李松　秦高梧

[摘 要]全球新工業(yè)革命浪潮的興起和不斷演進給工程教育帶來新的挑戰(zhàn)，也使環(huán)境與能源材料成為一門快速發(fā)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(nèi)容和教學方法在內(nèi)的探索與實踐，重點針對新工業(yè)革命對材料工業(yè)的影響重新梳理該課程的內(nèi)涵與邏輯，以培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、適應(yīng)變化的高素質(zhì)工程技術(shù)專門人才。

[關(guān)鍵詞]材料專業(yè);新工業(yè)革命;課程設(shè)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(huán)境、材料、能源是文明進步、經(jīng)濟發(fā)展的三大基石，其中環(huán)境是空間和條件，能源是社會經(jīng)濟運行的動力，而材料則是物質(zhì)基礎(chǔ)和新技術(shù)變革的先導，歷史上許多重大的技術(shù)突破都起始于新材料的進步。環(huán)境與能源材料以上述三項基本要素的交叉為主要研究內(nèi)容，是材料科學與工程相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)課和其他理工科專業(yè)的選修課程。隨著新工業(yè)革命進程的不斷推進，低環(huán)境負荷與清潔能源從理念逐漸變?yōu)楣I(yè)現(xiàn)實，迫切需要構(gòu)建符合新工業(yè)革命要求的新型課程內(nèi)容及體系，使所培養(yǎng)的工程創(chuàng)新人才適應(yīng)未來工業(yè)生態(tài)的挑戰(zhàn)。

一、新工業(yè)革命對工程教育的影響

歷史上，工業(yè)革命不僅極大地推動了人類文明的發(fā)展和工業(yè)的變革，而且對高等教育特別是工程教育的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。第一次工業(yè)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(shè)與工業(yè)相關(guān)的講座，直接導致了法國以工程技術(shù)教育為中心的高等?？茖W校的有組織發(fā)展[1]，實用主義精神成為法國專業(yè)教育的顯著特點。與工程技術(shù)相關(guān)的高等教育的發(fā)展則為第二次工業(yè)革命奠定了人力基礎(chǔ)，這一時期的發(fā)明家大多受到了良好的高等教育。在這一輪工業(yè)革命的推動下，歐洲的技術(shù)學院和工程師學校快速發(fā)展，并得到政府和工業(yè)界的大力支持。工業(yè)發(fā)展與高等教育從此進入相互促進的良性發(fā)展軌道。大學不但被視為文化傳承和人才培養(yǎng)的基地，其作為基礎(chǔ)知識創(chuàng)新中心在支撐經(jīng)濟發(fā)展中的核心功能逐漸被認識，并承擔起引領(lǐng)工程技術(shù)變革的任務(wù)。

當今世界正處于百年未有之大變局，全球政治經(jīng)濟格局正在大發(fā)展、大變革、大調(diào)整。科技要素在其中發(fā)揮著巨大的催化作用，推動新的工業(yè)革命以前所未有的速度、規(guī)模和廣度變革現(xiàn)有的生產(chǎn)方式和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，并逐步形成新的經(jīng)濟形態(tài)，其主要特征是能源清潔化和制造智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。這場以技術(shù)為主導的新工業(yè)革命不僅催生出一批新的產(chǎn)業(yè)，而且與傳統(tǒng)技術(shù)、產(chǎn)品相融合，從根本上改變了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，為生態(tài)破壞、全球氣候變化、發(fā)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(jīng)濟結(jié)構(gòu)和發(fā)展方式的深刻變革。

新工業(yè)革命修正了向地球無限索取的理念，轉(zhuǎn)而建設(shè)生態(tài)和諧、綠色低碳的可持續(xù)發(fā)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(yǎng)的人才能意識到自身是生態(tài)圈的一部分。在知識數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)化的驅(qū)動下，教育正在從簡單的知識傳授轉(zhuǎn)向工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，由教為核心向?qū)W習為核心轉(zhuǎn)變。技術(shù)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(fù)雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響” [2]。為此，有必要在前瞻性設(shè)計的基礎(chǔ)上主動改革教育體系和課程內(nèi)容，變被動接受工業(yè)革命的影響為主動引領(lǐng)。

