新工业革命视域下的环境与能源材料课程建设

李松　秦高梧

[摘 要]全球新工业革命浪潮的兴起和不断演进给工程教育带来新的挑战，也使环境与能源材料成为一门快速发展的交叉、前沿性学科。在该课程的教学过程中，课题组针对学科特点及时代要求进行了包括教学内容和教学方法在内的探索与实践，重点针对新工业革命对材料工业的影响重新梳理该课程的内涵与逻辑，以培养基础扎实、适应变化的高素质工程技术专门人才。

[关键词]材料专业;新工业革命;课程设计;教学改革

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0060-03

环境、材料、能源是文明进步、经济发展的三大基石，其中环境是空间和条件，能源是社会经济运行的动力，而材料则是物质基础和新技术变革的先导，历史上许多重大的技术突破都起始于新材料的进步。环境与能源材料以上述三项基本要素的交叉为主要研究内容，是材料科学与工程相关专业的必修专业课和其他理工科专业的选修课程。随着新工业革命进程的不断推进，低环境负荷与清洁能源从理念逐渐变为工业现实，迫切需要构建符合新工业革命要求的新型课程内容及体系，使所培养的工程创新人才适应未来工业生态的挑战。

一、新工业革命对工程教育的影响

历史上，工业革命不仅极大地推动了人类文明的发展和工业的变革，而且对高等教育特别是工程教育的发展产生了深远的影响。第一次工业革命在英国的兴起，推动了苏格兰大学引入实用性课程和开设与工业相关的讲座，直接导致了法国以工程技术教育为中心的高等专科学校的有组织发展[1]，实用主义精神成为法国专业教育的显著特点。与工程技术相关的高等教育的发展则为第二次工业革命奠定了人力基础，这一时期的发明家大多受到了良好的高等教育。在这一轮工业革命的推动下，欧洲的技术学院和工程师学校快速发展，并得到政府和工业界的大力支持。工业发展与高等教育从此进入相互促进的良性发展轨道。大学不但被视为文化传承和人才培养的基地，其作为基础知识创新中心在支撑经济发展中的核心功能逐渐被认识，并承担起引领工程技术变革的任务。

当今世界正处于百年未有之大变局，全球政治经济格局正在大发展、大变革、大调整。科技要素在其中发挥着巨大的催化作用，推动新的工业革命以前所未有的速度、规模和广度变革现有的生产方式和经济结构，并逐步形成新的经济形态，其主要特征是能源清洁化和制造智能化、网络化、数字化。这场以技术为主导的新工业革命不仅催生出一批新的产业，而且与传统技术、产品相融合，从根本上改变了传统产业的技术基础，为生态破坏、全球气候变化、发展不平衡等人类重大问题提供更加有效的解决方案，最终促进全球经济结构和发展方式的深刻变革。

新工业革命修正了向地球无限索取的理念，转而建设生态和谐、绿色低碳的可持续发展社会，这在给高等工程教育提出新要求的同时也带来了理念的变迁：要求所培养的人才能意识到自身是生态圈的一部分。在知识数字化和互联网化的驱动下，教育正在从简单的知识传授转向工程创新能力的培养，由教为核心向学习为核心转变。技术变革带来的教育理念的变迁，也反映在工程教育认证体系中，如通用标准中要求学生“能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响” [2]。为此，有必要在前瞻性设计的基础上主动改革教育体系和课程内容，变被动接受工业革命的影响为主动引领。

二、环境与能源材料的内涵变迁

材料是人类社会进步的基础和先导。材料科学的每一次重大突破都促进了社会发展，使人类文明向前推进。两次工业革命都是在材料进步的基础上由能源结构变革与当时先进的生产技术相结合而掀起的，显著推动了当时生产力的发展。钢铁工业的发展为18世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界工业革命奠定了物质基础，实现了以煤炭为主要能源的机械化。第二次工業革命以电力和内燃机为主要标志，实现了电气化或自动化。两次工业革命成功建立了以化石能源为基础的能源结构。20世纪中叶以来，以电子技术的发明和应用为代表的科技革命，半导体材料发挥着先导和核心作用，其后的激光材料和光导纤维的发明则推动人类社会进入信息时代。然而，传统材料科学追求优异的物理化学性能，在生产、加工、使用和废弃过程中不但消耗大量的资源和能源，而且向环境排放大量的气、液、固废弃物，使材料工业成为消耗能源和污染环境的主要工业产业。大规模消耗化石能源在加速文明进程的同时也给生态环境带来了压力，环境污染、资源匮乏、能效低下、气候变化等一系列问题挑战着人类社会的可持续性发展。环境和能源问题演化是当代中国和整个人类社会发展所面临的重大挑战。

