碳中和背景下“環(huán)境材料概論”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

吳曉勇，汪金鵬，高彩艷，龔 潔

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

2020年9月，習(xí)近平總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。碳達(dá)峰是指某個(gè)地區(qū)或行業(yè)的CO2排放量達(dá)到歷史最高值，然后經(jīng)歷平臺(tái)期進(jìn)入持續(xù)下降階段，是CO2排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)，標(biāo)志著碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)脫鉤。碳中和是指某個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)因人為活動(dòng)直接或間接排放的CO2與通過(guò)植樹(shù)造林等吸收的CO2相互抵消，實(shí)現(xiàn)CO2“凈零排放”[1]。實(shí)現(xiàn)這一宏大目標(biāo)，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，各行各業(yè)的發(fā)展一定會(huì)更注重節(jié)能減排和各種新能源、新材料的革新。

“環(huán)境材料概論”是環(huán)境學(xué)與材料學(xué)交叉的一門(mén)課程，主要研究材料的生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)和環(huán)境之間相互適應(yīng)、相互協(xié)調(diào)的原理與規(guī)律，其目的是尋找在加工、制造、使用和再生過(guò)程中具有最低環(huán)境負(fù)擔(dān)的材料，研究其再利用和再生循環(huán)利用技術(shù)，從根本上解決資源日益短缺、生態(tài)環(huán)境日益惡化等環(huán)境問(wèn)題[2]。

在當(dāng)前我國(guó)碳中和的發(fā)展背景下，環(huán)境學(xué)科對(duì)扎實(shí)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、確保如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)負(fù)有特殊的歷史使命。因此，在“環(huán)境材料概論”的教學(xué)過(guò)程中，首先要將碳中和政策進(jìn)行充分地解讀，找到環(huán)境與材料學(xué)科的契合點(diǎn)，再將相關(guān)聯(lián)的科學(xué)知識(shí)吸納、整合，通過(guò)多種形式傳遞給學(xué)生、傳遞給社會(huì)，使學(xué)生通過(guò)課程的學(xué)習(xí)學(xué)以致用，在今后的生活和工作中對(duì)節(jié)能減排、踐行綠色低碳起到模范帶頭作用。

1 “環(huán)境材料概論”課程簡(jiǎn)介

1.1 課程設(shè)置與師資基本情況

“環(huán)境材料概論”是武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程2個(gè)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課程，設(shè)置在第2學(xué)年下學(xué)期，共32個(gè)學(xué)時(shí)，前導(dǎo)課程為“資源與環(huán)境導(dǎo)論”“無(wú)機(jī)化學(xué)”“有機(jī)化學(xué)”“分析化學(xué)”。課程教師團(tuán)隊(duì)由3名副教授和1名講師組成，其中有3名教師具有海外研究背景，擁有豐富的教學(xué)與科研經(jīng)歷，多次獲批教學(xué)項(xiàng)目和評(píng)得教學(xué)成果獎(jiǎng)，尤其是在環(huán)境科學(xué)以及材料學(xué)等方面有優(yōu)秀的科研成果，為“環(huán)境材料概論”課程的教學(xué)提供了良好的基礎(chǔ)。

1.2 教材使用情況

選用清華大學(xué)出版社出版的普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《環(huán)境材料學(xué)》(第2版)；另外，以《環(huán)境材料概論》(化學(xué)工業(yè)出版社，馮奇等編)《生態(tài)環(huán)境材料學(xué)》(機(jī)械工業(yè)出版社，聶祚仁等編)部分章節(jié)內(nèi)容作為教學(xué)補(bǔ)充。

1.3 教學(xué)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

1.3.1課程內(nèi)容缺乏時(shí)代性

“環(huán)境材料概論”課程教材的知識(shí)體系完善，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)理論，特別是環(huán)境材料可持續(xù)發(fā)展理論，包括材料的生命周期評(píng)價(jià)、生態(tài)設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)、材料工業(yè)生態(tài)學(xué)等。除此之外，還介紹了環(huán)境治理材料、有價(jià)元素回收利用技術(shù)、有毒有害元素替代基礎(chǔ)、純天然材料、環(huán)境降解材料等。但在科技日新月異的今天，環(huán)境材料學(xué)科也要與時(shí)俱進(jìn)，融入新時(shí)期碳中和的科技需求。

