綠色理念在高等院校材料類專業(yè)中的滲透：探索與實(shí)踐

張 騰 馬建華 吳平平

(廈門工學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，福建 廈門 361021)

綠色材料，又稱為環(huán)境材料或可持續(xù)發(fā)展材料，是指在原料采取、產(chǎn)品制造、使用或者再循環(huán)以及廢物處理等環(huán)節(jié)中對地球環(huán)境負(fù)荷最小、最有利于人類健康的材料，是一種對人類環(huán)境、人類社會(huì)發(fā)展有利的材料[1，2]。綠色材料的概念最初是在1988年的第一屆IUMRS(國際材料研究協(xié)會(huì))國際會(huì)議上提出的。經(jīng)過若干年的發(fā)展，綠色材料由最初的“在物品的使用、丟棄的過程中對環(huán)境沒有危害、對人類身體健康沒有影響的材料”拓展為“在整個(gè)原料采集、制備生產(chǎn)、使用消費(fèi)、循環(huán)利用、資源再生整個(gè)生命周期中都是對環(huán)境及人類健康是有利的材料”。

綠色材料自從其概念被提出，這三十年來不斷地發(fā)展變化：從最初擴(kuò)展到環(huán)境材料開始，之后又延伸增加了綠色化學(xué)的概念，近年來又提出了可持續(xù)材料管理。隨著人們對綠色材料的理解以及其意義的進(jìn)一步加深，綠色材料在社會(huì)生產(chǎn)以及人們生活中所起到的作用也越來越大。作為以培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)工作為主的應(yīng)用型本科高等院校，在現(xiàn)代大學(xué)生的教學(xué)與生活過程中，滲透綠色材料的理念顯得尤其的重要。同時(shí)依據(jù)當(dāng)今世界環(huán)保理念，資源利用，新能源產(chǎn)業(yè)的趨勢，讓現(xiàn)代材料科學(xué)與工程專業(yè)大學(xué)生了解綠色材料、接觸綠色材料、理解綠色材料、應(yīng)用綠色材料，也是現(xiàn)今材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)過程中不可缺少的一環(huán)。

1 綠色相關(guān)理念簡介

中國國家十三五規(guī)劃中提出了綠色發(fā)展的概念，并確定其為主要目標(biāo)之一。綠色是永續(xù)發(fā)展的必要條件和人民對美好生活追求的重要體現(xiàn)。同時(shí)，在發(fā)展新型制造業(yè)這一部分也提到了發(fā)展新型制造業(yè)，實(shí)施綠色制造工程，推進(jìn)產(chǎn)品全生命周期綠色管理，構(gòu)建綠色制造體系[3]。在中國制造2025中，也提到了工業(yè)制造要綠色發(fā)展。其中綠色制造工程，就提到制定綠色產(chǎn)品、綠色工廠、綠色園區(qū)、綠色企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，開展綠色評(píng)價(jià)[4]。

自綠色材料的概念提出以來，類似的概念得以不斷提出，例如綠色化學(xué)。綠色化學(xué)是指能夠保護(hù)環(huán)境的化學(xué)技術(shù)。綠色化學(xué)作為一個(gè)新興的交叉學(xué)科與綠色材料相輔相成[5，6]。美國《綠色化學(xué)》(Green Chemistry)雜志中將綠色化學(xué)定義為“在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)有效利用(最好可再生)原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險(xiǎn)的試劑和溶劑”[7]。綠色化學(xué)可通過使用自然能源，避免給環(huán)境造成負(fù)擔(dān)、避免排放有害物質(zhì)，如以利用太陽能為目的的光觸媒和氫能源的制造和儲(chǔ)藏技術(shù)的開發(fā)，并考慮節(jié)能、節(jié)省資源、減少廢棄物排放量。2015年爆發(fā)的天津港的化學(xué)品爆炸事件引起社會(huì)對綠色化學(xué)品的廣泛關(guān)注。

