綠色理念在高等院校材料類專業中的滲透：探索與實踐

張 騰 馬建華 吳平平

(廈門工學院 材料科學與工程系，福建 廈門 361021)

綠色材料，又稱為環境材料或可持續發展材料，是指在原料采取、產品制造、使用或者再循環以及廢物處理等環節中對地球環境負荷最小、最有利于人類健康的材料，是一種對人類環境、人類社會發展有利的材料[1，2]。綠色材料的概念最初是在1988年的第一屆IUMRS(國際材料研究協會)國際會議上提出的。經過若干年的發展，綠色材料由最初的“在物品的使用、丟棄的過程中對環境沒有危害、對人類身體健康沒有影響的材料”拓展為“在整個原料采集、制備生產、使用消費、循環利用、資源再生整個生命周期中都是對環境及人類健康是有利的材料”。

綠色材料自從其概念被提出，這三十年來不斷地發展變化：從最初擴展到環境材料開始，之后又延伸增加了綠色化學的概念，近年來又提出了可持續材料管理。隨著人們對綠色材料的理解以及其意義的進一步加深，綠色材料在社會生產以及人們生活中所起到的作用也越來越大。作為以培養應用型人才的教學工作為主的應用型本科高等院校，在現代大學生的教學與生活過程中，滲透綠色材料的理念顯得尤其的重要。同時依據當今世界環保理念，資源利用，新能源產業的趨勢，讓現代材料科學與工程專業大學生了解綠色材料、接觸綠色材料、理解綠色材料、應用綠色材料，也是現今材料科學與工程專業教學過程中不可缺少的一環。

1 綠色相關理念簡介

中國國家十三五規劃中提出了綠色發展的概念，并確定其為主要目標之一。綠色是永續發展的必要條件和人民對美好生活追求的重要體現。同時，在發展新型制造業這一部分也提到了發展新型制造業，實施綠色制造工程，推進產品全生命周期綠色管理，構建綠色制造體系[3]。在中國制造2025中，也提到了工業制造要綠色發展。其中綠色制造工程，就提到制定綠色產品、綠色工廠、綠色園區、綠色企業標準體系，開展綠色評價[4]。

自綠色材料的概念提出以來，類似的概念得以不斷提出，例如綠色化學。綠色化學是指能夠保護環境的化學技術。綠色化學作為一個新興的交叉學科與綠色材料相輔相成[5，6]。美國《綠色化學》(Green Chemistry)雜志中將綠色化學定義為“在制造和應用化學產品時應有效利用(最好可再生)原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑”[7]。綠色化學可通過使用自然能源，避免給環境造成負擔、避免排放有害物質，如以利用太陽能為目的的光觸媒和氫能源的制造和儲藏技術的開發，并考慮節能、節省資源、減少廢棄物排放量。2015年爆發的天津港的化學品爆炸事件引起社會對綠色化學品的廣泛關注。

2015年G7國家領導人會議上提出了可持續材料管理，這代表綠色材料利用的較大進展[8]。所謂可持續材料管理是指在材料的整個生命周期過程中，更有效的利用及重復再利用的材料系統工程。可持續材料管理能從整體上改變社會如何使用自然資源以及如何進行環境保護的思維方式。通過觀察材料的整個生命周期，可以從中找到降低材料對環境影響的新機會或機遇。縱觀整個20世紀，全球材料使用已經超過了人口增長速率的兩倍，人類每增加1%的GDP，就會產生0.4%的材料使用。

可持續材料管理和廢物處理有很大的不同，它關注的是整個材料的生命周期，包括了材料和產品的采集、生產、分布、使用以及拋棄這五個主要的材料生命周期。這個最新的概念不僅包含了零污染、綠色化學、環境標簽、可持續供應鏈管理、精益生產、綠色采購，還包含了美國EPA環境保護計劃、G8(八國集團)的3R(Reduce、Reuse、Recycle)計劃、UNEP(聯合國環境規劃署)的可持續產品及消耗與可持續資源管理項目和OECD(經濟合作與發展組織)的可持續材料管理框架[9]。

2 綠色理念在高校課堂教學中的滲透

2.1 綠色理念在傳統材料類課程教學中的滲透

在傳統的材料教學課程中增加綠色材料相關的內容與知識，是滲透綠色材料理念最簡便快捷的方法。金屬材料加工過程中，鑄造、鍛造、切削、焊接、熱處理、電鍍等工藝都會對外部環境帶來比較大的負擔。而盡可能地降低這些影響，使得原材料損失、能源消耗、廢棄物產出達到最小化是綠色理念的一種滲透方式[10]。在金屬加工的課堂教學中，一方面鼓勵學生思考如何在材料加工過程中降低對環境的影響，另一方面可以提示學生在考慮所需零件選材時，除了材料的經濟性與技術性，還應兼顧材料的環境協調性。

