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摘要：以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的計(jì)算材料學(xué)教學(xué)是材料教學(xué)中的重要組成部分。由于其具有數(shù)據(jù)庫龐大、理論知識(shí)繁雜、模擬范圍廣等特點(diǎn)，使得基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料學(xué)教學(xué)的開展與實(shí)施存在較大的困難。本文通過將基于大數(shù)據(jù)分析的第一性原理，分子動(dòng)力學(xué)與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生能夠更加直觀的從原子，分子的角度了解材料的變化。幫助學(xué)生篩選優(yōu)化數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)理論分析的方法，掌握運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)分析；計(jì)算材料科學(xué)；第一性原理；分子動(dòng)力學(xué)

1引言

大數(shù)據(jù)這個(gè)詞是伴隨著全球數(shù)據(jù)爆炸式增長而提出的，它主要用于描述巨大的數(shù)據(jù)庫。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比，大數(shù)據(jù)通常包括很多非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并且需要更多實(shí)時(shí)性的分析。同時(shí)，大數(shù)據(jù)也帶給我們來了新的挑戰(zhàn)，如何有效的組織和管理數(shù)據(jù)成為目前急需解決的難題。大數(shù)據(jù)具有大量、多樣、快速、有價(jià)值等特征，這為我們的學(xué)習(xí)科研帶來了極大的幫助。通過用大數(shù)據(jù)方法對(duì)材料進(jìn)行研究屬于計(jì)算材料學(xué)的范疇，計(jì)算材料科學(xué)是將材料科學(xué)與量子物理，力學(xué)，數(shù)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合而形成的學(xué)科。材料的微觀組織以及原子的排列順序，晶格結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，通過了解材料從原子的排列到相的形成過程，微觀組織的變化過程以及材料宏觀性能與有效服役時(shí)間之間的相互關(guān)系，就可以更好的發(fā)現(xiàn)和制造新型材料。材料基因組計(jì)劃主要通過將高效的材料理論計(jì)算與模擬工具、高通量快速的試驗(yàn)方法、材料性能數(shù)據(jù)庫和信息學(xué)等相結(jié)合，建立高效的材料數(shù)據(jù)庫?；诖髷?shù)據(jù)方法的材料計(jì)算的方法主要包括第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、CALPHAD方法、蒙特卡羅法、元胞自動(dòng)機(jī)法和有限元分析法等。通過基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料科學(xué)的計(jì)算模擬，可以獲得材料的熱力學(xué)性能、力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、材料的結(jié)構(gòu)、點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移率、晶界能和晶界移動(dòng)性、析出相尺寸等性質(zhì)，從而更好的了解材料。

2材料學(xué)大數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)理論

基于大數(shù)據(jù)處理的計(jì)算材料學(xué)包括許多種方法，主要有第一原理、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡洛、元胞自動(dòng)機(jī)、相場(chǎng)法、有限元分析等。由于學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)欠缺較多且授課時(shí)間有限，以上方法不能全部應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中。因此，根據(jù)教學(xué)課程的實(shí)際情況以及不同的計(jì)算材料方法的不同特點(diǎn)，本文主要研究應(yīng)用廣泛的第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)的教學(xué)，使學(xué)生從原子，分子角度更好的理解材料學(xué)。

2.1基于大數(shù)據(jù)分析的第一性原理方法

第一性原理計(jì)算又稱為從頭算法，是基于量子力學(xué)原理的大數(shù)據(jù)計(jì)算方法。第一性原理計(jì)算通常不使用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，不依賴實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過空間群，電子質(zhì)量，光速，質(zhì)子中子質(zhì)量等少數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去做量子計(jì)算，通過求解薛定諤方程，從而推導(dǎo)出材料的熱力學(xué)，電學(xué)及磁學(xué)等物理性質(zhì)的方法。第一性原理方法的計(jì)算量非常大，因此很難在短時(shí)間內(nèi)求解出精確解，只能借助一些近似的手段求解近似解。由于計(jì)算量的局限性，目前第一性原理計(jì)算僅適用于材料的微觀尺度的計(jì)算，但第一性原理具有精確性和普適性的特點(diǎn)而成為目前材料學(xué)計(jì)算不可或缺的一種方法。第一性原理方法結(jié)合高通量數(shù)據(jù)和高通量性能的計(jì)算方法可以很大程度降低模擬時(shí)間，模擬過程包括動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面穩(wěn)定性等物性特點(diǎn)，結(jié)合密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，可以同時(shí)描繪新材料數(shù)據(jù)遷移變化，進(jìn)一步獲得新材料的態(tài)密度、電子能態(tài)、電荷密度等信息。根據(jù)物理性能和化學(xué)性能參數(shù)之間的聯(lián)系，從理論上可以獲得材料的熱力參數(shù)、機(jī)械性能、光學(xué)性能、電磁性等基本物理化學(xué)參數(shù)。

2.2基于大數(shù)據(jù)分析的分子動(dòng)力學(xué)

