有限元及工程软件课程思政探索及实践

方国东 王兵 荆宇航 洪毅 刘伟

摘  要：有限元及工程软件是力学及相关专业重要的研究生专业核心课之一，已成为工程设计分析和科学研究中物理过程建模的重要计算工具。在课堂教学过程中加强课程思政，是高校提高人才培养质量的有效途径，对培养具有很强专业素质的”四有“新人具有重要意义。为加强有限元及工程软件的课程思政教学，根据课程内容及特点分析课程思政的必要性，确定课程思政目标，给出課程思政内容的教学设计，使课程内容与课程思政元素有机融合，同时探讨课程思政的教学实践方案，可为专业课程的课程思政教学提供借鉴。

关键词：有限元及工程软件；课程思政；教学改革；力学；研究生

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

以德为本，德才兼备。大教育家孔子说：“德才兼备者谓之圣人也；无才无德庸人也；德大于才谓之能人也，才大于德小人也。”司马光也曾说：“才者，德之资也；德者，才之帅也。”在《论语·述而》中，子曰：“志于道，据于德，依于仁，游于艺。”我国自古以来就意识到了德育教育的引领性和重要性。全面贯彻党的教育方针，坚持立德树人优先，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上对思想政治工作提出了要求：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。[1]”为了发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量，将思想政治教育贯穿人才培养体系，全面加强课程思政建设，教育部于2020年5月28日印发实施《高等学校课程思政建设指导纲要》[2]。课程思政的建设已成为提高高校人才培养质量有效途径，是解决培养什么人、怎样培养人、为谁培养人这个教育根本问题的重要抓手。

有限元及工程软件课程是哈尔滨工业大学力学专业研究生核心课，在力学及相关专业课体系中为应用课程，课程内容对提高力学及相关专业人员的科学素养，以及提升从业人员解决工程实际问题的能力、工程技术基础具有重要作用。为了提升该课程与思想政治理论的协同效应，做到以德为本的引领作用，充分挖掘有限元及工程软件课程内容中的思政元素，并且将这些元素进行精选和提炼，融入到课程的教学实践过程中，从而实现价值塑造、专业知识传授和能力培养的有机融合。从而，在提升学生有限元基本理论、建模及应用等理论知识的同时，加强学生的情感认同，引导学生形成正确的价值取向，激发学生的学习动力，并且增强课程的教学效果，对培养具有很强专业素质的“四有”新人做出教学上的探索和实践。

一  有限元及工程软件课程思政的必要性及目标

有限元及工程软件课程是随着计算机发展和计算方法的完善逐渐发展起来的力学专业应用型研究生核心课。面对国产有限元软件的发展现状，以及国际贸易保护主义抬头的大背景下，该课程教学被赋予了多重的责任，课程思政教学也显得尤为必要。并且该课程覆盖所有力学基础理论，同时力学发展史中存在很多典型事例，因此该课程蕴含着丰富的课程思政元素。从而在讲解主要知识点的过程中，增加适量的课程思政元素，达到以下三个方面的课程思政教育目标。

（一）  面向国家需求，增强家国情怀

引导学生面对国家重大需求，学以致用，增强学习动力，使学生关心国家发展；培养爱国精神，发扬奉献和担当精神、航天精神，增强家国情怀，塑造个人追求与国家发展协同。

（二）  发挥榜样力量，刻上工大烙印

在知识点中不乏突出人物，发扬他们的闪光点，引导学生向先进人物事例学习，发挥榜样的力量；引导学生坚守哈工大“规格严格，功夫到家”的校训精神、“八百壮士”精神、工匠精神，发扬一丝不苟的工作作风，使每位学生刻上工大烙印。

（三）  引导学术志向，发扬探索精神

引导学生关注前沿问题，提升学生对科学知识学习和拓展的热情，通过“学”和“用”结合引导学生树立个人的学术志向；强化工程理论教育，引导学生对科学真理的追求和探索，激发学生的创新精神和科学探索精神。

在有限元及工程软件课程思政具体实施过程中，首先梳理课程思政元素，与课程内容相结合，探索课前有计划、课后有反馈的方式，做到教学过程中增加思政元素不突兀。通过在有限元及工程软件课程引入课程思政内容，丰富课程的案例，与实际结合得更为密切，关注国家战略需求，有助于培养学生良好的创新精神、团队协作精神、严谨的科研态度，引导学生学术和人生定位；同时可以使课程变得更具有吸引力，调动学生学习的积极性，改善课程的教学效果。通过课程思政，引导学生面向国家重大需求、增强家国情怀、发挥榜样力量、刻上工大烙印、树立远大学术志向并发扬探索精神。