2015年G7國家領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議上提出了可持續(xù)材料管理，這代表綠色材料利用的較大進(jìn)展[8]。所謂可持續(xù)材料管理是指在材料的整個(gè)生命周期過程中，更有效的利用及重復(fù)再利用的材料系統(tǒng)工程。可持續(xù)材料管理能從整體上改變社會(huì)如何使用自然資源以及如何進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的思維方式。通過觀察材料的整個(gè)生命周期，可以從中找到降低材料對環(huán)境影響的新機(jī)會(huì)或機(jī)遇。縱觀整個(gè)20世紀(jì)，全球材料使用已經(jīng)超過了人口增長速率的兩倍，人類每增加1%的GDP，就會(huì)產(chǎn)生0.4%的材料使用。

可持續(xù)材料管理和廢物處理有很大的不同，它關(guān)注的是整個(gè)材料的生命周期，包括了材料和產(chǎn)品的采集、生產(chǎn)、分布、使用以及拋棄這五個(gè)主要的材料生命周期。這個(gè)最新的概念不僅包含了零污染、綠色化學(xué)、環(huán)境標(biāo)簽、可持續(xù)供應(yīng)鏈管理、精益生產(chǎn)、綠色采購，還包含了美國EPA環(huán)境保護(hù)計(jì)劃、G8(八國集團(tuán))的3R(Reduce、Reuse、Recycle)計(jì)劃、UNEP(聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署)的可持續(xù)產(chǎn)品及消耗與可持續(xù)資源管理項(xiàng)目和OECD(經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織)的可持續(xù)材料管理框架[9]。

2 綠色理念在高校課堂教學(xué)中的滲透

2.1 綠色理念在傳統(tǒng)材料類課程教學(xué)中的滲透

在傳統(tǒng)的材料教學(xué)課程中增加綠色材料相關(guān)的內(nèi)容與知識(shí)，是滲透綠色材料理念最簡便快捷的方法。金屬材料加工過程中，鑄造、鍛造、切削、焊接、熱處理、電鍍等工藝都會(huì)對外部環(huán)境帶來比較大的負(fù)擔(dān)。而盡可能地降低這些影響，使得原材料損失、能源消耗、廢棄物產(chǎn)出達(dá)到最小化是綠色理念的一種滲透方式[10]。在金屬加工的課堂教學(xué)中，一方面鼓勵(lì)學(xué)生思考如何在材料加工過程中降低對環(huán)境的影響，另一方面可以提示學(xué)生在考慮所需零件選材時(shí)，除了材料的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性，還應(yīng)兼顧材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性。

無機(jī)非金屬材料是一類重要的工程材料，包括水泥、沙石、混凝土、玻璃等，在建筑材料中有非常廣泛的應(yīng)用[11，12]。在無機(jī)非金屬相關(guān)課程中，可以滲透綠色建筑材料的相關(guān)知識(shí)及可能的應(yīng)用，如原料中可以盡可能選取天然資源，采用低能耗的制造工藝、產(chǎn)品生產(chǎn)過程中降低甲醇、汞等有害的化學(xué)藥劑的使用、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的循環(huán)利用，不產(chǎn)生二次污染等等。教學(xué)過程中可以從同學(xué)們熟悉的教室環(huán)境和家居環(huán)境，采用互動(dòng)式教學(xué)方式，增進(jìn)同學(xué)們對周邊建筑綠色材料相關(guān)知識(shí)的了解。

在高分子材料的課程中，可以增加材料的回收與利用的相關(guān)知識(shí)。高分子材料在近幾十年間迅速發(fā)展，廣泛運(yùn)用與生活中的方方面面，由此也帶來了大量的環(huán)境問題。因此教學(xué)課程中，除了講解不同材料的性能與使用，也需強(qiáng)調(diào)可能造成的環(huán)境污染的問題，在平時(shí)教學(xué)中滲透材料的充分利用，節(jié)能高效的生產(chǎn)方式，建立綠色工業(yè)的概念。也可開設(shè)以“高分子材料的回收與利用”、“可降解高分子材料”等專題著重介紹塑料和橡膠的回收與再循環(huán)。

