土木工程專業(yè)有限單元法課程思政建設(shè)探索

摘" 要：為發(fā)揮土木工程專業(yè)有限單元法課程思政建設(shè)在全程育人、全方位育人中的重要作用，使專業(yè)知識與思政內(nèi)容充分融合，梳理有限單元法課程思政建設(shè)背景和現(xiàn)狀，以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合課堂實踐活動、工程案例分析等多元化教學(xué)方式，將專業(yè)教學(xué)與精神引領(lǐng)相融合，提出有限單元法課程思政建設(shè)策略，致力于培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞漠?dāng)代土木工程專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：土木工程；有限單元法；課程思政；教學(xué)方式；建設(shè)策略

中圖分類號：G641" " " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0039-04

Abstract： Finite Element Method course in civil engineering and its ideological and political construction play roles in education. To give play to their roles during the whole and all-round process， and to fully integrate the professional knowledge with the ideological and political contents， the background and current situation of the ideological and political construction of that course are first sorted out and ordered. Then the ideological and political construction strategy for Finite Element Method course is proposed. This strategy bases on course contents， combines with diversified teaching methods such as classroom practice activities and engineering case analysis， integrates the professional contents teaching and spiritual guidance together， and finally dedicate to cultivate contemporary civil engineering professionals with both political integrity and ability.

Keywords： civil engineering; Finite Element Method; ideological and political construction; teaching methods; constructive strategy

2020年，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，要求全面推進高校課程思政建設(shè)。2022年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，指出要以推動智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展為動力，加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。將課程思政與土木工程專業(yè)課深入融合貫通，對于培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞耐聊緦W(xué)子，適應(yīng)建筑業(yè)發(fā)展變革，助力建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

一" 有限單元法課程思政建設(shè)背景

（一）" 高校課程思政建設(shè)背景

高校課程思政建設(shè)是當(dāng)代大學(xué)生全面發(fā)展的重要保障，是黨和國家培養(yǎng)社會主義接班人的堅實陣地。近年來，在習(xí)近平總書記全國高校思想政治工作會議講話精神的指引下[1]，在教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的指導(dǎo)下[2]，全國高校堅持以立德樹人為目標(biāo)，不斷推進課程思政建設(shè)工作，旨在為祖國培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞淖吭饺瞬拧?/p>

然而，在課程思政建設(shè)探索的過程中，依然存在課程思政教學(xué)資源挖掘不充分、專業(yè)知識與思政內(nèi)容融合不深入和教職人員課程思政意識不牢固等問題，課程思政建設(shè)工作成效低于預(yù)期，急需深入探索課程思政建設(shè)的工作方法。

（二）" 土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要

土木工程是關(guān)系國計民生的專業(yè)，房屋、橋梁、隧道及水壩等工程建設(shè)需要大量德才兼?zhèn)涞耐聊竟こ填I(lǐng)域?qū)I(yè)人才（圖1）。土木工程作業(yè)現(xiàn)場常存在工作環(huán)境條件惡劣、工程情況復(fù)雜多變和施工難度大等諸多挑戰(zhàn)，不僅考驗當(dāng)代土木工程師的專業(yè)技術(shù)水平、工程實踐應(yīng)用和現(xiàn)場溝通協(xié)調(diào)能力，更對其意志品質(zhì)提出了更高的要求。有限單元法課程作為土木工程專業(yè)的重要課程，在培養(yǎng)土木工程相關(guān)領(lǐng)域高素質(zhì)人才方面發(fā)揮著重要的作用。

