材料绿色制造实践教学模式探索_刘宇.pdf

5-2023 年 3 月第 11 期Mar.2023No.11教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM材料绿色制造实践教学模式探索刘 宇a，b，高 峰a，b，孙博学a，b，李小青a，b（北京工业大学 a.材料与制造学部；b.工业大数据应用技术国家工程实验室，北京 100124）摘 要 绿色制造是我国生态文明建设与工业转型升级的必经之路。针对当前对材料绿色制造人才培养的迫切需求，系统梳理制造企业进行绿色产品研发、绿色工艺改进、节能减排潜力评价的标准流程与关键环节，设计融合材料生态设计、清洁生产技术优选、绿色产品评估认证等绿色制造全流程一体化的实践教学方案，整合先进企业的实际研发经验与管理运行数据，建立集成综合教学方案、教学案例库与专业软件的绿色制造实践平台，探索产学融合、实践创新的新工科教学模式。关键词 绿色制造；实践教学；生命周期工程基金项目 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）；2020年度北京工业大学教育教学研究课题“新工科背景下资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年度教育部第二批新工科研究与实践项目“京津冀区域材料新工科人才教育共同体构建与运行机制研究”（E-CL20201902）作者简介 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，主要从事生态环境材料与生命周期评价研究；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；孙博学（1985），男，山西大同人，工学博士，北京工业大学材料与制造学部副教授，主要从事材料生命周期设计评价方法研究。中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1674-9324（2023）11-0005-04 收稿日期 2022-05-13一、背景材料制造业是建设制造强国、促进新兴产业成长、加强国防军工建设、维护国家稳定的重要支撑。进入21世纪，面对资源日渐匮乏、能源渐趋短缺、环境问题日趋严峻等全球普遍关注的热点问题，强调材料与资源、环境协调统一，已成为社会可持续发展的基本需求。当前，我国材料制造业产业结构偏重，能源结构偏煤，生产能耗约占全国总能耗的40%，直接温室气体排放超过40亿吨。全面推行绿色制造，通过材料的设计、制造、回收等一系列环节的技术革新，降低产品全生命周期的环境影响，已成为材料产业绿色低碳转型的重点战略任务。近年来，多项国家政策与规划明确提出强化绿色发展理念，加快构建绿色制造体系，实现制造业高效清洁低碳循环和可持续发展，促进工业文明与生态文明和谐共融。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 强调，要深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化智能化绿色化1。在新时代背景下，工科人才培养应积极探索将绿色制造理论与企业绿色产品研发/绿色工厂建设融入课程教学的有效途径2，从先进企业的成功实践中挖掘优质实践教学资源，开发绿色制造案例库与教学平台，支撑在课堂模拟企业绿色技术与产品研发的完整流程，并注重引入绿色制造国家政策与相关标准，优化实践教学方案，以契合政府管理部门、制造企业与行业认证机构对绿色制造人才的能力需求。二、绿色制造背景下人才培养及教学模式转型需求针对当前工业领域的绿色发展与绿色制造趋势，企业从传统制造向绿色制造的转型升级势必引发劳动力市场的巨大变革3，进而对高校工科人才培养提出侧重绿色生产技术、绿色产品设计、绿色管理规范、绿色经营理念等新需求，相关理论与实践教学模式也应及时调整。材料科学与工程6-教育教学论坛2023 年 3 月专业人才培养与课程设计的思路应从“不断改进与拓宽材料的应用性能”转变为“材料环境社会的协调发展”，使新材料/新工艺研发与传统材料改造既满足社会发展的需求，又具有良好的环境协调性。具体举措包括：（1）摒弃传统“重功能，轻环保”的片面思维定式4，从引导追求材料性能指标最优转变到性能资源环境成本等多维指标的综合优化。（2）从单独关注材料制造/服役等局部流程改进转变到前端毒害/稀缺元素替代、制造阶段节能减排、使用阶段高效安全服役、末端再生循环的全流程优化，灌输未来工业产品设计与绿色制造的全生命周期理念。（3）从末端被动治理转变到前端生态设计，设计阶段决定了约80%的产品生命周期成本及环境影响，将环境因素纳入产品设计，可实现从源头优化资源配置，系统降低产品环境负荷。（4）注重材料科学与工程基本理论和资源环境、社会经济等相关学科知识的深度交叉融合，培养具备从多方位制订绿色制造集成解决方案的综合能力。（5）课程教学结合企业实践，持续追踪国家在绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色供应链等领域的政策部署，结合用人单位对绿色产品设计、绿色管理等相关岗位的实际需求，将绿色制造与评价认证的标准流程和成功案例融入课程教学。针对以上思路，北京工业大学资源循环科学与工程专业开设了系列绿色制造相关理论课程，包括侧重讲授宏观产业链绿色转型理论的“工业生态学”、侧重讲授低环境负荷材料设计与评价理论的“环境材料基础”、侧重讲授材料制备流程节能减排技术的“清洁生产技术”等；在绿色制造实践教学方面，开设了“产品与流程生态设计实验”“材料综合实验”等课程，教学内容以生命周期工程理论框架为基础，有机融合产业园区规划、材料生态设计、清洁工艺研发等绿色发展途径与方法，从产业、企业、技术、产品等多个层级，系统实践绿色制造理论体系的关键要素5。