“岩土工程数值方法”课程思政教育探索

李伟华，蔡国庆，刘  艳，李  舰    4版

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京，100044）

[摘  要] 课程思政建设不仅是实现“三全育人”的重要环节，也是立德树人的关键所在。本文针对工科专业课程“岩土工程数值方法”开展思政建设进行了初步探索。首先对课程背景、教学内容和课程思政的现状进行了阐述，系统论述了课程思政建设的必要性。然后，从培养使命感和责任感、树立正确的辩证观和人生观、学习人生哲理、培养工程素养等4方面提出了“岩土工程数值方法”课程实施课程思政的策略，并给出具体的教学案例，为有效地在课堂上实施思政教育提供了新的思路，为工科专业课程的思政建设提供参考。

[关键词] 课程思政；岩土工程；数值方法；三全育人

[基金项目] 2022年度北京交通大学研究生“课程思政”示范课程建设项目重点项目“‘岩土工程数值方法’课程思政示范课程建设”(编号：134001101522)。

[作者简介] 李伟华(1976-)，女，内蒙古赤峰人，博士，北京交通大学土木建筑工程学院教授，主要从事岩土工程专业教学、科研。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码]  A  

一、引言

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要用好课堂教学这个主渠道，各类课程都要与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务^[1]。此外，中共中央、国务院和国家教育部先后印发了《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》等文件，提出全员育人、全过程育人和全方位育人的“三全育人”方针政策，其中“全方位育人”强调了培养具有综合素质的人才，明确了专业知识和思想教育一手抓，协同共进，这就要求教师在课程上将思政元素穿插于专业教学内容中，提高学生的思想政治觉悟，形成马克思主义世界观和价值观。

《岩土工程数值方法》作为我校土木工程专业5级课程和岩土工程专业硕士研究生培养的必修课程，强调理论与实践的结合，是培养学生思维能力、计算能力、应用能力和创新能力的重要载体。在该课程中有效地融入思政教育，实行专业知识和思想政治教育结合，将会降低课程的抽象性，增加课堂教学的趣味性，不仅可以提高教师授课效率，将知识传授与价值引领形成协同效应，还有利于提高学生学习的兴趣和动力。

本文在思想政治教育原则指引下，对《岩土工程数值方法》课程多年教学实践中的经验进行总结及充分的教学研讨，将马克思主义理论和社会主义核心价值观贯穿到教学全过程，以教学大纲为基础，结合学校特色，充分挖掘蕴含在岩土工程数值方法中的育人因素，让学生树立爱国主义情怀，提升思想水平和政治觉悟，践行知行校训，实现立德树人润物无声。

二、《岩土工程数值方法》 课程特点分析

《岩土工程数值方法》是我校土木工程专业5级课程，同时也是岩土工程专业硕士研究生培养的必修课程。该课程讲述用于解决岩土工程问题的各种数值方法。以有限单元法为重点，并简单介绍其他常用岩土工程数值方法。授课内容包括有限元法的基本原理及线性、非线性有限元求解方法，有限元法计算机程序实现，典型岩土工程问题的有限元分析及岩土工程中其他常用数值方法。课程将有限元及岩土力学中最基本、最重要的理论工具进行强化和贯穿，突出有限元等数值方法的基本理论和岩土工程问题的解题步骤，培养研究生的抽象思维、逻辑推理能力，应用、创新能力及严谨的科学精神，提高研究生的科研素养。将有限元方法等数值原理贯穿于不同材料、不同类型的岩土工程问题的分析求解中，了解有限元程序和岩土工程分析软件，应用有限元方法分析和处理具体工程实际问题，提高研究生的科研攻关的能力。通过该课程的学习，为后续课程的学习和开展岩土工程实践及科学研究奠定坚实的基础。

《岩土工程数值方法》教学内容丰富、研究方法深入，既具有传统理论课程的高度抽象性与严密科学性，又强调应用的广泛性与技术性，是培养学生思维能力、计算能力、应用能力和创新能力的重要载体。《岩土工程数值方法》具有开展课程思政教育改革的条件和优势，一方面本课程一直是岩土工程专业研究生的必选课，课程教学对象人数较多，在该课程中展开思政教育就更有现实意义；另一方面，本课程是解决岩土工程实际问题的一门工具类课程，与实际联系密切，相对于纯理论课程而言更“接地气”，可以更好地结合工程进行思政教育。课程组在十几年的教学中一直努力尝试教学改革研究，本文试图在《岩土工程数值方法》课程思政教学改革方面进行一些探索。

