資源循環科學與工程專業實踐教學模式探索

高峰 劉宇 崔素萍

[摘 要] 針對首都經濟發展方式轉變和產業結構優化升級對人才培養知識結構和專業能力的現實需求，北京工業大學資源循環科學與工程專業教學團隊依托國家級科研基地，以學科前沿、工程實踐問題為導向，構建了具有資源節約和環境友好特色的多層次、立體化實踐教學平臺，設計出融合“資源循環+材料制造+綠色設計”的系列新實驗，探索了線上與線下相結合的實踐教學模式，推進了多元化教學效果評估改革，提升了學生解決復雜工程問題的能力，以滿足新工科建設對學生創新實踐能力培養的要求。

[關鍵詞] 資源循環科學與工程專業;實踐教學平臺;新工科

[基金項目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“面向京津冀區域綠色發展的材料新工科實習實訓平臺與制度體系建設”（E-XTYR20200601）;2020年度北京工業大學教育教學研究課題“新工科背景下資源循環科學與工程專業升級改造與創新人才培養路徑探索”（ER2020A009）;2020年度北京工業大學教育教學研究課題“材料綠色制造理論與實踐教學資源優化整合研究”（ER2020B041）

[作者簡介] 高 峰（1978—），男，北京人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部材料學院院長，教授，博士生導師，主要從事生態環境材料與資源循環科學研究;劉 宇（1984—），男，北京人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部副教授，主要從事環境材料與生命周期評價研究;崔素萍（1964—），女，山西太原人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部教授，主要從事生態建材和無機非金屬材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0105-04? ? [收稿日期] 2021-03-17

一、背景

當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，我國的經濟發展進入新常態，高等教育步入新階段。為了推動傳統工科專業適應新時代科技變革與發展趨勢，教育部通過“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”的起承轉合，全面啟動并系統部署了新工科建設，推動高校進行深入的探索和實踐[1]。

為了滿足國家節能減排，綠色、低碳、循環經濟等戰略性新興產業對高素質人才的迫切需求，2009年教育部部署設置了“資源循環科學與工程”戰略新興產業專業。北京工業大學是首批公布同意設置的十所高校之一。經過十多年的發展，專業緊密圍繞首都及京津冀區域無廢城市的建設需求，以環境友好的資源高效循環為特色，構建了上承冶金循環、下啟材料研發、旁引環境評價的教學體系，努力培養適應社會可持續發展、面向多學科交叉領域的高素質創新型人才。在專業人才培養過程中，實踐教學是必不可少的一個環節。在新工科背景下，專業在實踐課程體系和教學條件的建設和發展方面仍存在課程知識結構、實踐教學案例不適應新形勢等問題[2，3]。近年來，隨著首都“四個中心”戰略定位的不斷深化發展，資源循環和材料制造等相關企業已逐步外遷，以配合首都經濟圈產業結構布局調整，這對專業的實踐實習教學產生了較大影響，引發了實踐教學條件不足、難以持續穩定開展等現實問題。2020年，針對新冠肺炎疫情防控常態化的形勢，對人員聚集度較大的傳統實踐教學組織模式提出了新的挑戰。

針對以上問題，專業教師團隊依托“工業大數據應用技術國家工程實驗室”與“首都資源循環材料技術協同創新中心”等高水平重點科研基地，通過構建“線上+線下”相結合的專業實踐教學平臺，探索實踐教學模式，提升學生靈活運用跨學科知識和方法解決復雜工程問題的能力，以滿足新工科建設對學生實踐創新能力培養的要求。

二、專業特色實踐教學模式的探索

我校資源循環科學與工程專業自建立之初就秉持資源循環、材料產品和生態環境協調可持續發展的理念，專業教育始終以綠色發展和生態文明建設為主線，引導學生從生態學、環境倫理的角度認識資源循環與高效再生過程，通過生命周期評價方法印證資源循環再生、材料高效制備對環境的影響。專業教師團隊將國家重點研發等系列課題研究成果轉化為實踐教學內容，設計出“城市礦產”循環再造、固廢協同處置、材料生命周期評價與生態設計等一系列新實驗，實施以數據技術為支撐的資源循環再生+材料設計制備+生命周期評價的多學科交叉的專業實踐教學體系，并通過實施效果評價將專業知識學習、實踐能力培養、專業素質融合構建培養模式。

（一）“線下+線上”相融合的實踐教學平臺建設

1.資源循環與綜合利用線下實驗平臺。該線下實驗平臺主要由兩部分組成：（1）戰略金屬資源高效循環再造實驗，包括廢棄鈷鎳材料、退役電池中的有價金屬、電子電器中的廢棄電路板等模塊，涵蓋廢舊金屬高效循環過程中的破碎分選單元、浸出凈化單元、金屬萃取單元、深度凈化單元的相關實驗設備與裝置。實驗圍繞濕法冶金和火法冶金的典型金屬資源循環工藝技術展開，根據鈷、鎳、鎢等實際二次資源物料的特征組成，設計/開發有色金屬廢料資源循環的工藝方案。針對廢舊鈷鎳電池材料、廢舊硬質合金中的典型金屬再生過程，設計滿足資源循環工程不同工段環節的實驗。學生通過實驗手冊開展實驗流程設計和材料再造性能測試分析。（2）城市與工業固體廢棄物綜合利用實驗。針對城市建筑垃圾、廢棄玻璃、廢棄陶瓷、垃圾焚燒飛灰、粉煤灰、煤矸石、脫硫石膏等多類型城市固廢和工業固廢，設計以水泥窯協同處置固廢并制備水泥，廢棄物制備填料、骨料、泡沫玻璃、透水陶瓷磚等產品，并進行再生材料產品性能的測試分析。

2.流程工業產品生命周期多維評價線上實驗平臺。該線上平臺參照廢棄鈷鎳材料循環再造企業、水泥窯協同處置固廢生產企業等實際生產流程，按比例進行三維建模設計，分批次建立了廢棄鈷鎳金屬循環再造流程和水泥窯協同處置固廢流程的設備操作仿真系統和工藝控制仿真系統。三維虛擬仿真系統具備工藝流程、生產物料流及主要裝備結構剖析、廠區環境模擬、工廠虛擬漫游等功能，由設備操作仿真和工藝控制仿真操作系統，可以實現現場信號的模擬、連鎖控制與監控，并準確反映多個自變量與因變量之間的邏輯關系，模擬生產過程的各類故障處理，能夠反復進行實操訓練，并整合了對應的模擬仿真考評系統，可隨機進行實操考核等功能。通過引入生命周期評價和生態設計方法，可實現資源循環和材料再生制備流程及其工藝參數調控、優化過程的環境負荷可視化分析與展示，實現了學生對廢舊金屬循環再生、廢棄物協同處置生產流程及其工藝裝備的透徹認知和深入理解。