面向新工科建設 踐行綠色工程理念

關鍵詞 新工科;綠色工程;熱學;案例庫;教改

伴隨新一輪產業革命，新工科應運而生。

2017年教育部頒布了“天大行動”，首先明確新工科人才培養目標：“要促進工科學生全面發展，把握好新工科人才的核心能力素養;強化學生的家國情懷、全球視野、法治與生態意識;培養學生設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維;提升創新創業、跨學科交融、自主終身學習、溝通協商和工程領導力”，這也為我們高等學校的工科教改明確了方向[1]。

與上述傳統工科、新工科相似的是：工程教育理念也在傳統的基礎上，與時俱進的發生變化，其中最為突出的當屬綠色工程教育的出現。綠色工程教育這一理念是針對傳統工程過度注重經濟效益，而忽視環境效益、社會效益提出的。綠色工程理念秉承一些基本的原則，通常有兩種表述：九原則、十二原則。無論是九原則，還是十二原則，其本質都是一致的[2]。

1 “新工科”與“綠色工程”的關系

面向新工科建設，踐行綠色工程理念，進行教學改革，首先必須明確“新工科”與“綠色工程”之間的關系。

復旦共識、天大行動和北京指南，構成了新工科建設的“三部曲”。在復旦共識中指出：“推動應用理科向工科延伸，推動學科交叉融合，促進科學教育、人文教育、工程教育的有機融合，培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的人才”[3];在天大行動中進一步提出：“把握新工科人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態意識”[1];在北京指南中，再次強調：“注重理念引領，強化工科學生的家國情懷、國際視野、法治意識、生態意識和工程倫理意識等，樹立創新型工程教育理念，提升學生工程科技創新、創造能力;樹立綜合化工程教育理念，推進學科交叉培養;樹立全周期工程教育理念”[4]。

綠色工程理念注重工程的設計、資源的選擇、方案的確立及最終實施全過程，始終如一地基于可持續發展的理念，著力協調好資源、環境、社會之間的關系，這與“新工科”教育的價值取向同向同行。以環境為例，工程實施過程造成的環境污染，要治理！ 這就不可避免地涉及多學科問題：物理學、化學、經濟學、法律、社會學、倫理學……。政府治理環境污染，企業繼續排污，光靠物理、化學方法治理顯然不行;政府不讓排污，科以重罰，企業卻明修棧道、暗度陳倉，靠經濟學方法、法律也不行;政府關停其企業，企業又另起爐灶，繼續排污，這就需要考慮社會學、倫理學的問題。環境治理看似一個并不復雜的問題，然而卻是一個多學科綜合的管理問題，這就對我們未來管理決策者提出了更高的要求。由此，要想讓“綠色工程”

理念真正落地并造福于人類社會，未來的工程技術、管理人員具備單一的專業知識是遠遠不夠的，還必須擁有多學科知識以及人文、科學、社會交叉的背景及較高的綜合素養，這恰恰與“新工科”人才培養目標相契合。

由此可見，“綠色工程”教育既是“新工科”教育的不可或缺的內容，又離不開“新工科”教育的理念引領。“綠色工程”教育客觀上使得“新工科”教育的內涵更為飽滿，“新工科”教育理念引領下的“綠色工程”教育不至于迷失方向。

根據“新工科”“綠色工程”理念兩者的關系，我們明確了制定教學實施策略所遵循的基本原則：以新工科理念引領“綠色工程”，以“綠色工程”完善充實“新工科”。

2 熱學課程案例庫開發

熱學是經典物理學中兩個分支之一——演化物理學的唯一代表，其地位十分獨特。熱學又有兩個分支：其中之一是描述宏觀規律的經典熱力學，被愛因斯坦視為“具有普遍內容的唯一的物理理論，在其基本概念適用范圍內是絕對不會被推翻的。”[5]由此可見，在應用物理系中，依托熱學課程進行教學改革，對提升學生綜合素養、落實新工科、綠色工程理念要求，其適宜、有效、充分性達成均應有較高的預期。

