计算材料学是一门新兴的、发展迅速的综合性基础科学。它的研究方法既区别于理论物理学采用简化模型寻找普遍规律的做法，也不同于实验物理学在真实世界里对实际体系进行观测的方法。计算材料学采用的是一种分析型的“虚拟实验”方法。它根据物质材料遵循的物理学基本方程，利用高效计算机强大的运算能力对材料的性质、功能以及演化过程等进行详细的、拆解式的模拟和预测，以深入理解材料学实验中观察到的各种现象，并缩短新材料研发的周期，降低研发成本。这种虚拟实验既保留了实际体系适当的真实性，也避免了实验中无法消除环境因素干扰的缺点，而且可以直接“观察”微观过程，而非通过测量其他量而间接地研究隐藏在现象后面的真实物理机制。近二十年来，随着计算机性能的飞速提升，这门学科在科学研究领域已愈来愈受到重视。计算材料学，特别是原子层面上的微观模拟，已经构成了相当丰富的理论体系，包括服从经典牛顿运动定律的经验势方法、遵循薛定谔方程的第一性原理方法以及介于两者之间的所谓半经验方法等。最近十年来，随着清洁能源技术的发展，针对激发态的理论和模拟算法也取得了长足的进步。从已公开的研究成果来看，即使是比较纯粹的实验工作，也往往包含对实验现象的微观模拟，以避免“知其然而不知其所以然”的尴尬。在这样的学科发展背景下，编写一本详细介绍计算材料学基本算法的教材是非常必要的。

　　本书共分为六章。前两章内容包含材料模拟的理论基础。第1章介绍了必要的数学基础，包括线性代数、插值与拟合、优化算法、数值积分以及群论等方面的内容。第2章介绍了量子力学、晶体点群及固体理论基础。第3章介绍了第一性原理，主要包括HartreeFock方法以及密度泛函理论，同时详细讨论了如何利用平面波赝势方法下求解体系总能和本征波函数，并简要介绍了近年来发展比较迅速的准粒子近似和激发态算法。第4章介绍了紧束缚方法，重点推导了SlaterKoster双中心近似下哈密顿矩阵元的普遍表达式、原子受力的计算方法，以及紧束缚模型自洽化的方法。第5章介绍了分子动力学方法，包括原子经验势的种类、微正则系综下分子动力学的实现算法，同时详细讨论了微正则系综向正则系综的变换，以及近年来发展起来的第一性原理分子动力学的理论基础。第6章介绍了蒙特卡罗方法，包括随机数采样策略及不同系综下的蒙特卡罗算法，以及连接微观与宏观现象的动力学蒙特卡罗方法。本书最后有附录，对正文中涉及的若干数学算法进行了详细讨论。

　　在编写过程中，一方面我们查阅了大量的原始文献，对涉及的方程进行了详细的推导，尽量避免由于转述他人的解释而造成的错漏，另一方面，对于每一个知识点，我们都参考了尽可能多的国内外同类教材，再精炼出我们认为最易于理解和表述的方法在书中介绍出来，以利于初学者从不同角度来理解同一个问题。有不同方法的比较，人们才能进行全方位的理解，而不是简单地、被动地接受知识的灌输。因此，本书在讲解基本原理的章节中尽量从更为形象、直观的角度出发，在保证正确的基础上力求有别于已有教材的内容。根据我们自己在学习和工作中的体会，计算材料学学习比较困难的一点在于基本理论与具体应用之间存在着不小的距离。以第3章讲述的密度泛函理论为例，在完成KohnSham方程推导之后，密度泛函理论的理论基础就告一段落了，但是从该方程出发到编写出实用的软件包还是有很长的一段路要走。这个问题在其他几章介绍的方法中也比较突出。学生对此的感受可能更深。即使把书上的公式全部自己推导出来，可能还是不知道如何利用这些知识乃至应用于实际。这对于激发学习者的学习兴趣无疑是不利的。因此在本书中我们不惜牺牲了一定的可读性，而花费了大量的篇幅来介绍每一种方法的具体实现过程。虽然有些“冒天下之大不韪”的意思，但是我们仍然认为，这种处理方式是有意义的。我们希望，读者能将这本书从头到尾读下来，相信一定可以提升自己的工作和研究水平。

　　本书由单斌、陈征征和陈蓉编著。特别感谢国家重大科学研究计划青年项目（2013CB934800）、英格兰vs伊朗预测 教材立项基金的大力支持。由于水平有限，书中不可避免地会存在不完善的地方，我们衷心希望各位专家和广大读者不吝批评和指正。