根據(jù)中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于深化新時(shí)代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見(jiàn)》精神，課程思政是一種教育教學(xué)理念，所有課程都具有傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力和思想素質(zhì)教育的功能。高等教育既承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的責(zé)任，也承載著幫助學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀的重要使命。融入課程思政，具體來(lái)說(shuō)是指在課堂上將課本基礎(chǔ)知識(shí)與馬克思主義理論聯(lián)系起來(lái)，引導(dǎo)大學(xué)生樹(shù)立正確的三觀，幫助學(xué)生聚焦和關(guān)注一些熱門(mén)事件，從而培養(yǎng)其看待事物的正確角度和方法[3]。碳中和是中國(guó)積極實(shí)施的應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)家戰(zhàn)略，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和人類(lèi)命運(yùn)共同體構(gòu)建。這同樣也是高等教育課程思政的重要內(nèi)容。因此，“環(huán)境材料概論”課程內(nèi)容應(yīng)當(dāng)保持變化狀態(tài)，時(shí)常更新，契合國(guó)家碳中和政策的技術(shù)需求，滿(mǎn)足高校課程的思政需要。

1.3.2教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式是一種以教師、書(shū)本以及課堂為中心的教學(xué)模式?！碍h(huán)境材料概論”屬于交叉學(xué)科課程，涉及的知識(shí)內(nèi)容較廣，重難點(diǎn)較多。如果教師僅以課本為主將整本書(shū)內(nèi)容按順序講授，學(xué)生不僅無(wú)法很好地吸收或掌握知識(shí)，而且還可能因?yàn)檎n程枯燥或內(nèi)容太難而失去興趣。

1.3.3實(shí)踐教學(xué)有待加強(qiáng)

“環(huán)境材料概論”作為工科專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的課程，其與行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系是密不可分的。但目前多數(shù)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)缺乏實(shí)踐教學(xué)，教師大多注重理論知識(shí)，而忽略了實(shí)踐，導(dǎo)致工科學(xué)生對(duì)于工程實(shí)踐的了解程度以及創(chuàng)新能力不足，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生與企業(yè)實(shí)際需求的人才存在一定差距[4]。

2 “環(huán)境材料概論”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1 碳中和政策融入

教師團(tuán)隊(duì)根據(jù)教育部《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》(教科信函[2021]30號(hào))，解讀環(huán)境學(xué)科在碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)中的發(fā)展方向，尋找環(huán)境材料方向與碳中和、碳減排、碳零排以及碳負(fù)排關(guān)鍵技術(shù)的切入點(diǎn)，深入挖掘課程思政元素，制定與此匹配的新大綱、新教案、新課件，努力提升課程教學(xué)效果[5-6]。例如，第一章“環(huán)境材料概述”介紹了環(huán)境材料的發(fā)展簡(jiǎn)史，讓學(xué)生了解學(xué)科的產(chǎn)生背景?，F(xiàn)階段，全球升溫導(dǎo)致氣候風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，氣候變化成為人類(lèi)面臨的全球性環(huán)境問(wèn)題。碳中和是聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約《巴黎協(xié)定》所規(guī)定的目標(biāo)，也是我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)策[5]。因此，在第一章中增添了對(duì)碳中和政策的解讀，并剖析碳中和與環(huán)境材料學(xué)的關(guān)系，讓學(xué)生清楚碳中和政策的制定原因與意義，同時(shí)對(duì)環(huán)境材料學(xué)發(fā)展提出新的歷史要求。