近年來有限元數(shù)值仿真已經(jīng)與理論研究、實驗科學(xué)成為土木工程學(xué)科開展科學(xué)研究的三大支柱。學(xué)習(xí)掌握數(shù)值仿真技術(shù)，熟練正確使用有限元計算軟件已經(jīng)成為當(dāng)代土木工程專業(yè)人才必不可少的技能。有限單元法課程在土木工程專業(yè)的授課對象涵蓋本科生和研究生，他們是未來土木工程領(lǐng)域建設(shè)發(fā)展的重要力量。在高校課程思政建設(shè)要求和土木工程領(lǐng)域人才需求的背景下，有限單元法課程思政教學(xué)的貫徹實施十分重要。因此，在該課程的講授過程中，不僅要執(zhí)行“規(guī)格嚴格，功夫到家”的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴要求，提升學(xué)生專業(yè)知識水平和工程應(yīng)用實踐能力，更要培養(yǎng)學(xué)生愛崗敬業(yè)、自強不息和艱苦樸素的精神與刻苦鉆研、堅忍不拔和求真務(wù)實的態(tài)度，鼓勵學(xué)生積極投身于實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢建設(shè)，從而為我國工程建設(shè)的發(fā)展培養(yǎng)高水平從業(yè)人才。

二" 有限單元法課程思政建設(shè)現(xiàn)狀

在有限單元法課程的教學(xué)中，立德樹人是根本任務(wù)。因此，講好有限單元法課程，不僅僅要講述專業(yè)知識，提升學(xué)生專業(yè)能力，更要深入挖掘課程思政元素，注重將理論與實踐相結(jié)合，實現(xiàn)專業(yè)能力和道德品行培養(yǎng)的同向同行。但是目前部分教師在日常課程教學(xué)中投入精力較少，注重科研項目申請、項目研究和發(fā)表論文等工作，導(dǎo)致授課內(nèi)容枯燥乏味，更無法談及將專業(yè)知識與思政內(nèi)容相融合。又或是在課程教學(xué)投入了一定的精力，但是卻缺乏對課程思政內(nèi)容的深入挖掘，專業(yè)內(nèi)容無法與思政內(nèi)容形成協(xié)同效應(yīng)。

有限單元法課程旨在培養(yǎng)卓越的土木工程專業(yè)人才，豐富學(xué)生專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良精神品質(zhì)，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好基礎(chǔ)。相較于土木工程專業(yè)的其他專業(yè)課程，有限單元法課程內(nèi)容主要以理論基礎(chǔ)內(nèi)容為主，對于數(shù)理基礎(chǔ)較弱的學(xué)生而言，容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)內(nèi)容不深入的現(xiàn)象。因此有限單元法課程需基于課程平臺，結(jié)合學(xué)生實際情況，通過融合工程實例、科研動態(tài)和課程實踐等要素，將理論與實際相結(jié)合，自然深入地挖掘有限單元法課程中的思政元素，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)秀精神品質(zhì)，實現(xiàn)專業(yè)知識與思政內(nèi)容的同向同行。

三" 有限單元法課程思政教學(xué)原則

有限單元法課程思政建設(shè)探索的目的是在專業(yè)內(nèi)容授課的基礎(chǔ)上，增強價值引領(lǐng)，讓學(xué)生成為德才兼?zhèn)淙姘l(fā)展的人才。因此，在課程思政設(shè)計時要結(jié)合課程內(nèi)容實際情況，針對不同的章節(jié)內(nèi)容，合理、巧妙及自然地探索挖掘思政內(nèi)容，真正達到課程思政的效果，才能實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)與價值引領(lǐng)的完美融合?？傮w來說，有限單元法課程思政教學(xué)應(yīng)遵循以下幾個原則。

（一）" 保證專業(yè)課程內(nèi)容完整性

有限單元法作為土木工程專業(yè)的重要課程，專業(yè)知識的講授是整個課程教學(xué)的基礎(chǔ)。在探索挖掘思政元素時，原則上應(yīng)不過多調(diào)整和刪減原有課程專業(yè)知識授課內(nèi)容，充分保證理論和實踐課程授課內(nèi)容的完整性。

（二）" 自然靈活融合思政元素

生搬硬套、突兀、枯燥地強行引入與課程內(nèi)容無關(guān)的思政元素，容易觸發(fā)學(xué)生的抵觸心理，難以實現(xiàn)課程思政的根本目的，應(yīng)杜絕此類現(xiàn)象。課程教學(xué)應(yīng)通過整體把握課程內(nèi)容脈絡(luò)，細分每章節(jié)、每節(jié)課及每個知識點具體內(nèi)容，結(jié)合工程實例、科研動態(tài)和課程實踐等實際案例，靈活自然地融入思政元素，實現(xiàn)潤物無聲的課堂教學(xué)效果。

