土木工程專業有限單元法課程思政建設探索

摘" 要：為發揮土木工程專業有限單元法課程思政建設在全程育人、全方位育人中的重要作用，使專業知識與思政內容充分融合，梳理有限單元法課程思政建設背景和現狀，以課程內容為基礎，結合課堂實踐活動、工程案例分析等多元化教學方式，將專業教學與精神引領相融合，提出有限單元法課程思政建設策略，致力于培養德才兼備的當代土木工程專業人才。

關鍵詞：土木工程；有限單元法；課程思政；教學方式；建設策略

中圖分類號：G641" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0039-04

Abstract： Finite Element Method course in civil engineering and its ideological and political construction play roles in education. To give play to their roles during the whole and all-round process， and to fully integrate the professional knowledge with the ideological and political contents， the background and current situation of the ideological and political construction of that course are first sorted out and ordered. Then the ideological and political construction strategy for Finite Element Method course is proposed. This strategy bases on course contents， combines with diversified teaching methods such as classroom practice activities and engineering case analysis， integrates the professional contents teaching and spiritual guidance together， and finally dedicate to cultivate contemporary civil engineering professionals with both political integrity and ability.

Keywords： civil engineering; Finite Element Method; ideological and political construction; teaching methods; constructive strategy

2020年，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，要求全面推進高校課程思政建設。2022年，住房和城鄉建設部發布《“十四五”建筑業發展規劃》，指出要以推動智能建造與新型建筑工業化協同發展為動力，加快建筑業轉型升級，實現綠色低碳發展。將課程思政與土木工程專業課深入融合貫通，對于培養德才兼備的土木學子，適應建筑業發展變革，助力建筑業轉型升級具有重要意義。

一" 有限單元法課程思政建設背景

（一）" 高校課程思政建設背景

高校課程思政建設是當代大學生全面發展的重要保障，是黨和國家培養社會主義接班人的堅實陣地。近年來，在習近平總書記全國高校思想政治工作會議講話精神的指引下[1]，在教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》的指導下[2]，全國高校堅持以立德樹人為目標，不斷推進課程思政建設工作，旨在為祖國培養德才兼備的卓越人才。

然而，在課程思政建設探索的過程中，依然存在課程思政教學資源挖掘不充分、專業知識與思政內容融合不深入和教職人員課程思政意識不牢固等問題，課程思政建設工作成效低于預期，急需深入探索課程思政建設的工作方法。

（二）" 土木工程專業人才培養需要

土木工程是關系國計民生的專業，房屋、橋梁、隧道及水壩等工程建設需要大量德才兼備的土木工程領域專業人才（圖1）。土木工程作業現場常存在工作環境條件惡劣、工程情況復雜多變和施工難度大等諸多挑戰，不僅考驗當代土木工程師的專業技術水平、工程實踐應用和現場溝通協調能力，更對其意志品質提出了更高的要求。有限單元法課程作為土木工程專業的重要課程，在培養土木工程相關領域高素質人才方面發揮著重要的作用。

近年來有限元數值仿真已經與理論研究、實驗科學成為土木工程學科開展科學研究的三大支柱。學習掌握數值仿真技術，熟練正確使用有限元計算軟件已經成為當代土木工程專業人才必不可少的技能。有限單元法課程在土木工程專業的授課對象涵蓋本科生和研究生，他們是未來土木工程領域建設發展的重要力量。在高校課程思政建設要求和土木工程領域人才需求的背景下，有限單元法課程思政教學的貫徹實施十分重要。因此，在該課程的講授過程中，不僅要執行“規格嚴格，功夫到家”的高標準、嚴要求，提升學生專業知識水平和工程應用實踐能力，更要培養學生愛崗敬業、自強不息和艱苦樸素的精神與刻苦鉆研、堅忍不拔和求真務實的態度，鼓勵學生積極投身于實現中華民族偉大復興的中國夢建設，從而為我國工程建設的發展培養高水平從業人才。

二" 有限單元法課程思政建設現狀

在有限單元法課程的教學中，立德樹人是根本任務。因此，講好有限單元法課程，不僅僅要講述專業知識，提升學生專業能力，更要深入挖掘課程思政元素，注重將理論與實踐相結合，實現專業能力和道德品行培養的同向同行。但是目前部分教師在日常課程教學中投入精力較少，注重科研項目申請、項目研究和發表論文等工作，導致授課內容枯燥乏味，更無法談及將專業知識與思政內容相融合。又或是在課程教學投入了一定的精力，但是卻缺乏對課程思政內容的深入挖掘，專業內容無法與思政內容形成協同效應。

