《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》“金課”建設(shè)的探索與實(shí)踐

＊孫曉麗 劉婧 錢慶榮

（1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 福建 350007 2.福建師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 福建 350007）

引言

塑料因具有良好使用性能、易成型加工以及較好的成本經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)與日常生活多個(gè)領(lǐng)域，成為不可或缺的重要基礎(chǔ)材料。隨著人們對(duì)聚合物制品的依賴日益嚴(yán)重，聚合物的用量與日俱增。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2021年發(fā)布的報(bào)告，1950年至2017年間全球累計(jì)生產(chǎn)約92億噸塑料，約70億噸成為廢棄物，進(jìn)入土壤和海洋，形成視覺、土壤、水體污染，成為僅次于氣候變化的全球第二大焦點(diǎn)環(huán)境問題。我國聚合物材料產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第一，僅塑料制品一年的消費(fèi)量就達(dá)九千多萬噸。大部分聚合物制品使用后被丟棄，不僅造成白色污染，還極易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)逐年累積，嚴(yán)重威脅水土安全和人體健康[1-3]。面對(duì)日益嚴(yán)峻的塑料污染問題，我國不斷加強(qiáng)塑料廢棄物的回收和利用，積極發(fā)展塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)。2020年1月國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的實(shí)施意見》，提出加強(qiáng)生物基產(chǎn)品、可降解塑料等替代產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用推廣，提高塑料廢棄物資源化利用水平；2021年9月印發(fā)了《“十四五”塑料污染治理行動(dòng)方案》，提出加快推廣應(yīng)用廢塑料再生利用先進(jìn)適用技術(shù)裝備，鼓勵(lì)塑料廢棄物同級(jí)化、高附加值利用。對(duì)廢舊聚合物資源進(jìn)行循環(huán)利用，可以節(jié)約原油和能源、減少溫室氣體排放，具有重要意義[4-6]。

資源循環(huán)利用科學(xué)與工程專業(yè)，是為了滿足國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)及循環(huán)經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的迫切需求而設(shè)立的新興交叉學(xué)科專業(yè)。因此，面向資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生，開設(shè)聚合物循環(huán)利用相關(guān)課程，培養(yǎng)學(xué)生廢舊聚合物資源綠色循環(huán)和高質(zhì)利用的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和工程實(shí)踐能力，具有十分重要的意義。

1.課程建設(shè)的背景與意義

作為全國首批設(shè)立資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的10所高校之一[7]，福建師范大學(xué)的資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)自2011年設(shè)立至今，逐漸形成了以聚合物固廢資源化、礦山資源高值化、生物質(zhì)能源、資源轉(zhuǎn)化和利用為特色的新興交叉學(xué)科專業(yè)。其中聚合物作為現(xiàn)代社會(huì)使用量和廢棄量最大的材料之一，其循環(huán)利用技術(shù)不但是資源循環(huán)利用領(lǐng)域的重要科研熱點(diǎn)，也是本專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)核心內(nèi)容[8]。但是，由于我國各高校的資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)時(shí)間都較短，且該專業(yè)涉及環(huán)境、材料、化學(xué)工程、經(jīng)濟(jì)、管理等多學(xué)科的交叉[9-12]，針對(duì)該專業(yè)獨(dú)立開設(shè)的聚合物資源循環(huán)利用相關(guān)課程的高校并不多[13-14]，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限，因此開展聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)的“金課”建設(shè)十分必要。

《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》自2013年以來，一直是福建師范大學(xué)資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程。經(jīng)過7年的建設(shè)、實(shí)踐和改進(jìn)，課程內(nèi)容逐年優(yōu)化，課程形式由最初的課堂授課發(fā)展為“講授、討論、案例設(shè)計(jì)、實(shí)地參觀”等課內(nèi)課外多模式結(jié)合，深受學(xué)生的喜愛和好評(píng)。另一方面，該課程依托聚合物資源綠色循環(huán)利用教育部工程研究中心、福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和福建省改性塑料技術(shù)開發(fā)基地等科研平臺(tái)優(yōu)勢，進(jìn)行了課程拓展和學(xué)生的課后科研實(shí)踐。同時(shí)，課程中還開設(shè)了聚合物資源循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)，將理論課程中設(shè)計(jì)的循環(huán)利用案例作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)方案，感受學(xué)以致用的樂趣，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解掌握。每年都有十余位本科學(xué)生在本課程的基礎(chǔ)上開展大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、畢業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)論文等科研工作，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

2.課程的建設(shè)

(1)課程的性質(zhì)和目的

《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》是針對(duì)資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)核心課程，內(nèi)容涉及聚合物材料理論基礎(chǔ)以及廢舊聚合物循環(huán)利用技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在了解聚合物合成原理與方法、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系和成型加工原理等基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，掌握三大聚合物材料——塑料、橡膠和纖維的循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)和工藝流程。課程圍繞“金課”建設(shè)高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的標(biāo)準(zhǔn)，建立教學(xué)內(nèi)容新穎豐富、教學(xué)方法靈活多樣、考核制度完善的《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》課程體系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用聚合物的基礎(chǔ)理論知識(shí)解決廢舊聚合物循環(huán)利用過程中的復(fù)雜實(shí)際問題的綜合能力和科研創(chuàng)新能力。