復(fù)合材料是一種由無機(jī)非金屬、高分子材料和金屬材料組成的混合物，被譽(yù)為“第四類材料”，代替了很多傳統(tǒng)的材料，在很多領(lǐng)域都有著廣泛的運(yùn)用。在課堂教學(xué)中增加復(fù)合材料的材料選擇與設(shè)計(jì)過程講解，如能否盡可能的使用自然材料、可降解材料來作為復(fù)合材料的基體或增強(qiáng)物，以降低對自然環(huán)境的破壞；能否設(shè)計(jì)相關(guān)的廢棄復(fù)合材料回收流程，盡可能的回收其基體或增強(qiáng)物；能否通過復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得盡可能的保持復(fù)合材料的強(qiáng)度又減少環(huán)境破壞較大的材料的比例[13，14]。 這些都可以在教學(xué)過程中激勵(lì)學(xué)生探索設(shè)計(jì)復(fù)合材料，同時(shí)滲透綠色材料的理念，讓同學(xué)們對綠色材料有實(shí)際的感性認(rèn)識(shí)。

當(dāng)然，直接開設(shè)“綠色材料”、“環(huán)境材料”專業(yè)選修課程也是一個(gè)行之有效的方法，這些課程可以傳統(tǒng)講授為主，貫穿綠色材料的起源、定義、研究意義、研究內(nèi)容、發(fā)展趨勢等，細(xì)化材料對環(huán)境的影響，對環(huán)境影響的評(píng)價(jià)技術(shù)，材料的資源效率，材料的采取與加工，材料的生態(tài)學(xué)等方面；或者以專題的形式展開，如綠色建筑材料、綠色包裝材料、綠色涂料、綠色耐火材料等。課程可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，要求學(xué)生收集相關(guān)的專題內(nèi)容，采用互動(dòng)教學(xué)的模式，教師和學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間交流，擴(kuò)大對綠色材料相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)知。也可以采用設(shè)計(jì)教學(xué)方案，給予學(xué)生一個(gè)具體的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綠色材料的流程設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)報(bào)告作為課程評(píng)價(jià)內(nèi)容。

2.2 新能源材料以及新能源課程

2012年，國家新版的專業(yè)目錄特別加入了新能源材料及器件專業(yè)，由此可見新能源材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了國家政策的主要關(guān)注。新能源相關(guān)材料，從節(jié)約能源、存儲(chǔ)能源的角度來說也屬于一種綠色材料。開設(shè)新能源材料專業(yè)，除了相關(guān)的材料科學(xué)基礎(chǔ)的課程之外，同時(shí)還應(yīng)著重關(guān)注幾類特殊的、具有產(chǎn)業(yè)前景、存在應(yīng)用價(jià)值與突破口的重要材料，例如，太陽能電池材料，鋰離子電池材料，超級(jí)電容器材料。同時(shí)也可以介紹部分與產(chǎn)業(yè)相關(guān)的新能源材料，例如核能材料(鋯合金、核聚變材料)，風(fēng)能材料(磁性材料)。

在課程講述的過程中，雖然新能源材料本身已經(jīng)可以節(jié)約利用能源，然而，制造新能源材料的過程中也應(yīng)提示學(xué)生注意生產(chǎn)制造過程中對環(huán)境的影響。例如，太陽能電池制造技術(shù)，一方面需要關(guān)注太陽能材料，如單晶硅、多晶硅提純所需要的耗能，現(xiàn)今制造方法多使用改造西門子法，其缺點(diǎn)就是耗電量太大，為了制造材料而產(chǎn)生的碳排放不容小覷。另一方面，需要注意生產(chǎn)多晶硅所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，如大量的尾氣，以及副產(chǎn)品四氯化硅，副產(chǎn)品回收過程中由于技術(shù)不成熟產(chǎn)生的有毒氣體，不僅僅對自然環(huán)境空氣、土壤有破壞作用，對人類生活也造成重要的影響。第三是關(guān)注能源傳輸與存儲(chǔ)問題，第四是關(guān)注新型的太陽能電池材料或太陽能直接轉(zhuǎn)化材料。由于用途的不同，某些新型的太陽能電池材料在特殊的地方有一定的優(yōu)勢，有些時(shí)候太陽能直接轉(zhuǎn)化成所需的熱能或其它能量，這里所涉及的相關(guān)材料并不一定比太陽能電池材料要差，也應(yīng)該有所關(guān)注。

