思政教育融入有限元课程的教学创新与实践

摘  要：有限元课程是土木工程类专业技术基础课程，在工程设计优化和建设安全分析方面发挥着重要作用。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，发挥专业课思政育人特长，深入分析课程内容和培养目标，设计有限元思政体系和建设方向，重点挖掘每章节所蕴含的思政素材，并在有限元课程教学实践中创新融入思政元素，潜移默化将其贯穿到教育教学的全过程，实现价值引领，以中国古今科学家们对有限元法发展的贡献作为案例鼓舞学生爱国奉献、文化自信等。创新链条式教学模式、理实结合教学方法、编著专业思政教材，通过有限元专业知识传授与价值引领的有机融合，形成工程建设科学工具与思政教育立德树人的协同效应，为培养符合新时代要求、全面发展、具有综合素养的高水平人才夯实基础。

关键词：有限元；课程思政；教学改革；协同育人；价值引领

中图分类号：G641      文献标志码：A          文章编号：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 political 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

高校是课程思政研究的主要阵地。新时代高校课堂需要融入课程思政元素，在专业核心课程中配合特色课堂思政，可引导当代学生树立正确的国家观、民族观、历史观和文化观，在专业人才培养中意义重大。2020年5月，国家教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》[1]，提出专业教育课程要深入研究育人目标，深度挖掘提炼知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，科学合理拓展专业课程的广度、深度和温度。

随着计算机算力的提高，以计算机为工具，将研究对象转化为相似的数学模型进行仿真计算成为工业制造领域、高校科研人员的常用方法。有限单元法是应用最广泛的数值模拟手段，已成为机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化和能源等领域工程技术人员必须掌握的一门重要应用技术，也是理工科研究生必修课程之一，对培养高素质应用型人才具有重要的支撑作用[2-6]。

有限元课程涉及大量理论公式，具有专业理论性强、内容抽象难懂的特点。如何将思政教育贯穿于教学全过程是有限元课程思政的关键所在[7]。在有限元课程思政实现路径方面，余春锦等[8]以飞行器设计与工程专业的有限元基础与应用为例，对教学过程中的思政元素进行了挖掘；李明昊等[9]针对机械设计制造及自动化专业，重新进行了课程思政教学案例设计；周腾等[10]在有限元分析课程中将网络划分知识点与思政元素实现了多“耦合”。

课程思政建设要紧扣时代脉搏，以亲切可感的思政素材提升教学内容的吸引力。党的二十大报告对坚持不懈用习近平新时代中国特色社会主义思想凝心铸魂作出重要部署；党的十九大把习近平新时代中国特色社会主义思想确立为中国共产党必须长期坚持的指导思想并写入《中国共产党章程》；第十三届全国人大一次会议把这一思想写入《中华人民共和国宪法》，实现了党和国家指导思想的与时俱进。积极推进习近平新时代中国特色社会主义思想融入有限元课程意义重大[11]。

一  有限元课程思政体系设计

为实现价值塑造、知识传授和能力培养的有机融合，明确了有限元课程思政教学培养目标、思政建设方向和关键问题，如图1所示。

（一）  总体目标

结合习近平新时代中国特色社会主义思想，发挥非思政专业育人效果，充分融入思政“元素”，形成专业课程与思政教育的协同效应，实现为国家培育高水平专业技术人才的最终目标。

宏观政治目标：培养学生的爱国爱党情怀、社会主义核心价值观及弘扬中华民族的优秀文化。

微观个人目标：培养学生的辩证唯物主义思维，树立学生正确的社会主义核心价值观，养成学生环境保护观念，培养学生认真的学习态度、团结互助和勇于创新的精神。

（二）  有限元课程思政建设方向和重点

1）挖掘出专业知识所蕴含的思政“元素”，贯穿到教育教学的全过程，实现知识传授与价值引领的有机融合。

2）探索有限元原理与编程专业课程思政教学方法改革并付诸教学实践，将理论与方法、探索与实践相结合，不断用实践效果检验课程思政方法。

二  有限元课程思政元素挖掘

针对有限元课程的教学内容和教学特点，将课程思政与课程教学紧密融合，在教学过程中恰如其分地加入中国特色社会主义环境下的爱国主义教育、创新求实教育、服务人民教育等思政元素，使得思政点与教材内容相互渗透，切实做到把思想政治工作贯穿教育教学全过程。有限元课程各章节蕴含思政目标见表1。

