融合思政元素的结构有限元应用课程综合改革与实践

刘文权 郭巧荣 万傲霜 李顶河

摘要为落实立德树人根本任务，培养综合能力强、品德素养高的民航机务人才，对结构有限元应用课程进行了教学改革研究。针对课程在以往教学中表现出的不足，提出了模块化教学理念，包括理论讲授、自主参与、课程思政和工程实践4个模块，并对成绩评价方法做出了相应调整。在实际教学过程中，4个模块有机结合、相互促进，进一步依托仿真实验室建设和教学班型优化，对学生的自主学习能力、团队合作能力、语言组织能力和社会責任意识进行全面提升。

关键词立德树人;教学改革;结构有限元应用;模块化教学

中图分类号：G424文献标识码：A       DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.05.019

Comprehensive Reform and Practice of Structural Finite Element ApplicationCourse Integrating Ideological and Political Elements

LIU Wenquan， GUO Qiaorong， WAN Aoshuang， LI Dinghe   （School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract  To realize the fundamental task of moral education， and train civil aviation maintenance talents with strong comprehensive ability and high moral quality， the teaching reform of structural application of finite elements course is studied. In view of the shortcomings of this course in the past teaching， the modular teaching concept which includes four modules is proposed. These modules are theory teaching， independent participation， ideological and political education and engineering practice. By using this teaching concept， the performance evaluation method is adjusted accordingly. In the actual teaching process， the four modules are organically combined and mutually promoted. Further relying on the construction of simulation laboratory and the optimization of teaching class type， the students' autonomous learning ability， team cooperation ability， language organization ability and social responsibility consciousness will be comprehensively improved.

Keywords  moral education; teaching reform; structural application of finite elements; modular teaching

引言

党的十八大提出，要把立德树人作为教育的根本任务;党的十九届五中全会指出，要全面贯彻党的教育方针，坚持立德树人。[1]2021年9月，中国民航大学召开了主题为“全面推进课程思政建设，落实立德树人根本任务”的教学研讨会。明确了践行价值塑造、能力培养和知识传授的“三位一体”教育理念，进一步为我校教育改革指明了方向。

结构有限元应用作为一门综合性、进阶型课程，涵盖航空宇航类工科教育的多门课程知识，如高等数学、线性代数、材料力学、结构力学、弹性力学等。[2]因此，有限元课程的开设，将对学生过往知识掌握程度和综合运用能力进行有效考量;另一方面，该课程的实践教学部分，通过有限元分析软件对真实的工程案例进行仿真研究，将结构的变形特征和应力分布以云图的形式直观展示，将极大地增强学生的知识认可度。此外，采用有限元分析软件对工程问题进行数值仿真，并运用理论知识进行结果分析，几乎成为工科研究生教育不可或缺的一部分。可以认为，结构有限元应用是联系本科教育和研究生教育，是从理论走向实际工程应用尤为重要的一门课程。

综上，对“结构有限元应用”教学进行综合改革，并充分挖掘课程思政元素将具有重要意义。中国民航大学有限元课程组通过总结教学经验，提出了理论讲授、自主参与、课程思政和工程实践相结合的模块化教学方式，将对立德树人根本任务的落实，综合素质突出的机务高级人才培养具有一定借鉴意义。

1结构有限元应用课程现状

1.1课时有限而教学内容偏多

如前所述，有限元课程涉及过往学习的多门课程知识，而学生对已修知识的掌握程度存在一定差异。因此，如何设置有限元教学内容，以实现学生对知识的最大程度掌握并灵活运用，是极为困难的问题。[3]目前，我校“结构有限元应用”设置总学时为32学时，其中软件实践10学时、理论授课22学时。理论部分包括：有限元法绪论，有限元法基本概念，弹性力学基础理论，杆件、桁架问题，平面问题，三维问题，梁、板壳问题，温度场问题，动力学问题以及复材等前沿专题。

通过结课调研发现：部分学生不能对课堂所授内容进行全面掌握，认为公式推导偏难，课程学习较枯燥。造成以上情况的原因主要有3点：（1）学生前期知识储备薄弱，对有限元列式推导所涉及的基础知识记忆模糊，因此无法跟上教师授课节奏;（2）由于有限元知识结构的特点，教师无法像高数等课程一样布置随堂作业，导致学生课后复习动力弱;（3）课程内容安排较多，学生对前期知识尚未充分理解，新知识已开始讲授，进而导致知识盲点以“滚雪球式”增长，学生厌学情绪加重。在上述因素的综合影响下，致使课程目标无法充分实现。

