雙碳背景下《材料科學與工程選論》課程教學改革探討

張楚虹，聶 敏，劉新剛，何菡娜，李怡俊

(四川大學高分子研究所高分子材料工程國家重點實驗室，四川成都 610065)

1 引言

面對全球資源消耗、能源緊缺、環(huán)境污染、氣候變化加劇等嚴峻問題，2020 年9 月22 日，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出碳達峰、碳中和的“雙碳”宏遠目標，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。實現(xiàn)“雙碳”目標，培養(yǎng)具有創(chuàng)新和實踐能力的高素質(zhì)“雙碳”人才是基礎(chǔ)。教育部在2022 年5 月印發(fā)的《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》中特別強調(diào)，高校要加強綠色低碳教育，加大“雙碳”領(lǐng)域課程、教材等教學資源建設(shè)力度，推進“雙碳”相關(guān)專業(yè)人才的高質(zhì)量培養(yǎng)[1]。

材料是現(xiàn)代社會發(fā)展的基石，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵。材料科學與工程作為我國重要學科方向之一，肩負培養(yǎng)材料專業(yè)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重任。《材料科學與工程選論》是四川大學高分子材料與工程專業(yè)的一門研究生必修課程，以培養(yǎng)學生的材料工程化應(yīng)用和研發(fā)能力為目標，在專業(yè)教學中占有重要地位[2]。本文結(jié)合筆者多年講授該課程的教學實踐，剖析課程現(xiàn)狀，思考“雙碳”背景下課程內(nèi)容和教學模式的改革措施，探討新一代復合型“雙碳”人才的創(chuàng)新培養(yǎng)模式。

2 《材料科學與工程選論》課程現(xiàn)狀

2.1 課程內(nèi)容

《材料科學與工程選論》是一門主要講授有關(guān)新材料、新方法、新技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢的綜合性課程。通過該課程的學習，幫助學生建立材料科學基本知識架構(gòu)，明確相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標，學習各類新興材料的最新發(fā)展動態(tài)，為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過多年教學實踐，課程內(nèi)容不斷補充完善，特別是增加了功能復合材料、能源材料、高分子材料先進加工等相關(guān)內(nèi)容，取得了較好的教學效果。但是，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的快速發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整升級，《材料科學與工程選論》亟需增設(shè)“雙碳”相關(guān)材料和減排降碳新理論新技術(shù)的系統(tǒng)課程內(nèi)容，以滿足日益增長的培養(yǎng)學科交叉、具有“雙碳”工程應(yīng)用思維的新工科人才的迫切需求。

2.2 教學模式

以新材料和先進加工為特色的材料科學與工程專業(yè)，以培養(yǎng)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才為導向。《材料科學與工程選論》課程重視理論與工程應(yīng)用的聯(lián)系，但傳統(tǒng)的課堂教學模式不利于知識的拓展和與實際相聯(lián)系，學生大多被動接收知識，學習積極性和主觀能動性不高[3]。在國家“雙碳”目標需求下，新型產(chǎn)業(yè)和技術(shù)不斷發(fā)展，新材料和新事物不斷涌現(xiàn)，顯然這種單一的教學模式已經(jīng)遠遠不能適應(yīng)越來越高的創(chuàng)新性復合型“雙碳”人才培養(yǎng)目標的要求。針對較為繁雜的課程內(nèi)容，如何突破現(xiàn)有教學模式局限，通過多元化教學提高學習趣味性，實現(xiàn)學生變被動式吸收為主動學習是關(guān)鍵。

3 《材料科學與工程選論》課程教學改革的思考

作為材料科學與工程專業(yè)的一門核心課程，《材料科學與工程選論》涉及材料、化學、能源、環(huán)境等多領(lǐng)域知識，具有多學科交叉的特點。針對上述目前課程存在的“雙碳”教學內(nèi)容不足、教學模式單一等問題，課程設(shè)計需面向“雙碳”背景下的材料領(lǐng)域研究前沿，豐富課程內(nèi)容，更加系統(tǒng)的介紹新型清潔能源材料、環(huán)境友好材料、碳捕集、利用與封存技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容；改進課程教學模式，將綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展理念融入教學中，在傳統(tǒng)授課的基礎(chǔ)上增加情景教學、自主學習、應(yīng)用實踐等環(huán)節(jié)，為國家培養(yǎng)順應(yīng)時代發(fā)展的“雙碳”人才打下堅實基礎(chǔ)，具體思考與建議如下。