(2)課程建設(shè)內(nèi)容

本課程內(nèi)容的設(shè)置按照“理論—應(yīng)用—實(shí)踐”三方面逐層遞進(jìn)。課程共計(jì)48學(xué)時(shí)，第一部分是聚合物循環(huán)利用的科學(xué)基礎(chǔ)（1～5章），第二部分是三大聚合物材料的循環(huán)利用技術(shù)（6～9章），第三部分是聚合物循環(huán)利用課程設(shè)計(jì)（4個(gè)實(shí)驗(yàn)）。主要內(nèi)容設(shè)置如圖1所示，具體內(nèi)容如下：

圖1 《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》課程內(nèi)容設(shè)置

第一部分為聚合物循環(huán)利用科學(xué)基礎(chǔ)，共5章內(nèi)容，計(jì)16學(xué)時(shí)。具體內(nèi)容介紹如下：

第1章緒論，2學(xué)時(shí)，介紹聚合物的應(yīng)用及廢棄情況，國內(nèi)外廢舊聚合物的循環(huán)利用概況和發(fā)展趨勢，聚合物資源循環(huán)利用科學(xué)與工程的概念等。

第2章聚合物合成原理與方法，4學(xué)時(shí)，介紹聚合物的基本概念，聚合物合成方法及原理等。

第3章聚合物結(jié)構(gòu)與性能，4學(xué)時(shí)，介紹聚合物的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、流變性質(zhì)等。

第4章聚合物加工工藝，4學(xué)時(shí)，介紹塑料、橡膠和纖維的成型工藝等。

第5章聚合物改性，2學(xué)時(shí)，介紹聚合物的共混改性、填充改性、化學(xué)改性和表面改性等。

第二部分為廢舊聚合物循環(huán)利用技術(shù)，共5章內(nèi)容，計(jì)16學(xué)時(shí)。具體內(nèi)容介紹如下：

第6章聚合物分選與分離技術(shù)，2學(xué)時(shí)，介紹聚合物的鑒別原理與技術(shù)、聚合物的分選技術(shù)與設(shè)備，聚合物基復(fù)合材料的分離與回收等。

第7章廢舊塑料循環(huán)利用技術(shù)，4學(xué)時(shí)，介紹廢舊塑料的直接再利用、改性與成型、熱塑性塑料再生利用技術(shù)和熱固性塑料的回收與再利用技術(shù)、國內(nèi)外塑料循環(huán)利用的情況及最新進(jìn)展等。

第8章廢舊橡膠循環(huán)利用技術(shù)，4學(xué)時(shí)，介紹廢舊橡膠的回收技術(shù)與設(shè)備及國內(nèi)外研究進(jìn)展，再以活性膠粉和再生橡膠為例介紹如何回收利用。

第9章為廢舊合成纖維的循環(huán)利用技術(shù)，4學(xué)時(shí)，介紹廢舊紡織品循環(huán)利用概述及國內(nèi)外研究進(jìn)展，舉例介紹以廢舊纖維制造膠板、廢舊聚酯纖維制備化工原料和廢舊合成纖維增強(qiáng)改性發(fā)泡體。

第三部分是廢舊聚合物循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)，共4個(gè)實(shí)驗(yàn)，計(jì)16學(xué)時(shí)。具體內(nèi)容如下：

實(shí)驗(yàn)一：廢舊紙塑鋁復(fù)合包裝材料結(jié)構(gòu)與分離實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)，認(rèn)識(shí)廢舊利樂包的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的紙、鋁塑部分進(jìn)行分離，并分別作為原料制備再生紙和導(dǎo)熱再生板材。

實(shí)驗(yàn)二：回收PET瓶片改性與高質(zhì)利用實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)，以廢舊礦泉水瓶為原料，經(jīng)破碎、分選、熔融擠出得到再生PET線材。

實(shí)驗(yàn)三：基于廢舊PVC管材粉末生態(tài)板材制備實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)，以廢舊PVC管材為原料，經(jīng)破碎、分選后，添加脫硫灰填充改性，擠出成型制備綠色復(fù)合板材。

實(shí)驗(yàn)四：基于廢舊塑料3D打印線材制備實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)，以廢舊PE為原料，經(jīng)改性、熔融擠出獲得再生PE線材，設(shè)計(jì)3D打印模型并打印各種形狀結(jié)構(gòu)的制品。

本課程的內(nèi)容由基礎(chǔ)知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用再到自主設(shè)計(jì)實(shí)踐，由淺入深，難度逐漸加寬加大，體現(xiàn)“金課”的挑戰(zhàn)度；基礎(chǔ)知識(shí)和循環(huán)利用技術(shù)不斷發(fā)展，課程內(nèi)容也緊跟前沿發(fā)展，介紹最新的理論發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)展，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新，體現(xiàn)“金課”的創(chuàng)新性；課程內(nèi)容從“理論—應(yīng)用—實(shí)踐”逐層遞進(jìn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生利用基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，體現(xiàn)“金課”的高階性。