为应对环境与能源领域的挑战，对因工业发展而污染的环境进行修复、发展洁净能源、节能技术逐渐上升为各国的国家战略，成为公众关注的迫切需求。融合纳米技术，人们开发了在环境或能源领域发挥特定功能的材料，如修复被污染环境所使用的吸附材料、降解污染物的催化剂材料及将太阳能转换为电能的光伏材料、将热能转变为电能的热电材料等，形成了材料科学与“环境、能源”在性质或功能层面上的学科交叉。由于新材料研发在解决环境能源问题中发挥着关键的作用，现已成为当前多学科交叉领域的热点研究方向，产生的大量研究成果是目前环境与能源材料课程的教学重点。然而，环境与能源材料概念的上述内涵仍基于传统材料科学的学科逻辑，即以最大限度地发挥材料功能作为新材料研发的主要出发点，却忽略了材料在可持续发展概念下的环境与能源属性。

本质上，材料工业实际是通过消耗能量将矿产转变为特定功能的材料，在制造、使用和回收的全生命周期内均具备环境和能源属性。因而，环境与能源材料的广义内涵还应包括所有材料在可持续发展理念下的环境与能源属性，相当于在传统材料科学“四要素”的基础上叠加了环境与能源的约束条件。以金属结构材料为例，不但需要考虑矿石开采、冶炼、加工环节的环境资源效率和能源效率，而且需要考虑使用和回收过程。因而，材料学界近年来加强了对轻质高强合金的研究以期降低移动设备的能耗，开发高强高导合金以降低电能传输网络的能源损耗。由于有希望解决合金化给材料回收带来的困难，以减少材料中元素种类为主要特征的材料素化策略赢得广泛关注。材料工业上，以节约资源和能源、减少排放、易于循环为出发点的制造过程绿色化已经成为钢铁工业创新发展的重点[3]。这些新材料的研发不再片面追求材料性能，而是综合考虑资源与能源节约，平衡材料性能与环境影响，力求开发性能良好、功能健全、环境负荷小且再循环利用率高的材料，反映了环境与能源材料概念内涵的不断延伸。

新工业革命的一个重要特点是变革现有以化石能源为主题的能源格局。新能源问题不单单是清洁能源生产的问题，还包括利用清洁能源变革传统的工业生产模式及流程。未来，太阳能、风能等清洁能源获得的能量将主要以电能的形式传输和使用。相应地，材料和化工生产过程中的供能也将转变为电力供能。在适应清洁能源过程中所需要的关键材料也应属于环境与能源材料研究的范畴。

材料科学与工程专业重点培养材料及交叉高技术领域的一线工程技术人才。传统上，人们对材料科学与工程学科的认知是它主要研究材料的组分与结构、合成制备、性质与使役性能、测试与表征等四个基本要素及其相互关系。这些科学和工程原理为主的内容相应构成了专业教学的重点内容。随着社会进步对工程师要求的提高，在本科教育阶段就应该让未来的材料工程师了解工程决策还受制于环境、法规等非技术因素，从而有助于他们获得从公共政策、社会价值的角度进行工程技术决策的能力。相应地，《华盛顿协议》和工程教育认证标准规定所培养的学生要了解工程解决方案对环境和社会背景的影响[4]，毕业要求中“工程与社会”“环境和可持续发展”两个一级条目均与此密切相关[2]。

基于对环境与能源材料内涵变迁的认识，我们重构了该课程的教学内容，主要从可持续发展角度讲授材料制造、服役和回收过程中的能耗及其环境负荷，同时涵盖监测与修复环境、发展及建立各类能源系统所需要的关键材料。课程的主要目标支撑毕业要求中与“工程与社会”“环境和可持续发展”两个条目相关的要求。知识层面上，培养学生建立材料全寿命周期的设计理念和可持续发展思想，使他们在从事新材料研发或材料工艺设计时能关注材料对环境的影响并注意节能减排技术的应用;了解环境与能源材料的发展概况，掌握典型环境与能源材料的制造、检测和技术性能特点。素质层面上，课程对学生进行工程伦理教育，培养未来工程技术人员强烈的社会责任感、人文关怀意识和奋进精神。

三、环境与能源材料课程建设

（一）改革教学内容

面对全球能源结构变革、环境治理带来的重大挑战，高等工程教育必须积极应对、主动求变，通过主动谋划课程改革培养面向未来的卓越工程创新人才，支撑民族伟大复兴。重构后的环境与能源材料课程既包括传统的环境功能和能源功能材料，又包括其他材料的环境和能源属性，课程内容包括基础理论、应用研究和评价系统。不同于数学、物理等公理化学科，环境与能源材料知识体系范围广阔，却面临知识点之间关联性弱的问题。知识是课程的基础和本质[5]，但只有依照特定逻辑进行分类的科学知识体系才能构成学科，解决复杂的问题。应深入挖掘学科逻辑，通过顶层设计架构系统化的课程逻辑体系，将孤立的知识结构化、系统化。在本课程中，课题组以人和社会为本，从介绍环境、能源及材料的关系入手，在阐明可持续发展概念的基础上将环境与能源材料分为功能和属性两类，然后以能量流为逻辑主线有序地进行介绍，设计的主要章节包括：1.环境、能源与可持续发展;2.材料的环境协调性;3.环境工程材料;4.洁净能源;5.能量转换材料;6.能量存储材料;7.节能材料等，涉及物理化学、环境学、固体物理、材料科学等多学科。

