機械工程類本科專業(yè)可持續(xù)發(fā)展知識教學(xué)探討

張應(yīng)中　張洪潮　李濤　劉偉嵬　劉淑杰

摘要：可持續(xù)發(fā)展是未來經(jīng)濟和社會發(fā)展方向，培養(yǎng)未來工程師或決策領(lǐng)導(dǎo)者具有可持續(xù)發(fā)展思想意識和可持續(xù)發(fā)展知識是大學(xué)今后人才培養(yǎng)的一項新的內(nèi)容。本文通過對現(xiàn)有機械工程類本科教學(xué)和可持續(xù)發(fā)展知識分析，提出融合可持續(xù)發(fā)展知識的機械工程本科課程教學(xué)模式，為應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展知識需求，改進現(xiàn)有機械類本科教學(xué)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展知識；機械工程專業(yè)；本科教學(xué)

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

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

制造業(yè)對經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有重要的影響。制造業(yè)不僅向環(huán)境排放大量廢棄物，又是采礦、電力等高能耗工業(yè)產(chǎn)出產(chǎn)品（電能、材料等）的消費者。機械產(chǎn)品及機械制造過程是制造業(yè)的重要部分，機械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是今后機械工業(yè)重要的戰(zhàn)略方向，目前可持續(xù)機械設(shè)計制造成為機械學(xué)科研究熱點之一。

本文結(jié)合作者多年機械設(shè)計制造課程教學(xué)、可持續(xù)設(shè)計制造技術(shù)的科研積累及在國外參與可持續(xù)發(fā)展知識教學(xué)實踐，根據(jù)可持續(xù)技術(shù)發(fā)展對知識基本要求，對現(xiàn)有機械工程專業(yè)課程融合可持續(xù)發(fā)展知識教學(xué)內(nèi)容進行探討，提出將要開展的教學(xué)模式。

一、可持續(xù)發(fā)展知識

可持續(xù)發(fā)展（Sustainable development，SD）是能滿足當(dāng)代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展，一般歸結(jié)為經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展、社會的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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

1.產(chǎn)品全生命周期評價技術(shù)。全生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是目前研究和分析產(chǎn)品和過程全生命周期對資源和環(huán)境影響的主要技術(shù)。它是通過識別和量化產(chǎn)品全生命周期（包括產(chǎn)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(chǎn)品及其制造過程對環(huán)境的影響。

2.綠色設(shè)計技術(shù)。產(chǎn)品綠色設(shè)計是將環(huán)境考慮集成在產(chǎn)品和工藝設(shè)計過程中。在保證產(chǎn)品價格、性能和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計與環(huán)境友好的產(chǎn)品和工藝。綠色設(shè)計主要涉及綠色材料設(shè)計、面向回收/拆卸的設(shè)計、節(jié)能和低碳設(shè)計、輕量化設(shè)計、基于LCA的生態(tài)設(shè)計等。

3.綠色制造工藝技術(shù)。綠色制造工藝技術(shù)是保證產(chǎn)品制造過程中對環(huán)境影響最小。綠色制造工藝技術(shù)主要包括兩大部分：一是新型綠色成形技術(shù)，主要有少無切削工藝、干式切削工藝等。二是改進現(xiàn)有制造成形技術(shù)，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(chǎn)品生命周期末端處置技術(shù)。產(chǎn)品服役（使用）期結(jié)束后，進入產(chǎn)品生命周期末端，若不對產(chǎn)品實施處置，將造成資源浪費并導(dǎo)致環(huán)境污染。目前產(chǎn)品生命周期末端處置主要涉及產(chǎn)品拆卸、回收重用（包括直接重用、修復(fù)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(shù)。綠色材料是指在原料采取，產(chǎn)品制造使用和再循環(huán)利用以及廢物處理等環(huán)節(jié)中與生態(tài)環(huán)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(guān)系到資源消耗和環(huán)境影響，綠色材料知識是重要的可持續(xù)發(fā)展知識之一。隨著地球資源的減少，新可再生能源（太陽能、風(fēng)能等）和清潔能源（電動能源、氫能源等）技術(shù)快速發(fā)展，這些新能源技術(shù)知識對制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是非常重要的。

二、融合可持續(xù)發(fā)展知識的機械工程類本科教學(xué)

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

2.融合可持續(xù)發(fā)展知識的機械工程類本科教學(xué)。高等教育是一個知識傳授和綜合能力培養(yǎng)的過程。教學(xué)過程中的每一門課程都是一個專業(yè)學(xué)習(xí)的知識點，知識點具有相互依賴的關(guān)系，前一知識點是后一知識點的基礎(chǔ)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(xiàn)有本科培養(yǎng)方案中的每門課程，對于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握本學(xué)科知識是非常重要的。同時，可持續(xù)發(fā)展是有特定的發(fā)展對象，可持續(xù)發(fā)展知識需要與學(xué)科專業(yè)知識融合，才能被充分理解和實際應(yīng)用。為此，我們根據(jù)可持續(xù)發(fā)展知識特征和現(xiàn)有課程，提出如下融合可持續(xù)發(fā)展知識教學(xué)模式：

