思政教育融入有限元課程的教學創新與實踐

摘 要：有限元課程是土木工程類專業技術基礎課程，在工程設計優化和建設安全分析方面發揮著重要作用。以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，發揮專業課思政育人特長，深入分析課程內容和培養目標，設計有限元思政體系和建設方向，重點挖掘每章節所蘊含的思政素材，并在有限元課程教學實踐中創新融入思政元素，潛移默化將其貫穿到教育教學的全過程，實現價值引領，以中國古今科學家們對有限元法發展的貢獻作為案例鼓舞學生愛國奉獻、文化自信等。創新鏈條式教學模式、理實結合教學方法、編著專業思政教材，通過有限元專業知識傳授與價值引領的有機融合，形成工程建設科學工具與思政教育立德樹人的協同效應，為培養符合新時代要求、全面發展、具有綜合素養的高水平人才夯實基礎。

關鍵詞：有限元；課程思政；教學改革；協同育人；價值引領

中圖分類號：G641 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）28-00８３-0５

Abstract： The Finite Element Course is a fundamental technical course for the civil engineering specialty， which plays an important role in engineering design optimization and construction safety analysis. Guided by Xi Jinping Thought on Socialism with Chinese Characteristics for a New Era， by giving full play to the specialty of ideological and political education of specialized courses， after in-depth analysis of course content and training objectives， the paper designs the finite element ideological and political system and construction direction， focuses on digging out the ideological and political materials contained in each chapter， and innovatively integrates ideological and political elements into the teaching practice of finite element courses， imperceptibly makes them run through the whole process of education and teaching， realizing value guidance. Taking the contribution of ancient and modern Chinese scientists to the development of the finite element method as a case to encourage students with patriotic dedication， cultural confidence， and so on， we have innovated the chain teaching mode， the teaching method of combining science and reality， and compile professional thinking and poAMLojs7ywdYZmy3+BkCCP/0kGsgJABDs0J6FZBDLF4Y=litical teaching materials. Through the organic integration of finite element professional knowledge imparting and value guidance， we have formed a synergistic effect between scientific tools of engineering construction and ideological and political education to cultivate moral and human beings， laying a solid foundation for cultivating high-level talents with all-round development and comprehensive literacy that meet the requirements of the new era.

Keywords： Finite Element; Ideological and political education in courses; pedagogical reform; cooperative education; value leadership

高校是課程思政研究的主要陣地。新時代高校課堂需要融入課程思政元素，在專業核心課程中配合特色課堂思政，可引導當代學生樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀和文化觀，在專業人才培養中意義重大。2020年5月，國家教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》[1]，提出專業教育課程要深入研究育人目標，深度挖掘提煉知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，科學合理拓展專業課程的廣度、深度和溫度。

隨著計算機算力的提高，以計算機為工具，將研究對象轉化為相似的數學模型進行仿真計算成為工業制造領域、高校科研人員的常用方法。有限單元法是應用最廣泛的數值模擬手段，已成為機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化和能源等領域工程技術人員必須掌握的一門重要應用技術，也是理工科研究生必修課程之一，對培養高素質應用型人才具有重要的支撐作用[2-6]。

有限元課程涉及大量理論公式，具有專業理論性強、內容抽象難懂的特點。如何將思政教育貫穿于教學全過程是有限元課程思政的關鍵所在[7]。在有限元課程思政實現路徑方面，余春錦等[8]以飛行器設計與工程專業的有限元基礎與應用為例，對教學過程中的思政元素進行了挖掘；李明昊等[9]針對機械設計制造及自動化專業，重新進行了課程思政教學案例設計；周騰等[10]在有限元分析課程中將網絡劃分知識點與思政元素實現了多“耦合”。