1.2科研类软件使用经验不足

由于初涉科研类软件，学生在有限元建模过程中会遇到各类问题。然而课程选课人数较多，致使教师无法在课堂时间内对所有问题进行指导解决。这一现状将导致学生建模过程受阻，不能在课堂时间内完成预定的实践任务。如此循环，将对学生软件学习的积极性产生负面影响，最终酿成理论学不懂，软件不会用的窘境。

1.3课程思政元素欠缺

飞行器制造工程专业毕业生主要从事机务工作，任何工作细节的疏忽都可能造成严重的安全隐患或安全事故。因此，在“结构有限元应用”的授课过程中，应加强对学生安全责任意识的培养，强调其在以后工作中所应承担的社会责任以及机务工作的重要意义。目前，有限元课程大多专注于理论知识的传授，相关思政元素的融入较为不足。[4] 2结构有限元应用课程的改革途径

2.1模块式的教学方法

“结构有限元应用”的传统教学模式以教师讲授为主，难以满足学生自主学习能力和知识综合应用能力提升的要求。由上文分析可知，紧锣密鼓的知识讲授不利于学生对新知识的理解与掌握。通过对课程内容进行分析，可以发现：尽管“结构有限元应用”涉及一维、二维和三维单元问题，但其有限元列式建立思路大致相同。即：位移插值函数的构建，几何方程与物理方程的确定，系统总势能的推导，应用最小势能原理确定求解列式。因此，课程改革可引入模块式教学方法，通过增加自主参与模块，以提高学生对有限元知识的理解深度，同时培养其有限元分析思维。进一步融入思政元素和工程实践环节，以全方面提升学生的人文素养和综合应用能力。课程内容模块化设计包括以下4个方面：

2.1.1理论讲授模块

此模块由教师主导。教师应首先完成对有限元绪论、基本概念和弹性力学基础知识的讲授。随后，将一维杆、梁单元，桁架单元，以及平面三角形单元作为此模块重点问题。对于该部分内容，应做到细讲深讲，确保每一名学生都能掌握有限元列式的建立思路，位移插值函数的构造方法，等参变化的实际意义，单元刚度矩阵和载荷向量的推導方法以及总体刚度矩阵的装配原理。对于温度场、动力学和前沿专题，主要讲解有限元方法在解决上述问题中的分析思路并辅以实际工程案例，达到拓宽学生视野的目的即可。学生如读研深造或工作遇到此类问题，可为其指明探索方向。

2.1.2自主参与模块

此模块由学生主导。在教师完成理论讲授模块的基础之上，学生应已基本掌握有限元列式的建立方法和分析思路。在自主参与模块，则将平面四边形单元、空间四面体单元和平面轴对称单元问题作为任选题目，学生以小组为单位进行选题。各小组将针对所选题目，进行文献查阅、公式推导、PPT 制作并完成课堂汇报。教师和其他小组学生作为评委，对 PPT 内容和讲解水平进行评分与提问;最后由课程教师指出该小组工作内容的不足并指导其完善，同时对重点知识进行补充讲解。

自主参与模块的设立，将极大增强学生的课程参与度，加深学生对有限元分析方法的理解，锻炼学生的团队合作能力以及表述能力。此外，教师会在答辩结束后将录制好的视频上传至学习平台，供学生进一步学习。自主参与模块的表现将作为结课成绩的重要组成部分。

2.1.3课程思政模块

此模块由教师主导，在理论讲授和实践模块中融入思政教育。对于本门课程，可讲授魏晋时期数学家刘徽，南北朝时期数学家祖冲之采用割圆法计算圆周率的事例。指明该方法与有限元思想的异曲同工之处，强调我国学者的大智慧，以此增强学生的民族自豪感。同时，介绍我国当代学者在推动有限元理论发展和有限元仿真软件开发方面所做出的杰出贡献;通过真实案例，宣扬学者们所表现出的孜孜不倦、钻坚研微的科学精神。此外，在工程实践模块，可采用有限元软件对飞机结构的失效破坏进行仿真分析，强调结构失效的危害性，加深学生对民航“三个敬畏”的认识。

