新工業革命視域下的環境與能源材料課程建設

李松　秦高梧

[摘 要]全球新工業革命浪潮的興起和不斷演進給工程教育帶來新的挑戰，也使環境與能源材料成為一門快速發展的交叉、前沿性學科。在該課程的教學過程中，課題組針對學科特點及時代要求進行了包括教學內容和教學方法在內的探索與實踐，重點針對新工業革命對材料工業的影響重新梳理該課程的內涵與邏輯，以培養基礎扎實、適應變化的高素質工程技術專門人才。

[關鍵詞]材料專業;新工業革命;課程設計;教學改革

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0060-03

環境、材料、能源是文明進步、經濟發展的三大基石，其中環境是空間和條件，能源是社會經濟運行的動力，而材料則是物質基礎和新技術變革的先導，歷史上許多重大的技術突破都起始于新材料的進步。環境與能源材料以上述三項基本要素的交叉為主要研究內容，是材料科學與工程相關專業的必修專業課和其他理工科專業的選修課程。隨著新工業革命進程的不斷推進，低環境負荷與清潔能源從理念逐漸變為工業現實，迫切需要構建符合新工業革命要求的新型課程內容及體系，使所培養的工程創新人才適應未來工業生態的挑戰。

一、新工業革命對工程教育的影響

歷史上，工業革命不僅極大地推動了人類文明的發展和工業的變革，而且對高等教育特別是工程教育的發展產生了深遠的影響。第一次工業革命在英國的興起，推動了蘇格蘭大學引入實用性課程和開設與工業相關的講座，直接導致了法國以工程技術教育為中心的高等專科學校的有組織發展[1]，實用主義精神成為法國專業教育的顯著特點。與工程技術相關的高等教育的發展則為第二次工業革命奠定了人力基礎，這一時期的發明家大多受到了良好的高等教育。在這一輪工業革命的推動下，歐洲的技術學院和工程師學?？焖侔l展，并得到政府和工業界的大力支持。工業發展與高等教育從此進入相互促進的良性發展軌道。大學不但被視為文化傳承和人才培養的基地，其作為基礎知識創新中心在支撐經濟發展中的核心功能逐漸被認識，并承擔起引領工程技術變革的任務。

當今世界正處于百年未有之大變局，全球政治經濟格局正在大發展、大變革、大調整。科技要素在其中發揮著巨大的催化作用，推動新的工業革命以前所未有的速度、規模和廣度變革現有的生產方式和經濟結構，并逐步形成新的經濟形態，其主要特征是能源清潔化和制造智能化、網絡化、數字化。這場以技術為主導的新工業革命不僅催生出一批新的產業，而且與傳統技術、產品相融合，從根本上改變了傳統產業的技術基礎，為生態破壞、全球氣候變化、發展不平衡等人類重大問題提供更加有效的解決方案，最終促進全球經濟結構和發展方式的深刻變革。

新工業革命修正了向地球無限索取的理念，轉而建設生態和諧、綠色低碳的可持續發展社會，這在給高等工程教育提出新要求的同時也帶來了理念的變遷：要求所培養的人才能意識到自身是生態圈的一部分。在知識數字化和互聯網化的驅動下，教育正在從簡單的知識傳授轉向工程創新能力的培養，由教為核心向學習為核心轉變。技術變革帶來的教育理念的變遷，也反映在工程教育認證體系中，如通用標準中要求學生“能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環境、社會可持續發展的影響” [2]。為此，有必要在前瞻性設計的基礎上主動改革教育體系和課程內容，變被動接受工業革命的影響為主動引領。