二、環(huán)境與能源材料的內(nèi)涵變遷

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

為應(yīng)對環(huán)境與能源領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，對因工業(yè)發(fā)展而污染的環(huán)境進行修復(fù)、發(fā)展?jié)崈裟茉础⒐?jié)能技術(shù)逐漸上升為各國的國家戰(zhàn)略，成為公眾關(guān)注的迫切需求。融合納米技術(shù)，人們開發(fā)了在環(huán)境或能源領(lǐng)域發(fā)揮特定功能的材料，如修復(fù)被污染環(huán)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(zhuǎn)換為電能的光伏材料、將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臒犭姴牧系?，形成了材料科學與“環(huán)境、能源”在性質(zhì)或功能層面上的學科交叉。由于新材料研發(fā)在解決環(huán)境能源問題中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，現(xiàn)已成為當前多學科交叉領(lǐng)域的熱點研究方向，產(chǎn)生的大量研究成果是目前環(huán)境與能源材料課程的教學重點。然而，環(huán)境與能源材料概念的上述內(nèi)涵仍基于傳統(tǒng)材料科學的學科邏輯，即以最大限度地發(fā)揮材料功能作為新材料研發(fā)的主要出發(fā)點，卻忽略了材料在可持續(xù)發(fā)展概念下的環(huán)境與能源屬性。

本質(zhì)上，材料工業(yè)實際是通過消耗能量將礦產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟üδ艿牟牧?，在制造、使用和回收的全生命周期?nèi)均具備環(huán)境和能源屬性。因而，環(huán)境與能源材料的廣義內(nèi)涵還應(yīng)包括所有材料在可持續(xù)發(fā)展理念下的環(huán)境與能源屬性，相當于在傳統(tǒng)材料科學“四要素”的基礎(chǔ)上疊加了環(huán)境與能源的約束條件。以金屬結(jié)構(gòu)材料為例，不但需要考慮礦石開采、冶煉、加工環(huán)節(jié)的環(huán)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(zhì)高強合金的研究以期降低移動設(shè)備的能耗，開發(fā)高強高導合金以降低電能傳輸網(wǎng)絡(luò)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(guān)注。材料工業(yè)上，以節(jié)約資源和能源、減少排放、易于循環(huán)為出發(fā)點的制造過程綠色化已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重點[3]。這些新材料的研發(fā)不再片面追求材料性能，而是綜合考慮資源與能源節(jié)約，平衡材料性能與環(huán)境影響，力求開發(fā)性能良好、功能健全、環(huán)境負荷小且再循環(huán)利用率高的材料，反映了環(huán)境與能源材料概念內(nèi)涵的不斷延伸。

新工業(yè)革命的一個重要特點是變革現(xiàn)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(chǎn)的問題，還包括利用清潔能源變革傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)地，材料和化工生產(chǎn)過程中的供能也將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏┠?。在適應(yīng)清潔能源過程中所需要的關(guān)鍵材料也應(yīng)屬于環(huán)境與能源材料研究的范疇。

材料科學與工程專業(yè)重點培養(yǎng)材料及交叉高技術(shù)領(lǐng)域的一線工程技術(shù)人才。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)、合成制備、性質(zhì)與使役性能、測試與表征等四個基本要素及其相互關(guān)系。這些科學和工程原理為主的內(nèi)容相應(yīng)構(gòu)成了專業(yè)教學的重點內(nèi)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(yīng)該讓未來的材料工程師了解工程決策還受制于環(huán)境、法規(guī)等非技術(shù)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(shù)決策的能力。相應(yīng)地，《華盛頓協(xié)議》和工程教育認證標準規(guī)定所培養(yǎng)的學生要了解工程解決方案對環(huán)境和社會背景的影響[4]，畢業(yè)要求中“工程與社會”“環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”兩個一級條目均與此密切相關(guān)[2]。

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

三、環(huán)境與能源材料課程建設(shè)

