材料綠色制造實踐教學模式探索

劉宇，高峰，孫博學，李小青

［摘 要］ 綠色制造是我國生態文明建設與工業轉型升級的必經之路。針對當前對材料綠色制造人才培養的迫切需求，系統梳理制造企業進行綠色產品研發、綠色工藝改進、節能減排潛力評價的標準流程與關鍵環節，設計融合材料生態設計、清潔生產技術優選、綠色產品評估認證等綠色制造全流程一體化的實踐教學方案，整合先進企業的實際研發經驗與管理運行數據，建立集成綜合教學方案、教學案例庫與專業軟件的綠色制造實踐平臺，探索產學融合、實踐創新的新工科教學模式。

［關鍵詞］ 綠色制造；實踐教學；生命周期工程

［基金項目］ 2020年度北京工業大學教育教學研究課題“材料綠色制造理論與實踐教學資源優化整合研究”（ER2020B041）；2020年度北京工業大學教育教學研究課題“新工科背景下資源循環科學與工程專業升級改造與創新人才培養路徑探索”（ER2020A009）；2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“京津冀區域材料新工科人才教育共同體構建與運行機制研究”（E-CL20201902）

［作者簡介］ 劉 宇（1984—），男，北京人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部副教授，主要從事生態環境材料與生命周期評價研究；高 峰（1978—），男，北京人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部材料學院院長，教授，博士生導師，主要從事生態環境材料與資源循環科學研究；孫博學（1985—），男，山西大同人，工學博士，北京工業大學材料與制造學部副教授，主要從事材料生命周期設計評價方法研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）11-0005-04［收稿日期］ 2022-05-13

一、背景

材料制造業是建設制造強國、促進新興產業成長、加強國防軍工建設、維護國家穩定的重要支撐。進入21世紀，面對資源日漸匱乏、能源漸趨短缺、環境問題日趨嚴峻等全球普遍關注的熱點問題，強調材料與資源、環境協調統一，已成為社會可持續發展的基本需求。當前，我國材料制造業產業結構偏重，能源結構偏煤，生產能耗約占全國總能耗的40%，直接溫室氣體排放超過40億噸。全面推行綠色制造，通過材料的設計、制造、回收等一系列環節的技術革新，降低產品全生命周期的環境影響，已成為材料產業綠色低碳轉型的重點戰略任務。

近年來，多項國家政策與規劃明確提出強化綠色發展理念，加快構建綠色制造體系，實現制造業高效清潔低碳循環和可持續發展，促進工業文明與生態文明和諧共融?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》強調，要深入實施智能制造和綠色制造工程，發展服務型制造新模式，推動制造業高端化智能化綠色化［1］。

在新時代背景下，工科人才培養應積極探索將綠色制造理論與企業綠色產品研發/綠色工廠建設融入課程教學的有效途徑［2］，從先進企業的成功實踐中挖掘優質實踐教學資源，開發綠色制造案例庫與教學平臺，支撐在課堂模擬企業綠色技術與產品研發的完整流程，并注重引入綠色制造國家政策與相關標準，優化實踐教學方案，以契合政府管理部門、制造企業與行業認證機構對綠色制造人才的能力需求。

二、綠色制造背景下人才培養及教學模式轉型需求

針對當前工業領域的綠色發展與綠色制造趨勢，企業從傳統制造向綠色制造的轉型升級勢必引發勞動力市場的巨大變革［3］，進而對高校工科人才培養提出側重綠色生產技術、綠色產品設計、綠色管理規范、綠色經營理念等新需求，相關理論與實踐教學模式也應及時調整。材料科學與工程專業人才培養與課程設計的思路應從“不斷改進與拓寬材料的應用性能”轉變為“材料—環境—社會的協調發展”，使新材料/新工藝研發與傳統材料改造既滿足社會發展的需求，又具有良好的環境協調性。具體舉措包括：（1）摒棄傳統“重功能，輕環?！钡钠嫠季S定式［4］，從引導追求材料性能指標最優轉變到性能—資源—環境—成本等多維指標的綜合優化。（2）從單獨關注材料制造/服役等局部流程改進轉變到前端毒害/稀缺元素替代、制造階段節能減排、使用階段高效安全服役、末端再生循環的全流程優化，灌輸未來工業產品設計與綠色制造的全生命周期理念。（3）從末端被動治理轉變到前端生態設計，設計階段決定了約80%的產品生命周期成本及環境影響，將環境因素納入產品設計，可實現從源頭優化資源配置，系統降低產品環境負荷。（4）注重材料科學與工程基本理論和資源環境、社會經濟等相關學科知識的深度交叉融合，培養具備從多方位制訂綠色制造集成解決方案的綜合能力。（5）課程教學結合企業實踐，持續追蹤國家在綠色產品、綠色工廠、綠色園區、綠色供應鏈等領域的政策部署，結合用人單位對綠色產品設計、綠色管理等相關崗位的實際需求，將綠色制造與評價認證的標準流程和成功案例融入課程教學。