課程思政建設要緊扣時代脈搏，以親切可感的思政素材提升教學內容的吸引力。黨的二十大報告對堅持不懈用習近平新時代中國特色社會主義思想凝心鑄魂作出重要部署；黨的十九大把習近平新時代中國特色社會主義思想確立為中國共產黨必須長期堅持的指導思想并寫入《中國共產黨章程》；第十三屆全國人大一次會議把這一思想寫入《中華人民共和國憲法》，實現了黨和國家指導思想的與時俱進。積極推進習近平新時代中國特色社會主義思想融入有限元課程意義重大[11]。

一 有限元課程思政體系設計

為實現價值塑造、知識傳授和能力培養的有機融合，明確了有限元課程思政教學培養目標、思政建設方向和關鍵問題，如圖1所示。

（一） 總體目標

結合習近平新時代中國特色社會主義思想，發揮非思政專業育人效果，充分融入思政“元素”，形成專業課程與思政教育的協同效應，實現為國家培育高水平專業技術人才的最終目標。

宏觀政治目標：培養學生的愛國愛黨情懷、社會主義核心價值觀及弘揚中華民族的優秀文化。

微觀個人目標：培養學生的辯證唯物主義思維，樹立學生正確的社會主義核心價值觀，養成學生環境保護觀念，培養學生認真的學習態度、團結互助和勇于創新的精神。

（二） 有限元課程思政建設方向和重點

1）挖掘出專業知識所蘊含的思政“元素”，貫穿到教育教學的全過程，實現知識傳授與價值引領的有機融合。

2）探索有限元原理與編程專業課程思政教學方法改革并付諸教學實踐，將理論與方法、探索與實踐相結合，不斷用實踐效果檢驗課程思政方法。

二 有限元課程思政元素挖掘

針對有限元課程的教學內容和教學特點，將課程思政與課程教學緊密融合，在教學過程中恰如其分地加入中國特色社會主義環境下的愛國主義教育、創新求實教育、服務人民教育等思政元素，使得思政點與教材內容相互滲透，切實做到把思想政治工作貫穿教育教學全過程。有限元課程各章節蘊含思政目標見表1。

（一） 計算力學里的“愛國大義”

自2017年以來，美國持續加大對中國信息技術產業的制裁力度，先后將華為等數百家中國高科技企業列入其中。信息技術基礎設施引發的安全問題也層出不窮，例如棱鏡門信息安全事件。與此同時，逆全球化發展思潮的興起，“科技有國界”被推上了風口浪尖。面對與日俱增的各種安全風險，在芯片、操作系統、數據庫及軟件等“卡脖子”的關鍵信息技術領域實現自主安全可控，成了我國信息技術產業發展和科技創新的當務之急。

在這樣的背景下，我國有限元軟件開發人員迎難而上。以FEPG軟件為例，該軟件是目前唯一的開放源碼國產有限元軟件，并獲得了國家科技進步二等獎。1983年，梁國平教授于中科院數學院開始研究FEPG軟件；2000年，FEPG網絡版正式發布。這背后，是梁教授團隊對軟件及核心技術的不斷打磨?？梢哉f，在信息化發展上升到國家戰略層面的今天，國內軟件科研人員與開發人員沒有辜負期望，在“百年未有之大變局”的今天憑借硬核實力逐步崛起了！

（二） 中國特色社會主義“科學家精神”

我國力學工作者為有限元的發展做出了突出的貢獻，使我國有限元法在國際上一度處于領先地位。胡海昌[12]、錢偉長[13]在1954年分別探索了廣義變分原理和拉格朗日乘子法與廣義變分原理之間的關系；錢令希[14]在20世紀50年代研究了力學分析中的余能原理；1965年馮康[15]教授發表了《基于變分原理的差分格式》，幾乎同時和西方科學家各自獨立建立了有限單元法的理論基礎。但由于我國計算機工業發展較遲，計算力學的發展與應用受到了一定的影響，20世紀70年代初，有限元法才開始在國內得到應用與推廣。在我國，最早系統地研究和應用有限元方法的是徐芝綸教授，從1971年開始，他管理的科研組便開始開展有限元法的研究、推行及普及工作，次年，將有限元應用到鳳灘空腹重力拱壩的溫度場與溫度應力的計算分析工作，是我國最早的關于有限元的應用成果?；谥暗难芯炕A，徐芝綸教授在1974年編著出版了我國第一部關于有限單元法的專著《彈性力學問題的有限單元法》[16]，為我國推廣和普及有限單元法做了開創性的工作，隨后在機械工業、航空工業、建筑工程、造船工業、石油化工及水利工程等都得到廣泛應用與發展。

