基于“課程思政”的“有限元法”課程教學改革與實踐

李明昊，隋 哲，田 楊，羅 冰

（沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

關健詞：機械；課程思政；有限元法；教學改革

0 引言

習近平總書記曾在全國高校思想政治工作會議中指出：“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。”這就意味著要將“課程思政”融入到高等教育的教學過程中。在此背景下，利用課堂教學的關鍵渠道，在專業課教學的同時，貫穿課程思政教育，把立德樹人作為課堂的中心環節。

1 課程特點與要求

“有限元法”是機械設計制造及自動化專業的一門重要的專業課，有限單元法是在當今技術科學發展和工程分析中獲得最廣泛應用的數值方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視，伴隨著計算機科學和技術的快速發展，現已成為計算機輔助工程和數值仿真的重要組成部分。本課程為學生講述有限元法基本原理、基本方法及有限元法在各領域的應用，通過本課的學習，使學生掌握有限元基本理論和方法，同時通過工程實例的分析，培養學生分析和解決工程問題的能力。

通過本課程的學習，學生要對本課的基本內容有系統的理解，掌握其基本概念、理論和方法，運用這些理論解決工程實際問題，并達到如下要求：

課程目標1：掌握有限元法的基本概念、理論及發展趨勢，包括彈性力學基礎知識、彈性力學中的典型問題、平面問題有限元法；

課程目標2：具備對簡單機械工程問題有限元模型建模、求解與分析的能力；

課程目標3：能夠應用有限元軟件對簡單機械結構和零部件進行求解、分析和評價；

課程目標4：養成綜合分析、多方面考慮問題的習慣，提高對簡單機械工程問題的分析、判斷和決策的能力，具有良好的科學態度。

有限元法課程具有非常鮮明的工程應用背景，其理論背景為彈性力學，其課程要求既有一般抽象的有限元理論和方法，又要與工程實際相結合，解決具體問題。有限元法課程有如下特點：

（1）概念較多且抽象，涉及基礎學科眾多。

（2）求解方法自成體系，步驟較多。

（3）計算工作量大，手工計算復雜。

基于以上課程特點，課程安排在第六學期學習，并且在教學大綱中制定了復習基礎知識的環節：包括但不限于高等數學、線性代數、理論力學、材料力學和機械工程材料等學科的知識，幫助學生鞏固復習基礎知識。

2 有限元法課程育德目標

本課程思政擬通過課程的建設與規劃，以馬克思列寧主義、毛澤東思想、鄧小平理論、“三個代表”重要思想、科學發展觀和習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，著重從“自強不息”和“堅定不移的走自主創新的道路”思政要點出發與課程講授的知識點結合，挖掘“有限元法”課程中潛在的思想政治教育元素和思想政治教育功能，以“有限元法”知識點為載體，融入教學各環節。通過課程的教學改革與實踐，豐富課程內涵，優化教學設計，培養學生自主創新的使命感和從事科研的基本素質與能力，使其認識到現代機械設計方法對我國中國制造2025的重要意義，依托機械設計制造及其自動化專業激發學生為中國制造2025以及中華民族偉大復興而努力學習的責任感[2]。作為教師在課堂上不僅傳授知識，更需要抓住育人的重要機會，實現教書育人的有機結合，在傳道授業解惑中要授人以大道、啟人以大智，達到全方位育人的目的[3]。

3 “課程思政”映射與融入點

“有限元法”課程的改革思以立德樹人為宗旨，做到知行合一，言傳身教，細心規范相統一。在每個教學環節都充分體現課程的思政功能，結合課程內容，潛移默化地對學生進行思想教育。“有限元法”課程經過教學改革，使得考核方式更加多樣，以滿足教學需要為前提，以理論和實踐相結合為原則，以應用能力培養為核心，教師團隊制定了ANSYS軟件分析案例、課后作業、課堂測試、課堂提問、出勤考核和論文答辯等形式組成的考核方案，考核方式的多樣化為授課過程中思想政治元素與“有限元法”專業知識無縫對接和有機互融提供了基礎。圍繞“課程思政”融入點，在教學實踐中探索，開啟翻轉課堂，探索以學生為中心的教學模式，充分發揮學生學習知識的主動性，激發學生的學習興趣和社會責任感。課程思政映射與融入點見表1。

表1 “有限元法”課程思政映射與融入點

4 課程思政教學案例設計及教學效果

本課程以“有限元法”知識點為載體，以專題的形式分別講述彈性力學基礎知識、平面三角形和等參單元、軸對稱單元及平面等參數單元的內容，同時關注機械領域和交叉學科中有限元軟件ANSYS WORKBENCH解決實際工程問題的實踐[4]。在授課過程中深入挖掘思想政治元素，設計四個教學案例，與“有限元法”專業知識進行有機融合。

4.1 教學案例1

緒論的學習過程中詳細講解“有限元法”的發展歷程，在此以圖片和視頻形式播放收集的資料，新中國成立之初，百廢待興，我國排除萬難支持科學研究事業，結合目前西方國家對我國計算機軟件和硬件的制約背景，提出“自強不息”和“堅定不移地走自主創新的道路”的思想理念。綜合利用圖片、視頻等形象具體資料和課堂提問討論的形式，使學生懂得一定要理論與實踐相結合，在計算機軟件和硬件領域，做到“兩手都要抓，兩手都要硬”，堅定不移的走自主創新的道路，在關鍵技術上擺脫西方國家的束縛。