3.1 緊密結(jié)合“雙碳”材料和技術(shù)研究前沿，豐富和優(yōu)化課程內(nèi)容

碳中和是一條龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，在源頭上開發(fā)綠色清潔能源，在過程中踐行節(jié)能減排，在后端實現(xiàn)高效資源循環(huán)利用，是實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵，每個環(huán)節(jié)都涉及到材料和技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用。因此，結(jié)合碳中和理念，《材料科學與工程選論》課程建議增設(shè)并系統(tǒng)介紹以下內(nèi)容。

3.1.1 清潔能源材料與技術(shù)：發(fā)展清潔能源，推動我國能源經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型，降低對化石能源的依賴性，是從源頭上減少碳排放的根本途徑之一[4,5]。目前，我國能源結(jié)構(gòu)正由化石能源向化學電源、核能、生物質(zhì)能、地熱能、風能、海洋能、太陽熱能/電池、潔凈煤等清潔能源轉(zhuǎn)變，也引發(fā)了清潔能源材料和技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)和利用。該部分教學內(nèi)容有助于學生了解新能源材料和器件的最新科技進展，構(gòu)建新能源技術(shù)知識體系。

3.1.2 環(huán)境友好材料及其高值高效回收利用技術(shù)：

環(huán)境友好材料在整個服役周期內(nèi)不會對環(huán)境產(chǎn)生污染或造成公害，開發(fā)新型環(huán)境友好材料，如生物質(zhì)材料、可降解塑料、環(huán)境友好水溶性聚乙烯醇材料等[6,7]，有助于實現(xiàn)節(jié)能減排，符合綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的要求。另一方面，材料使用后的再回收利用也是重要的資源碳中和途徑。以高分子材料循環(huán)利用為例，石化工業(yè)將能源碳大規(guī)模轉(zhuǎn)化為高分子材料等物質(zhì)碳，但隨之也產(chǎn)生大量廢棄高分子材料，僅廢棄塑料我國就超過6000 萬噸/年，其中僅30%被回收利用，形成大量“白色污染”。若將這6000 萬噸廢棄塑料回收利用，即可少用6000 萬噸塑料原料，節(jié)約1.4 億噸原油，相當于大慶油田3 年的產(chǎn)量。這不僅可減少石油開采和樹脂合成過程的碳排放，降低對石油資源的依賴，還可以減少高分子廢棄物給環(huán)境造成的污染難題[8]。

3.1.3 固碳材料與碳捕集技術(shù)：碳捕集、利用與封存技術(shù)將二氧化碳從排放源中分離后直接加以利用或封存，是后端有效降低碳排放的重要手段[9,10]。碳捕集與能源化利用、碳捕集與資源化利用是固碳技術(shù)發(fā)展的2 個重要方向，前者利用二氧化碳超臨界狀態(tài)下優(yōu)異的流動性和熱傳導性等特性，將其用作燃料驅(qū)動熱機；后者將二氧化碳代替石油做化工原料，衍生出建筑材料、化學品、塑料、碳纖維和碳材料等極具潛力的新型材料。

《材料科學與工程選論》課程內(nèi)容應(yīng)與時俱進，不斷補充和完善“雙碳”背景下帶來的新知識、新理論和新技術(shù)，可重點介紹上述清潔能源材料、環(huán)境友好材料、固碳材料等不同類型新興材料的結(jié)構(gòu)、性能、合成方法、應(yīng)用領(lǐng)域以及存在的問題等。但由于課時限制，也不能面面俱到，教師應(yīng)結(jié)合自身研究背景，優(yōu)化教學內(nèi)容，例如“雙碳”目標下的能源轉(zhuǎn)換與存儲材料和技術(shù)范圍廣，內(nèi)容多，在讓學生對該領(lǐng)域有一個基本認識的基礎(chǔ)上，可以聚焦以電化學為核心的能源轉(zhuǎn)換與存儲，包括超級電容器、二次電池、電催化分解水材料及技術(shù)等，引入更多最新研究前沿進展的實例講解，激發(fā)學生對“雙碳”知識的求知欲，為培養(yǎng)自主創(chuàng)新的“雙碳”人才打下良好基礎(chǔ)。