（三） 正確理解“國家利益高于一切”

整體分析是將單元組成一個整體結構，根據節點載荷平衡的原則進行分析，其目的是正確形成以節點位移為未知量的整體結構有限元方程組，引入邊界條件，最終實現位移求解。單元和整體就如同個人和國家的關系，個人和國家的關系是相互依存、相輔相成，是成正比的關系，國家利益高于一切，個人應該服從國家，國家在協調大家朝著統一方向發展方面起著主導和決定性的作用。每個人都有自己的相對獨立性，這種獨立性又會反過來對國家產生影響，所有個人的變化必然會影響到國家的變化，即單元也會作用于整體[17]。

（四） 中國特色社會主義文化自信

軸對稱的思想與中國傳統文化有著千絲萬縷的聯系。對稱和對仗是同源的。倘若，軸對稱是指左右兩部分沿對稱軸排列，“折疊”變換后仍保持圖形不變（線長、角度恒定），那么中國的對仗便是從上句變到下句之后，單詞的許多特性保持不變。例如詩圣杜甫的：“兩個黃鸝鳴翠柳，一行白鷺上青天。窗含西嶺千秋雪，門泊東吳萬里船?！睂φ滔喈斁?，在前兩行中，“兩個”對“一行”（數量相對）、“黃鸝”對“白鷺”（禽類相對）、“翠”對“青”（顏色相對）、“千”對“萬”（數詞相對）都是同類詞為對，維持了某種恒常性。

此外，等參單元位移模式用到了中國古代數學的杰出研究成果——楊輝三角，1261年它曾出現在中國南宋數學家楊輝所著的《詳解九章算法》一書中。通過楊輝三角將二項式系數圖形化，組合數固有的一些代數性質直接反映在圖中，是離散型數與形的組合。在歐洲，帕斯卡在1654年發現這一規律，所以這個表又叫做帕斯卡三角形，帕斯卡的發現比楊輝要遲393年。21世紀以來，國外逐漸認識到這一成就是屬于中國的，所以一些書籍稱其為“中國三角形”。事實上，中國古代數學家在許多重要的領域都處于領先地位，而楊輝三角的發現就是十分絢麗的一章。

中華優秀傳統文化是新時代中國特色社會主義文化的精神基因。五千多年來，中華民族創造了燦爛的中華文明，為人類作出了杰出貢獻。深厚的中華文化底蘊，是中華民族發展壯大的精神力量，最終凝聚于習近平新時代中國特色社會主義思想之中，成為了中國特色社會主義文化的精神基因[18]。

（五） 不忘初心，砥礪前行，實現中國夢

平面四邊形單元數值積過程中包含著“不積硅步，無以至千里；不積小流，無以成江海”的道理。所有的不定積分基本公式，全部源于積分的定義與基本性質，而這些公式會被運用在各種積分問題的解決中。我們會看到積分的定義與基本性質是少量的，而基于積分的定義和基本性質而推導出來的“不定積分基本公式”是很多的，而且這個“很多”是用來解決“更多甚至無窮”的問題的。因此，我們會看到這樣一種關系“少（最核心的）-多（由少推導出來的）-無窮（需要由多來解決的）”。

一批批共產黨員在革命、建設和改革開放等不同歷史時期，不忘初心，牢記為黨和人民奉獻一切的信念追求，奠定了中國共產黨不斷取得勝利的堅實基礎和賦予的力量源泉。只要我們堅持不懈地走中國特色社會主義道路，恪守初心、開拓進取，堅持黨的領導，不迷失方向，就一定能找到戰勝困難險阻、有效解決難題的道路，就一定能實現中國夢[19]。