二  有限元及工程软件课程思政建设内容及设计

有限元方法自20世纪40年代起到现在已有80年的发展史，已成为工程设计分析和科学研究中物理过程建模的重要计算工具，其伴随着力学理论、计算机发展和数值计算方法而逐渐发展起来。课程内容与实际工程问题紧密联系，从而很容易找到计算力学服务于载人航天工程、探月工程、三峡工程、高铁和港珠澳大桥等国家重大工程的案例，同时也涌现出了一大批优秀的学者和他们催人奋进的事迹，这些都可以拓展为有限元及工程软件课程的思政元素，从而在讲授专业知识的同时获得学生的情感认同，激发他们的学习兴趣和学习主动性，进而可以提高课程的教学效果。

结合有限元及工程软件的课程内容，挖掘相应的思政元素及支撑点，从而实现课程思政目标，见表1。

本文结合有限元及工程软件课程内容挖掘思政元素，围绕课程思政目标进行相应的教学方案设计，以实现思想政治教育与课程教学的有机融合。

（一）  面向国家需求，关心国家发展

通过介绍有限元方法在国家重大工程如载人航天、航空、潜艇及桥梁建筑等行业中发挥的重要作用，并结合典型的人物事迹，激发学生着眼于国家的重大需求，关心国家发展，使自己努力的方向与国家的发展相一致。近年来，发达国家打压我国科技领域，出现了“华为中兴事件”，对一些硬件进行了封锁，对一些软件实行了禁用。2020年5月23日凌晨，美国商务部宣布将包含哈尔滨工业大学在内的33家中国公司及机构列入“实体清单”，并且Matlab软件对哈尔滨工业大学实施了禁用。国家要发展，国民需自强。在有限元CAE软件方面，需要认识到国内发展的不足，在学习商用软件的同时，也引导学生不要过分依赖商用软件，让学生认识到科技核心技术对国家和民族的重要性，学习当前有限元商业软件的优点，同时也需具有创新思维发展国有的商业有限元软件，从而激发学生对编程的兴趣和热爱。在计算力学发展方面，钱学森[3]指出，“今日的力学要充分利用计算机和现代计算技术去回答一切宏观的实际科学技术问题，计算方法非常重要；另一个辅助手段是巧妙设计的实验”，对计算力学给出了很高的定位。而钱学森先生以國家的需要作为自己工作的选择，义无反顾地把毕生的精力贡献给了中国航天事业，钱学森晚年曾经跟他的秘书说：“我实际上比较擅长做学术理论研究，工程上的事不是很懂，但是国家需要我干，我当时也是天不怕地不怕，没有想那么多就答应了。[4]”激励学生们也将炽热的爱国情怀融入学习和工作中，将个人的兴趣爱好与祖国的迫切需要紧密结合。

（二）  增强家国情怀，发扬航天精神

国家航天事业从无到有，是一代代航天人隐姓埋名、艰苦奋斗、持续努力的过程，已经积淀了深厚博大的航天精神：“两弹一星”精神、探月精神、新时代北斗精神、载人航天精神和航天测控精神等。力学是作为航天结构、动力和控制三大支撑技术的理论分析和设计的基础，在航天发展过程中起到了重大作用。有限元法横贯力学的各个分支，不断扩大各个领域中力学的研究和应用范围，因此将航天领域的力学问题与课程内容相结合，发扬航天精神，进而增强学生的家国情怀，激发学生从事国家航天事业的热情。同时一大批哈尔滨工业大学的杰出校友，如“两弹元勋”孙家栋院士，绕月探测工程总指挥栾恩杰院士，载人航天飞船系统总指挥尚志等在航天系统担任总师、总指挥，或成为各系统、各岗位的中坚和骨干，将深深的航天情结引入到课堂上，激励优秀毕业生选择到国防、航天系统工作。结合课程内容通过典型的案例诠释力学计算在航天领域的重大作用，如提出广义变分原理的胡海昌先生，提出的“胡-鹫津原理”为有限元中杂交元和混合元法的基础，1966年胡海昌先生到中国空间技术研究院空间飞行器总体设计部工作，负责我国第一颗人造卫星“东方红一号”的总体设计，通过力学计算从方案上解决了卫星天线结构设计难题[5]。在课堂上通过引入这样催人奋进的人物事迹，发扬航天精神，进而增强学生的家国情怀。