3.2 改進教學方法，踐行多元化“雙碳”教學模式改革

3.2.1 情景教學，互動學習：采用“情景教學”的方法，將抽象的理論知識直觀化，讓學生切身感受到新材料的開發(fā)設(shè)計與“雙碳”目標之間的內(nèi)在聯(lián)系以及作用機制，激發(fā)學生的興趣，加深學生的理解和認知。例如，在介紹清潔能源材料及關(guān)鍵技術(shù)時，展示相關(guān)實驗視頻，讓學生能夠直觀理解材料的制備流程和在相關(guān)儲能系統(tǒng)中的實際應(yīng)用情況。采用“啟發(fā)式”教學模式，結(jié)合“分組討論”，如在講述廢棄高分子材料回收利用時，可引導學生思考并討論“白色污染的治理策略”，活躍課堂氣氛，推動教學互動，增加學生的參與感，調(diào)動學生的學習主動性，提高教學質(zhì)量。

3.2.2 項目引導，應(yīng)用實踐：依托科研項目，引導學

生參與實驗研究，避免傳統(tǒng)課堂教師灌輸性枯燥講解，促使學生將《材料科學與工程選論》課程所講述的抽象知識轉(zhuǎn)化為應(yīng)用實踐，培養(yǎng)學生靈活應(yīng)用理論知識，解決實際工程問題的能力，全面提高學生綜合素質(zhì)。如通過參與與能源相關(guān)的功能器件3D打印項目，讓學生深入了解3D 打印技術(shù)的原理和器件多層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建機制，增進學生對材料加工特性、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)效關(guān)系的理解。鼓勵學生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”等實踐與學術(shù)科技競賽，指導學生實戰(zhàn)演練，達到以賽促學、以賽促教的效果，培養(yǎng)學生良好的創(chuàng)新意識和科學素養(yǎng)，提高學生的科技創(chuàng)新與工程實踐能力。

3.2.3專題導向、自主學習：在學生充分了解《材料科學與工程選論》的基本理論知識后，可開展專題討論，串聯(lián)所學知識要點，通過不同知識點的相互印證，實現(xiàn)融會貫通，幫助學生形成系統(tǒng)的知識體系，加深對課程內(nèi)容的理解與掌握。例如，開設(shè)“發(fā)展可降解高分子材料對解決全球白色污染的可行性”的專題討論，引導學生查閱、綜述現(xiàn)有可降解高分子材料的種類、結(jié)構(gòu)與性能、加工特性，白色污染的來源，材料的降解機理及產(chǎn)物對環(huán)境的影響等，加深學生對可降解材料助力實現(xiàn)“雙碳”目標的理解，樹立可持續(xù)發(fā)展的科學觀。

3.2.4追蹤前沿，與時俱進：碳中和的專業(yè)和學科建設(shè)具有鮮明的交叉性、應(yīng)用性和變革性特征。教學內(nèi)容不應(yīng)局限于現(xiàn)有教材，應(yīng)更多地關(guān)注學科研究動態(tài)和熱點，將最新的學術(shù)成果及時充實到教學中，拓寬學生知識面，加強學生對本領(lǐng)域的了解，促使學生掌握前沿性和創(chuàng)新性知識，這反過來也可增進學生對于課程的學習興趣。通過邀請領(lǐng)域知名學者、產(chǎn)業(yè)界專家進行線上或線下授課，鼓勵學生多參加“雙碳”知識網(wǎng)絡(luò)講座，把不懂的問題反饋給教師并開展課堂討論，營造良好的學術(shù)氛圍，激發(fā)學生的科研熱情，培養(yǎng)“雙碳”創(chuàng)新意識。

4 結(jié)語

實現(xiàn)“雙碳”目標是解決人類社會能源、資源、環(huán)境、氣候等問題的必經(jīng)之路，目前正處于重要的發(fā)展時期。通過對《材料科學與工程選論》課程教學內(nèi)容的不斷豐富和更新，以及教學手段的改革和創(chuàng)新，可以將“雙碳”理念有機的融入課程的教學和實踐中，激發(fā)學生的科研熱情，促進學生對材料學研究前沿熱點的學習，有利于培養(yǎng)學生的“雙碳”創(chuàng)新思維能力。本文以《材料科學與工程選論》課程為例，提出了在課程內(nèi)容以及教學模式方面改革的思考，將有助于推動高校“雙碳”相關(guān)專業(yè)的學科建設(shè)和培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的符合時代發(fā)展需求的“雙碳”科技創(chuàng)新人才。