有限元及工程軟件課程思政探索及實踐

方國東 王兵 荊宇航 洪毅 劉偉

摘? 要：有限元及工程軟件是力學及相關專業重要的研究生專業核心課之一，已成為工程設計分析和科學研究中物理過程建模的重要計算工具。在課堂教學過程中加強課程思政，是高校提高人才培養質量的有效途徑，對培養具有很強專業素質的”四有“新人具有重要意義。為加強有限元及工程軟件的課程思政教學，根據課程內容及特點分析課程思政的必要性，確定課程思政目標，給出課程思政內容的教學設計，使課程內容與課程思政元素有機融合，同時探討課程思政的教學實踐方案，可為專業課程的課程思政教學提供借鑒。

關鍵詞：有限元及工程軟件；課程思政；教學改革；力學；研究生

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）03-0046-05

Abstract： Finite Element and Engineering Software is one of the important core courses for graduate students in Mechanics and related majors， which has become an important computation tool for physical process modeling in engineering design analysis and scientific research. Strengthening the ideological and political education inteaching is an effective way for colleges and universities to improve the teaching quality， which is of great significance to train Siyou qualified persons with strong professional qualities. In order to strengthen the ideological and political teaching of the course of Finite Element and Engineering Software， the necessity of the ideological and political teaching of the course is analyzed according to the course content and its characteristics. The goal of the ideological and political teaching of the course is determined. The teaching design of the ideological and political content of the course is given. The course content and the ideological and political elements of the course are organically integrated. The teaching practice scheme of the ideological and political teaching of the course is discussed. This study can provide reference for the ideological and political teaching of professional courses.

Keywords： Finite Element and Engineering Software; curriculum ideology and politics; teaching reform; Mechanics; graduate student

以德為本，德才兼備。大教育家孔子說：“德才兼備者謂之圣人也；無才無德庸人也；德大于才謂之能人也，才大于德小人也。”司馬光也曾說：“才者，德之資也；德者，才之帥也。”在《論語·述而》中，子曰：“志于道，據于德，依于仁，游于藝。”我國自古以來就意識到了德育教育的引領性和重要性。全面貫徹黨的教育方針，堅持立德樹人優先，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上對思想政治工作提出了要求：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。[1]”為了發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量，將思想政治教育貫穿人才培養體系，全面加強課程思政建設，教育部于2020年5月28日印發實施《高等學校課程思政建設指導綱要》[2]。課程思政的建設已成為提高高校人才培養質量有效途徑，是解決培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人這個教育根本問題的重要抓手。

有限元及工程軟件課程是哈爾濱工業大學力學專業研究生核心課，在力學及相關專業課體系中為應用課程，課程內容對提高力學及相關專業人員的科學素養，以及提升從業人員解決工程實際問題的能力、工程技術基礎具有重要作用。為了提升該課程與思想政治理論的協同效應，做到以德為本的引領作用，充分挖掘有限元及工程軟件課程內容中的思政元素，并且將這些元素進行精選和提煉，融入到課程的教學實踐過程中，從而實現價值塑造、專業知識傳授和能力培養的有機融合。從而，在提升學生有限元基本理論、建模及應用等理論知識的同時，加強學生的情感認同，引導學生形成正確的價值取向，激發學生的學習動力，并且增強課程的教學效果，對培養具有很強專業素質的“四有”新人做出教學上的探索和實踐。

一? 有限元及工程軟件課程思政的必要性及目標

有限元及工程軟件課程是隨著計算機發展和計算方法的完善逐漸發展起來的力學專業應用型研究生核心課。面對國產有限元軟件的發展現狀，以及國際貿易保護主義抬頭的大背景下，該課程教學被賦予了多重的責任，課程思政教學也顯得尤為必要。并且該課程覆蓋所有力學基礎理論，同時力學發展史中存在很多典型事例，因此該課程蘊含著豐富的課程思政元素。從而在講解主要知識點的過程中，增加適量的課程思政元素，達到以下三個方面的課程思政教育目標。

（一）? 面向國家需求，增強家國情懷

引導學生面對國家重大需求，學以致用，增強學習動力，使學生關心國家發展；培養愛國精神，發揚奉獻和擔當精神、航天精神，增強家國情懷，塑造個人追求與國家發展協同。

（二）? 發揮榜樣力量，刻上工大烙印

在知識點中不乏突出人物，發揚他們的閃光點，引導學生向先進人物事例學習，發揮榜樣的力量；引導學生堅守哈工大“規格嚴格，功夫到家”的校訓精神、“八百壯士”精神、工匠精神，發揚一絲不茍的工作作風，使每位學生刻上工大烙印。