二、環境與能源材料的內涵變遷

材料是人類社會進步的基礎和先導。材料科學的每一次重大突破都促進了社會發展，使人類文明向前推進。兩次工業革命都是在材料進步的基礎上由能源結構變革與當時先進的生產技術相結合而掀起的，顯著推動了當時生產力的發展。鋼鐵工業的發展為18世紀以蒸汽機的發明和應用為代表的第一次世界工業革命奠定了物質基礎，實現了以煤炭為主要能源的機械化。第二次工業革命以電力和內燃機為主要標志，實現了電氣化或自動化。兩次工業革命成功建立了以化石能源為基礎的能源結構。20世紀中葉以來，以電子技術的發明和應用為代表的科技革命，半導體材料發揮著先導和核心作用，其后的激光材料和光導纖維的發明則推動人類社會進入信息時代。然而，傳統材料科學追求優異的物理化學性能，在生產、加工、使用和廢棄過程中不但消耗大量的資源和能源，而且向環境排放大量的氣、液、固廢棄物，使材料工業成為消耗能源和污染環境的主要工業產業。大規模消耗化石能源在加速文明進程的同時也給生態環境帶來了壓力，環境污染、資源匱乏、能效低下、氣候變化等一系列問題挑戰著人類社會的可持續性發展。環境和能源問題演化是當代中國和整個人類社會發展所面臨的重大挑戰。

為應對環境與能源領域的挑戰，對因工業發展而污染的環境進行修復、發展潔凈能源、節能技術逐漸上升為各國的國家戰略，成為公眾關注的迫切需求。融合納米技術，人們開發了在環境或能源領域發揮特定功能的材料，如修復被污染環境所使用的吸附材料、降解污染物的催化劑材料及將太陽能轉換為電能的光伏材料、將熱能轉變為電能的熱電材料等，形成了材料科學與“環境、能源”在性質或功能層面上的學科交叉。由于新材料研發在解決環境能源問題中發揮著關鍵的作用，現已成為當前多學科交叉領域的熱點研究方向，產生的大量研究成果是目前環境與能源材料課程的教學重點。然而，環境與能源材料概念的上述內涵仍基于傳統材料科學的學科邏輯，即以最大限度地發揮材料功能作為新材料研發的主要出發點，卻忽略了材料在可持續發展概念下的環境與能源屬性。

本質上，材料工業實際是通過消耗能量將礦產轉變為特定功能的材料，在制造、使用和回收的全生命周期內均具備環境和能源屬性。因而，環境與能源材料的廣義內涵還應包括所有材料在可持續發展理念下的環境與能源屬性，相當于在傳統材料科學“四要素”的基礎上疊加了環境與能源的約束條件。以金屬結構材料為例，不但需要考慮礦石開采、冶煉、加工環節的環境資源效率和能源效率，而且需要考慮使用和回收過程。因而，材料學界近年來加強了對輕質高強合金的研究以期降低移動設備的能耗，開發高強高導合金以降低電能傳輸網絡的能源損耗。由于有希望解決合金化給材料回收帶來的困難，以減少材料中元素種類為主要特征的材料素化策略贏得廣泛關注。材料工業上，以節約資源和能源、減少排放、易于循環為出發點的制造過程綠色化已經成為鋼鐵工業創新發展的重點[3]。這些新材料的研發不再片面追求材料性能，而是綜合考慮資源與能源節約，平衡材料性能與環境影響，力求開發性能良好、功能健全、環境負荷小且再循環利用率高的材料，反映了環境與能源材料概念內涵的不斷延伸。

新工業革命的一個重要特點是變革現有以化石能源為主題的能源格局。新能源問題不單單是清潔能源生產的問題，還包括利用清潔能源變革傳統的工業生產模式及流程。未來，太陽能、風能等清潔能源獲得的能量將主要以電能的形式傳輸和使用。相應地，材料和化工生產過程中的供能也將轉變為電力供能。在適應清潔能源過程中所需要的關鍵材料也應屬于環境與能源材料研究的范疇。