三、材料绿色制造实践教学模式探索面向绿色制造背景下实践教学的改革需求，以及当前实践教学存在的与企业实际工作模式脱节、相关优质教学资源不足等问题，将现行的国家标准、设计规范、绿色认证制度等融入实践教学，结合先进企业绿色产品研发与推广经验模式，挖掘优质教学资源建立绿色制造教学案例库，开发融合材料生态设计、绿色技术优选、绿色产品评估等绿色制造全流程一体化的实践教学平台，探索新工科建设背景下生态环境材料研发与应用的实践教学模式。（一）融入绿色制造理论的实践教学方案设计基于当前材料制造企业进行绿色产品研发、制造技术改进、节能减排潜力评价等关键环节，设计模拟企业绿色产品研发、改进、评价及声明的标准实践流程（见图1），形成集合国家标准、设计方法、认证评价等全流程多维度的材料绿色制造实践教学方案。第一，对材料制造现状开展生命周期评价，辨识产品系统生命周期中产生资源、环境问题的关键环节，通过与行业最优技术组合（BATs）进行比对，挖掘产品改进潜力并制定改进/设计目标；第二，针对生命周期评价辨识的关键环节与改进潜力，通过理论课程学习、自主查阅文献与绿色技术数据库，提出有针对性的改进方案或技术组合；第三，基于生态设计多维评价方法，分别评估不同设计/改进方案的产品性能、环境影响与经济成本，形成综合考虑性能、资源环境与经济成本的最优方案；第四，对最优技术方案组合的改进潜力进行预测性评估，确定是否达到设计目标，分析其实施风险与社会效益。通过设计以生命周期评价方法为核心的产品综合诊断、技术方案择优、设计效果评价、产品持续改进等绿色制造全流程实践教学方案，教师能够帮助学生理解材料的生产、使用、废弃等对环境、社会可持续发展的影响，掌握材料生态设计与评价的理论方法与分析软件使用方法，培养解决材料设计、制备和应用中组成工艺性能环境影响之间可能出现的矛盾与冲突问题的能力。（二）绿色制造教学资源整合及平台搭建绿色制造实践教学方案实施需要大量来自实际企业的基础数据，支撑融合行业绿色管理、企业绿色制造、产品绿色认证等多维度实践教学模式。通过挖掘绿色制造的先进企业在设计、管理与运行等环节的教学资源，教师可建立绿色制造教学案例库与绿色制造技术信息库（见图2），以案例的形式提供教学方案实施过程所需的标准规范、基础数据及关键技术。开发集成生态设计、生7-第 11 期命周期评价等方法模型的软件工具，形成集合综合教学方案、优质教学资源库与专业教学软件的绿色制造实践平台，实现从生产企业的设计工程师/环境管理工程师、行业监管部门的产品能耗/排放管理、认证机构的绿色产品/绿色工厂评审等多方面对绿色制造相关流程进行仿真模拟。图1 绿色制造实践教学方案绿色产品设计政策标准库企业案例库技术信息库方法模型库绿色制造实践教学数据库绿色工艺研发绿色工厂管理绿色园区构建高效节能技术资源循环技术末端治理技术产业协同技术生命周期评价温室气体核算产品生态设计风险效益评估国家政策体系强制限额标准评价认证标准绿色设计标准图2 绿色制造实践教学数据库结语将可持续发展理念与绿色制造理论融入实践教学，结合当前我国工业领域推进绿色制造的政策部署与工作流程，我们设计了面向行业管理部门、绿色制造企业、绿色认证机构等多维度的绿色制造实践教学模式，基于先进企业的绿色设计/管理经验与实际运行数据，建立了标准、技术与认证一体化的教学案例库与软件平台，支撑面向传统产业升级和战略新兴产业绿色制造的复合型人才培养体系。参考文献1中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 EB/OL.(2021-03-13)2021-12-02.http:/ 宇，等 材料绿色制造实践教学模式探索BAT 技术对比/改进潜力分析环境热点与关键因素识别生命周期评价实测数据数据库模型预测需求分析设计目标系统边界约束条件设计方案制订工艺/原料选取，能源利用/资源循环方案评价方法，数据来源，假设方案（多组）方案初评技术组合 or 修改方案未通过方案（3 4 组）通过数据收集模型建立方法/数据LCA/LCCASLCA/性能分析达到需求环境分析：环境影响，碳足迹资源分析：资源能源耗竭潜力性能环境资源成本综合决策设计实施方案择优方案评价方案评审最优方案性能分析：优化性能，达标性能成本分析：原料成本，使用成本方案对比（基准，最优）热点辨识（过程，影响）改进建议未达到需求节能减排、综合效能提升、成本降低设计效果评价LCA/EPD/环境足迹报告LCA 数据库/分析系统信息管理共享关键参数优化原料方案优化管理&持续改进基于 LCA 的持续改进信息共享基于 LCA 的产品综合诊断基于 LCA 的设计方案择优基于 LCA 的设计效果评价8-教育教学论坛2023 年 3 月content_5592681.htm.2 杨东升,罗先群,李小丽.基于绿色制造的生物工程人才培养模式 J.高教学刊,2020(20):156-158+162.3许艳丽,李资成.制造业转型升级背景下绿色技能人才培养的挑战与策略 J.职业技术教育,2017,38(9):24-29.4 张戈.面向智能制造和绿色制造:构建新时代工程训练的思考 J.教育现代化,2018,5(19):184-187.5 高峰,刘宇,崔素萍.资源循环科学与工程专业实践教学模式探索 J.教育教学论坛,2021(33):105-108.Exploration on Practical Teaching model of Material Green ManufacturingLIU 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 urg