资源循环科学与工程专业实践教学模式探索

高峰 刘宇 崔素萍

[摘 要] 针对首都经济发展方式转变和产业结构优化升级对人才培养知识结构和专业能力的现实需求，北京工业大学资源循环科学与工程专业教学团队依托国家级科研基地，以学科前沿、工程实践问题为导向，构建了具有资源节约和环境友好特色的多层次、立体化实践教学平台，设计出融合“资源循环+材料制造+绿色设计”的系列新实验，探索了线上与线下相结合的实践教学模式，推进了多元化教学效果评估改革，提升了学生解决复杂工程问题的能力，以满足新工科建设对学生创新实践能力培养的要求。

[关键词] 资源循环科学与工程专业;实践教学平台;新工科

[基金项目] 2020年度教育部第二批新工科研究与实践项目“面向京津冀区域绿色发展的材料新工科实习实训平台与制度体系建设”（E-XTYR20200601）;2020年度北京工业大学教育教学研究课题“新工科背景下資源循环科学与工程专业升级改造与创新人才培养路径探索”（ER2020A009）;2020年度北京工业大学教育教学研究课题“材料绿色制造理论与实践教学资源优化整合研究”（ER2020B041）

[作者简介] 高 峰（1978—），男，北京人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部材料学院院长，教授，博士生导师，主要从事生态环境材料与资源循环科学研究;刘 宇（1984—），男，北京人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部副教授，主要从事环境材料与生命周期评价研究;崔素萍（1964—），女，山西太原人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部教授，主要从事生态建材和无机非金属材料研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）33-0105-04    [收稿日期] 2021-03-17

一、背景

当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，我国的经济发展进入新常态，高等教育步入新阶段。为了推动传统工科专业适应新时代科技变革与发展趋势，教育部通过“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”的起承转合，全面启动并系统部署了新工科建设，推动高校进行深入的探索和实践[1]。

为了满足国家节能减排，绿色、低碳、循环经济等战略性新兴产业对高素质人才的迫切需求，2009年教育部部署设置了“资源循环科学与工程”战略新兴产业专业。北京工业大学是首批公布同意设置的十所高校之一。经过十多年的发展，专业紧密围绕首都及京津冀区域无废城市的建设需求，以环境友好的资源高效循环为特色，构建了上承冶金循环、下启材料研发、旁引环境评价的教学体系，努力培养适应社会可持续发展、面向多学科交叉领域的高素质创新型人才。在专业人才培养过程中，实践教学是必不可少的一个环节。在新工科背景下，专业在实践课程体系和教学条件的建设和发展方面仍存在课程知识结构、实践教学案例不适应新形势等问题[2，3]。近年来，随着首都“四个中心”战略定位的不断深化发展，资源循环和材料制造等相关企业已逐步外迁，以配合首都经济圈产业结构布局调整，这对专业的实践实习教学产生了较大影响，引发了实践教学条件不足、难以持续稳定开展等现实问题。2020年，针对新冠肺炎疫情防控常态化的形势，对人员聚集度较大的传统实践教学组织模式提出了新的挑战。

针对以上问题，专业教师团队依托“工业大数据应用技术国家工程实验室”与“首都资源循环材料技术协同创新中心”等高水平重点科研基地，通过构建“线上+线下”相结合的专业实践教学平台，探索实践教学模式，提升学生灵活运用跨学科知识和方法解决复杂工程问题的能力，以满足新工科建设对学生实践创新能力培养的要求。

二、专业特色实践教学模式的探索

我校资源循环科学与工程专业自建立之初就秉持资源循环、材料产品和生态环境协调可持续发展的理念，专业教育始终以绿色发展和生态文明建设为主线，引导学生从生态学、环境伦理的角度认识资源循环与高效再生过程，通过生命周期评价方法印证资源循环再生、材料高效制备对环境的影响。专业教师团队将国家重点研发等系列课题研究成果转化为实践教学内容，设计出“城市矿产”循环再造、固废协同处置、材料生命周期评价与生态设计等一系列新实验，实施以数据技术为支撑的资源循环再生+材料设计制备+生命周期评价的多学科交叉的专业实践教学体系，并通过实施效果评价将专业知识学习、实践能力培养、专业素质融合构建培养模式。

（一）“线下+线上”相融合的实践教学平台建设

1.资源循环与综合利用线下实验平台。该线下实验平台主要由两部分组成：（1）战略金属资源高效循环再造实验，包括废弃钴镍材料、退役电池中的有价金属、电子电器中的废弃电路板等模块，涵盖废旧金属高效循环过程中的破碎分选单元、浸出净化单元、金属萃取单元、深度净化单元的相关实验设备与装置。实验围绕湿法冶金和火法冶金的典型金属资源循环工艺技术展开，根据钴、镍、钨等实际二次资源物料的特征组成，设计/开发有色金属废料资源循环的工艺方案。针对废旧钴镍电池材料、废旧硬质合金中的典型金属再生过程，设计满足资源循环工程不同工段环节的实验。学生通过实验手册开展实验流程设计和材料再造性能测试分析。（2）城市与工业固体废弃物综合利用实验。针对城市建筑垃圾、废弃玻璃、废弃陶瓷、垃圾焚烧飞灰、粉煤灰、煤矸石、脱硫石膏等多类型城市固废和工业固废，设计以水泥窑协同处置固废并制备水泥，废弃物制备填料、骨料、泡沫玻璃、透水陶瓷砖等产品，并进行再生材料产品性能的测试分析。

2.流程工业产品生命周期多维评价线上实验平台。该线上平台参照废弃钴镍材料循环再造企业、水泥窑协同处置固废生产企业等实际生产流程，按比例进行三维建模设计，分批次建立了废弃钴镍金属循环再造流程和水泥窑协同处置固废流程的设备操作仿真系统和工艺控制仿真系统。三维虚拟仿真系统具备工艺流程、生产物料流及主要装备结构剖析、厂区环境模拟、工厂虚拟漫游等功能，由设备操作仿真和工艺控制仿真操作系统，可以实现现场信号的模拟、连锁控制与监控，并准确反映多个自变量与因变量之间的逻辑关系，模拟生产过程的各类故障处理，能够反复进行实操训练，并整合了对应的模拟仿真考评系统，可随机进行实操考核等功能。通过引入生命周期评价和生态设计方法，可实现资源循环和材料再生制备流程及其工艺参数调控、优化过程的环境负荷可视化分析与展示，实现了学生对废旧金属循环再生、废弃物协同处置生产流程及其工艺装备的透彻认知和深入理解。