機械工程類本科專業可持續發展知識教學探討

張應中　張洪潮　李濤　劉偉嵬　劉淑杰

摘要：可持續發展是未來經濟和社會發展方向，培養未來工程師或決策領導者具有可持續發展思想意識和可持續發展知識是大學今后人才培養的一項新的內容。本文通過對現有機械工程類本科教學和可持續發展知識分析，提出融合可持續發展知識的機械工程本科課程教學模式，為應對可持續發展知識需求，改進現有機械類本科教學提供借鑒作用。

關鍵詞：可持續發展知識；機械工程專業；本科教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0143-02

隨著人類社會和經濟的不斷發展，工業化和制造業消耗了大量的自然資源，造成資源枯竭、能源危機、環境嚴重污染等問題。為此探索一條人類經濟發展、社會發展與環境保護相結合的可持續發展的道路已經越來越受到世界各國的強烈重視；政府、企業和個人越來越意識到社會經濟發展的三重底線，即經濟、社會和環境的可持續發展。

制造業對經濟、社會和環境的可持續發展有重要的影響。制造業不僅向環境排放大量廢棄物，又是采礦、電力等高能耗工業產出產品（電能、材料等）的消費者。機械產品及機械制造過程是制造業的重要部分，機械制造業的可持續發展是今后機械工業重要的戰略方向，目前可持續機械設計制造成為機械學科研究熱點之一。

本文結合作者多年機械設計制造課程教學、可持續設計制造技術的科研積累及在國外參與可持續發展知識教學實踐，根據可持續技術發展對知識基本要求，對現有機械工程專業課程融合可持續發展知識教學內容進行探討，提出將要開展的教學模式。

一、可持續發展知識

可持續發展（Sustainable development，SD）是能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發展，一般歸結為經濟的可持續發展、社會的可持續發展和環境的可持續發展。

可持續發展是社會發展的宏觀戰略，同時要求社會經濟的各個微觀層面的協同。具體到機械制造業，可持續發展的要旨就是為社會提供具有競爭力的產品的同時，對環境和社會的破壞和影響最小。對環境的影響要從產品全生命周期評估，即要綜合考慮從制造產品的材料的礦石開采開始，到產品制造、產品使用、回收和處置等產品各個生命周期階段對環境的影響。可持續發展不僅是發展理念的變革，更需要一系列的使能技術，理解、掌握和應用這些技術就要具備可持續發展的知識。目前機械制造業可持續使能技術涉及機械設計和制造的各個方面，主要包括如下方面：

1.產品全生命周期評價技術。全生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是目前研究和分析產品和過程全生命周期對資源和環境影響的主要技術。它是通過識別和量化產品全生命周期（包括產品制造、使用和回收等各個生命周期階段）所用的能量、原材料以及排放來評價產品及其制造過程對環境的影響。

2.綠色設計技術。產品綠色設計是將環境考慮集成在產品和工藝設計過程中。在保證產品價格、性能和質量標準下設計與環境友好的產品和工藝。綠色設計主要涉及綠色材料設計、面向回收/拆卸的設計、節能和低碳設計、輕量化設計、基于LCA的生態設計等。

3.綠色制造工藝技術。綠色制造工藝技術是保證產品制造過程中對環境影響最小。綠色制造工藝技術主要包括兩大部分：一是新型綠色成形技術，主要有少無切削工藝、干式切削工藝等。二是改進現有制造成形技術，減少制造過程中的能源消耗和各種排放（廢氣、廢水、廢屑、噪聲等）。

4.產品生命周期末端處置技術。產品服役（使用）期結束后，進入產品生命周期末端，若不對產品實施處置，將造成資源浪費并導致環境污染。目前產品生命周期末端處置主要涉及產品拆卸、回收重用（包括直接重用、修復重用、再制造重用）、回收材料利用和廢棄處置方案。

5.綠色材料和新能源技術。綠色材料是指在原料采取，產品制造使用和再循環利用以及廢物處理等環節中與生態環境和諧共存并有利于人類健康的材料。綠色材料的選擇和使用直接關系到資源消耗和環境影響，綠色材料知識是重要的可持續發展知識之一。隨著地球資源的減少，新可再生能源（太陽能、風能等）和清潔能源（電動能源、氫能源等）技術快速發展，這些新能源技術知識對制造業的可持續發展是非常重要的。

二、融合可持續發展知識的機械工程類本科教學

1.機械工程類本科教學。機械工程作為一個大類專業，一般分為機械設計制造及其自動化、車輛工程、測控技術與儀器等多個專業。按照培養寬口徑、厚基礎、強能力、高素質的復合型、創新型精英人才的要求，目前普遍的本科培養方案采用機械大類招生，一二年級按照大類共同培養，課程設置包括通識教育課程和學科大類基礎課程；三年級起進行專業分類培養，課程設置包括專業基礎課程和專業方向模塊課程。

2.融合可持續發展知識的機械工程類本科教學。高等教育是一個知識傳授和綜合能力培養的過程。教學過程中的每一門課程都是一個專業學習的知識點，知識點具有相互依賴的關系，前一知識點是后一知識點的基礎和支撐，一個知識點可能需要多個知識點的支持。

