材料綠色制造實(shí)踐教學(xué)模式探索

劉宇，高峰，孫博學(xué)，李小青

［摘 要］ 綠色制造是我國生態(tài)文明建設(shè)與工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路。針對(duì)當(dāng)前對(duì)材料綠色制造人才培養(yǎng)的迫切需求，系統(tǒng)梳理制造企業(yè)進(jìn)行綠色產(chǎn)品研發(fā)、綠色工藝改進(jìn)、節(jié)能減排潛力評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)流程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)融合材料生態(tài)設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)選、綠色產(chǎn)品評(píng)估認(rèn)證等綠色制造全流程一體化的實(shí)踐教學(xué)方案，整合先進(jìn)企業(yè)的實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與管理運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立集成綜合教學(xué)方案、教學(xué)案例庫與專業(yè)軟件的綠色制造實(shí)踐平臺(tái)，探索產(chǎn)學(xué)融合、實(shí)踐創(chuàng)新的新工科教學(xué)模式。

［關(guān)鍵詞］ 綠色制造；實(shí)踐教學(xué)；生命周期工程

［基金項(xiàng)目］ 2020年度北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“材料綠色制造理論與實(shí)踐教學(xué)資源優(yōu)化整合研究”（ER2020B041）；2020年度北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題“新工科背景下資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)升級(jí)改造與創(chuàng)新人才培養(yǎng)路徑探索”（ER2020A009）；2020年度教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“京津冀區(qū)域材料新工科人才教育共同體構(gòu)建與運(yùn)行機(jī)制研究”（E-CL20201902）

［作者簡(jiǎn)介］ 劉 宇（1984—），男，北京人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部副教授，主要從事生態(tài)環(huán)境材料與生命周期評(píng)價(jià)研究；高 峰（1978—），男，北京人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部材料學(xué)院院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)環(huán)境材料與資源循環(huán)科學(xué)研究；孫博學(xué)（1985—），男，山西大同人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部副教授，主要從事材料生命周期設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）11-0005-04［收稿日期］ 2022-05-13

一、背景

材料制造業(yè)是建設(shè)制造強(qiáng)國、促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)、加強(qiáng)國防軍工建設(shè)、維護(hù)國家穩(wěn)定的重要支撐。進(jìn)入21世紀(jì)，面對(duì)資源日漸匱乏、能源漸趨短缺、環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻等全球普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，強(qiáng)調(diào)材料與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，已成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本需求。當(dāng)前，我國材料制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，能源結(jié)構(gòu)偏煤，生產(chǎn)能耗約占全國總能耗的40%，直接溫室氣體排放超過40億噸。全面推行綠色制造，通過材料的設(shè)計(jì)、制造、回收等一系列環(huán)節(jié)的技術(shù)革新，降低產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境影響，已成為材料產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)戰(zhàn)略任務(wù)。

近年來，多項(xiàng)國家政策與規(guī)劃明確提出強(qiáng)化綠色發(fā)展理念，加快構(gòu)建綠色制造體系，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)高效清潔低碳循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)文明與生態(tài)文明和諧共融。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》強(qiáng)調(diào)，要深入實(shí)施智能制造和綠色制造工程，發(fā)展服務(wù)型制造新模式，推動(dòng)制造業(yè)高端化智能化綠色化［1］。

在新時(shí)代背景下，工科人才培養(yǎng)應(yīng)積極探索將綠色制造理論與企業(yè)綠色產(chǎn)品研發(fā)/綠色工廠建設(shè)融入課程教學(xué)的有效途徑［2］，從先進(jìn)企業(yè)的成功實(shí)踐中挖掘優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源，開發(fā)綠色制造案例庫與教學(xué)平臺(tái)，支撐在課堂模擬企業(yè)綠色技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)的完整流程，并注重引入綠色制造國家政策與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)方案，以契合政府管理部門、制造企業(yè)與行業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)綠色制造人才的能力需求。