2.3 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用

材料的設(shè)計(jì)及利用是當(dāng)今材料科學(xué)研究的一大挑戰(zhàn)，而發(fā)現(xiàn)新材料，創(chuàng)造新材料對現(xiàn)代人類的生產(chǎn)生活有巨大的幫助，材料科學(xué)工作者在不斷地探索突破已有材料的各種限制，不斷提升材料的各項(xiàng)性能。但是，在這個(gè)研究探索的過程中，也產(chǎn)生了大量的、重復(fù)性的浪費(fèi)，尤其是一些特殊材料的制備與合成，不僅成本較高、同時(shí)耗能較大。如何能夠在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)之前有一個(gè)較好的預(yù)測，是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的新趨勢。

2012年白宮白皮書提出了一項(xiàng)“材料基因組”計(jì)劃[15]，可以有效地降低材料研發(fā)過程中的彎路。通過計(jì)算機(jī)可以預(yù)測不同成分、不同結(jié)構(gòu)、不同尺度的材料及其相關(guān)的可能應(yīng)用。通過多尺度的材料科學(xué)研究計(jì)算(第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、相場計(jì)算方法、有限元計(jì)算方法)可以很好的發(fā)現(xiàn)并預(yù)測新型的材料及其可能的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)。在綠色材料的設(shè)計(jì)、使用、選材等方面使用計(jì)算機(jī)手段，可以很好地提升新型材料或新材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用也是當(dāng)今大學(xué)生的一項(xiàng)必備技能，可以通過結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能，來完成降低材料對環(huán)境破壞，選擇更友好環(huán)境的材料、設(shè)計(jì)更有效的合金、結(jié)構(gòu)材料或復(fù)合材料的目標(biāo)。

3 綠色理念在實(shí)踐課程中的滲透

3.1 生產(chǎn)實(shí)踐中的廢物回收

金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、就業(yè)實(shí)習(xí)是材料系學(xué)生參與材料的制備與生產(chǎn)的主要實(shí)踐形式，在學(xué)生參與這三類實(shí)踐課程的過程中，可以有意引導(dǎo)滲透綠色材料的思想，一方面可以關(guān)注實(shí)習(xí)過程中企業(yè)對廢料，舊料的回收處理，另一方面也需要關(guān)注生產(chǎn)中的耗能問題，同時(shí)也需要關(guān)注生產(chǎn)企業(yè)的廢料、有毒廢氣體等的處理方式，是否足夠環(huán)保，有沒有可以改進(jìn)的地方。

3.2 建筑材料的廢物利用

綠色建筑材料也是一類重要的綠色材料，通過參觀建筑工地建設(shè)所需要的材料，了解原料的來源、制造工藝，以及材料生產(chǎn)過程中的排放問題。建筑材料一個(gè)重要的組成部分是預(yù)制構(gòu)件，通過了解國家與地方對預(yù)制構(gòu)件的要求，探討預(yù)制構(gòu)件的建筑選材，以及模擬研究如何盡可能的降低對環(huán)境影響較大的材料的比例，或者如何增加可循環(huán)回收材料的比例，又同時(shí)可以保證工程性能，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。這可以成為實(shí)踐課程的一個(gè)重要組成部分。

3.3 新能源材料實(shí)踐課程的開設(shè)

伴隨新能源材料專業(yè)的開設(shè)，可以開設(shè)部分與新能源材料相關(guān)的實(shí)踐課程，例如太陽能電池測試，鋰離子電池測試。在教學(xué)實(shí)踐過程中，可以指導(dǎo)學(xué)生組裝太陽能電池材料，設(shè)計(jì)太陽能電池材料，對太陽能電池板進(jìn)行組裝、IV測試、短線測試等。鋰離子電池實(shí)踐課程，可以指導(dǎo)學(xué)生合成鋰離子電池的陰極與陽極材料，依據(jù)這些材料組裝鋰離子電池系統(tǒng)，通過改變不同材料成分以及組裝設(shè)計(jì)，來提高鋰離子電池的存儲(chǔ)容量、容積比、循環(huán)次數(shù)等等相關(guān)的重要參數(shù)。