有限單元法課程旨在培養卓越的土木工程專業人才，豐富學生專業技能，培養學生優良精神品質，為學生今后的學習和工作奠定良好基礎。相較于土木工程專業的其他專業課程，有限單元法課程內容主要以理論基礎內容為主，對于數理基礎較弱的學生而言，容易出現學習興趣不高、學習內容不深入的現象。因此有限單元法課程需基于課程平臺，結合學生實際情況，通過融合工程實例、科研動態和課程實踐等要素，將理論與實際相結合，自然深入地挖掘有限單元法課程中的思政元素，激發學生學習興趣，培養學生優秀精神品質，實現專業知識與思政內容的同向同行。

三" 有限單元法課程思政教學原則

有限單元法課程思政建設探索的目的是在專業內容授課的基礎上，增強價值引領，讓學生成為德才兼備全面發展的人才。因此，在課程思政設計時要結合課程內容實際情況，針對不同的章節內容，合理、巧妙及自然地探索挖掘思政內容，真正達到課程思政的效果，才能實現專業培養與價值引領的完美融合。總體來說，有限單元法課程思政教學應遵循以下幾個原則。

（一）" 保證專業課程內容完整性

有限單元法作為土木工程專業的重要課程，專業知識的講授是整個課程教學的基礎。在探索挖掘思政元素時，原則上應不過多調整和刪減原有課程專業知識授課內容，充分保證理論和實踐課程授課內容的完整性。

（二）" 自然靈活融合思政元素

生搬硬套、突兀、枯燥地強行引入與課程內容無關的思政元素，容易觸發學生的抵觸心理，難以實現課程思政的根本目的，應杜絕此類現象。課程教學應通過整體把握課程內容脈絡，細分每章節、每節課及每個知識點具體內容，結合工程實例、科研動態和課程實踐等實際案例，靈活自然地融入思政元素，實現潤物無聲的課堂教學效果。

（三）" 豐富課程思政教學形式

課程思政教學形式要以學生為主體。有限單元法課程內容應基于理論與實踐相結合，豐富創新課程思政教學形式，巧妙融合思政元素，增加學生課堂參與度，激發學生自主學習興趣。例如開展有限元軟件建模分析課程競賽、舉辦有限單元法學習心得課堂分享會等。通過合理設計課程思政教學形式，可以引發學生對思政元素的共情共鳴，達到寓教于學，寓教于行，寓教于樂的效果。

四" 有限單元法課程思政建設策略

未來卓越的土木工程師不僅應具備扎實的專業技能，還應兼具優秀的精神意志品質，愛崗敬業，自強不息，有遠大的理想抱負，有深厚的家國情懷。有限單元法課程在專業授課的基礎上，探索課程思政教學形式，深入挖掘課程思政元素，將思政元素融入課程教學全過程，引領培養學生德智全面發展（圖2）。

基于有限單元法課程實際特點和土木工程專業人才培養需要，本研究提出有限單元法課程思政建設策略如下。

（一）" 講好有限單元法第一課

講好有限單元法第一堂課對于學生學習整個課程十分重要。教師在備課過程中，應優化設計第一堂課授課方式和內容，明確第一堂課的教學內容、教學方法及教學目標，為講好有限單元法第一堂課做足充分準備（圖3）。

有限單元法的第一堂課常從講述課程課時、課堂紀律、課后作業形式及課程考核方式等開始。在此過程中，教師可以結合自己學習有限單元法的經歷，介紹自身學習心得體會，讓學生們在初步了解有限單元法課程內容的同時，領會認識認真對待每一門課、每一堂課和每一個知識點的重要性，在學習中嚴謹求實，發揚哈爾濱工業大學“規格嚴格，功夫到家”的校訓精神。

在第一堂課的正式課程內容中，首先通過介紹有限元方法的發展歷史，講述克拉夫（Clough）對有限元方法發展的貢獻及其在不同研究領域取得的優秀成果，循循善誘，將同學們的思緒自然地引入到有限元相關內容中，鼓勵學生們在學習中敢于探索，勇于創新。其次，講述有限元方法在中國的發展歷史和中國的科研前輩們對有限元方法發展的突出貢獻。通過介紹我國著名計算數學家馮康先生幾乎與國外同時提出有限元方法基本思想的偉大創舉[3]，激發學生的民族自豪感和愛國主義精神。

