学性质分析，以及常用分子动力学模拟软件的熟悉。占比50%。各考核环节所占分值比例建议值及考核细则如表5：表5课程考核与成绩评定方法2.各个考核项目的详细评分标准重修或因其它原因申请自学+辅导的学生，平时成绩可以申请不考核而取80分。成绩 构成考核项目考核关联的 课程目标考核依据与方法占总评成 绩的比重平时 成绩课程思政 实践1根据教学思政元素，通过讨论、课堂小组 讨论、报告等多种形式，考查学生的核心 价值观状况等进行考核(五级制)。5%出勤无故旷课者，每旷一次课扣2
15、0%的出勤成 绩，扣完为止。占比20%。申请自学+辅导 免于考勤。共计占比 45%课堂综合 表现1, 2, 3, 4主要包括上课状态、互动交流、课堂练习 等；占比不超过20%文献研读2, 3, 4相关文献阅读，占比不超过10%上机 成绩上机模拟2, 3, 4程序编写和热力学性质分析50%总评成绩1, 2, 3, 4二平时考核*50%+上机考核50%100%表6各个考核项目的详细评分标准考核项目优(91-100)良(81-90)中(71-80)及格(61-70)不及格 (0-60)课程思政实 践认真完成思 政任务，表现 积极，知行合比较认真完 成思政任务， 表现积极，无 不良表现能够完成思 政任
16、务，表现 较积极，无不 良表现基本完成思 政任务，无不 良表现不能完成思 政任务，有不 良行为表现出勤100%缺课1次(迟 到2次计缺 课1次)缺课2次缺课3次缺课4次课堂综合表 现认真听课，积 极参与课堂 活动认真听课，部 分参与课堂 活动较认真听课基本能够听 课，效果较差较少听课，有 其它违规行 为文献研读认真完成文 献研读任务， 表现积极比较认真完 成文献研读 任务，表现积 极能够完成文 献研读任务， 表现较积极基本完成文 献研读任务没有完成文 献研读任务上机考核能够顺利完 成课堂所安 排的上机模 拟，结果分析 整理优秀。缺课1次以 内，能够补交 模拟上机测 试结果。缺课2次，或 上机模
17、拟结 果分析完成 不超过 (80%)o缺课3次，但 能够课后完 成上机训练。缺课3次以 上，未能完成 上机训练2 次以上的。八、教学资源表7课程的基本教学资源类别教材名称编者出版社出版时间教材分子动力学模拟的理论与 实践严六明 朱素华科学出版社2013 年参考书分子模拟的理论与实践陈正隆、徐为 人、汤立达化学工业出版社2007 年分子模拟理论与实验苑世领，张恒， 张冬菊化学工业出版社2016 年材料化学工程中的热力学 与分子模拟研究陆小华科学出版社2011 年九、课程目标达成情况评价课程分目标达成度计算公式如下（参照教学计划，本课程分目标一共有4个）：5i=ai*A/100+%j*B/100（
18、i=l4）其中：A、B分别对应平时考核和期末考核的平均成绩（百分计）；各考核环节分 目标权重系数如下表：分目标序号平时考核分目标权重系 数a上机考核分目标权重系 数为目标1（思政）0.50.5目标2 （知识）0.450.5目标3（能力）0.50.5目标4（素质）0.50.5注：平时考核、上机考核分别占45%和50%。课程总目标达成度计算公式如下：8= 161=81*51+ 2*52其中，本课程支撑的分目标权重系数&如下表：分目标目标1目标2目标3目标4i0.10.50.30.1注：支撑课程目标考核材料清单：时成绩记录表1份（包括：出勤和课堂表现情况）;期末总评成绩单2份；成绩分析报告1份（课程目标；权重系数）；课程目标达成度评价表1份。十、说明本课程大纲自2019级开始执行，生效之日原先版本均不再使用。