雙碳時代土木類專業(yè)課程優(yōu)化研究
——以給排水科學與工程專業(yè)為例

李振華，黃金陽，蔡麗云，沈程程

(廈門大學嘉庚學院 環(huán)境科學與工程學院，福建 漳州 363105)

0 前 言

2020年9月，中國向世界做出莊重承諾，將力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。隨后，我國各地各部門積極編制落實雙碳目標的行動方案。2021年7月，為深入貫徹黨中央、國務院關于碳達峰碳中和的重大戰(zhàn)略部署，發(fā)揮高校基礎研究主力軍和重大科技創(chuàng)新策源地作用，為實現(xiàn)碳達峰碳中和目標提供科技支撐和人才保障，中華人民共和國教育部制定了《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》。行動計劃明確提出了三大目標和七大舉措，并擬從三個層面組織實施[2]。那么，作為相對傳統(tǒng)的高校土木類專業(yè)教學與科研，如何“擁抱”雙碳時代、如何將碳中和理念與實踐融入土木類專業(yè)人才培養(yǎng)體系，值得探討。筆者作為一名高校土木類專業(yè)之一的給排水科學與工程專業(yè)教師，對此進行了思考。

1 土木類專業(yè)與碳中和的關系

高校土木類專業(yè)，是指一切和水、土、文化有關的基礎建設的計劃、建造和維修，包括城市規(guī)劃，土木工程，交通工程等學科。高等學校土建學科教學指導委員會下設土木工程、建筑環(huán)境與能源應用工程、給排水科學與工程、建筑電氣與智能化、建筑學、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風景園林、工程管理和工程造價、房地產(chǎn)開發(fā)與管理和物業(yè)管理9個學科專業(yè)指導委員會，對應《高等學校本科專業(yè)目錄》中的土木類、建筑類、管理科學與工程類(部分)和工商管理類(部分)11個專業(yè)[3]。單從土木類專業(yè)定義上看，好似與碳中和未直接關聯(lián)。但實際上，我國土木類行業(yè)從21世紀初，就開始在為雙碳目標的實現(xiàn)而努力了，這點只需細細研讀碳中和的定義，就可以得出答案。

碳中和是指企業(yè)、團體或個人測算在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”[4]。從碳中和的定義可以看出，碳中和目標的實現(xiàn)，主要是依靠植物造樹造林、節(jié)能減排等形式。而在土木類行業(yè)發(fā)展中，我國政府一直就高度重視節(jié)能減排工作，只是當時未上升到節(jié)能減排降碳的高度[5]。現(xiàn)有研究已表明[6]，碳減排優(yōu)劣順序依次為：節(jié)能提效、降低碳排放強度、增加低碳能源和減少高碳能源、通過植樹造林強化自然碳匯，以及二氧化碳捕集、封存和利用。當然，單純的能源中和并不就等同于碳中和，單純地實現(xiàn)能源中和也不意味著就同時可以實現(xiàn)碳中和[7]。因此，土木類行業(yè)的發(fā)展與碳中和是息息相關的，高校土木類專業(yè)也要根據(jù)碳中和要求不斷調(diào)整優(yōu)化。本文將以本科高校工學門類土木類專業(yè)之一的給排水科學與工程專業(yè)為例，初步探索雙碳時代背景下給排水科學與工程專業(yè)的課程優(yōu)化升級研究。

2 給排水科學與工程專業(yè)課程體系

給水排水工程是城鄉(xiāng)建設的重要基礎設施，是城鄉(xiāng)水系統(tǒng)社會循環(huán)的實施主體，是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。它以城鄉(xiāng)及工業(yè)為主要對象，主要從事水的開采、加工、輸送、回收及利用，滿足城鄉(xiāng)生活和工業(yè)生產(chǎn)的用水需求，并將生活污水和工業(yè)廢水收集、凈化與再生利用等，實現(xiàn)水的良性社會循環(huán)[8]。給排水科學與工程正是為其提供技術和人才支撐的核心學科專業(yè)。專業(yè)培養(yǎng)的人才主要服務于水資源利用與保護、城鄉(xiāng)給水排水、建筑給水排水、工業(yè)給水排水和節(jié)水工程技術等。當前給排水科學與工程專業(yè)體系分為知識體系(通識類知識、學科基礎知識和專業(yè)知識)和實踐教學環(huán)節(jié)(實驗、實習和設計)。其中，給排水科學與工程專業(yè)核心課程體系如圖1所示。

圖1 給排水科學與工程專業(yè)核心課程體系

3 雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程優(yōu)化升級

給排水工程作為城鎮(zhèn)正常運行的重要組成部分，是雙碳時代生態(tài)城市建設的前沿，也是低碳城市最有效的執(zhí)行者和體現(xiàn)者之一。雙碳時代的給排水系統(tǒng)，不能再僅僅將水供需矛盾、雨洪管理、水污染治理等作為唯一側(cè)重點，還需積極關注給排水系統(tǒng)中的碳排放足跡與碳中和率。給排水系統(tǒng)水循環(huán)中的碳排放路徑如圖2所示[9]。因此，高校給排水科學與工程本科專業(yè)課程教學，也需根據(jù)給排水行業(yè)逼近碳中和的要求，實行課程的優(yōu)化升級。