（三）" 豐富課程思政教學(xué)形式

課程思政教學(xué)形式要以學(xué)生為主體。有限單元法課程內(nèi)容應(yīng)基于理論與實踐相結(jié)合，豐富創(chuàng)新課程思政教學(xué)形式，巧妙融合思政元素，增加學(xué)生課堂參與度，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣。例如開展有限元軟件建模分析課程競賽、舉辦有限單元法學(xué)習(xí)心得課堂分享會等。通過合理設(shè)計課程思政教學(xué)形式，可以引發(fā)學(xué)生對思政元素的共情共鳴，達到寓教于學(xué)，寓教于行，寓教于樂的效果。

四" 有限單元法課程思政建設(shè)策略

未來卓越的土木工程師不僅應(yīng)具備扎實的專業(yè)技能，還應(yīng)兼具優(yōu)秀的精神意志品質(zhì)，愛崗敬業(yè)，自強不息，有遠大的理想抱負，有深厚的家國情懷。有限單元法課程在專業(yè)授課的基礎(chǔ)上，探索課程思政教學(xué)形式，深入挖掘課程思政元素，將思政元素融入課程教學(xué)全過程，引領(lǐng)培養(yǎng)學(xué)生德智全面發(fā)展（圖2）。

基于有限單元法課程實際特點和土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要，本研究提出有限單元法課程思政建設(shè)策略如下。

（一）" 講好有限單元法第一課

講好有限單元法第一堂課對于學(xué)生學(xué)習(xí)整個課程十分重要。教師在備課過程中，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計第一堂課授課方式和內(nèi)容，明確第一堂課的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)目標(biāo)，為講好有限單元法第一堂課做足充分準(zhǔn)備（圖3）。

有限單元法的第一堂課常從講述課程課時、課堂紀律、課后作業(yè)形式及課程考核方式等開始。在此過程中，教師可以結(jié)合自己學(xué)習(xí)有限單元法的經(jīng)歷，介紹自身學(xué)習(xí)心得體會，讓學(xué)生們在初步了解有限單元法課程內(nèi)容的同時，領(lǐng)會認識認真對待每一門課、每一堂課和每一個知識點的重要性，在學(xué)習(xí)中嚴謹求實，發(fā)揚哈爾濱工業(yè)大學(xué)“規(guī)格嚴格，功夫到家”的校訓(xùn)精神。

在第一堂課的正式課程內(nèi)容中，首先通過介紹有限元方法的發(fā)展歷史，講述克拉夫（Clough）對有限元方法發(fā)展的貢獻及其在不同研究領(lǐng)域取得的優(yōu)秀成果，循循善誘，將同學(xué)們的思緒自然地引入到有限元相關(guān)內(nèi)容中，鼓勵學(xué)生們在學(xué)習(xí)中敢于探索，勇于創(chuàng)新。其次，講述有限元方法在中國的發(fā)展歷史和中國的科研前輩們對有限元方法發(fā)展的突出貢獻。通過介紹我國著名計算數(shù)學(xué)家馮康先生幾乎與國外同時提出有限元方法基本思想的偉大創(chuàng)舉[3]，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義精神。

在第一堂課上注重理論與實踐相結(jié)合，是激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)興趣的有效方法。在第一堂課的最后環(huán)節(jié)，教師可在課堂上使用有限元軟件建模分析實際工程案例，介紹有限單元法在工程中的實際應(yīng)用價值。演示中，可以通過提問學(xué)生日常學(xué)習(xí)中的結(jié)構(gòu)計算分析相關(guān)問題，增強課堂師生互動，引導(dǎo)學(xué)生思考，然后使用有限元分析軟件快速計算相關(guān)結(jié)果，展示其強大功能及有限元方法的實用性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手能力。