通過工程案例講述在不利用彈性力學的情況下解決非對稱薄板力學問題的復雜性，且計算結果缺乏精確性，引入本門課程的知識點-彈性力學，進而詳細講述彈性力學的發展史。講述彈性力學的求解方法的演變與改進，進而提出“有限元法”的概念，介紹“有限元法”在工程領域的應用，進而介紹“有限元法”在機械專業領域的應用與發展，隨著上世紀80年代計算機的飛速發展，介紹有限元軟件ANSYS的發展史和各類模塊基本功能，并介紹有限元軟件的應用與未來發展方向。新中國成立之初，我國排除萬難支持科學研究事業，結合目前西方國家對我國計算機軟件和硬件的制約背景，提出“自強不息”和“堅定不移的走自主創新的道路”的思想理念。

采用問卷形式統計學生對“自強不息”和“堅定不移的走自主創新的道路”的思想理念的認識情況。

4.2 教學案例2

在學習了彈性力學平面問題典型問題-平面應力和應變問題的基礎上，與學生進行互動如何求解以上2個問題，進而引出本節課學習內容-平面平衡微分方程、平面幾何方程和平面物理方程。

利用彈性力學典型案例-平面薄板問題，以板書、多媒體和課件PPT相結合的方式推導平面平衡微分方程、平面幾何方程和平面物理方程。彈性力學三大方程式求解的重要方程，但是對于復雜問題，我國著名科學家馮康發明了基于變分原理的差分方法，在核武器內爆分析與計算、核武器中子遷移方程計算、航天運輸工具的高速空氣動力學計算、飛機翼氣動力顫振性計算等軍工和航天領域均取得豐碩的研究成果[5]，我國“有限元法”在國際上一度處于領先地位，增強學生學習的文化自信和愛國情懷。

課前收集資料與企業現場調研，課上對案例進行研討。使學生懂得在學好理論的同時，一定注重結合專業背景解決實際問題，激發學生的學習信心和奮發圖強的精神，循序漸進，這樣逐步積累我國獨立的技術，打破西方的技術壁壘。

4.3 教學案例3

機械三維問題“有限元法”求解，講述“有限元法”在我國國家重大工程項目中應用的案例，使學生明白新技術相對于傳統方法的優越性。對課程學習的有限元法內容進行總結，提出有限元法求解方法，通過懸臂梁的案例利用理論計算和ANSYS WORKBENCH軟件操作相結合的方法講解有限元法求解問題的過程，包括：有限元模型的建立、計算整體剛度矩陣并組裝、計算模型整體載荷列陣、修正整體剛度矩陣、求解整理應力和應變結果。

啟發提問：與學生進行互動溝通，在有限元軟件ANSYS的操作上進行提問，使其掌握ANSYS軟件的操作流程，提前制作ANSYS錯誤操作案例，提問學生進行改正，使其掌握處理錯誤操作案例的能力。

使學生明白新技術相對于傳統方法的優越性，通過每人一題的課后軟件操作案例分析作業使學生擁有獲得知識的喜悅感，并增強自信心。

4.4 教學案例4

復習彈性力學的基本理論，對“有限元法”課程進行總結，以簡單的機械零件-軸承座為案例，提問學生利用有限元法進行應力分析的過程。復習彈性力學的基本理論，彈性力學的典型問題，彈性力學的基本方程，平面問題有限元法的整體剛度矩陣計算與組裝，平面等參元的計算，總結三維復雜機械問題的有限元法求解方法，利用專題案例探討的形式，以簡單的機械零件-傳動齒輪為案例，利用理論計算和ANSYS WORKBENCH軟件相結合的方式求解，使學生了解有限元法在專業領域的重要性[6]。通過我國和西方國家有限元法研究現狀的對比，使學生了解今后努力的目標，激發學生的社會責任感。作業布置：學生每人提交一份體現“課程思政”的“有限元法”課程的思想體會作業一篇。

4.5 預期效果

在課程傳授知識的同時，使學生懂得，我們一定要理論與實踐相結合，注重結合專業背景解決實際問題，在計算機軟件和硬件領域，“自強不息”和“堅定不移的走自主創新道路”，激發學生的學習信心和奮發圖強的精神，循序漸進，這樣逐步積累我國獨立的技術，打破西方的技術壁壘。通過我國國家重大工程項目的有限元法案例和課后軟件操作案例分析使學生擁有獲得知識的喜悅感，并增強自信心。完成體現課程思政的教學研究論文、教學大綱、教案、課件、微課視頻和教學建設報告等內容。

5 總結

對于“有限元法”課程思政改革進行了探索與實踐，取得了一定的教學效果，“有限元法”是一門工科屬性比較強的專業課，同時其思政功能同樣重要，“有限元法”課程開展課程思政教育，教師在教學過程中不僅需要完成專業培養目標，還需要推動“課程思政”內容的進一步發展，將“課程思政”和“有限元法”課程有機的融合。通過案例教學，提出“自強不息”和“堅定不移的走自主創新的道路”的思想理念，增強學生學習的自信心，激發學生的愛國情懷和社會責任感。

科技是第一生產力，當代高校學生肩負著民族復興的重任。因此，在高校專業課的教學過程中融入“課程思政”是必要的，教師需要不斷挖掘專業課程的思政元素，持續的改進教學方法，實現教書育人的有機結合，在傳道授業解惑中要授人以大道、啟人以大智，達到全方位育人的目的。