材料科學與工程專業重點培養材料及交叉高技術領域的一線工程技術人才。傳統上，人們對材料科學與工程學科的認知是它主要研究材料的組分與結構、合成制備、性質與使役性能、測試與表征等四個基本要素及其相互關系。這些科學和工程原理為主的內容相應構成了專業教學的重點內容。隨著社會進步對工程師要求的提高，在本科教育階段就應該讓未來的材料工程師了解工程決策還受制于環境、法規等非技術因素，從而有助于他們獲得從公共政策、社會價值的角度進行工程技術決策的能力。相應地，《華盛頓協議》和工程教育認證標準規定所培養的學生要了解工程解決方案對環境和社會背景的影響[4]，畢業要求中“工程與社會”“環境和可持續發展”兩個一級條目均與此密切相關[2]。

基于對環境與能源材料內涵變遷的認識，我們重構了該課程的教學內容，主要從可持續發展角度講授材料制造、服役和回收過程中的能耗及其環境負荷，同時涵蓋監測與修復環境、發展及建立各類能源系統所需要的關鍵材料。課程的主要目標支撐畢業要求中與“工程與社會”“環境和可持續發展”兩個條目相關的要求。知識層面上，培養學生建立材料全壽命周期的設計理念和可持續發展思想，使他們在從事新材料研發或材料工藝設計時能關注材料對環境的影響并注意節能減排技術的應用;了解環境與能源材料的發展概況，掌握典型環境與能源材料的制造、檢測和技術性能特點。素質層面上，課程對學生進行工程倫理教育，培養未來工程技術人員強烈的社會責任感、人文關懷意識和奮進精神。

三、環境與能源材料課程建設

（一）改革教學內容

面對全球能源結構變革、環境治理帶來的重大挑戰，高等工程教育必須積極應對、主動求變，通過主動謀劃課程改革培養面向未來的卓越工程創新人才，支撐民族偉大復興。重構后的環境與能源材料課程既包括傳統的環境功能和能源功能材料，又包括其他材料的環境和能源屬性，課程內容包括基礎理論、應用研究和評價系統。不同于數學、物理等公理化學科，環境與能源材料知識體系范圍廣闊，卻面臨知識點之間關聯性弱的問題。知識是課程的基礎和本質[5]，但只有依照特定邏輯進行分類的科學知識體系才能構成學科，解決復雜的問題。應深入挖掘學科邏輯，通過頂層設計架構系統化的課程邏輯體系，將孤立的知識結構化、系統化。在本課程中，課題組以人和社會為本，從介紹環境、能源及材料的關系入手，在闡明可持續發展概念的基礎上將環境與能源材料分為功能和屬性兩類，然后以能量流為邏輯主線有序地進行介紹，設計的主要章節包括：1.環境、能源與可持續發展;2.材料的環境協調性;3.環境工程材料;4.潔凈能源;5.能量轉換材料;6.能量存儲材料;7.節能材料等，涉及物理化學、環境學、固體物理、材料科學等多學科。

（二）改進教學方法

明確教學內容后，還需要合理地組織實施以實現教學目標。首先，課堂講授過程求深不求難，著力培養學生的批判性思維，不教記問之學。環境與能源材料知識點多，通過大膽取舍，課題組將部分內容化為課外閱讀作業，通過自主閱讀擴大學生的知識廣度，但知識的深度離不開教師的引領。沒有批判性思維，學習將缺乏深度。在教學實施上，我們以深入淺出地闡釋基礎性概念理論和直觀性物理圖像為重點，拒絕以新鮮、實用、有趣作為選取教學內容的標準。此外，與環境和能源相關的新材料研究是當前學術界的研究熱點，其中大量的材料問題并沒有固定的答案。通過將科研前沿的問題引入教學，鼓勵學生發現問題或質疑現有的理論觀點，也是激發學生的批判性思維的一個策略。這些教學方法的改進有利于培養學生從本質上理解知識的能力和清晰、精確、審慎思考的品質，實現知識與能力素質培養目標的平衡。