（六） 中國式現代化離不開高水平科技自立自強

“學好專業知識，服務國家和社會”。對于有限元軟件來說尤其如此，有限元軟件已經在國家重難點工程建設中發揮了巨大作用。國家體育場，又名“鳥巢”是2008年北京奧運會的主會場，以及殘奧會開閉幕式，國際、區域等國內大賽事的主體育場之一。由于“鳥巢”的結構十分復雜，要在圖紙上精確繪制出數以萬計的異形空間曲面，給出精確的施工尺寸，進而對這些異形構件組成的空間結構進行計算，需要用到參數化設計的方法。設計公司采用當時十分先進的三維設計軟件CATIA、有限元分析軟件ANSYS等，通過“高技”的方法終于將“鳥巢”從概念設計變成一張張精確的設計圖紙，最終建設成功。

當今世界正經歷百年未有之大變局，立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局、立足自身發展，不斷增強我們的生存力、競爭力、持續力、發展力，鍥而不舍地實現我國的既定目標。而科學技術作為偉大變局的重要組成部分，是改變大變局格局首先考慮的關鍵部分?？萍及l展與世界政治經濟格局演化的互動關系成為決定一個國家未來和競爭優勢的關鍵[20]。

三 有限元課程思政教學實踐

為實現專業理論教學與課程思政的有效融合，有限元課程思政內容的組織實施需在教學模式、教學方法與教材等方面做出創新舉措，調動學生學習的積極性和主動性。

（一） 鏈條式教學模式

有限元課程各部分往往存在較強的邏輯聯系，在結構離散-單元分析-整體分析-解方程組的方法過程中開展鏈條式思政教學，要求學生注重大事小事，穩扎穩打，注重每一個細節，養成嚴謹的治學態度。同時，把握學習的主要矛盾，在學習過程中某一部分出現問題，引導學生找出問題產生的原因，通過問題的現象去挖掘根源。最后，對學生從學術誠信、辯證哲學思維等方面進行指導，幫助學生樹立正確的世界觀、價值觀、人生觀，加強學生的思想政治素質。

（二） 理實結合教學方法

在實踐內容設計上，通過授課老師引導協助學生自覺融入思政元素，講述國家重大工程案例，增加研究生的專業認同的同時，增加自身的家國情懷，為將來學成工作后將論文寫在祖國大地上奠定堅實的基礎。

在編程實踐部分，提高學生的自主選擇權，讓學生根據自己的興趣愛好和課程特點自行組成2～3人的科研編程小組，結合國家重難點項目，以小組為單位討論和設計編程實例內容。

在這種教學模式下，既培養了學生的科研創新思維和能力，又促進了學生對思想政治建設課程的參與度，有效提高了學生的主動性。

（三） 編著專業思政教材

運用戰略思維、辯證思維、歷史思維、法治思維、創新思維、底線思維和系統觀念的基本內涵編著有限單元法專業教材，在創新講授專業知識的同時，將最新思政元素融入具體理論知識點和工程案例的章節中，不斷增強有限元專業知識和思政理論相結合的思想性、理論性、親和力，培養學生嚴謹的治學態度、團結合作和開拓創新的精神，為習近平新時代中國特色社會主義建設提供堅實的專業教材保障。

四 結束語

結合習近平新時代中國特色社會主義思想，培養學生的愛國愛黨情懷、社會主義核心價值觀及弘揚中華民族的優秀文化，形成專業課程與思政教育的協同效應，是有限元課程思政教學的培養目標與建設方向。

有限元課程中可挖掘出愛國情懷、科學精神、文化自信和奮斗精神等“新時代中國特色社會主義”思政元素，這些思政點與教材內容相互滲透，可切實做到把思想政治工作貫穿有限元課程教學全過程。

鏈條式教學模式、理實結合教學方法、編著專業思政教材，可保障有限元課程思政內容的組織實施效果。

參考文獻：

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