（三）? 引導學術志向，發揚探索精神

引導學生關注前沿問題，提升學生對科學知識學習和拓展的熱情，通過“學”和“用”結合引導學生樹立個人的學術志向；強化工程理論教育，引導學生對科學真理的追求和探索，激發學生的創新精神和科學探索精神。

在有限元及工程軟件課程思政具體實施過程中，首先梳理課程思政元素，與課程內容相結合，探索課前有計劃、課后有反饋的方式，做到教學過程中增加思政元素不突兀。通過在有限元及工程軟件課程引入課程思政內容，豐富課程的案例，與實際結合得更為密切，關注國家戰略需求，有助于培養學生良好的創新精神、團隊協作精神、嚴謹的科研態度，引導學生學術和人生定位；同時可以使課程變得更具有吸引力，調動學生學習的積極性，改善課程的教學效果。通過課程思政，引導學生面向國家重大需求、增強家國情懷、發揮榜樣力量、刻上工大烙印、樹立遠大學術志向并發揚探索精神。

二? 有限元及工程軟件課程思政建設內容及設計

有限元方法自20世紀40年代起到現在已有80年的發展史，已成為工程設計分析和科學研究中物理過程建模的重要計算工具，其伴隨著力學理論、計算機發展和數值計算方法而逐漸發展起來。課程內容與實際工程問題緊密聯系，從而很容易找到計算力學服務于載人航天工程、探月工程、三峽工程、高鐵和港珠澳大橋等國家重大工程的案例，同時也涌現出了一大批優秀的學者和他們催人奮進的事跡，這些都可以拓展為有限元及工程軟件課程的思政元素，從而在講授專業知識的同時獲得學生的情感認同，激發他們的學習興趣和學習主動性，進而可以提高課程的教學效果。

結合有限元及工程軟件的課程內容，挖掘相應的思政元素及支撐點，從而實現課程思政目標，見表1。

本文結合有限元及工程軟件課程內容挖掘思政元素，圍繞課程思政目標進行相應的教學方案設計，以實現思想政治教育與課程教學的有機融合。

（一）? 面向國家需求，關心國家發展

通過介紹有限元方法在國家重大工程如載人航天、航空、潛艇及橋梁建筑等行業中發揮的重要作用，并結合典型的人物事跡，激發學生著眼于國家的重大需求，關心國家發展，使自己努力的方向與國家的發展相一致。近年來，發達國家打壓我國科技領域，出現了“華為中興事件”，對一些硬件進行了封鎖，對一些軟件實行了禁用。2020年5月23日凌晨，美國商務部宣布將包含哈爾濱工業大學在內的33家中國公司及機構列入“實體清單”，并且Matlab軟件對哈爾濱工業大學實施了禁用。國家要發展，國民需自強。在有限元CAE軟件方面，需要認識到國內發展的不足，在學習商用軟件的同時，也引導學生不要過分依賴商用軟件，讓學生認識到科技核心技術對國家和民族的重要性，學習當前有限元商業軟件的優點，同時也需具有創新思維發展國有的商業有限元軟件，從而激發學生對編程的興趣和熱愛。在計算力學發展方面，錢學森[3]指出，“今日的力學要充分利用計算機和現代計算技術去回答一切宏觀的實際科學技術問題，計算方法非常重要；另一個輔助手段是巧妙設計的實驗”，對計算力學給出了很高的定位。而錢學森先生以國家的需要作為自己工作的選擇，義無反顧地把畢生的精力貢獻給了中國航天事業，錢學森晚年曾經跟他的秘書說：“我實際上比較擅長做學術理論研究，工程上的事不是很懂，但是國家需要我干，我當時也是天不怕地不怕，沒有想那么多就答應了。[4]”激勵學生們也將熾熱的愛國情懷融入學習和工作中，將個人的興趣愛好與祖國的迫切需要緊密結合。

（二）? 增強家國情懷，發揚航天精神

國家航天事業從無到有，是一代代航天人隱姓埋名、艱苦奮斗、持續努力的過程，已經積淀了深厚博大的航天精神：“兩彈一星”精神、探月精神、新時代北斗精神、載人航天精神和航天測控精神等。力學是作為航天結構、動力和控制三大支撐技術的理論分析和設計的基礎，在航天發展過程中起到了重大作用。有限元法橫貫力學的各個分支，不斷擴大各個領域中力學的研究和應用范圍，因此將航天領域的力學問題與課程內容相結合，發揚航天精神，進而增強學生的家國情懷，激發學生從事國家航天事業的熱情。同時一大批哈爾濱工業大學的杰出校友，如“兩彈元勛”孫家棟院士，繞月探測工程總指揮欒恩杰院士，載人航天飛船系統總指揮尚志等在航天系統擔任總師、總指揮，或成為各系統、各崗位的中堅和骨干，將深深的航天情結引入到課堂上，激勵優秀畢業生選擇到國防、航天系統工作。結合課程內容通過典型的案例詮釋力學計算在航天領域的重大作用，如提出廣義變分原理的胡海昌先生，提出的“胡-鷲津原理”為有限元中雜交元和混合元法的基礎，1966年胡海昌先生到中國空間技術研究院空間飛行器總體設計部工作，負責我國第一顆人造衛星“東方紅一號”的總體設計，通過力學計算從方案上解決了衛星天線結構設計難題[5]。在課堂上通過引入這樣催人奮進的人物事跡，發揚航天精神，進而增強學生的家國情懷。