新工科的“新”，其顯著特征就是結構之變——體現在專業、知識、能力、課程的結構之變。其最終可歸結為通過課程建設并實施，達成上述所有結構之變[1]。依托教學內容的案例教學有其深厚的教育學理論依據，這種教學方法可以促進隱性知識與顯性知識的不斷轉化。具體地，通過案例的情境展示，可以達成將隱性知識外顯、顯性知識內化的效果。為此，我們基于應用物理系專業基礎課——熱學，面向新工科建設，踐行綠色工程理念，進行案例庫開發、建設、實施。

案例庫開發、建設最為重要的環節就是內容的甄別、選取。為此，筆者確定了課程案例庫建設的兩大原則：一方面遵循完整性原則，即考慮這是面向一門課程的案例庫，應系統完整，其案例須覆升創新創業、跨學科交融、自主終身學習、溝通協商和工程領導力”，這也為我們高等學校的工科教改明確了方向[1]。

與上述傳統工科、新工科相似的是：工程教育理念也在傳統的基礎上，與時俱進的發生變化，其中最為突出的當屬綠色工程教育的出現。綠色工程教育這一理念是針對傳統工程過度注重經濟效益，而忽視環境效益、社會效益提出的。綠色工程理念秉承一些基本的原則，通常有兩種表述：九原則、十二原則。無論是九原則，還是十二原則，其本質都是一致的[2]。

1 “新工科”與“綠色工程”的關系

面向新工科建設，踐行綠色工程理念，進行教學改革，首先必須明確“新工科”與“綠色工程”之間的關系。

復旦共識、天大行動和北京指南，構成了新工科建設的“三部曲”。在復旦共識中指出：“推動應用理科向工科延伸，推動學科交叉融合，促進科學教育、人文教育、工程教育的有機融合，培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的人才”[3];在天大行動中進一步提出：“把握新工科人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態意識”[1];在北京指南中，再次強調：“注重理念引領，強化工科學生的家國情懷、國際視野、法治意識、生態意識和工程倫理意識等，樹立創新型工程教育理念，提升學生工程科技創新、創造能力;樹立綜合化工程教育理念，推進學科交叉培養;樹立全周期工程教育理念”[4]。

綠色工程理念注重工程的設計、資源的選擇、方案的確立及最終實施全過程，始終如一地基于可持續發展的理念，著力協調好資源、環境、社會之間的關系，這與“新工科”教育的價值取向同向同行。以環境為例，工程實施過程造成的環境污染，要治理！ 這就不可避免地涉及多學科問題：物理學、化學、經濟學、法律、社會學、倫理學……。政府治理環境污染，企業繼續排污，光靠物理、化學方法治理顯然不行;政府不讓排污，科以重罰，企業卻明修棧道、暗度陳倉，靠經濟學方法、法律也不行;政府關停其企業，企業又另起爐灶，繼續排污，這就需要考慮社會學、倫理學的問題。環境治理看似一個并不復雜的問題，然而卻是一個多學科綜合的管理問題，這就對我們未來管理決策者提出了更高的要求。由此，要想讓“綠色工程”

理念真正落地并造福于人類社會，未來的工程技術、管理人員具備單一的專業知識是遠遠不夠的，還必須擁有多學科知識以及人文、科學、社會交叉的背景及較高的綜合素養，這恰恰與“新工科”人才培養目標相契合。

由此可見，“綠色工程”教育既是“新工科”教育的不可或缺的內容，又離不開“新工科”教育的理念引領。“綠色工程”教育客觀上使得“新工科”教育的內涵更為飽滿，“新工科”教育理念引領下的“綠色工程”教育不至于迷失方向。