（一）改革教學內(nèi)容

面對全球能源結(jié)構(gòu)變革、環(huán)境治理帶來的重大挑戰(zhàn)，高等工程教育必須積極應(yīng)對、主動求變，通過主動謀劃課程改革培養(yǎng)面向未來的卓越工程創(chuàng)新人才，支撐民族偉大復(fù)興。重構(gòu)后的環(huán)境與能源材料課程既包括傳統(tǒng)的環(huán)境功能和能源功能材料，又包括其他材料的環(huán)境和能源屬性，課程內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究和評價系統(tǒng)。不同于數(shù)學、物理等公理化學科，環(huán)境與能源材料知識體系范圍廣闊，卻面臨知識點之間關(guān)聯(lián)性弱的問題。知識是課程的基礎(chǔ)和本質(zhì)[5]，但只有依照特定邏輯進行分類的科學知識體系才能構(gòu)成學科，解決復(fù)雜的問題。應(yīng)深入挖掘?qū)W科邏輯，通過頂層設(shè)計架構(gòu)系統(tǒng)化的課程邏輯體系，將孤立的知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化。在本課程中，課題組以人和社會為本，從介紹環(huán)境、能源及材料的關(guān)系入手，在闡明可持續(xù)發(fā)展概念的基礎(chǔ)上將環(huán)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(shè)計的主要章節(jié)包括：1.環(huán)境、能源與可持續(xù)發(fā)展;2.材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性;3.環(huán)境工程材料;4.潔凈能源;5.能量轉(zhuǎn)換材料;6.能量存儲材料;7.節(jié)能材料等，涉及物理化學、環(huán)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(nèi)容后，還需要合理地組織實施以實現(xiàn)教學目標。首先，課堂講授過程求深不求難，著力培養(yǎng)學生的批判性思維，不教記問之學。環(huán)境與能源材料知識點多，通過大膽取舍，課題組將部分內(nèi)容化為課外閱讀作業(yè)，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(lǐng)。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(chǔ)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(nèi)容的標準。此外，與環(huán)境和能源相關(guān)的新材料研究是當前學術(shù)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(fā)現(xiàn)問題或質(zhì)疑現(xiàn)有的理論觀點，也是激發(fā)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(yǎng)學生從本質(zhì)上理解知識的能力和清晰、精確、審慎思考的品質(zhì)，實現(xiàn)知識與能力素質(zhì)培養(yǎng)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?shù)哪Ｊ剑坏梢源龠M學生的知識獲得、能力發(fā)展、素質(zhì)養(yǎng)成，而且可以全面提高學生的綜合素養(yǎng)?！皩W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(chǎn)生“不斷生成的建構(gòu)”[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(chǔ)知識的必要概念，主要引導學生發(fā)現(xiàn)問題、提出設(shè)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(jié)構(gòu)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(yǎng)學生的資源節(jié)約與綠色可持續(xù)發(fā)展意識，提高其工程倫理修養(yǎng)，又培養(yǎng)學生的批判精神、創(chuàng)新素質(zhì)和運用信息技術(shù)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(huán)節(jié)，其根本的價值導向在于教育性。因而，課程考核不只應(yīng)該發(fā)生在課程介紹之后，還應(yīng)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(shè)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(shè)計、調(diào)研報告等形式體現(xiàn)學習產(chǎn)出，并將結(jié)果用于課程自身的持續(xù)性改進。

（三）注重工程設(shè)計

工程設(shè)計是決定材料產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)經(jīng)濟、社會及生態(tài)價值的關(guān)鍵，是面向新工業(yè)革命創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。隨著清潔能源、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，工程活動的復(fù)雜性、規(guī)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(chǎn)業(yè)鏈的縱向工程實踐，又能夠進行跨行業(yè)的橫向整合創(chuàng)新，并適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的快速變化。東北大學材料學科長期圍繞經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮基礎(chǔ)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(yè)的形式反映這一特色。

（四）強調(diào)價值觀教育

教育的本質(zhì)在于“立德樹人”，而環(huán)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(xù)發(fā)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(fā)展公平，維護國家的正當發(fā)展權(quán)益;生態(tài)環(huán)境的保護理念與生態(tài)文明、人類命運共同體之間的關(guān)系等，這些都是知識傳授與價值引領(lǐng)的重要素材。

四、結(jié)論與展望

綜上所述，環(huán)境與能源材料課程是新工業(yè)革命時代背景下材料學科教學內(nèi)容改革的重要切入點，教學內(nèi)容和教學方法的更新有利于培養(yǎng)具備可持續(xù)發(fā)展理念、適應(yīng)未來工程創(chuàng)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(fā)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(xù)改進的方式不斷提升教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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

[2] 中國工程教育專業(yè)認證協(xié)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(yè)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展方向[J].鋼鐵，2015（9）：1-10.

[4] 林健.新工科人才培養(yǎng)質(zhì)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(chuàng)新課程思政教學設(shè)計[J].中國大學教學，2019（12）：24-28.

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

[責任編輯：陳 明]