在第一堂課上注重理論與實踐相結合，是激發學生對課程學習興趣的有效方法。在第一堂課的最后環節，教師可在課堂上使用有限元軟件建模分析實際工程案例，介紹有限單元法在工程中的實際應用價值。演示中，可以通過提問學生日常學習中的結構計算分析相關問題，增強課堂師生互動，引導學生思考，然后使用有限元分析軟件快速計算相關結果，展示其強大功能及有限元方法的實用性，培養學生學習興趣和動手能力。

（二）" 介紹有限元研究的中國力量

在課程思政元素的探索建設中，教師可著重對比該學科國內外相關領域研究成果，介紹有限單元法研究歷史中的中國力量，打通專業課程與思政元素的連接渠道。通過講解有限元基本求解思想，引申介紹有限元經典方法及相關學者如何通過自身努力提出的經典理論，擴展學生在課堂上的學習內容，開拓學生視野，提升學生的學習與研究興趣。在講授過程中，教師可增加提問環節，提問學生所了解的相關經典理論，增強學生課堂參與感。

在此基礎上，引入介紹有限單元法研究的相關成果，將思政元素與課程內容自然融合，深入挖掘其精神內涵。例如：在有限元方法研究發展初期，國外科學家在該領域占據主導地位，提出了里茲法、伽遼金法等有限元經典方法[4]。相比之下，我國科研人員在有限元方法研究領域影響較小。在意識到有限元研究方法的重要性之后，我國老一輩科學家在困難年代不畏艱苦，潛心鉆研，取得了一系列極具影響力的重要研究成果，例如胡海昌院士提出的胡-鷲津廣義變分原理[5]及龍馭球院士建立的廣義協調理論與廣義協調元[6]等。他們在有限元方法研究的發展史上，書寫了屬于中國人濃墨重彩的一筆，開創了中國人在有限元研究領域的新天地。以此鼓勵學生在日常學習工作中勤于思考，敢于挑戰，勇于創新，激發學生的民族自豪感和民族自信，為實現中華民族偉大復興的中國夢凝心聚力、共同奮斗。

（三）" 講解有限元工程應用示范案例

在有限單元法教學中，學生常常會有理論如何與實踐相結合的疑惑，如何讓學生切實感受到學有所用，激發學生自主學習動力是非常重要的。相較于理論知識，實際工程應用案例更能吸引學生注意力，激發學生學習熱情。通過講解有限元單元類型、劃分原理及新單元等內容，介紹有限元的廣泛應用空間和實際價值。在此基礎上通過引入有限元工程實際應用案例，在講述理論與實踐相結合的同時，探索挖掘思政元素。在講述實際工程應用案例時，可以介紹該工程施工難度、建設周期、作業環境等實際情況，讓同學們切身感受中國基建力量。例如，①港珠澳大橋工程：其在建設過程中，水阻率、海底淤泥及沉管施工等一系列難題被我國攻克解決[7]。為研究港珠澳大橋各項性能，國內研究團隊自主研究了新型索單元與隔震單元，并基于此建立了大橋的有限元模型，對其疲勞損傷、車橋共振等橋梁性能進行有限元分析，掌握了港珠澳大橋整體性能。②大柱山隧道工程，其施工地段地質極其復雜多變，14.5公里挖掘了12年，被認為是“最難掘進的隧道”[8]。在建造過程中，根據工程實際情況對隧道復雜斷層、涌水涌泥和巖爆等各類風險進行有限元建模與分析，為隧道施工建設提供參考。

通過介紹實際工程案例及有限元在其中的應用情況，不僅培養了學生對專業知識學習的興趣，鼓勵學生將理論與實際相結合，學以致用，更向同學講述了中國人逢山開路、遇水架橋的奮斗精神，勇創世界一流的民族志氣。激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，積極投身于祖國建設，用扎實的專業基礎為祖國發展，實現“兩個一百年目標”奮斗目標貢獻力量。