根據“新工科”“綠色工程”理念兩者的關系，我們明確了制定教學實施策略所遵循的基本原則：以新工科理念引領“綠色工程”，以“綠色工程”完善充實“新工科”。

2 熱學課程案例庫開發

熱學是經典物理學中兩個分支之一——演化物理學的唯一代表，其地位十分獨特。熱學又有兩個分支：其中之一是描述宏觀規律的經典熱力學，被愛因斯坦視為“具有普遍內容的唯一的物理理論，在其基本概念適用范圍內是絕對不會被推翻的。”[5]由此可見，在應用物理系中，依托熱學課程進行教學改革，對提升學生綜合素養、落實新工科、綠色工程理念要求，其適宜、有效、充分性達成均應有較高的預期。

新工科的“新”，其顯著特征就是結構之變——體現在專業、知識、能力、課程的結構之變。其最終可歸結為通過課程建設并實施，達成上述所有結構之變[1]。依托教學內容的案例教學有其深厚的教育學理論依據，這種教學方法可以促進隱性知識與顯性知識的不斷轉化。具體地，通過案例的情境展示，可以達成將隱性知識外顯、顯性知識內化的效果。為此，我們基于應用物理系專業基礎課——熱學，面向新工科建設，踐行綠色工程理念，進行案例庫開發、建設、實施。

案例庫開發、建設最為重要的環節就是內容的甄別、選取。為此，筆者確定了課程案例庫建設的兩大原則：一方面遵循完整性原則，即考慮這是面向一門課程的案例庫，應系統完整，其案例須覆蓋到熱學的每一章;另一方面遵循普遍性原則，即每章選取的案例必須具有代表性，能展示本章的普適規律。基于上述兩個原則，我們對熱學課程教學內容[5]進行了梳理與研判，最終遴選出各章的案例如表1所示。

其中，城市熱污染的綠色工程治理以MG動畫格式展示，其余4個均以視頻、圖片、文本格式展現。

3 熱學課程案例庫教學設計實施

筆者將分別從熱學理論的兩個分支——宏觀理論、微觀理論出發，介紹其中如何依托工程案例，圍繞“新工科”“綠色工程”理念，進行教學改革探索。

案例1 綠色冰箱設計思路探索

本案例依據的理論基礎就是熱力學第一定律，簡稱熱一律。熱一律是科學知識，將其轉化為技術——循環技術（工程技術中最常見的就是熱機、制冷機技術），才能服務于社會。基于綠色工程理念，一種能耗少、結構簡單，且無氟利昂（造成對大氣環境污染）的冰箱，成為冰箱制造業的必然選擇。綠色工程理念決定了產品實現過程應考慮產品的三個屬性并重的特點：環境屬性——自然資源的利用率、對環境造成的影響、可拆卸性、可回收性、可重復利用性;能源屬性——能耗、綠色能源可用性;資源屬性——生產、制作應用的材料及其相關設備、信息等。從環境屬性視角，一言以蔽之：用環保材料、產品報廢后的材料可回收利用、結構設計可拆卸[6]。這正是綠色工程九原則第三條“在所有工程活動中使用生命周期理念”的具體體現。本案例側重工質的選擇、材料的選擇，并基于構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）簡稱CDIO 工程教育思路，創新問題式教學法，實施案例教學[7]。

CDIO 工程教育模式注重高校人才培養過程與企業生產產品過程相映射，這本質上為其日后真正成為一名能夠應對紛紜復雜挑戰的、名副其實的工程師提供了基本的保障。CDIO 模式下的教學，突出的是學生主動參與學習的程度和高標準的工程教育內容及實踐，這也是“新工科”建設理念的具體體現。為此，CDIO 工程教育思想對構建培養工程能力和創新能力的教學方法選擇具有很好的借鑒作用。基于這一思路，我們成功探索出“案例引導+自主探索+交流論辯”的問題式教學方法，并在教學過程中實施、檢驗。