（1）在現(xiàn)有課程中添加可持續(xù)發(fā)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(yīng)用的知識等。同一課程內(nèi)的知識單位，定義為課程知識元。

很多可持續(xù)發(fā)展知識與學(xué)科專業(yè)知識相關(guān)聯(lián)，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(guān)聯(lián)，就能有機地融合到現(xiàn)有本科培養(yǎng)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(xù)發(fā)展知識元：①機械工程材料課?！皺C械工程材料”課程是機械類各專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程。其任務(wù)是通過本課程的教學(xué)，學(xué)生具備對機械零件合理選材、提出熱處理技術(shù)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(jié)構(gòu)及加工工藝之間的關(guān)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(chǎn)品材料是影響可持續(xù)發(fā)展的重要因素，選擇的材料不僅能滿足產(chǎn)品使用功能要求，而且全生命周期評估是綠色（環(huán)境友好）的。綠色材料知識元有：工程材料可持續(xù)發(fā)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(chǎn)的環(huán)境影響，例如，重金屬開采、冶煉、處置對環(huán)境的影響；工程材料在不同應(yīng)用場合的環(huán)境特性，例如，材料毒性、環(huán)境（空氣、水、土壤）污染等；鋼鐵材料熱處理環(huán)境特性，能耗及環(huán)境影響等；各種新型生態(tài)工程材料。上述這些知識元可以與工程材料的物理、化學(xué)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(shè)計課?！皺C械設(shè)計”課程為大學(xué)本科機械類必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程。該課程主要知識元包括：機械設(shè)計的基本理論（強度、摩擦學(xué)等）、連接件、傳動件、轉(zhuǎn)動和支承零件等。目前的知識元主要針對具有設(shè)計能夠滿足產(chǎn)品功能零部件的能力，需要融合如下可持續(xù)發(fā)展知識元：面向可拆卸和重用的設(shè)計，該知識元可以與聯(lián)接緊固知識元融合；零件輕量化設(shè)計，該知識元可以與零件強度設(shè)計知識元融合；零件壽命組合設(shè)計和回收設(shè)計，該知識元需要新獨立添加；面向3D打印制造的設(shè)計，3D打印是新型的綠色増材制造技術(shù)，該知識元需要新獨立添加；面向優(yōu)化環(huán)境制造的設(shè)計，對設(shè)計方案需要的制造方案進行環(huán)境評估，選擇實現(xiàn)環(huán)境最友好的設(shè)計，該知識元需要新獨立添加；基于綠色新能源的產(chǎn)品設(shè)計，目前許多綠色新型能源不斷涌現(xiàn)，需要不同的產(chǎn)品設(shè)計方案，該知識元需要新獨立添加。

（2）開設(shè)新的可持續(xù)發(fā)展知識課程。可持續(xù)發(fā)展知識涉及工程、環(huán)境和社會經(jīng)濟多學(xué)科，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)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(yīng)該獨立開設(shè)課程，插入到培養(yǎng)課程知識流網(wǎng)絡(luò)中。可持續(xù)發(fā)展技術(shù)中最有特色的是產(chǎn)品全生命周期評價技術(shù)，即LCA技術(shù)。評估一個產(chǎn)品、一項工藝或一項服務(wù)是否是綠色的（或可持續(xù)的），需要從其全生命周期對資源消耗和環(huán)境影響進行評估。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14040-2006和ISO14044-2006將LCA的實施步驟分為目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋四個部分。由此，形成一個完整的LCA評估技術(shù)和工具。在此基礎(chǔ)上，建立新的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)知識元，形成一門新課程：可持續(xù)工程基礎(chǔ)?！翱沙掷m(xù)工程基礎(chǔ)”課程包括如下知識元：工業(yè)生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，簡要介紹自然生態(tài)系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)、可持續(xù)發(fā)展觀和資源環(huán)境等；全生命周期評估，包括產(chǎn)品分析目標(biāo)和邊界范圍定義、全生命周期清單分析、環(huán)境影響評價和解釋；常用LCA軟件工具及應(yīng)用實例；材料流分析等。

三、結(jié)束語

可持續(xù)發(fā)展作為一種注重長遠發(fā)展的經(jīng)濟增長模式，是未來全球經(jīng)濟發(fā)展方向。培養(yǎng)未來工程師或決策領(lǐng)導(dǎo)者具有可持續(xù)發(fā)展的思想意識，理解可持續(xù)發(fā)展內(nèi)容、原理和方法，具有的可持續(xù)發(fā)展知識是大學(xué)今后人才培養(yǎng)的一項新的內(nèi)容。如何在現(xiàn)有本科培養(yǎng)方案課程中，更好、更多地融合可持續(xù)發(fā)展知識，改進培養(yǎng)課程體系，是一急待解決的問題。本文通過對現(xiàn)有機械工程類本科教學(xué)和可持續(xù)發(fā)展知識分析，提出可持續(xù)發(fā)展知識與現(xiàn)有本科課程相融合的教學(xué)模式，為系統(tǒng)地將可持續(xù)發(fā)展知識引入當(dāng)前本科教學(xué)提供一個思路，為今后開展相應(yīng)的課程建設(shè)和課程實踐打下基礎(chǔ)。endprint