（四）" 引導探尋有限元分析誤差原因

有限元法是一種數值計算方法，借助計算機運算對實際案例進行分析，在模擬分析中難免會產生誤差。在講解誤差產生原因之前，教師首先可以利用簡單的模型算例展示分析誤差的存在，讓同學們切實意識到誤差的存在，認識到有限元計算機軟件并不是完美無缺的；然后通過提問學生可能產生誤差的原因，引發學生思考；最后講解總結誤差產生的原因和減小分析誤差的措施，加深學生對教學內容的深刻理解。在此基礎上，列舉實際工程問題案例及有限元軟件在實際應用中減小分析誤差的方法，培養學生認真嚴謹的工作態度。例如：2020年5月，廣東省虎門大橋發生了不明原因振動。在有限元分析中，通過修正建模實例，在分析模型中增加水馬模型部件，還原了橋梁當時的真實受力狀態，減小了模型誤差，為橋梁振動原因判斷與結構損傷診斷提供了有力依據。

通過探索有限元分析誤差產生原因，講解實際有限元軟件模擬時減小誤差方法，介紹部分建筑、橋梁等結構出現的工程問題實際案例，合理引入思政元素，培養學生在日常學習工作中嚴謹求實的態度。以此激勵學生發揚“把問題解決在地面上”的航天精神，時刻保持哈工大校訓——“規格嚴格，功夫到家”的高標準、嚴要求，牢記歷史使命與責任擔當，求真務實、自強不息。

（五）" 教學內容與時事熱點相結合

有限單元法課程相對于其他專業課難度相對較大，同學們時常被公式理論推導困擾，在學習的過程中缺乏動力。在整個課程的授課過程中，教師應時刻注重培養維持學習熱情。當代學生身處于網絡時代，信息媒介發達，對社會熱點敏感問題關注度較高。在教學過程中選擇課程相關的時事熱點內容與教學內容相結合，會提升學生學習動力。例如在軟件實踐課程內容中，介紹自2018年中美貿易摩擦以來，我國一些單位與企業的部分軟件使用版權受到了限制。2020年4月，哈爾濱工業大學被美國列入“實體制裁名單”，數學軟件“MATLAB”的使用版權受到了進一步的制約。由此引出我國的數值仿真軟件的發展落后于國外的現狀以及當前在某些領域有限元軟件研發的積極進展[9]。

通過教學內容與時事熱點相結合，介紹我國有限元軟件的發展現狀及我國科技軟件使用版權被封鎖限制的情況，培養學生民族擔當與科技創新精神，激勵學生發揚哈工大“八百壯士”精神，迎難而上，創新進取；以習近平總書記“哈工大建校100周年賀信精神”為指引，矢志愛國奮斗，追求卓越發展，爭做有遠大理想抱負、有深厚家國情懷的中華兒女，為實現中華民族偉大復興的中國夢做出更大貢獻。

五" 結束語

課程思政是在講好專業課的基礎上增強價值引領，為土木工程專業課開拓了更多的教學空間。本文探討了有限單元法課程思政建設現狀，制定了其課程思政教學原則，提出了基于有限單元法課程特點的課程思政建設策略，致力于為國家和社會培養德才兼備的棟梁之材。本文對課程思政元素的挖掘或有不足，需在接下來的工作中進一步探索與豐富。

參考文獻：

[1] 習近平在全國高校思想政治工作會議上強調：把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-09.

[2] 教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

[3] 中國計算數學奠基人馮康[J].計算數學，2020，42（3）：258-259，257.

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[7] 李斌，高潮，張嘉瑩.港珠澳大橋沉管隧道瞬時沉降規律分析[J].巖土工程學報，2021，43（S2）：263-266.

[8] 張金夫，汶文釗.大瑞鐵路大柱山隧道高壓富水斷層處理技術[J].現代隧道技術，2018，55（3）：160-166.

[9] 曹勝濤，李志山，楊志勇.一種非線性顯式分層殼單元及其GPU并行計算實現[J].振動與沖擊，2019，38（22）：60-69，84.

基金項目：哈爾濱工業大學（深圳）2020年“思政課程”和“課程思政”專項課題（HITSZIP20012）

第一作者簡介：李祚華（1978-），男，漢族，吉林松原人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為結構抗震、應力檢測等。

*通信作者：劉海濤（1982-），男，漢族，山東菏澤人，實驗師。研究方向為結構試驗技術、結構健康監測等。