（一）  计算力学里的“爱国大义”

自2017年以来，美国持续加大对中国信息技术产业的制裁力度，先后将华为等数百家中国高科技企业列入其中。信息技术基础设施引发的安全问题也层出不穷，例如棱镜门信息安全事件。与此同时，逆全球化发展思潮的兴起，“科技有国界”被推上了风口浪尖。面对与日俱增的各种安全风险，在芯片、操作系统、数据库及软件等“卡脖子”的关键信息技术领域实现自主安全可控，成了我国信息技术产业发展和科技创新的当务之急。

在这样的背景下，我国有限元软件开发人员迎难而上。以FEPG软件为例，该软件是目前唯一的开放源码国产有限元软件，并获得了国家科技进步二等奖。1983年，梁国平教授于中科院数学院开始研究FEPG软件；2000年，FEPG网络版正式发布。这背后，是梁教授团队对软件及核心技术的不断打磨。可以说，在信息化发展上升到国家战略层面的今天，国内软件科研人员与开发人员没有辜负期望，在“百年未有之大变局”的今天凭借硬核实力逐步崛起了！

（二）  中国特色社会主义“科学家精神”

我国力学工作者为有限元的发展做出了突出的贡献，使我国有限元法在国际上一度处于领先地位。胡海昌[12]、钱伟长[13]在1954年分别探索了广义变分原理和拉格朗日乘子法与广义变分原理之间的关系；钱令希[14]在20世纪50年代研究了力学分析中的余能原理；1965年冯康[15]教授发表了《基于变分原理的差分格式》，几乎同时和西方科学家各自独立建立了有限单元法的理论基础。但由于我国计算机工业发展较迟，计算力学的发展与应用受到了一定的影响，20世纪70年代初，有限元法才开始在国内得到应用与推广。在我国，最早系统地研究和应用有限元方法的是徐芝纶教授，从1971年开始，他管理的科研组便开始开展有限元法的研究、推行及普及工作，次年，将有限元应用到凤滩空腹重力拱坝的温度场与温度应力的计算分析工作，是我国最早的关于有限元的应用成果。基于之前的研究基础，徐芝纶教授在1974年编著出版了我国第一部关于有限单元法的专著《弹性力学问题的有限单元法》[16]，为我国推广和普及有限单元法做了开创性的工作，随后在机械工业、航空工业、建筑工程、造船工业、石油化工及水利工程等都得到广泛应用与发展。

（三）  正确理解“国家利益高于一切”

整体分析是将单元组成一个整体结构，根据节点载荷平衡的原则进行分析，其目的是正确形成以节点位移为未知量的整体结构有限元方程组，引入边界条件，最终实现位移求解。单元和整体就如同个人和国家的关系，个人和国家的关系是相互依存、相辅相成，是成正比的关系，国家利益高于一切，个人应该服从国家，国家在协调大家朝着统一方向发展方面起着主导和决定性的作用。每个人都有自己的相对独立性，这种独立性又会反过来对国家产生影响，所有个人的变化必然会影响到国家的变化，即单元也会作用于整体[17]。

（四）  中国特色社会主义文化自信

轴对称的思想与中国传统文化有着千丝万缕的联系。对称和对仗是同源的。倘若，轴对称是指左右两部分沿对称轴排列，“折叠”变换后仍保持图形不变（线长、角度恒定），那么中国的对仗便是从上句变到下句之后，单词的许多特性保持不变。例如诗圣杜甫的：“两个黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天。窗含西岭千秋雪，门泊东吴万里船。”对仗相当精巧，在前两行中，“两个”对“一行”（数量相对）、“黄鹂”对“白鹭”（禽类相对）、“翠”对“青”（颜色相对）、“千”对“万”（数词相对）都是同类词为对，维持了某种恒常性。