（二）改进教学方法

明确教学内容后，还需要合理地组织实施以实现教学目标。首先，课堂讲授过程求深不求难，着力培养学生的批判性思维，不教记问之学。环境与能源材料知识点多，通过大胆取舍，课题组将部分内容化为课外阅读作业，通过自主阅读扩大学生的知识广度，但知识的深度离不开教师的引领。没有批判性思维，学习将缺乏深度。在教学实施上，我们以深入浅出地阐释基础性概念理论和直观性物理图像为重点，拒绝以新鲜、实用、有趣作为选取教学内容的标准。此外，与环境和能源相关的新材料研究是当前学术界的研究热点，其中大量的材料问题并没有固定的答案。通过将科研前沿的问题引入教学，鼓励学生发现问题或质疑现有的理论观点，也是激发学生的批判性思维的一个策略。这些教学方法的改进有利于培养学生从本质上理解知识的能力和清晰、精确、审慎思考的品质，实现知识与能力素质培养目标的平衡。

其次，采用“学习范式”下的教学组织方式。以学生学习为中心，以学习效果为导向，打破以往单向讲授、强力灌输的模式，不但可以促进学生的知识获得、能力发展、素质养成，而且可以全面提高学生的综合素养。“学习范式”下的教学过程以学生的习得为核心，但并不意味着教师作用的下降，相反，它对教师提出了更高的要求。这是因为课程是“一个情境化的社会过程”，由师生交互作用而产生“不断生成的建构”[6]。为此，我们在教学中采用促成思考、开放讨论的研究小组形式，除讲授作为基础知识的必要概念，主要引导学生发现问题、提出设想，并通过查找资料解决问题。如选择钢铁、水泥、电池电极等典型的结构或功能材料，分析不同工艺方案在采冶、加工、使用、回收材料链上的资源、能源消耗與废弃物排放，既培养学生的资源节约与绿色可持续发展意识，提高其工程伦理修养，又培养学生的批判精神、创新素质和运用信息技术进行搜寻、筛选、分析、批判、融通与灵活运用各种文献的能力。在必要情况下，还以小组的形式对所提出的问题进行实验研究。

再次，注重过程性的考核。课程考核不但是评价学生学习效果的重要形式，而且是学习及改进教学的重要环节，其根本的价值导向在于教育性。因而，课程考核不只应该发生在课程介绍之后，还应该贯穿课程的整个过程，使教学活动与学习成效评估保持一致，这是提高课程设计水平的重要保障[7]。本课程以考核评估习得性，利用阅读报告、案例分析、方案设计、调研报告等形式体现学习产出，并将结果用于课程自身的持续性改进。

（三）注重工程设计

工程设计是决定材料产品在全生命周期内经济、社会及生态价值的关键，是面向新工业革命创新发展的关键。随着清洁能源、大数据、人工智能等技术的发展，工程活动的复杂性、规模和不确定性不断增加[8]，这就要求未来的工程师既可以开展基于产业链的纵向工程实践，又能够进行跨行业的横向整合创新，并适应产业的快速变化。东北大学材料学科长期围绕经济建设中发挥基础性作用的金属材料形成了重视工程的科研教学特色。在本课程的教学过程中则注重以作业的形式反映这一特色。

（四）强调价值观教育

教育的本质在于“立德树人”，而环境与能源材料课程兼具科技与人文课程的特点，蕴含了大量的价值观和思想政治教育元素。如正确辨析可持续发展的概念，既包含了时间序列上的代际公平，又保护了地理空间上的国家发展公平，维护国家的正当发展权益;生态环境的保护理念与生态文明、人类命运共同体之间的关系等，这些都是知识传授与价值引领的重要素材。

四、结论与展望

综上所述，环境与能源材料课程是新工业革命时代背景下材料学科教学内容改革的重要切入点，教学内容和教学方法的更新有利于培养具备可持续发展理念、适应未来工程创新的材料专门人才。实践表明，该课程引导学生思考未来，激发了他们学习的兴趣。未来，课题组将长期跟踪评价学习效果，并通过持续改进的方式不断提升教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 夏鲁惠.工业革命与中国工程教育发展[J].中国发展观察，2020（Z1）：61-67.

[2] 中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证通用标准解读及使用指南[Z].2018.

[3] 王国栋.钢铁行业技术创新和发展方向[J].钢铁，2015（9）：1-10.

[4] 林健.新工科人才培养质量通用标准研制[J].高等工程教育研究，2020（3）： 5-16.

[5] 李枭鹰，牛军明，武凤群.大学课程高深性的探幽与溯源[J].大学教育科学，2017（5）：53-56，26.

[6] 张华.课程与教学论[M].上海：上海教育出版社，2000：89.

[7] 朱征军，李赛强.基于一致性原则创新课程思政教学设计[J].中国大学教学，2019（12）：24-28.

[8] 李肖婧，吴伟，许国动.工程设计教育的全面革新：新加坡科技设计大学的实践[J].高教探索，2019（10）：59-65.

[责任编辑：陈 明]