4 綠色理念在校園文化中的滲透

校園文化的主體是在校學(xué)生課外文化活動(dòng)，是大學(xué)高等教育的一個(gè)重要的組成部分。它往往融合了學(xué)生的語言、行為、見解、價(jià)值觀、哲學(xué)觀等內(nèi)容。它的所謂的“規(guī)則”，往往是隱性的，也是大學(xué)生融入校園所必修的一課。大學(xué)校園文化在不同的大學(xué)之間，有相似性，同時(shí)，也會(huì)因?qū)W校文化精神的不同而不同。

校園文化是可以被構(gòu)建的，可以在構(gòu)建校園文化的精神之中融入綠色環(huán)保的意識(shí)，使得綠色材料的理念思想深入文化建設(shè)之中。在滲透校園文化方面，首先我們從日常生活著手，強(qiáng)調(diào)材料的循環(huán)利用。例如，在校園四處擺放的垃圾桶，可以依據(jù)垃圾分類的目錄分為廚余垃圾、可回收物、有害垃圾、以及其他垃圾。對于材料系的學(xué)生，可以進(jìn)一步的強(qiáng)調(diào)可回收物的價(jià)值，如可將可回收物進(jìn)一步細(xì)化為塑料類、辦公用紙、易拉罐類、玻璃類等等。這些材料可以直接回收再利用。同時(shí)也可以強(qiáng)調(diào)有害垃圾的害處，例如，廢舊的電池、手機(jī)類、廢棄數(shù)據(jù)線、以及電子元件等等。

校園文化活動(dòng)也是校園文化建設(shè)中重要的一環(huán)，例如，本系每年舉辦的綠色材料演講大賽，可以很好的調(diào)動(dòng)學(xué)生認(rèn)識(shí)綠色材料的積極性。整個(gè)演講大賽由學(xué)生自由分組，自由選題，自主尋找素材并制作PPT，最后發(fā)揮演講技巧闡明學(xué)生對綠色材料的理解。最后由評(píng)判老師從選題、PPT制作、演講技巧等方面給予學(xué)生一定的評(píng)價(jià)。從歷屆舉辦演講大賽的內(nèi)容來看，學(xué)生自主選題有些立意新穎，跳出傳統(tǒng)的框架，覆蓋范圍寬泛，不僅僅有利于綠色材料綠色思想的普及，同時(shí)也有利于學(xué)生演講技巧等綜合素質(zhì)的提高。

此外，建筑垃圾是常見的一種大塊的垃圾廢料，對建筑垃圾的再利用，可以更直觀的體現(xiàn)綠色材料的思想。在建筑垃圾上做簡單的修飾，可以成為藝術(shù)品，一方面增進(jìn)人文氛圍，同時(shí)也可以傳播綠色材料的再利用。

5 結(jié)語

本文依據(jù)綠色材料近年來的發(fā)展規(guī)律，結(jié)合工科院校發(fā)展的實(shí)際情況，著重探討了材料類專業(yè)綠色理念如何在課堂教學(xué)，課外實(shí)踐與校園文化中的滲透：對于課堂教學(xué)，既可以在傳統(tǒng)課程中增加綠色材料相關(guān)內(nèi)容，也可以通過開設(shè)新能源專業(yè)或相關(guān)課程來提高學(xué)生對綠色理念的理解，或者結(jié)合當(dāng)今計(jì)算材料學(xué)來減少設(shè)計(jì)研究材料對環(huán)境的影響；對于課外實(shí)踐、生產(chǎn)實(shí)踐過程中的廢物利用，以及新能源材料的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，直觀的增強(qiáng)學(xué)生的綠色、環(huán)保的概念；同時(shí)，在校園文化中，也可以融入綠色保護(hù)的意識(shí)。通過這些方式，可以最終實(shí)現(xiàn)綠色材料理念對學(xué)生生活全方位滲透的良好效果，幫助于學(xué)生更好的理解材料專業(yè)的專業(yè)知識(shí)并樹立可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保意識(shí)。