一般來說，在現有本科培養方案中的每門課程，對于培養學生系統掌握本學科知識是非常重要的。同時，可持續發展是有特定的發展對象，可持續發展知識需要與學科專業知識融合，才能被充分理解和實際應用。為此，我們根據可持續發展知識特征和現有課程，提出如下融合可持續發展知識教學模式：

（1）在現有課程中添加可持續發展知識元。所謂課程知識元是指一門課程授課的知識中，具有不可再分割的具有完備知識表達的知識單位。一門課程傳授多個不同類的知識，例如“機械工程材料”課，要傳授金屬材料知識、非金屬材料知識及材料應用的知識等。同一課程內的知識單位，定義為課程知識元。

很多可持續發展知識與學科專業知識相關聯，如果要獨立為一門課程傳授，它包含的知識元較少，沒有必要獨立為一門課程傳授。因此，對于這類知識，可以聚類為單個的知識元，并且與同一課程中知識元關聯，就能有機地融合到現有本科培養方案的課程知識中。首先提出在如下兩門課程中添加可持續發展知識元：①機械工程材料課。“機械工程材料”課程是機械類各專業的一門重要的學科基礎課程。其任務是通過本課程的教學，學生具備對機械零件合理選材、提出熱處理技術要求及制訂冷熱加工工藝路線的能力。該課程的知識元有金屬材料的性能與成分、組織結構及加工工藝之間的關系；鋼鐵材料的熱處理基本原理及工藝；機械工程常用金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料的成分、組織、性能及用途等。產品材料是影響可持續發展的重要因素，選擇的材料不僅能滿足產品使用功能要求，而且全生命周期評估是綠色（環境友好）的。綠色材料知識元有：工程材料可持續發展特性，例如，材料的可再生性、可回收性和可制造性等特性；工程材料生產的環境影響，例如，重金屬開采、冶煉、處置對環境的影響；工程材料在不同應用場合的環境特性，例如，材料毒性、環境（空氣、水、土壤）污染等；鋼鐵材料熱處理環境特性，能耗及環境影響等；各種新型生態工程材料。上述這些知識元可以與工程材料的物理、化學和機械性能知識元融合，及與零件的工程材料選擇知識元融合。②機械設計課。“機械設計”課程為大學本科機械類必修的技術基礎課程。該課程主要知識元包括：機械設計的基本理論（強度、摩擦學等）、連接件、傳動件、轉動和支承零件等。目前的知識元主要針對具有設計能夠滿足產品功能零部件的能力，需要融合如下可持續發展知識元：面向可拆卸和重用的設計，該知識元可以與聯接緊固知識元融合；零件輕量化設計，該知識元可以與零件強度設計知識元融合；零件壽命組合設計和回收設計，該知識元需要新獨立添加；面向3D打印制造的設計，3D打印是新型的綠色増材制造技術，該知識元需要新獨立添加；面向優化環境制造的設計，對設計方案需要的制造方案進行環境評估，選擇實現環境最友好的設計，該知識元需要新獨立添加；基于綠色新能源的產品設計，目前許多綠色新型能源不斷涌現，需要不同的產品設計方案，該知識元需要新獨立添加。

（2）開設新的可持續發展知識課程。可持續發展知識涉及工程、環境和社會經濟多學科，經過多年的技術發展，已經逐步形成一套獨立的知識體系，并且上述新添加知識元需要這些知識元的支持。對于這些知識元，應該獨立開設課程，插入到培養課程知識流網絡中。可持續發展技術中最有特色的是產品全生命周期評價技術，即LCA技術。評估一個產品、一項工藝或一項服務是否是綠色的（或可持續的），需要從其全生命周期對資源消耗和環境影響進行評估。國際標準ISO 14040-2006和ISO14044-2006將LCA的實施步驟分為目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋四個部分。由此，形成一個完整的LCA評估技術和工具。在此基礎上，建立新的可持續發展基礎知識元，形成一門新課程：可持續工程基礎。“可持續工程基礎”課程包括如下知識元：工業生態學基礎，簡要介紹自然生態系統和工業系統、可持續發展觀和資源環境等；全生命周期評估，包括產品分析目標和邊界范圍定義、全生命周期清單分析、環境影響評價和解釋；常用LCA軟件工具及應用實例；材料流分析等。

三、結束語

可持續發展作為一種注重長遠發展的經濟增長模式，是未來全球經濟發展方向。培養未來工程師或決策領導者具有可持續發展的思想意識，理解可持續發展內容、原理和方法，具有的可持續發展知識是大學今后人才培養的一項新的內容。如何在現有本科培養方案課程中，更好、更多地融合可持續發展知識，改進培養課程體系，是一急待解決的問題。本文通過對現有機械工程類本科教學和可持續發展知識分析，提出可持續發展知識與現有本科課程相融合的教學模式，為系統地將可持續發展知識引入當前本科教學提供一個思路，為今后開展相應的課程建設和課程實踐打下基礎。endprint