2.2 “案例+研討”式教學(xué)模式創(chuàng)新

在“環(huán)境材料概論”的教學(xué)內(nèi)容中，有些章節(jié)在融入了“碳中和”主題后特別適合采用“案例+研討”式教學(xué)模式進(jìn)行授課，即首先將案例資料應(yīng)用于課堂教學(xué)中，然后由教師提出研討問(wèn)題，再讓學(xué)生通過(guò)資料檢索對(duì)案例進(jìn)行分析并討論，最后師生研討得出問(wèn)題結(jié)論。例如，第6章“固體廢棄物中有價(jià)元素的回收利用技術(shù)”是與碳中和政策中的固體廢物資源化技術(shù)密切相關(guān)的內(nèi)容。在進(jìn)行這章教學(xué)時(shí)，可以將上海師范大學(xué)卞振鋒教授2021年發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·可持續(xù)發(fā)展》上的“光催化貴金屬溶解”的研究成果作為案例。他們將光催化劑(二氧化鈦等)和溶劑(乙腈與二氯甲烷的混合物等)相互混合，通過(guò)光照，將報(bào)廢電子設(shè)備中的貴金屬溶解，實(shí)現(xiàn)了貴金屬的高效、綠色回收。教師可將案例延伸開(kāi)來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生思考若干問(wèn)題，比如：傳統(tǒng)的貴金屬回收技術(shù)有哪些？該方法與傳統(tǒng)的貴金屬回收技術(shù)相比優(yōu)越性體現(xiàn)在哪里？為什么符合碳中和政策？符合碳中和政策的技術(shù)有哪些，各有什么特點(diǎn)？之后學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇不同問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立探索或分組討論，也可通過(guò)查閱文獻(xiàn)等方式做出總結(jié)匯報(bào)，師生展開(kāi)研討，共同得出問(wèn)題結(jié)論。從學(xué)生角度來(lái)看，他們既通過(guò)教材知曉了傳統(tǒng)的貴金屬回收方法，也通過(guò)案例了解到了前沿的符合碳中和政策的綠色貴金屬回收研究成果。與此同時(shí)，還通過(guò)檢索資料、師生研討，得出符合碳中和政策的貴金屬回收技術(shù)特點(diǎn)。這種“案例+研討”式教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)以教師單方面講授課本知識(shí)、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的授課方式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[7-8]。

2.3 實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化

“環(huán)境材料概論”課程內(nèi)容既涉及基礎(chǔ)理論，又與實(shí)踐應(yīng)用緊密聯(lián)系。但其教學(xué)學(xué)時(shí)較少，教學(xué)條件有限，只設(shè)置了理論教學(xué)，未開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)[9-11]。因此，可以各類(lèi)科技競(jìng)賽(如“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等)為抓手，與課程組教師團(tuán)隊(duì)科研項(xiàng)目相結(jié)合，設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生參與各類(lèi)型科技競(jìng)賽創(chuàng)新活動(dòng)，在實(shí)踐中強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力[12-13]。例如：在講授“水污染治理材料”時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“g-C3N4光催化材料的制備及其在抗生素廢水處理中的應(yīng)用”課題開(kāi)展探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在課題研究中深入了解光催化這種環(huán)境友好型的污染治理技術(shù)。再比如，可以組織學(xué)生參加節(jié)能減排大賽，結(jié)合最后一章“生態(tài)建材”內(nèi)容，設(shè)計(jì)一種既可以保溫隔熱，又可以?xún)艋諝獾亩喙δ苤悄艽埃寣W(xué)生深入了解這種新型的切實(shí)可行的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

2.4 課外踐行拓展

高校對(duì)氣候保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展負(fù)有“特殊責(zé)任”。教師可通過(guò)“環(huán)境材料概論”課程教學(xué)，融入碳達(dá)峰、碳中和政策與理論，將節(jié)能減排、踐行綠色低碳理念傳遞給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生在校園開(kāi)展多種形式的碳中和科普活動(dòng)，引導(dǎo)各層次人群踐行綠色消費(fèi)、低碳生活新方式，營(yíng)造綠色低碳生活新時(shí)尚，推動(dòng)綠色校園建設(shè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于碳中和政策，根據(jù)環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)“環(huán)境材料概論”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探討?；诮虒W(xué)團(tuán)隊(duì)近5年的教學(xué)實(shí)踐，分析了教材和教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)融入碳中和政策、創(chuàng)新“案例+研討”式教學(xué)模式、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)等對(duì)課程進(jìn)行了優(yōu)化，既有助于學(xué)生了解學(xué)科方向與前沿，激發(fā)學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)又強(qiáng)化了學(xué)生節(jié)能減排的意識(shí)。在今后的教學(xué)工作中應(yīng)進(jìn)一步基于碳中和政策的具體實(shí)施拓展教學(xué)內(nèi)容，繼續(xù)探尋更適合“環(huán)境材料概論”課程的教學(xué)模式，培養(yǎng)兼?zhèn)鋵?shí)踐與創(chuàng)新能力的環(huán)保人才，投入到國(guó)家“打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同效應(yīng)，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力”工作當(dāng)中。