（三）? 學習先進人物事跡，發揮榜樣力量

在有限元法的發展過程中，很多中國學者做出了突出了貢獻，并且為我國計算領域培養了大量的杰出人才，如董鐵寶、胡海昌、錢偉長、錢令希、馮康、石鐘慈、張佑啟、龍馭球和石根華等，他們的事跡可激勵著新一代學者在工程計算領域發奮圖強。20世紀60年代初，中國科學院的馮康在對劉家峽大壩設計進行工程計算時獨立地提出了一種基于變分原理的離散化數值方法，用于求解橢圓偏微分方程。1965年馮康發表了論文《基于變分原理的差分格式》，這篇論文是國際學術界承認我國獨立發展有限元方法的主要依據，也是有限元方法的第一個收斂性研究[6]。另外馮康又創建了哈密爾頓系統的辛幾何算法。他工作起來廢寢忘食、一心撲在科學研究上，可激勵青年學者在科研的道路上努力攀登。董鐵寶是中國最早使用電子計算機的研究人員，是中國研究計算力學的先驅，從師Newmark教授，強烈的愛國心使董鐵寶同志毅然放棄已有的良好工作條件和優厚的生活待遇于1956年舉家回國，在壓力容器熱應力的計算任務中，當工程師遇到兩個不同性質的區域無法用統一的計算方法時，董鐵寶建議工程師采用一種混合方法，在一個區內用低松弛迭代，而另一個區內用高松弛迭代，有效解決了工程問題[7]。董鐵寶熱愛祖國、熱愛科學、熱愛青年的精神是一筆寶貴的精神財富。通過介紹這些先進人物在工程計算領域的貢獻，倡導學生學習他們的先進事跡，可激勵學生與先進人物一樣奮發圖強。

（四）? 堅守校訓精神，刻上工大烙印

哈爾濱工業大學“規格嚴格，功夫到家”的校訓精神是經過一代代哈工大人的不懈努力、不斷感悟、不斷總結、不斷凝練與升華而成，老一輩“八百壯士”締造并踐行著，也必將鐫刻在新一代每一位哈工大人身上。結合課程中的梁板殼有限元問題，也可發現學校的老一輩學者在板殼問題方面也付出了大量的心血。“八百壯士”的“球王”王仲仁發明了無模脹形技術，應用該技術制備了中國載人航天工程航天地面模擬太空環境和訓練所用的大型真空殼體容器，高質量完成該工程任務后，王先生說：“搞工程和搞科研完全兩碼事。科研是探索，允許失敗，而工程只能一次性成功。[8]”他治學強調創新、做事做到務實，這些高貴品質值得新一代傳承。“八百壯士”王光遠院士是結構力學和工程設計理論專家，在日本侵華動蕩年代背景下樹立了“科學救國”的思想，輾轉求學，在哈工大撰寫了《以變形法求解剛架的簡捷方法》，對建筑物空間整體計算方面抓住主要矛盾打破了傳統的建模方法，并且創建了一系列新的理論，他不急功近利、盲目趕時髦，而關注大發展方向的科研態度值得學子們領會和繼承。

（五）? 關注學術前沿，引導樹立遠大志向

有限元及工程軟件隨著新方法的出現、軟件的發展，以及一些新思想的融合，也出現一些新的學術前沿問題，需努力引領學生去探索新的科學問題或工程問題，樹立遠大志向的同時腳踏實地。數值計算方法都存在誤差，并且存在一定的局限性，同時軟件可能滿足工程需要也不一定采用最優的算法，因此不能成為軟件的奴隸，提倡學生關注學術前沿，勇于尋找新方法，開辟新途徑。龍馭球先生認為：“有限元的精髓是離散化，應首先在變分原理中引入離散化，才能從源頭創新，抓住制高點；同時，要融匯中西方智慧作為方法特色。[9]”石根華先生提倡不做軟件的努力，做計算的主人，認為把解析函數用于局部的離散，再結合有限元的思想解決問題，并且提倡有限覆蓋的流形法把連續和不連續問題相統一。鐘萬勰先生展望計算力學的發展，其中人工智能、專家系統、神經元網絡等技術會成為國際研究熱點[10]。引導學生關注國際前沿，同時引導學生關注國家重大工程建設，樹立遠大志向，把努力的方向與社會價值相融合。