三、《岩土工程数值方法》 课程思政的探索和实践

在《岩土工程数值方法》课程教学中，充分利用本课程开展思政教育的条件和优势，围绕教学大纲，在晦涩难懂的理论教学中增加育人的内容，提升教学的趣味性，缓解教学中沉闷的氛围，加深学生对基础理论的理解。将马克思主义理论和社会主义核心价值观贯穿到教学全过程，培养学生使命感和责任感，助力学生树立正确的辩证观和人生观，让学生从课程中学习人生哲理并培养工程素养。努力实现润物细无声，发挥“小课堂”的“立德树人”的“大作为”。

（一）将数值方法的发展与当代中国科技发展相结合，培养学生使命感和责任感。

数学是数值方法的根基，我国是一个数学大国，有着悠久的历史文化和辉煌的数学成就^[2]。在介绍数值方法的发展中，向学生穿插华人科学家所做出的成就，以此激发学生爱国主义自豪感。如国际著名数学力学家石根华教授先后创立了块体理论和非连续变形分析方法（DDA）^[3]。DDA是与有限元为代表的连续介质力学数值分析方法相平行的一种新的非连续介质力学数值分析方法，被誉为“21世纪的新一代方法”。再如固体力学家徐次达教授首次将加权残值法应用到固体力学问题求解中，创立了我国加权残值法计算力学^[4]，引领我国在加权残值法方面的研究工作处于国际领先地位。这些都是近现代行业中著名的专家，通过讲述他们的故事，也能激励学生奋发学习，攀登数学高峰，努力赶超外国先进科学与技术。

数值方法应用广泛，国际上90%的机械产品和装备都是由有限元进行分析的^[5]，在介绍数值方法应用方面，发掘用数值方法解决身边问题、热点问题、重大科学工程问题的案例，如结合2020突发的新冠肺炎疫情，向学生介绍可以利用数值方法方法来预测疫情的发展趋势，据此可以扩展到疫情发生以来，在党的集中统一领导下，全国一盘棋战疫情，取得重大疫情防控成果，借此讲清楚中国特色社会主义为什么“好”。在介绍第一架B-777飞机设计中大量采用有限元分析手段，借此引申指出我国“嫦娥四号”探测器成功实施人类航天器首次着陆月球背面探测，“蛟龙号”载人潜水器已经在大海深处创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录，这些超级工程的顺利实施同样离不开数值模拟技术的发展。引导学生在未来学习和工作中发扬艰苦奋斗、敢于探索、刻苦钻研的精神，传承中国科技之光，继承科学思想。

（二）将马克思主义哲学思想融入数值求解原理，助力学生树立正确的辩证观和人生观。

习近平总书记强调，要教育大学生学会运用马克思主义立场观点方法观察世界、分析世界，让学生深刻感悟马克思主义真理力量，为学生成长成才打下科学思想基础。辩证哲学思想是全面客观分析问题和解决问题的思维方式，也是数值方法类课程进行教学工作的重要工具。岩土工程数值方法课程中蕴含着许多哲学原理，如数值分析的特点是承认各种计算误差存在，但同时又要控制误差，这与马克思主义矛盾论是不谋而合的^[6]。通过课程教学教育学生做事要敢于承认各种矛盾、不回避问题，但同时我们一定要能化解矛盾、解决问题。再比如讲解显式积分格式和隐式积分格式时，显式积分格式计算工作量小，适应性强，但是条件稳定的，而隐式积分格式计算工作量大，但往往是无条件稳定的。说明凡事具有两面性，要采用辩证的观点分析问题。又如插值节点个数越多误差一般会越小，但是龙格实验却打破了这一常规性认识，有时候节点越多可能误差也会越大，这一现象体现了一般规律和特殊现象之间的辩证关系，不能迷恋于想当然的结论和一般性的规律，偶然也会有一些区别于常识和规律的特殊结论。诸如此类的思想方法不仅能促进学生加深理解相关理论知识，也可帮助学生树立正确的辩证观和人生观。

（三）升华课程知识点，在晦涩难懂的理论中增加育人的内容，加深学生对基础理论的理解的同时，学习人生哲理，领悟做人的道理。

有限元方法是典型的、应用最广的数值方法之一，是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算方法。其主要基本思想是化整为零，化零为整^[7]。用有限单元代替连续体，将无限自由度问题转化为有限自由度问题，将复杂的偏微分方程化为简单的线性方程组。通过有限元原理的讲解，让学生理解有限与无限的辩证统一，体会“有限的单元、无限的能力”，正确认识和处理个人与集体的关系；正确面对人生发展道理上困难和挫折，把困难化大为小，化整为零，从而实现人生目标。在讲解计算方法的稳定性时，一些算法由于开始一个微小的误差，有可能随着计算步骤的深入造成巨大的误差，类似于气象学中的“蝴蝶效应”，具体说明初始误差带来的危害^[6]。由此告诫学生“勿以善小而不为，勿以恶小而为之”，如果人生的第一粒扣子没有扣好，不注意自己的一言一行就有可能以后酿成大错，在不经意间对学生进行了思想政治教育。