以熱力學第一定律為例，在交代清楚知識點之后，接著介紹知識轉化為技術——循環技術的應用：綠色冰箱的設計。其設計思路與理念始終圍繞服務于社會、增加社會責任感的視角展開。從冰箱實現原則——環境屬性、能源屬性、資源屬性并重出發，對冰箱材料的選取、結構的設計，進行自主探索，分組討論，最終由各組推選代表，在組間展開交流論辯。以制冷工質循環管路的材料選取為例，教師提出問題：從傳熱、加工、耐腐蝕等諸多方面考慮，銅管均為最佳之選，但為什么今天我們更傾向于選擇鐵管，甚至鋁管作為替代品？要求同學自主探索。在閱讀并理解大量相關文獻的基礎上，同學們展開激烈辯論，最終達成共識：這是以綠色工程理念為指導、以社會效益為目標，從金屬的生產必然伴隨有毒重金屬廢棄物，開采又會破壞大量土地，對環境造成影響等因素出發，折算成碳排放后，進行對比的必然選擇。這體現了綠色工程九原則第一條“考慮工程過程和產品的整體性，能使用系統分析，綜合利用環境影響分析工具”。

通過這種將知識傳授與工程實際密切結合的、基于CDIO 的問題式教學法的實施，提高了學生綜合運用所學知識進行觀察、分析和解決工程實際問題的能力，同時還激發了學生學習激情，拓展了學生視野。工程方法訓練過程，又使得學生潛移默化，自主體驗到綠色工程理念的內核所在，明確了工程師的社會責任。

案例2 濃縮鈾的物理方法對比

鈾是大自然賜予人類的一種低碳環保的清潔原料。235U 與238U 化學性質相同，但物理性質略有差異，兩者相差三個中子。在自然界，鈾大約有99.29%以238U 的方式而存在，而可用于核燃料或核武器的235U，在天然鈾中占比僅為0.71%。鈾真正作為清潔原料走向實用，對235U 濃度要求遠高于其在天然鈾中占比。如持續鏈式反應，對235U 燃料濃度要求約為3%;作為核動力，推進用核燃料235U濃度要求約為20%;而作為核武器的核原料，235U濃度則要求在90%以上。因此，鈾無論用于核燃料，還是用于制造核武器，首先得將天然鈾進行濃縮，而所有濃縮技術都是基于235U、238U之間微小的質量差異，進行同位素分離。

濃縮鈾的方法可分為物理方法與化學方法。就物理方法而言，最常用的、總占比約九成的方法，就是熱學方法。按其基于的熱學基本原理不同又可分為兩種：氣體擴散法與氣體離心法。

氣體擴散法分離的理論基礎是麥克斯韋速度分布。在密閉容器中裝有235U、238U 兩種混合氣體，當它們達到熱平衡后，在器壁上開一足夠小的孔，因輕分子的平均速度大，所以235U 比238U 更易逸出小孔。由此實現：器壁外收集的混合氣體中，輕分子235U 的相對豐度（輕分子與其余分子的粒子數之比）有所提高，從而實現一次濃縮。僅一次濃縮，相對豐度提高有限，如此反復，經過多級濃縮，直至所需濃度。然而在工程實現上，由于金屬鈾在2500K以上才有符合擴散法分離條件所要求的足夠大鈾蒸氣密度，而對蒸氣密度的這一要求，常溫下金屬鈾又無法滿足。實際的工程方法是：先將235U轉換成唯一在室溫下具有高蒸氣密度的鈾化合物——235UF6，對其進行濃縮，達到預設要求后，再對其進行還原，最終可得到濃縮的235U。從理論演繹到工程實現，同學們實實在在地感受到工程思維的重要性和必要性。

氣體離心法的理論依據是玻爾茲曼分布。用高速旋轉的圓筒對筒內混合氣進行分離：慣性離心力使較重組分更多趨于筒壁，從而實現筒軸處，輕組分相對豐度增加，達到濃縮的目的。

通過對表2兩種分離方法的對比，不難發現：全球范圍對濃縮鈾方法選擇，遵循資源耗散最小化這一共同原則。綠色工程九原則第五條“最小化資源耗散”必將成為倡導“可持續發展”的當今時代，我們不二的工程行為準則。無論上述哪種方法，在工程實踐中，都涉及對貧料鈾——235U 豐度為0.3%的濃縮鈾尾料，進行再濃縮、循環利用，這又進一步體現了九原則第四條“盡可能確保所有原材料和能源的輸入及輸出的自身安全和良性循環”的綠色工程理念。而選擇清潔能源鈾作為核燃料，也是綠色工程九原則第二條：“保護和改善自然生態系統，保護人類健康和福祉”，第六條：“努力避免產生廢棄物”的具體體現。