針對以上思路，北京工業大學資源循環科學與工程專業開設了系列綠色制造相關理論課程，包括側重講授宏觀產業鏈綠色轉型理論的“工業生態學”、側重講授低環境負荷材料設計與評價理論的“環境材料基礎”、側重講授材料制備流程節能減排技術的“清潔生產技術”等；在綠色制造實踐教學方面，開設了“產品與流程生態設計實驗”“材料綜合實驗”等課程，教學內容以生命周期工程理論框架為基礎，有機融合產業園區規劃、材料生態設計、清潔工藝研發等綠色發展途徑與方法，從產業、企業、技術、產品等多個層級，系統實踐綠色制造理論體系的關鍵要素［5］。

三、材料綠色制造實踐教學模式探索

面向綠色制造背景下實踐教學的改革需求，以及當前實踐教學存在的與企業實際工作模式脫節、相關優質教學資源不足等問題，將現行的國家標準、設計規范、綠色認證制度等融入實踐教學，結合先進企業綠色產品研發與推廣經驗模式，挖掘優質教學資源建立綠色制造教學案例庫，開發融合材料生態設計、綠色技術優選、綠色產品評估等綠色制造全流程一體化的實踐教學平臺，探索新工科建設背景下生態環境材料研發與應用的實踐教學模式。

（一）融入綠色制造理論的實踐教學方案設計

基于當前材料制造企業進行綠色產品研發、制造技術改進、節能減排潛力評價等關鍵環節，設計模擬企業綠色產品研發、改進、評價及聲明的標準實踐流程（見圖1），形成集合國家標準、設計方法、認證評價等全流程多維度的材料綠色制造實踐教學方案。第一，對材料制造現狀開展生命周期評價，辨識產品系統生命周期中產生資源、環境問題的關鍵環節，通過與行業最優技術組合（BATs）進行比對，挖掘產品改進潛力并制定改進/設計目標；第二，針對生命周期評價辨識的關鍵環節與改進潛力，通過理論課程學習、自主查閱文獻與綠色技術數據庫，提出有針對性的改進方案或技術組合；第三，基于生態設計多維評價方法，分別評估不同設計/改進方案的產品性能、環境影響與經濟成本，形成綜合考慮性能、資源環境與經濟成本的最優方案；第四，對最優技術方案組合的改進潛力進行預測性評估，確定是否達到設計目標，分析其實施風險與社會效益。

通過設計以生命周期評價方法為核心的產品綜合診斷、技術方案擇優、設計效果評價、產品持續改進等綠色制造全流程實踐教學方案，教師能夠幫助學生理解材料的生產、使用、廢棄等對環境、社會可持續發展的影響，掌握材料生態設計與評價的理論方法與分析軟件使用方法，培養解決材料設計、制備和應用中組成—工藝—性能—環境影響之間可能出現的矛盾與沖突問題的能力。

（二）綠色制造教學資源整合及平臺搭建

綠色制造實踐教學方案實施需要大量來自實際企業的基礎數據，支撐融合行業綠色管理、企業綠色制造、產品綠色認證等多維度實踐教學模式。通過挖掘綠色制造的先進企業在設計、管理與運行等環節的教學資源，教師可建立綠色制造教學案例庫與綠色制造技術信息庫（見圖2），以案例的形式提供教學方案實施過程所需的標準規范、基礎數據及關鍵技術。開發集成生態設計、生命周期評價等方法模型的軟件工具，形成集合綜合教學方案、優質教學資源庫與專業教學軟件的綠色制造實踐平臺，實現從生產企業的設計工程師/環境管理工程師、行業監管部門的產品能耗/排放管理、認證機構的綠色產品/綠色工廠評審等多方面對綠色制造相關流程進行仿真模擬。

結語

將可持續發展理念與綠色制造理論融入實踐教學，結合當前我國工業領域推進綠色制造的政策部署與工作流程，我們設計了面向行業管理部門、綠色制造企業、綠色認證機構等多維度的綠色制造實踐教學模式，基于先進企業的綠色設計/管理經驗與實際運行數據，建立了標準、技術與認證一體化的教學案例庫與軟件平臺，支撐面向傳統產業升級和戰略新興產業綠色制造的復合型人才培養體系。

參考文獻

［1］中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要［EB/OL］.（2021-03-13）［2021-12-02］.http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

［2］楊東升，羅先群，李小麗.基于綠色制造的生物工程人才培養模式［J］.高教學刊，2020（20）：156-158+162.

［3］許艷麗，李資成.制造業轉型升級背景下綠色技能人才培養的挑戰與策略［J］.職業技術教育，2017，38（9）：

24-29.

［4］張戈.面向智能制造和綠色制造：構建新時代工程訓練的思考［J］.教育現代化，2018，5（19）：184-187.

［5］高峰，劉宇，崔素萍.資源循環科學與工程專業實踐教學模式探索［J］.教育教學論壇，2021（33）：105-108.

Exploration on Practical Teaching model of Material Green Manufacturing

LIU 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 urgent demand for green manufacturing talents in materials industry， this paper? conducts a thorough review on the standards and critical control points of manufacturing enterprises throughout green product research and development， green processes optimization， energy saving potential evaluation， thereby creating a practical teaching model to integrate the stages of material eco-design， cleaner production techniques， and green product evaluation. Furthermore， the advanced experiences of enterprise research and development and the management and operation data are integrated， and a green manufacturing practice platform is established which integrates teaching programs， case database and professional software， so as to explore a teaching model of industry-education integration and practical innovation in Emerging Engineering.

Key words： green manufacturing; practice teaching; life cycle engineering