（三）  学习先进人物事迹，发挥榜样力量

在有限元法的发展过程中，很多中国学者做出了突出了贡献，并且为我国计算领域培养了大量的杰出人才，如董铁宝、胡海昌、钱伟长、钱令希、冯康、石钟慈、张佑启、龙驭球和石根华等，他们的事迹可激励着新一代学者在工程计算领域发奋图强。20世纪60年代初，中国科学院的冯康在对刘家峡大坝设计进行工程计算时独立地提出了一种基于变分原理的离散化数值方法，用于求解椭圆偏微分方程。1965年冯康发表了论文《基于变分原理的差分格式》，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据，也是有限元方法的第一个收敛性研究[6]。另外冯康又创建了哈密尔顿系统的辛几何算法。他工作起来废寝忘食、一心扑在科学研究上，可激励青年学者在科研的道路上努力攀登。董铁宝是中国最早使用电子计算机的研究人员，是中国研究计算力学的先驱，从师Newmark教授，强烈的爱国心使董铁宝同志毅然放弃已有的良好工作条件和优厚的生活待遇于1956年举家回国，在压力容器热应力的计算任务中，当工程师遇到两个不同性质的区域无法用统一的计算方法时，董铁宝建议工程师采用一种混合方法，在一个区内用低松弛迭代，而另一个区内用高松弛迭代，有效解决了工程问题[7]。董铁宝热爱祖国、热爱科学、热爱青年的精神是一笔宝贵的精神财富。通过介绍这些先进人物在工程计算领域的贡献，倡导学生学习他们的先进事迹，可激励学生与先进人物一样奋发图强。

（四）  坚守校训精神，刻上工大烙印

哈尔滨工业大学“规格严格，功夫到家”的校训精神是经过一代代哈工大人的不懈努力、不断感悟、不断总结、不断凝练与升华而成，老一辈“八百壮士”缔造并践行着，也必将镌刻在新一代每一位哈工大人身上。结合课程中的梁板壳有限元问题，也可发现学校的老一辈学者在板壳问题方面也付出了大量的心血。“八百壮士”的“球王”王仲仁发明了无模胀形技术，应用该技术制备了中国载人航天工程航天地面模拟太空环境和训练所用的大型真空壳体容器，高质量完成该工程任务后，王先生说：“搞工程和搞科研完全两码事。科研是探索，允许失败，而工程只能一次性成功。[8]”他治学强调创新、做事做到务实，这些高贵品质值得新一代传承。“八百壮士”王光远院士是结构力学和工程设计理论专家，在日本侵华动荡年代背景下树立了“科学救国”的思想，辗转求学，在哈工大撰写了《以变形法求解刚架的简捷方法》，对建筑物空间整体计算方面抓住主要矛盾打破了传统的建模方法，并且创建了一系列新的理论，他不急功近利、盲目赶时髦，而关注大发展方向的科研态度值得学子们领会和继承。

（五）  关注学术前沿，引导树立远大志向

有限元及工程软件随着新方法的出现、软件的发展，以及一些新思想的融合，也出现一些新的学术前沿问题，需努力引领学生去探索新的科学问题或工程问题，树立远大志向的同时脚踏实地。数值计算方法都存在误差，并且存在一定的局限性，同时软件可能满足工程需要也不一定采用最优的算法，因此不能成为软件的奴隶，提倡学生关注学术前沿，勇于寻找新方法，开辟新途径。龙驭球先生认为：“有限元的精髓是离散化，应首先在变分原理中引入离散化，才能从源头创新，抓住制高点；同时，要融汇中西方智慧作为方法特色。[9]”石根华先生提倡不做软件的努力，做计算的主人，认为把解析函数用于局部的离散，再结合有限元的思想解决问题，并且提倡有限覆盖的流形法把连续和不连续问题相统一。钟万勰先生展望计算力学的发展，其中人工智能、专家系统、神经元网络等技术会成为国际研究热点[10]。引导学生关注国际前沿，同时引导学生关注国家重大工程建设，树立远大志向，把努力的方向与社会价值相融合。

（六）  强化工程伦理意识，发扬大国工匠精神

有限元方法作为解决工程问题强有力的工具，需要用精益求精的态度去对待相应的分析结果，不能忽视细节及误差，更不能盲目服从权威，需要强化学生的工程伦理意识，主要从微观层面强调责任心，并且提升识别、表达和解决复杂的伦理难题的能力，同时发扬探索创新的精神。通过典型灾难性的案例，提升学生做事的责任心，如挑战者号航天飞机事件中，工程师的责任和权利问题，以及由于缺失这种责任所带来的灾难。通过对工程案例的讲解，分析力学事故與责任心、职业道德的深层次关系。对于航天工程，差之毫厘谬之千里的工程案例激发学生做事负责的态度。讲解动力学问题时，举例广州虎门大桥涡振振动、哈尔滨阳明滩大桥引桥侧翻、东京湾大桥涡振、俄国伏尔加河大桥蛇形共振问题，从而强化学生工程伦理意识，培养学生精益求精的大国工匠精神。