二、綠色制造背景下人才培養(yǎng)及教學(xué)模式轉(zhuǎn)型需求

針對(duì)當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的綠色發(fā)展與綠色制造趨勢(shì)，企業(yè)從傳統(tǒng)制造向綠色制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)必引發(fā)勞動(dòng)力市場(chǎng)的巨大變革［3］，進(jìn)而對(duì)高校工科人才培養(yǎng)提出側(cè)重綠色生產(chǎn)技術(shù)、綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)、綠色管理規(guī)范、綠色經(jīng)營理念等新需求，相關(guān)理論與實(shí)踐教學(xué)模式也應(yīng)及時(shí)調(diào)整。材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)與課程設(shè)計(jì)的思路應(yīng)從“不斷改進(jìn)與拓寬材料的應(yīng)用性能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安牧稀h(huán)境—社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展”，使新材料/新工藝研發(fā)與傳統(tǒng)材料改造既滿足社會(huì)發(fā)展的需求，又具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性。具體舉措包括：（1）摒棄傳統(tǒng)“重功能，輕環(huán)?！钡钠嫠季S定式［4］，從引導(dǎo)追求材料性能指標(biāo)最優(yōu)轉(zhuǎn)變到性能—資源—環(huán)境—成本等多維指標(biāo)的綜合優(yōu)化。（2）從單獨(dú)關(guān)注材料制造/服役等局部流程改進(jìn)轉(zhuǎn)變到前端毒害/稀缺元素替代、制造階段節(jié)能減排、使用階段高效安全服役、末端再生循環(huán)的全流程優(yōu)化，灌輸未來工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與綠色制造的全生命周期理念。（3）從末端被動(dòng)治理轉(zhuǎn)變到前端生態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)階段決定了約80%的產(chǎn)品生命周期成本及環(huán)境影響，將環(huán)境因素納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)從源頭優(yōu)化資源配置，系統(tǒng)降低產(chǎn)品環(huán)境負(fù)荷。（4）注重材料科學(xué)與工程基本理論和資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等相關(guān)學(xué)科知識(shí)的深度交叉融合，培養(yǎng)具備從多方位制訂綠色制造集成解決方案的綜合能力。（5）課程教學(xué)結(jié)合企業(yè)實(shí)踐，持續(xù)追蹤國家在綠色產(chǎn)品、綠色工廠、綠色園區(qū)、綠色供應(yīng)鏈等領(lǐng)域的政策部署，結(jié)合用人單位對(duì)綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)、綠色管理等相關(guān)崗位的實(shí)際需求，將綠色制造與評(píng)價(jià)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)流程和成功案例融入課程教學(xué)。

針對(duì)以上思路，北京工業(yè)大學(xué)資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)了系列綠色制造相關(guān)理論課程，包括側(cè)重講授宏觀產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型理論的“工業(yè)生態(tài)學(xué)”、側(cè)重講授低環(huán)境負(fù)荷材料設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)理論的“環(huán)境材料基礎(chǔ)”、側(cè)重講授材料制備流程節(jié)能減排技術(shù)的“清潔生產(chǎn)技術(shù)”等；在綠色制造實(shí)踐教學(xué)方面，開設(shè)了“產(chǎn)品與流程生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”“材料綜合實(shí)驗(yàn)”等課程，教學(xué)內(nèi)容以生命周期工程理論框架為基礎(chǔ)，有機(jī)融合產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃、材料生態(tài)設(shè)計(jì)、清潔工藝研發(fā)等綠色發(fā)展途徑與方法，從產(chǎn)業(yè)、企業(yè)、技術(shù)、產(chǎn)品等多個(gè)層級(jí)，系統(tǒng)實(shí)踐綠色制造理論體系的關(guān)鍵要素［5］。

三、材料綠色制造實(shí)踐教學(xué)模式探索

面向綠色制造背景下實(shí)踐教學(xué)的改革需求，以及當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)存在的與企業(yè)實(shí)際工作模式脫節(jié)、相關(guān)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源不足等問題，將現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、綠色認(rèn)證制度等融入實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合先進(jìn)企業(yè)綠色產(chǎn)品研發(fā)與推廣經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，挖掘?yōu)質(zhì)教學(xué)資源建立綠色制造教學(xué)案例庫，開發(fā)融合材料生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色技術(shù)優(yōu)選、綠色產(chǎn)品評(píng)估等綠色制造全流程一體化的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，探索新工科建設(shè)背景下生態(tài)環(huán)境材料研發(fā)與應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)模式。

（一）融入綠色制造理論的實(shí)踐教學(xué)方案設(shè)計(jì)