分子動(dòng)力學(xué)是指將不同體系下特定的勢(shì)能函數(shù)作用于由眾多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)中，同時(shí)通過附加外界條件，如溫度，壓力等，對(duì)體系中的所有粒子求解牛頓方程，然后通過統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法來得到宏觀材料性質(zhì)的過程。分子動(dòng)力是學(xué)基于牛頓經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行計(jì)算的，是一種確定的方法，通過給定粒子的初始坐標(biāo)和初始速度，利用方程可以計(jì)算粒子后續(xù)每一時(shí)刻的狀態(tài)。在實(shí)際計(jì)算過程中，計(jì)算機(jī)首先讀取自行創(chuàng)建的初始體系結(jié)構(gòu)，然后通過勢(shì)能函數(shù)給體系中粒子施加作用力，從而計(jì)算出粒子的加速度，不斷計(jì)算粒子的坐標(biāo)以，速度等參量，最后通過選擇不同的統(tǒng)計(jì)系綜方法得到材料相關(guān)的熱力學(xué)性質(zhì)。目前，分子動(dòng)力學(xué)廣泛應(yīng)用于固體材料的性質(zhì)研究，如材料的彈性模量，熱導(dǎo)率等計(jì)算。分子動(dòng)力中分子力場(chǎng)優(yōu)化問題是建設(shè)材料分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵問題，解決這一問題的方法包括遺傳算法和粒子群算法。遺傳算法的出現(xiàn)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域常用的優(yōu)化工具，近年來，隨著大數(shù)據(jù)計(jì)算的興起，使得遺傳算法在數(shù)據(jù)處理方面也得到了有效的應(yīng)用。遺傳算法主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究，算法結(jié)構(gòu)研究，基因操作研究，參數(shù)選擇研究等。。

3基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料學(xué)與教學(xué)實(shí)踐的結(jié)合

基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料學(xué)課程具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，能夠?qū)⒒A(chǔ)知識(shí)與材料模擬的具體模型聯(lián)系在一起，從而使學(xué)生對(duì)計(jì)算材料科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣。通過將教學(xué)和計(jì)算材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與模擬相結(jié)合的教學(xué)。在教學(xué)過程中通過設(shè)定具體的教學(xué)目標(biāo)來培養(yǎng)學(xué)生的能力，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫篩選，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的同步進(jìn)行。使得學(xué)生積極融入課堂，最終取得更好的效果。

3.1基于大數(shù)據(jù)分析的第一性原理與教學(xué)實(shí)踐的結(jié)合

第一性原理作為基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料科學(xué)的一種典型方法，人們開發(fā)了許多模擬平臺(tái)，如MaterialsStudio，Vasp等。通過高通量方法篩選優(yōu)化計(jì)算模型，解決了材料計(jì)算過程中計(jì)算耗時(shí)的部分問題，并通過高通量的原子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、彈性性能算法設(shè)計(jì)，能夠更加準(zhǔn)確快速的得到模擬結(jié)果。在教學(xué)過程中通過晶胞模型的建立、晶胞與原胞的轉(zhuǎn)換、電子密度、能量曲線、態(tài)密度及能帶結(jié)構(gòu)等，使學(xué)生快速掌握原子結(jié)構(gòu)模型的建立，并與材料的基礎(chǔ)理論相結(jié)合，取得更好的效果。

3.2基于大數(shù)據(jù)分析的分子動(dòng)力學(xué)與教學(xué)實(shí)踐的結(jié)合

分子動(dòng)力學(xué)是材料大數(shù)據(jù)處理中又一典型方法。針對(duì)分子動(dòng)力學(xué)，科學(xué)研究者們開發(fā)了很多并行化計(jì)算平臺(tái)，如Lammps，Gaussian，Amber等。通過遺傳算法進(jìn)行分子力場(chǎng)優(yōu)化之后進(jìn)行計(jì)算，更加快速準(zhǔn)確的得到模擬結(jié)果，然后通過可視化界面，可以直觀地給學(xué)生展示溫度變化過程中，分子的移動(dòng)、聚集、包覆，以及在外力作用下，分子的變化過程，同時(shí)繪出能量曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線，與分子變化過程相對(duì)比，讓學(xué)生更加真實(shí)的感受不同溫度下，分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使學(xué)生對(duì)計(jì)算材料科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣。

4結(jié)束語

基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料學(xué)教學(xué)是一門涵蓋多種學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的綜合學(xué)科，本文通過第一性原理，分子動(dòng)力學(xué)，使學(xué)生從原子，分子的角度全面直觀地了解材料的變化，極大地增加學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性與自主性。通過教學(xué)研究與材料模擬相結(jié)合，既能鞏固學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又能促進(jìn)理論與模擬的結(jié)合。同時(shí)可以根據(jù)教學(xué)實(shí)踐的實(shí)際情況，可以對(duì)基于大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算材料模擬進(jìn)行相應(yīng)拓展，加深學(xué)生對(duì)材料本質(zhì)的理解。

作者:趙宇宏 楊文奎 單位:中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院