（四）通过具体工程案例引导学生正确处理理论与实践之间的关系，提升学生自身工程素养、培养学生具有严谨的科学精神、创新能力。

岩土工程数值方法的技术载体是数值模拟分析程序或软件。目前学生更关心的是数值软件的使用，不重视数值方法基础理论的学习，为解决这一问题可以将典型岩土工程案例分析引入课堂，开发典型工程案例。如挖掘岩土工程中常见的基本问题，开发岩土工程基础问题的数值分析教学案例，建立了这些问题的完整数值分析过程，形成针对各问题的程序包，包括源程序、代码说明、程序使用说明以及一些简单模型的计算分析等。还可以依托实际工程项目，开发基于工程应用的岩土工程问题分析的教学案例，通过案例展示解决实际工程问题时数值建模的思路方法、命令的使用、数据处理的技巧，与现场的工程进行对比分析，体会软件如何恰当运用才能反映工程实际。此外还可以改革课程的考评方式，开发一系列适合于小组合作的测试案例，并建立了全过程的评价体系，解决课程考评重课本轻实践，重知识轻能力，重结果轻过程等弊端。通过案例教学，一方面教育学生只有深入理解数值方法的本质，从根本上掌握数值分析的普遍方法，才能以不变应万变，更好地解决实际问题，引导学生正确处理理论与实践之间的关系；另一方面可以引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，结合现代设计方法和手段，进行结构分析、综合与仿真，培养其综合分析、解决岩土工程专业相关工程问题的思维方法和实践能力，从而强化工程伦理教育，培养学生严谨的科学精神、创新能力。

四、结语

本文充分挖掘蕴含在《岩土工程数值方法》中的育人因素，将马克思主义理论和社会主义核心价值观贯穿到教学全过程，从培养使命感和责任感、树立正确的辩证观和人生观、学习人生哲理、培养工程素养等4方面提出了《岩土工程数值方法》实施课程思政的策略和具体教学案例，为工科专业课程的思政教育建设和实施提供参考。

[参考文献]

[1] 习近平. 把思想政治工作贯穿教学全过程，开创我国高等教育事业发展新局面［N］．人民日报，2016-12-09．

[2] 黄政阁, 崔静静 . 计算方法课程教学中融入思政教育的探索与思考 [J]. 科技风,  2021, ( 1 ) : 46-47.

[3] 肖洁 . 石根华: 工程师中传奇的数学家 [N]. 科学网,  2017-09-21.

[4] 徐次达 . 固体力学加权残值法[M]. 上海 : 同济大学出版社 , 1987.

[5] 曾攀 . 有限元分析及应用. 北京 : 清华大学出版社 , 2004.

[6] 闵杰, 李璐, 欧剑 . 《数值分析》课程思政教学改革研究与实践 [J]. 大学数学,  2020,  36 ( 6 ) : 40-45.

[7] 海洪, 刘铁林 . 《弹性力学与有限单元法》课程思政建设与实践 [J]. 科教导刊,  2020, 25 ( 9 ) :192-194.

Exploration of Integrating Ideological and Political Education into Teaching of

'Numerical Methods in Geotechnical Engineering '

Li Weihua, Cai Guoqing, Liu Yan, Li Jian (School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University)

Abstract: The construction of curriculum ideological and political education is not only an important link in achieving the "three complete education", but also the key to cultivating morality and cultivating talents. This paper explores the ideological and political construction of the engineering major course "Numerical Methods in Geotechnical Engineering". This paper first expounds the curriculum background, teaching content and the current situation of curriculum ideological and political construction of " Numerical Methods in Geotechnical Engineering ", and systematically discusses the necessity of ideological and political construction of curriculum. Then, from four aspects, e.g. cultivating the mission and sense of responsibility, setting up the correct dialectical view and outlook on life, learning life philosophy, and developing engineering literacy, the paper proposes strategies for implementing curriculum ideological and political education in the " Numerical Methods in Geotechnical Engineering " course, and gives specific teaching cases, to provide a new train of thought in the actual classroom ideological education.

Key words: curriculum ideological and political affairs, geotechnical engineering, numerical method, three complete education