3.課程的教學(xué)方法

本課程內(nèi)容涉及聚合物的理論基礎(chǔ)和循環(huán)利用技術(shù)兩個(gè)部分內(nèi)容，屬于多學(xué)科的知識(shí)交叉。其教學(xué)內(nèi)容的顯著特點(diǎn)是知識(shí)面廣和實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)方式采用線上線下相結(jié)合、課堂講授與實(shí)踐設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，開展互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式和項(xiàng)目化教學(xué)，努力培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、深入思考、準(zhǔn)確表達(dá)的能力。

互動(dòng)式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)運(yùn)用在大部分的課程教學(xué)中。互動(dòng)式教學(xué)主要采用高質(zhì)量課堂討論的形式，學(xué)生基于線上課程開展課前預(yù)習(xí)，根據(jù)課前設(shè)置的問題進(jìn)行調(diào)研，在老師簡單講解后自主開展課堂討論，將課堂交還給學(xué)生。啟發(fā)式教學(xué)以生活中的聚合物為例，啟發(fā)學(xué)生去認(rèn)識(shí)聚合物，認(rèn)識(shí)廢舊聚合物，探討廢舊聚合物的性質(zhì)、狀態(tài)、分離和循環(huán)利用等。

探究式教學(xué)主要針對(duì)廢舊聚合物的分選和分離，通過前面內(nèi)容的學(xué)習(xí)掌握聚合物的基本性質(zhì)，根據(jù)性質(zhì)去探究各種廢舊聚合物的分選原理和方法，探究相應(yīng)的廢舊聚合物的分離技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生去應(yīng)用知識(shí)、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

項(xiàng)目化教學(xué)主要針對(duì)循環(huán)利用技術(shù)，設(shè)置循環(huán)利用的對(duì)象和再生產(chǎn)品目標(biāo)，讓同學(xué)們基于課堂內(nèi)容自主設(shè)計(jì)循環(huán)利用途徑和手段，在自主實(shí)踐中鞏固知識(shí)，培養(yǎng)綜合能力。

4.課程的考核制度

采用多樣化的作業(yè)設(shè)計(jì)體系和課程考核方式，加大學(xué)習(xí)過程考核，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、學(xué)以致用的能力。作業(yè)體系由基礎(chǔ)題、發(fā)散體、固定題和拓展題等構(gòu)成（如“3道基礎(chǔ)題+2道發(fā)散題+1道固定題+1份知識(shí)拓展”的塔式設(shè)計(jì)）；課程成績由期末考試、平時(shí)作業(yè)和考勤、課堂報(bào)告和討論組成，期末考試成績占比50%，平時(shí)作業(yè)和考勤占比30%，課堂報(bào)告和討論占比20%。期末考試突出知識(shí)的靈活應(yīng)用，嘗試使用無標(biāo)準(zhǔn)答案思考分析考題。

同時(shí)，綜合利用學(xué)校的線上教學(xué)云平臺(tái)、學(xué)習(xí)通App等手段建立多種學(xué)生的反饋途經(jīng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行多角度的及時(shí)反饋，并根據(jù)反饋意見及時(shí)地調(diào)整課程內(nèi)容和教學(xué)方法等，以適應(yīng)學(xué)生的需求。

5.教學(xué)實(shí)踐與展望

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可理解和掌握聚合物材料的基本理論和循環(huán)利用技術(shù)，并綜合運(yùn)用這些知識(shí)設(shè)計(jì)不同種類聚合物資源的循環(huán)利用方法。授課過程中多種教學(xué)手段的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生對(duì)廢舊聚合物資源的興趣，提升了學(xué)生們對(duì)其高值化循環(huán)利用探索的熱情。特別是課程最后的實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提供給了學(xué)生利用課內(nèi)知識(shí)去解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，激發(fā)了學(xué)生探索深層原理、開展課題研究的興趣。同時(shí)，課內(nèi)知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的順利轉(zhuǎn)化增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)環(huán)境問題的責(zé)任感，提高了學(xué)生對(duì)自身專業(yè)的認(rèn)同感。教學(xué)實(shí)踐表明，本課程在豐富資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、增強(qiáng)學(xué)生的理論與實(shí)踐結(jié)合能力、提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)等方面都有良好的效果。

由于目前《聚合物資源循環(huán)利用技術(shù)》課程可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，可參考的課程教材較少[15-16]，課程教學(xué)極具挑戰(zhàn)性。今后在該課程的開展過程中，我們需要以資源循環(huán)利用領(lǐng)域的人才需求為導(dǎo)向，不斷探索和優(yōu)化課程體系，加入更多的實(shí)踐教學(xué)和體驗(yàn)式教學(xué)，提升教學(xué)效果，為培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。