基于當(dāng)前材料制造企業(yè)進(jìn)行綠色產(chǎn)品研發(fā)、制造技術(shù)改進(jìn)、節(jié)能減排潛力評(píng)價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)模擬企業(yè)綠色產(chǎn)品研發(fā)、改進(jìn)、評(píng)價(jià)及聲明的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐流程（見圖1），形成集合國家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、認(rèn)證評(píng)價(jià)等全流程多維度的材料綠色制造實(shí)踐教學(xué)方案。第一，對(duì)材料制造現(xiàn)狀開展生命周期評(píng)價(jià)，辨識(shí)產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期中產(chǎn)生資源、環(huán)境問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過與行業(yè)最優(yōu)技術(shù)組合（BATs）進(jìn)行比對(duì)，挖掘產(chǎn)品改進(jìn)潛力并制定改進(jìn)/設(shè)計(jì)目標(biāo)；第二，針對(duì)生命周期評(píng)價(jià)辨識(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與改進(jìn)潛力，通過理論課程學(xué)習(xí)、自主查閱文獻(xiàn)與綠色技術(shù)數(shù)據(jù)庫，提出有針對(duì)性的改進(jìn)方案或技術(shù)組合；第三，基于生態(tài)設(shè)計(jì)多維評(píng)價(jià)方法，分別評(píng)估不同設(shè)計(jì)/改進(jìn)方案的產(chǎn)品性能、環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)成本，形成綜合考慮性能、資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)成本的最優(yōu)方案；第四，對(duì)最優(yōu)技術(shù)方案組合的改進(jìn)潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)性評(píng)估，確定是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，分析其實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)效益。

通過設(shè)計(jì)以生命周期評(píng)價(jià)方法為核心的產(chǎn)品綜合診斷、技術(shù)方案擇優(yōu)、設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)、產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)等綠色制造全流程實(shí)踐教學(xué)方案，教師能夠幫助學(xué)生理解材料的生產(chǎn)、使用、廢棄等對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響，掌握材料生態(tài)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的理論方法與分析軟件使用方法，培養(yǎng)解決材料設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用中組成—工藝—性能—環(huán)境影響之間可能出現(xiàn)的矛盾與沖突問題的能力。

（二）綠色制造教學(xué)資源整合及平臺(tái)搭建

綠色制造實(shí)踐教學(xué)方案實(shí)施需要大量來自實(shí)際企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，支撐融合行業(yè)綠色管理、企業(yè)綠色制造、產(chǎn)品綠色認(rèn)證等多維度實(shí)踐教學(xué)模式。通過挖掘綠色制造的先進(jìn)企業(yè)在設(shè)計(jì)、管理與運(yùn)行等環(huán)節(jié)的教學(xué)資源，教師可建立綠色制造教學(xué)案例庫與綠色制造技術(shù)信息庫（見圖2），以案例的形式提供教學(xué)方案實(shí)施過程所需的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)集成生態(tài)設(shè)計(jì)、生命周期評(píng)價(jià)等方法模型的軟件工具，形成集合綜合教學(xué)方案、優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫與專業(yè)教學(xué)軟件的綠色制造實(shí)踐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)工程師/環(huán)境管理工程師、行業(yè)監(jiān)管部門的產(chǎn)品能耗/排放管理、認(rèn)證機(jī)構(gòu)的綠色產(chǎn)品/綠色工廠評(píng)審等多方面對(duì)綠色制造相關(guān)流程進(jìn)行仿真模擬。

結(jié)語

將可持續(xù)發(fā)展理念與綠色制造理論融入實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合當(dāng)前我國工業(yè)領(lǐng)域推進(jìn)綠色制造的政策部署與工作流程，我們?cè)O(shè)計(jì)了面向行業(yè)管理部門、綠色制造企業(yè)、綠色認(rèn)證機(jī)構(gòu)等多維度的綠色制造實(shí)踐教學(xué)模式，基于先進(jìn)企業(yè)的綠色設(shè)計(jì)/管理經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與認(rèn)證一體化的教學(xué)案例庫與軟件平臺(tái)，支撐面向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)綠色制造的復(fù)合型人才培養(yǎng)體系。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on Practical Teaching model of Material Green Manufacturing

LIU Yu a，b， GAO Feng a，b， SUN Bo-xue a，b， LI Xiao-qing a，b

（a. Faculty of Materials and Manufacturing， b. National Engineering Laboratory for Industrial Big-data Application Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Green manufacturing is the path for ecological civilization development and industrial transformation and upgrading. In view of the urgent demand for green manufacturing talents in materials industry， this paper? conducts a thorough review on the standards and critical control points of manufacturing enterprises throughout green product research and development， green processes optimization， energy saving potential evaluation， thereby creating a practical teaching model to integrate the stages of material eco-design， cleaner production techniques， and green product evaluation. Furthermore， the advanced experiences of enterprise research and development and the management and operation data are integrated， and a green manufacturing practice platform is established which integrates teaching programs， case database and professional software， so as to explore a teaching model of industry-education integration and practical innovation in Emerging Engineering.

Key words： green manufacturing; practice teaching; life cycle engineering