圖2 給排水系統(tǒng)水循環(huán)中的碳排放路徑示意圖

一是雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程教學理念升級。當前的給排水專業(yè)教學中，主要集中關注水的社會循環(huán)，即水在社會循環(huán)中的水質(zhì)和水量問題。基本上是以人類對水量和水質(zhì)的需求作為第一位，在滿足人類用水需求的同時盡可能地節(jié)能降耗。換句話說，目前為實現(xiàn)水的良性社會循環(huán)，給排水專業(yè)教學中大都是以能耗換取水質(zhì)和水量，而沒有關注整個水在社會循環(huán)中的碳排放量與碳中和率。因此，在對雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程優(yōu)化升級時，首先需對傳統(tǒng)的教學理念進行升級。也就是說，在今后的給排水專業(yè)本科教學中，我們不僅要繼續(xù)保障水的良性社會循環(huán)，還要緊緊盯住水循環(huán)中的各種碳排放足跡，例如能耗碳足跡、電耗碳足跡、藥耗碳足跡等，在進行指導學生進行給排水工程規(guī)劃和設計中，一定要深入分析碳中和潛力，力爭實現(xiàn)水的良性社會循環(huán)的碳中和運行，做到減污降碳協(xié)同增效。

二是雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程理論教學內(nèi)容拓展。基于雙碳時代給排水教學中碳中和理念的融入，我們還需對給排水課程理論教學內(nèi)容進行延展。在現(xiàn)有給排水科學與工程專業(yè)核心理論課程體系的基礎上，引入給排水工程與碳排放的關系、給排水工程碳排放計算與模型建立、給排水工程碳中和運行潛力測算、給排水工程碳中和評價方法創(chuàng)建、給排水工程碳中和與碳交易等教學內(nèi)容。同時，建議單獨增設一門給排水工程低碳工藝研發(fā)與運營的專業(yè)課，重點闡述給排水行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的技術路線與碳中和目標實現(xiàn)的路徑等。另外，給排水專業(yè)理論教學內(nèi)容還可與人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、量子科技等前沿方向整合，共同為給排水行業(yè)逼近碳中和而努力。

三是雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)實踐教學與碳中和深度融合。實踐教學是新工科要求的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基石，給排水科學與工程作為傳統(tǒng)的土木類工科專業(yè)之一，一直以來對學生創(chuàng)新能力和工程能力培養(yǎng)尤為重視。目前給排水科學與工程專業(yè)主要實踐教學環(huán)節(jié)包括有實驗(大學物理實驗、大學化學實驗、水分析化學實驗、水微生物學實驗、水力學實驗、泵與泵站實驗、水質(zhì)工程學實驗)、實習(測量實習、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習)和設計(泵站課程設計、管網(wǎng)課程設計、水廠課程設計、建筑給排水課程設計、畢業(yè)設計)。在目前實踐教學的基礎上，務必融入碳中和理念。具體而言，首先，可在原有水廠和污水廠的生產(chǎn)和畢業(yè)實習中增加“尋找水廠和污水廠的碳足跡” 等內(nèi)容；其次，在各類課程設計和畢業(yè)設計中，一定要考慮設計成果的碳排放量，在節(jié)能減排的基礎上，深度挖掘能量回收潛力，通過能量回收直接反哺或間接補償設計項目的碳排量，力爭實現(xiàn)碳中和運行。例如，目前在污水處理廠設計中，碳中和技術路徑已基本明顯，即通過污水余溫熱能回收、剩余污泥有機能量回收和污水廠光伏發(fā)電潛能開發(fā)三個方向進行碳補償。

四是雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程教材重構(gòu)。由于雙碳時代給排水科學與工程專業(yè)課程教學內(nèi)容的擴展，故需對專業(yè)部分課程教材內(nèi)容進行同步修訂和完善。具體而言，教材建設可從兩個方向著手，一是在原有教材基礎上進行補充，例如給排水科學與工程概論課需增加“給排水工程與碳排放的關系”一章，水工程經(jīng)濟課需增加“給排水碳中和與碳交易”一章；二是重新編撰新教材以彌補目前課程教材的空白，例如新編“給排水工程低碳工藝研發(fā)與運營”教材。同時，對部分課程教材相關章節(jié)再版編寫時，一定要引入碳中和的維度進行思考和分析，例如水質(zhì)工程學課、水資源利用與保護課都需站在碳中和的高度進行編寫。另外，根據(jù)教育部《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》中鼓勵高校開設碳中和通識課程的要求[2]，建議高等學校土建學科教學指導委員會協(xié)調(diào)下屬學科專業(yè)指導委員會，統(tǒng)一編著土木類專業(yè)碳中和通識課系列教材。

4 結(jié)束語

雙碳時代的來臨，對人類而言，不亞于一場席卷而來的新工業(yè)革命。作為基礎研究主力軍和重大科技創(chuàng)新策源地的高等學校，必須為實現(xiàn)碳達峰碳中和目標提供科技支撐和人才保障。傳統(tǒng)土木類專業(yè)之一的給排水科學與工程專業(yè)的課程教學，更應該積極“擁抱”雙碳時代，升級雙碳時代專業(yè)課程教學理念，拓展雙碳時代專業(yè)課程理論教學內(nèi)容，融合雙碳時代專業(yè)實踐教學與碳中和，重構(gòu)雙碳時代專業(yè)課程教材，真正做到將碳中和理念與實踐融入到專業(yè)人才培養(yǎng)體系中。同時，還需積極引導各層次人群踐行綠色消費、低碳生活新方式，營造綠色低碳生活的新時尚。

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