無機非金屬材料是一類重要的工程材料，包括水泥、沙石、混凝土、玻璃等，在建筑材料中有非常廣泛的應用[11，12]。在無機非金屬相關課程中，可以滲透綠色建筑材料的相關知識及可能的應用，如原料中可以盡可能選取天然資源，采用低能耗的制造工藝、產品生產過程中降低甲醇、汞等有害的化學藥劑的使用、設計產品的循環利用，不產生二次污染等等。教學過程中可以從同學們熟悉的教室環境和家居環境，采用互動式教學方式，增進同學們對周邊建筑綠色材料相關知識的了解。

在高分子材料的課程中，可以增加材料的回收與利用的相關知識。高分子材料在近幾十年間迅速發展，廣泛運用與生活中的方方面面，由此也帶來了大量的環境問題。因此教學課程中，除了講解不同材料的性能與使用，也需強調可能造成的環境污染的問題，在平時教學中滲透材料的充分利用，節能高效的生產方式，建立綠色工業的概念。也可開設以“高分子材料的回收與利用”、“可降解高分子材料”等專題著重介紹塑料和橡膠的回收與再循環。

復合材料是一種由無機非金屬、高分子材料和金屬材料組成的混合物，被譽為“第四類材料”，代替了很多傳統的材料，在很多領域都有著廣泛的運用。在課堂教學中增加復合材料的材料選擇與設計過程講解，如能否盡可能的使用自然材料、可降解材料來作為復合材料的基體或增強物，以降低對自然環境的破壞；能否設計相關的廢棄復合材料回收流程，盡可能的回收其基體或增強物；能否通過復合材料的結構設計，使得盡可能的保持復合材料的強度又減少環境破壞較大的材料的比例[13，14]。 這些都可以在教學過程中激勵學生探索設計復合材料，同時滲透綠色材料的理念，讓同學們對綠色材料有實際的感性認識。

當然，直接開設“綠色材料”、“環境材料”專業選修課程也是一個行之有效的方法，這些課程可以傳統講授為主，貫穿綠色材料的起源、定義、研究意義、研究內容、發展趨勢等，細化材料對環境的影響，對環境影響的評價技術，材料的資源效率，材料的采取與加工，材料的生態學等方面；或者以專題的形式展開，如綠色建筑材料、綠色包裝材料、綠色涂料、綠色耐火材料等。課程可以充分發揮學生的主觀能動性，要求學生收集相關的專題內容，采用互動教學的模式，教師和學生，學生與學生之間交流，擴大對綠色材料相關內容的認知。也可以采用設計教學方案，給予學生一個具體的實例，引導學生進行綠色材料的流程設計，以設計報告作為課程評價內容。

2.2 新能源材料以及新能源課程

2012年，國家新版的專業目錄特別加入了新能源材料及器件專業，由此可見新能源材料相關產業得到了國家政策的主要關注。新能源相關材料，從節約能源、存儲能源的角度來說也屬于一種綠色材料。開設新能源材料專業，除了相關的材料科學基礎的課程之外，同時還應著重關注幾類特殊的、具有產業前景、存在應用價值與突破口的重要材料，例如，太陽能電池材料，鋰離子電池材料，超級電容器材料。同時也可以介紹部分與產業相關的新能源材料，例如核能材料(鋯合金、核聚變材料)，風能材料(磁性材料)。

在課程講述的過程中，雖然新能源材料本身已經可以節約利用能源，然而，制造新能源材料的過程中也應提示學生注意生產制造過程中對環境的影響。例如，太陽能電池制造技術，一方面需要關注太陽能材料，如單晶硅、多晶硅提純所需要的耗能，現今制造方法多使用改造西門子法，其缺點就是耗電量太大，為了制造材料而產生的碳排放不容小覷。另一方面，需要注意生產多晶硅所產生的副產品，如大量的尾氣，以及副產品四氯化硅，副產品回收過程中由于技術不成熟產生的有毒氣體，不僅僅對自然環境空氣、土壤有破壞作用，對人類生活也造成重要的影響。第三是關注能源傳輸與存儲問題，第四是關注新型的太陽能電池材料或太陽能直接轉化材料。由于用途的不同，某些新型的太陽能電池材料在特殊的地方有一定的優勢，有些時候太陽能直接轉化成所需的熱能或其它能量，這里所涉及的相關材料并不一定比太陽能電池材料要差，也應該有所關注。

2.3 計算機在材料科學與工程中的應用

材料的設計及利用是當今材料科學研究的一大挑戰，而發現新材料，創造新材料對現代人類的生產生活有巨大的幫助，材料科學工作者在不斷地探索突破已有材料的各種限制，不斷提升材料的各項性能。但是，在這個研究探索的過程中，也產生了大量的、重復性的浪費，尤其是一些特殊材料的制備與合成，不僅成本較高、同時耗能較大。如何能夠在材料科學實驗之前有一個較好的預測，是現代材料科學發展的新趨勢。