（六）? 強化工程倫理意識，發揚大國工匠精神

有限元方法作為解決工程問題強有力的工具，需要用精益求精的態度去對待相應的分析結果，不能忽視細節及誤差，更不能盲目服從權威，需要強化學生的工程倫理意識，主要從微觀層面強調責任心，并且提升識別、表達和解決復雜的倫理難題的能力，同時發揚探索創新的精神。通過典型災難性的案例，提升學生做事的責任心，如挑戰者號航天飛機事件中，工程師的責任和權利問題，以及由于缺失這種責任所帶來的災難。通過對工程案例的講解，分析力學事故與責任心、職業道德的深層次關系。對于航天工程，差之毫厘謬之千里的工程案例激發學生做事負責的態度。講解動力學問題時，舉例廣州虎門大橋渦振振動、哈爾濱陽明灘大橋引橋側翻、東京灣大橋渦振、俄國伏爾加河大橋蛇形共振問題，從而強化學生工程倫理意識，培養學生精益求精的大國工匠精神。

三? 有限元及工程軟件課程思政的教學實踐

課程思政是提高專業課程教學效果的有效途徑，也是實現立德樹人根本任務的直接渠道。通過在專業課程中融入課程思政，先進人物事跡、國家重大工程和相關領域國際前沿方向可增強課程的深度和廣度，進而使學生增強家國情懷和形成遠大學術志向的價值塑造。課程思政使有限元及工程軟件課程增加活力，可引領學生穿梭在有限元發展史中，讓學生領略前輩的學術貢獻，也學習他們的家國情懷、個人追求及所付出的努力，進而激勵學生不負韶華勇往直前，從而發揮實施課程思政的真正內涵。

（一）? 課程思政元素的挖掘及積累

挖掘和積累課程思政元素是開展課程思政的首要任務，主要的方法有：根據有限元發展史探尋做出重要貢獻的科學家及他們的傳記、人物故事、科研或人生體會、他人評價，發揚他們的高尚品質；根據課程內容所關聯的國家重大工程，挖掘其中的典型案例及人物，體現專業知識的用武之地，突出個人價值塑造與國家重大發展戰略的協同統一的重要性；與時俱進，關心時政新聞，激勵學生面向國家的重大需求；關注有限元及相關方法的最新發展動態，不但提升自身的認知，也可激勵學生關注新的發展方向，吸引有志青年在有限元及計算領域耕耘，激發創新精神和科學探索精神；發揮積累課程思政元素的形式多樣性，文獻、專著、報紙、新聞、短視頻、格言及人物傳記等。

（二）? 課程思政與課程內容融合教學

在課前導入課程思政案例，找到與本節課問題一致的工程案例，做適度延伸。在課堂上，思政內容的引入要因勢利導，使之與力學知識點融合并選擇恰當的方式和語言傳遞給學生。比如在桿的有限元分析時，以港珠澳大橋為例進行講解，通過工程背景和意義的介紹，融入社會主義核心價值觀，引導學生樹立家國情懷，弘揚民族自信，堅定道路自信。介紹動力學問題有限元時，以陽明灘大橋和虎門大橋進行講解，引導學生樹立愛崗敬業、精益求精的精神，增強學生的安全意識、責任意識和法治意識等。思政內容的講解要主次分明，詳略得當。認真凝練思政案例中的核心思政元素，并使其自然地體現在講解過程中，專業知識的講授仍是重點，不是為了思政而思政。合理分配講課時間，做到不僅能使思政要素恰到好處地融入，又能使專業知識理論講透和講全面。

（三）? 引導學生主動學習

有限元及工程軟件課程教學中，不但老師在講授過程中穿插課程思政，還需要提供素材引導學生主動學習，使學生從被動的接收者轉為主動的學習者和參與者。以調動學生學習積極性和參與度為中心，與學生互動了解他們對該課程的期望及關注點，加強學生關注點與課程思政的結合。充分利用多媒體及網絡計算優勢，在課上對思政元素做畫龍點睛的描述，具體的細節內容學生可以課下自主學習，如一些案例視頻等可建議學生在課下提前觀看，課上反饋觀后感。在課后布置課程拓展作業，讓學生收集和所講內容相關的思政案例素材，使課程思政延伸到課下學習中。

四? 結束語

課程思政是高校課程改革的首要任務，是全面提高高校人才培養質量的重要途徑。對于有限元及工程軟件的課程思政建設與實踐，圍繞課程思政的建設目標，挖掘課程思政元素，合理對課堂思政進行教學設計，探尋有效的教學方法，使思政元素與專業內容融合一體，增強課堂教學效果，努力做到知識傳授、能力培養和價值引領相統一，實現立德樹人優先，突出德育教育的引領性和重要性作用。

參考文獻：

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