讀史使人明智，面向新工科對人才培養的要求，我們對鈾濃縮案例教學的背景資料進一步挖掘，并融入課程教學過程之中。1950年，新中國成立伊始，旋即組建了近代物理研究所，由著名的物理學家吳有訓任所長;朝鮮戰爭期間，美國多次威脅要使用原子彈，對我國進行核訛詐。1955年1月15日，毛澤東在中南海頤年堂主持召開會議，果斷做出了建立和發展我國原子能事業的戰略決策！ 地質學家李四光領導三支勘探隊，他們以將近一年時間，風餐露宿、翻山越嶺，以犧牲十余名勘探隊員生命的代價，終于發掘到新中國的第一塊鈾礦石。1957年《中蘇國防新技術協定》：向中國提供包括兩彈在內的尖端武器制造技術，并派專家來華協助研制工作。1959年蘇聯撕毀協定，中國從此走上了自主研發的創新之路。此后的十余年間，全國各地的科學家、技術工人、高校畢業生共有7萬多人陸續充實到核工業隊伍。為了祖國的核事業，他們隱姓埋名，默默奉獻，他們的事跡令人感動。這其中體現出的正是中國優秀傳統文化的基本內涵之一——家國情懷。這是一種個人對國家和人民所表現出來的深情大愛;是對國家富強、人民幸福所展現出來的理想追求;是對祖國的一種高度認同感和歸屬感、責任感和使命感。在原子彈設計過程取得理論突破的物理學家鄧稼先，為了大家，不惜放棄小家，甚至犧牲寶貴的生命，學生為之深深動容;而開辟嶄新的氫彈設計之路的物理學家于敏，使學生懂得國家昌盛、民族富強，必須走自主創新之路，以此激發學生創新抱負[8]。

4 教學效果

通過綠色工程案例教學法教學改革，學生收獲頗豐，也達成新工科背景下，踐行綠色工程教育的目的。學生對綠色工程理念加深了認識，并融入自己的見解，在綠色專題討論欄，對案例教學進行評價，分享學習體會。表3為學生對綠色工程案例教學評價。

此外，學生將新工科要求、綠色工程理念自覺貫穿于各項探究活動中，收獲滿滿。以國家級大學生創新活動資助項目“聲致毛細管液面升高研究”為例，李梓瑜等同學以綠色工程十二原則之四的“設計的工程產品、過程和系統要使產品質量、能源消耗、空間使用、時間利用的效益最大化”綠色理念、科學技術社會的教育理念為指導，基于項目研究結論，首創性地將超聲波微泵加裝于輸液瓶底部，以聲壓代替重力作為驅動源，解決了應急搶險等緊急情況下輸液瓶無法高位懸掛的問題，同時令超聲波微泵工作于項目研究發現的最佳工作點處，最大限度節約能源。該項目發表ESCI研究論文1篇，其創新的實驗裝置獲批國家實用新型專利1項，基于項目研究結論設計的輸液裝置參加了上海市互聯網+、挑戰杯大賽，分獲銀獎、銅獎。

5 結語

本文介紹了筆者以“新工科”為指導，貫穿綠色工程教育理念，并將此融于教學改革的實踐。我們以案例庫的形式，在展示教學內容的同時，潛移默化、潤物無聲，使學生在教學過程中經歷自主探索、獨立思考、跨學科交叉融合，最終達成新工科要求的學生全面發展、核心能力素養全面提升之目標。教學實踐證明，這一改革行之有效，有廣闊的推廣空間。