三  有限元及工程软件课程思政的教学实践

课程思政是提高专业课程教学效果的有效途径，也是实现立德树人根本任务的直接渠道。通过在专业课程中融入课程思政，先进人物事迹、国家重大工程和相关领域国际前沿方向可增强课程的深度和广度，进而使学生增强家国情怀和形成远大学术志向的价值塑造。课程思政使有限元及工程软件课程增加活力，可引领学生穿梭在有限元发展史中，让学生领略前辈的学术贡献，也学习他们的家国情怀、个人追求及所付出的努力，进而激励学生不负韶华勇往直前，从而发挥实施课程思政的真正内涵。

（一）  课程思政元素的挖掘及积累

挖掘和积累课程思政元素是开展课程思政的首要任务，主要的方法有：根据有限元发展史探寻做出重要贡献的科学家及他们的传记、人物故事、科研或人生体会、他人评价，发扬他们的高尚品质；根据课程内容所关联的国家重大工程，挖掘其中的典型案例及人物，体现专业知识的用武之地，突出个人价值塑造与国家重大发展战略的协同统一的重要性；与时俱进，关心时政新闻，激励学生面向国家的重大需求；关注有限元及相关方法的最新发展动态，不但提升自身的认知，也可激励学生关注新的发展方向，吸引有志青年在有限元及计算领域耕耘，激发创新精神和科学探索精神；发挥积累课程思政元素的形式多样性，文献、专著、报纸、新闻、短视频、格言及人物传记等。

（二）  课程思政与课程内容融合教学

在课前导入课程思政案例，找到与本节课问题一致的工程案例，做适度延伸。在课堂上，思政内容的引入要因势利导，使之与力学知识点融合并选择恰当的方式和语言传递给学生。比如在杆的有限元分析时，以港珠澳大桥为例进行讲解，通过工程背景和意义的介绍，融入社会主义核心价值观，引导学生树立家国情怀，弘扬民族自信，坚定道路自信。介绍动力学问题有限元时，以阳明滩大桥和虎门大桥进行讲解，引导学生树立爱岗敬业、精益求精的精神，增强学生的安全意识、责任意识和法治意识等。思政内容的讲解要主次分明，详略得当。认真凝练思政案例中的核心思政元素，并使其自然地体现在讲解过程中，专业知识的讲授仍是重点，不是为了思政而思政。合理分配讲课时间，做到不仅能使思政要素恰到好处地融入，又能使专业知识理论讲透和讲全面。

（三）  引导学生主动学习

有限元及工程软件课程教学中，不但老师在讲授过程中穿插课程思政，还需要提供素材引导学生主动学习，使学生从被动的接收者转为主动的学习者和参与者。以调动学生学习积极性和参与度为中心，与学生互动了解他们对该课程的期望及关注点，加强学生关注点与课程思政的结合。充分利用多媒體及网络计算优势，在课上对思政元素做画龙点睛的描述，具体的细节内容学生可以课下自主学习，如一些案例视频等可建议学生在课下提前观看，课上反馈观后感。在课后布置课程拓展作业，让学生收集和所讲内容相关的思政案例素材，使课程思政延伸到课下学习中。

四  结束语

课程思政是高校课程改革的首要任务，是全面提高高校人才培养质量的重要途径。对于有限元及工程软件的课程思政建设与实践，围绕课程思政的建设目标，挖掘课程思政元素，合理对课堂思政进行教学设计，探寻有效的教学方法，使思政元素与专业内容融合一体，增强课堂教学效果，努力做到知识传授、能力培养和价值引领相统一，实现立德树人优先，突出德育教育的引领性和重要性作用。

参考文献：

[1] 习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-09（1）.

[2] 教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].（2020-06-05）.http：//www.jyb.cn/rmtzcg/xwy/wzxw/202006/t20200605_334181.html．

[3] 钱学森.我对今日力学的认识[J].上海力学，1995（4）：267.

[4] 钱永刚.钱学森的人生选择[N].光明日报，2019-06-20（16）.

[5] 幻棠.胡海昌：航天力学大家[J].太空探索，2022（6）：72-73.

[6] 朱亚宗.冯康精神——一种值得尊崇的科学家精神[J].高等教育研究学报，2021，44（2）：51-58.

[7] 王涛.董铁宝对中国计算数学的贡献[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2019，48（6）：499-503.

[8] 哈尔滨工业大学党委宣传部/教师工作部.初心的力量：哈工大“八百壮士”事迹选编[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2019-09.

[9] 袁驷，雷钟和.龙驭球传[M].北京：清华大学出版社，2019-06.

[10] 钟万勰，程耿东.跨世纪的中国计算力学[J].力学与实践，1999（1）：11-16.