（二）" 介紹有限元研究的中國力量

在課程思政元素的探索建設(shè)中，教師可著重對比該學(xué)科國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果，介紹有限單元法研究歷史中的中國力量，打通專業(yè)課程與思政元素的連接渠道。通過講解有限元基本求解思想，引申介紹有限元經(jīng)典方法及相關(guān)學(xué)者如何通過自身努力提出的經(jīng)典理論，擴展學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)與研究興趣。在講授過程中，教師可增加提問環(huán)節(jié)，提問學(xué)生所了解的相關(guān)經(jīng)典理論，增強學(xué)生課堂參與感。

在此基礎(chǔ)上，引入介紹有限單元法研究的相關(guān)成果，將思政元素與課程內(nèi)容自然融合，深入挖掘其精神內(nèi)涵。例如：在有限元方法研究發(fā)展初期，國外科學(xué)家在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，提出了里茲法、伽遼金法等有限元經(jīng)典方法[4]。相比之下，我國科研人員在有限元方法研究領(lǐng)域影響較小。在意識到有限元研究方法的重要性之后，我國老一輩科學(xué)家在困難年代不畏艱苦，潛心鉆研，取得了一系列極具影響力的重要研究成果，例如胡海昌院士提出的胡-鷲津廣義變分原理[5]及龍馭球院士建立的廣義協(xié)調(diào)理論與廣義協(xié)調(diào)元[6]等。他們在有限元方法研究的發(fā)展史上，書寫了屬于中國人濃墨重彩的一筆，開創(chuàng)了中國人在有限元研究領(lǐng)域的新天地。以此鼓勵學(xué)生在日常學(xué)習(xí)工作中勤于思考，敢于挑戰(zhàn)，勇于創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和民族自信，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢凝心聚力、共同奮斗。

（三）" 講解有限元工程應(yīng)用示范案例

在有限單元法教學(xué)中，學(xué)生常常會有理論如何與實踐相結(jié)合的疑惑，如何讓學(xué)生切實感受到學(xué)有所用，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動力是非常重要的。相較于理論知識，實際工程應(yīng)用案例更能吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。通過講解有限元單元類型、劃分原理及新單元等內(nèi)容，介紹有限元的廣泛應(yīng)用空間和實際價值。在此基礎(chǔ)上通過引入有限元工程實際應(yīng)用案例，在講述理論與實踐相結(jié)合的同時，探索挖掘思政元素。在講述實際工程應(yīng)用案例時，可以介紹該工程施工難度、建設(shè)周期、作業(yè)環(huán)境等實際情況，讓同學(xué)們切身感受中國基建力量。例如，①港珠澳大橋工程：其在建設(shè)過程中，水阻率、海底淤泥及沉管施工等一系列難題被我國攻克解決[7]。為研究港珠澳大橋各項性能，國內(nèi)研究團隊自主研究了新型索單元與隔震單元，并基于此建立了大橋的有限元模型，對其疲勞損傷、車橋共振等橋梁性能進行有限元分析，掌握了港珠澳大橋整體性能。②大柱山隧道工程，其施工地段地質(zhì)極其復(fù)雜多變，14.5公里挖掘了12年，被認為是“最難掘進的隧道”[8]。在建造過程中，根據(jù)工程實際情況對隧道復(fù)雜斷層、涌水涌泥和巖爆等各類風(fēng)險進行有限元建模與分析，為隧道施工建設(shè)提供參考。

通過介紹實際工程案例及有限元在其中的應(yīng)用情況，不僅培養(yǎng)了學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣，鼓勵學(xué)生將理論與實際相結(jié)合，學(xué)以致用，更向同學(xué)講述了中國人逢山開路、遇水架橋的奮斗精神，勇創(chuàng)世界一流的民族志氣。激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，積極投身于祖國建設(shè)，用扎實的專業(yè)基礎(chǔ)為祖國發(fā)展，實現(xiàn)“兩個一百年目標(biāo)”奮斗目標(biāo)貢獻力量。