其次，采用“學習范式”下的教學組織方式。以學生學習為中心，以學習效果為導向，打破以往單向講授、強力灌輸的模式，不但可以促進學生的知識獲得、能力發展、素質養成，而且可以全面提高學生的綜合素養。“學習范式”下的教學過程以學生的習得為核心，但并不意味著教師作用的下降，相反，它對教師提出了更高的要求。這是因為課程是“一個情境化的社會過程”，由師生交互作用而產生“不斷生成的建構”[6]。為此，我們在教學中采用促成思考、開放討論的研究小組形式，除講授作為基礎知識的必要概念，主要引導學生發現問題、提出設想，并通過查找資料解決問題。如選擇鋼鐵、水泥、電池電極等典型的結構或功能材料，分析不同工藝方案在采冶、加工、使用、回收材料鏈上的資源、能源消耗與廢棄物排放，既培養學生的資源節約與綠色可持續發展意識，提高其工程倫理修養，又培養學生的批判精神、創新素質和運用信息技術進行搜尋、篩選、分析、批判、融通與靈活運用各種文獻的能力。在必要情況下，還以小組的形式對所提出的問題進行實驗研究。

再次，注重過程性的考核。課程考核不但是評價學生學習效果的重要形式，而且是學習及改進教學的重要環節，其根本的價值導向在于教育性。因而，課程考核不只應該發生在課程介紹之后，還應該貫穿課程的整個過程，使教學活動與學習成效評估保持一致，這是提高課程設計水平的重要保障[7]。本課程以考核評估習得性，利用閱讀報告、案例分析、方案設計、調研報告等形式體現學習產出，并將結果用于課程自身的持續性改進。

（三）注重工程設計

工程設計是決定材料產品在全生命周期內經濟、社會及生態價值的關鍵，是面向新工業革命創新發展的關鍵。隨著清潔能源、大數據、人工智能等技術的發展，工程活動的復雜性、規模和不確定性不斷增加[8]，這就要求未來的工程師既可以開展基于產業鏈的縱向工程實踐，又能夠進行跨行業的橫向整合創新，并適應產業的快速變化。東北大學材料學科長期圍繞經濟建設中發揮基礎性作用的金屬材料形成了重視工程的科研教學特色。在本課程的教學過程中則注重以作業的形式反映這一特色。

（四）強調價值觀教育

教育的本質在于“立德樹人”，而環境與能源材料課程兼具科技與人文課程的特點，蘊含了大量的價值觀和思想政治教育元素。如正確辨析可持續發展的概念，既包含了時間序列上的代際公平，又保護了地理空間上的國家發展公平，維護國家的正當發展權益;生態環境的保護理念與生態文明、人類命運共同體之間的關系等，這些都是知識傳授與價值引領的重要素材。

四、結論與展望

綜上所述，環境與能源材料課程是新工業革命時代背景下材料學科教學內容改革的重要切入點，教學內容和教學方法的更新有利于培養具備可持續發展理念、適應未來工程創新的材料專門人才。實踐表明，該課程引導學生思考未來，激發了他們學習的興趣。未來，課題組將長期跟蹤評價學習效果，并通過持續改進的方式不斷提升教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 夏魯惠.工業革命與中國工程教育發展[J].中國發展觀察，2020（Z1）：61-67.

[2] 中國工程教育專業認證協會秘書處.工程教育認證通用標準解讀及使用指南[Z].2018.

[3] 王國棟.鋼鐵行業技術創新和發展方向[J].鋼鐵，2015（9）：1-10.

[4] 林健.新工科人才培養質量通用標準研制[J].高等工程教育研究，2020（3）： 5-16.

[5] 李梟鷹，牛軍明，武鳳群.大學課程高深性的探幽與溯源[J].大學教育科學，2017（5）：53-56，26.

[6] 張華.課程與教學論[M].上海：上海教育出版社，2000：89.

[7] 朱征軍，李賽強.基于一致性原則創新課程思政教學設計[J].中國大學教學，2019（12）：24-28.

[8] 李肖婧，吳偉，許國動.工程設計教育的全面革新：新加坡科技設計大學的實踐[J].高教探索，2019（10）：59-65.

[責任編輯：陳 明]