同时结合有限元理论知识，进一步提炼思政元素，如：

工程结构能否安全、可靠地工作，与准确的力学计算紧密相关。工程实际中常见的桁架结构包括各大桥梁，列举历史上发生的桥梁事故，如加拿大圣劳伦斯河之上的魁北克大桥因设计失误，导致大桥杆件发生失稳而突然倒塌，造成86名建桥工人落入水中，仅有11人生还。为避免类似的悲剧发生，从业人员一定要在设计、施工和维护阶段进行精确计算，保持严谨缜密的逻辑思维和认真踏实的工作态度。

任何一个弹性体都是空间物体，但考虑其特殊的形状和承载特征，可将空间问题简化为平面问题，在大大减少工作量的同时满足精度要求。给学生的启示为：在面对工作、生活中遇到的问题时，要善于发现问题的关键所在，即抓住主要矛盾;进一步利用自身知识和经验对问题进行适当简化，降低问题难度并予以解决。

2.1.4工程实践模块

此模块由教师和学生共同完成。当今社会需要各方面均衡发展的人才，高校教育不仅要向学生传授知识，还应培养学生利用已学知识来发现问题、解决问题的综合应用能力。因此，研究性学习应是教学的主旋律。[5]“结构有限元应用”设置的实践模块包括两部分内容：（1）教师对有限元软件基本功能进行讲解，并对典型结构受载问题进行建模分析，令学生掌握软件的使用方法。（2）学生以小组为单位进行课程设计的自主选题，主要任务包括：问题需来源于实际工程;需对结构和载荷特征进行合理简化;建立有限元模型并进行结果分析;撰写课设报告并完成答辩汇报。最后由学生和教师对该组学生工作进行提问和打分，该部分表现也将作为结课成绩的重要组成部分。

作为实践模块参与度的有效激励，小组内学生将彼此打分并作为结课成绩的重要参考。综上，有限元结课成绩将由自主参与、工程实践模块表现和卷面成绩共同组成，从而对学生进行全面评价。

2.2仿真实验室建设及班型调整

为提高实践模块的教学效果，将建设有限元仿真实验室，为学生配备专用仿真计算机。另一方面，为加深学生对仿真结果的信可度，同时提高其对课程学习的积极性，实验室将搭建综合实验平台。该平台由万能拉伸实验机、3D 打印机以及光学应变测量系统组成。学生可采用3D 打印机制作结构简单的实验样件;进一步通过拉伸机对样件进行加载测试，由应变测量系统对样件表面真实变形场进行检测计算;同时，学生将采用仿真软件对样件的加载过程进行有限元模拟，进而实现仿真与实验结果的对比，加深学生对理论知识的理解。

最后，对于“结构有限元应用”课程，可采取小班授课并增加研究生助教的方式，以保证对学生软件操作问题的全面解答。借此也可建立本科生与研究生间的联系，本科生可在学有余力的前提下参与研究生课题中有限元分析的相关工作，使本门课程不止步于结课考试。如此，将对学生实践能力、科研思维和工程意識的提高具有显著帮助。3结语

高校教师作为学生步入社会前的最后“守门员”，有责任和义务对学生的品德塑造和能力提升贡献力量。“结构有限元应用”作为一门综合性、进阶型课程，对飞行器制造工程专业毕业生从事民航机务工作、设计工作和考研深造均具有重要意义。对其进行教学改革，引入模块化教学理念，将有助于学生各方面能力的提升;思政模块的引入，将有助于学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。

基金项目：中国民航大学实验技术创新基金项目（2021CXJJ68）。

参考文献

[1] 李斌，任博，陈俊红.立德树人：高校教师的任务、内涵和责任[J].中国冶金教育，2021（05）：98-100.

[2] 顾杰斐，宿磊，蒋毅，等.面向机械专业的有限元课程教学探索与实践[J].科技视界，2021（14）：42-43.

[3] 陈万祥，马建军，林凯荣，等.土木工程专业本科有限元课程教学探索[J].高教学刊，2021，7（20）：123-126，130.

[4] 刘学文，王旭，罗素云，等.工科“课程思政”教学模式研究与实践——以《弹性力学有限单元理论及工程应用》为例[J].教育教学论坛， 2019（44）：145-147.

[5] 刘学文，王旭，罗素云.新工科视角下拔尖人才培养的探索与实践——以弹性力学有限单元法理论及工程应用课程为例[J].高教学刊， 2019（06）：140-142.