（四）" 引導(dǎo)探尋有限元分析誤差原因

有限元法是一種數(shù)值計算方法，借助計算機運算對實際案例進行分析，在模擬分析中難免會產(chǎn)生誤差。在講解誤差產(chǎn)生原因之前，教師首先可以利用簡單的模型算例展示分析誤差的存在，讓同學(xué)們切實意識到誤差的存在，認識到有限元計算機軟件并不是完美無缺的；然后通過提問學(xué)生可能產(chǎn)生誤差的原因，引發(fā)學(xué)生思考；最后講解總結(jié)誤差產(chǎn)生的原因和減小分析誤差的措施，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的深刻理解。在此基礎(chǔ)上，列舉實際工程問題案例及有限元軟件在實際應(yīng)用中減小分析誤差的方法，培養(yǎng)學(xué)生認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。例如：2020年5月，廣東省虎門大橋發(fā)生了不明原因振動。在有限元分析中，通過修正建模實例，在分析模型中增加水馬模型部件，還原了橋梁當(dāng)時的真實受力狀態(tài)，減小了模型誤差，為橋梁振動原因判斷與結(jié)構(gòu)損傷診斷提供了有力依據(jù)。

通過探索有限元分析誤差產(chǎn)生原因，講解實際有限元軟件模擬時減小誤差方法，介紹部分建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的工程問題實際案例，合理引入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生在日常學(xué)習(xí)工作中嚴謹求實的態(tài)度。以此激勵學(xué)生發(fā)揚“把問題解決在地面上”的航天精神，時刻保持哈工大校訓(xùn)——“規(guī)格嚴格，功夫到家”的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴要求，牢記歷史使命與責(zé)任擔(dān)當(dāng)，求真務(wù)實、自強不息。

（五）" 教學(xué)內(nèi)容與時事熱點相結(jié)合

有限單元法課程相對于其他專業(yè)課難度相對較大，同學(xué)們時常被公式理論推導(dǎo)困擾，在學(xué)習(xí)的過程中缺乏動力。在整個課程的授課過程中，教師應(yīng)時刻注重培養(yǎng)維持學(xué)習(xí)熱情。當(dāng)代學(xué)生身處于網(wǎng)絡(luò)時代，信息媒介發(fā)達，對社會熱點敏感問題關(guān)注度較高。在教學(xué)過程中選擇課程相關(guān)的時事熱點內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，會提升學(xué)生學(xué)習(xí)動力。例如在軟件實踐課程內(nèi)容中，介紹自2018年中美貿(mào)易摩擦以來，我國一些單位與企業(yè)的部分軟件使用版權(quán)受到了限制。2020年4月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)被美國列入“實體制裁名單”，數(shù)學(xué)軟件“MATLAB”的使用版權(quán)受到了進一步的制約。由此引出我國的數(shù)值仿真軟件的發(fā)展落后于國外的現(xiàn)狀以及當(dāng)前在某些領(lǐng)域有限元軟件研發(fā)的積極進展[9]。

通過教學(xué)內(nèi)容與時事熱點相結(jié)合，介紹我國有限元軟件的發(fā)展現(xiàn)狀及我國科技軟件使用版權(quán)被封鎖限制的情況，培養(yǎng)學(xué)生民族擔(dān)當(dāng)與科技創(chuàng)新精神，激勵學(xué)生發(fā)揚哈工大“八百壯士”精神，迎難而上，創(chuàng)新進取；以習(xí)近平總書記“哈工大建校100周年賀信精神”為指引，矢志愛國奮斗，追求卓越發(fā)展，爭做有遠大理想抱負、有深厚家國情懷的中華兒女，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢做出更大貢獻。

五" 結(jié)束語

課程思政是在講好專業(yè)課的基礎(chǔ)上增強價值引領(lǐng)，為土木工程專業(yè)課開拓了更多的教學(xué)空間。本文探討了有限單元法課程思政建設(shè)現(xiàn)狀，制定了其課程思政教學(xué)原則，提出了基于有限單元法課程特點的課程思政建設(shè)策略，致力于為國家和社會培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞臈澚褐?。本文對課程思政元素的挖掘或有不足，需在接下來的工作中進一步探索與豐富。

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基金項目：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）2020年“思政課程”和“課程思政”專項課題（HITSZIP20012）

第一作者簡介：李祚華（1978-），男，漢族，吉林松原人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為結(jié)構(gòu)抗震、應(yīng)力檢測等。

*通信作者：劉海濤（1982-），男，漢族，山東菏澤人，實驗師。研究方向為結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等。