2012年白宮白皮書提出了一項“材料基因組”計劃[15]，可以有效地降低材料研發過程中的彎路。通過計算機可以預測不同成分、不同結構、不同尺度的材料及其相關的可能應用。通過多尺度的材料科學研究計算(第一性原理、分子動力學、相場計算方法、有限元計算方法)可以很好的發現并預測新型的材料及其可能的物理、力學、化學性質。在綠色材料的設計、使用、選材等方面使用計算機手段，可以很好地提升新型材料或新材料結構設計的效率。同時，計算機應用也是當今大學生的一項必備技能，可以通過結合計算機計算材料的成分、結構、性能，來完成降低材料對環境破壞，選擇更友好環境的材料、設計更有效的合金、結構材料或復合材料的目標。

3 綠色理念在實踐課程中的滲透

3.1 生產實踐中的廢物回收

金工實習、生產實習、就業實習是材料系學生參與材料的制備與生產的主要實踐形式，在學生參與這三類實踐課程的過程中，可以有意引導滲透綠色材料的思想，一方面可以關注實習過程中企業對廢料，舊料的回收處理，另一方面也需要關注生產中的耗能問題，同時也需要關注生產企業的廢料、有毒廢氣體等的處理方式，是否足夠環保，有沒有可以改進的地方。

3.2 建筑材料的廢物利用

綠色建筑材料也是一類重要的綠色材料，通過參觀建筑工地建設所需要的材料，了解原料的來源、制造工藝，以及材料生產過程中的排放問題。建筑材料一個重要的組成部分是預制構件，通過了解國家與地方對預制構件的要求，探討預制構件的建筑選材，以及模擬研究如何盡可能的降低對環境影響較大的材料的比例，或者如何增加可循環回收材料的比例，又同時可以保證工程性能，達到國家標準。這可以成為實踐課程的一個重要組成部分。

3.3 新能源材料實踐課程的開設

伴隨新能源材料專業的開設，可以開設部分與新能源材料相關的實踐課程，例如太陽能電池測試，鋰離子電池測試。在教學實踐過程中，可以指導學生組裝太陽能電池材料，設計太陽能電池材料，對太陽能電池板進行組裝、IV測試、短線測試等。鋰離子電池實踐課程，可以指導學生合成鋰離子電池的陰極與陽極材料，依據這些材料組裝鋰離子電池系統，通過改變不同材料成分以及組裝設計，來提高鋰離子電池的存儲容量、容積比、循環次數等等相關的重要參數。

4 綠色理念在校園文化中的滲透

校園文化的主體是在校學生課外文化活動，是大學高等教育的一個重要的組成部分。它往往融合了學生的語言、行為、見解、價值觀、哲學觀等內容。它的所謂的“規則”，往往是隱性的，也是大學生融入校園所必修的一課。大學校園文化在不同的大學之間，有相似性，同時，也會因學校文化精神的不同而不同。

校園文化是可以被構建的，可以在構建校園文化的精神之中融入綠色環保的意識，使得綠色材料的理念思想深入文化建設之中。在滲透校園文化方面，首先我們從日常生活著手，強調材料的循環利用。例如，在校園四處擺放的垃圾桶，可以依據垃圾分類的目錄分為廚余垃圾、可回收物、有害垃圾、以及其他垃圾。對于材料系的學生，可以進一步的強調可回收物的價值，如可將可回收物進一步細化為塑料類、辦公用紙、易拉罐類、玻璃類等等。這些材料可以直接回收再利用。同時也可以強調有害垃圾的害處，例如，廢舊的電池、手機類、廢棄數據線、以及電子元件等等。

校園文化活動也是校園文化建設中重要的一環，例如，本系每年舉辦的綠色材料演講大賽，可以很好的調動學生認識綠色材料的積極性。整個演講大賽由學生自由分組，自由選題，自主尋找素材并制作PPT，最后發揮演講技巧闡明學生對綠色材料的理解。最后由評判老師從選題、PPT制作、演講技巧等方面給予學生一定的評價。從歷屆舉辦演講大賽的內容來看，學生自主選題有些立意新穎，跳出傳統的框架，覆蓋范圍寬泛，不僅僅有利于綠色材料綠色思想的普及，同時也有利于學生演講技巧等綜合素質的提高。

此外，建筑垃圾是常見的一種大塊的垃圾廢料，對建筑垃圾的再利用，可以更直觀的體現綠色材料的思想。在建筑垃圾上做簡單的修飾，可以成為藝術品，一方面增進人文氛圍，同時也可以傳播綠色材料的再利用。

5 結語

本文依據綠色材料近年來的發展規律，結合工科院校發展的實際情況，著重探討了材料類專業綠色理念如何在課堂教學，課外實踐與校園文化中的滲透：對于課堂教學，既可以在傳統課程中增加綠色材料相關內容，也可以通過開設新能源專業或相關課程來提高學生對綠色理念的理解，或者結合當今計算材料學來減少設計研究材料對環境的影響；對于課外實踐、生產實踐過程中的廢物利用，以及新能源材料的實驗實踐課程，直觀的增強學生的綠色、環保的概念；同時，在校園文化中，也可以融入綠色保護的意識。通過這些方式，可以最終實現綠色材料理念對學生生活全方位滲透的良好效果，幫助于學生更好的理解材料專業的專業知識并樹立可持續發展的環保意識。