绿色理念在高等院校材料类专业中的渗透：探索与实践

张 腾 马建华 吴平平

(厦门工学院 材料科学与工程系，福建 厦门 361021)

绿色材料，又称为环境材料或可持续发展材料，是指在原料采取、产品制造、使用或者再循环以及废物处理等环节中对地球环境负荷最小、最有利于人类健康的材料，是一种对人类环境、人类社会发展有利的材料[1，2]。绿色材料的概念最初是在1988年的第一届IUMRS(国际材料研究协会)国际会议上提出的。经过若干年的发展，绿色材料由最初的“在物品的使用、丢弃的过程中对环境没有危害、对人类身体健康没有影响的材料”拓展为“在整个原料采集、制备生产、使用消费、循环利用、资源再生整个生命周期中都是对环境及人类健康是有利的材料”。

绿色材料自从其概念被提出，这三十年来不断地发展变化：从最初扩展到环境材料开始，之后又延伸增加了绿色化学的概念，近年来又提出了可持续材料管理。随着人们对绿色材料的理解以及其意义的进一步加深，绿色材料在社会生产以及人们生活中所起到的作用也越来越大。作为以培养应用型人才的教学工作为主的应用型本科高等院校，在现代大学生的教学与生活过程中，渗透绿色材料的理念显得尤其的重要。同时依据当今世界环保理念，资源利用，新能源产业的趋势，让现代材料科学与工程专业大学生了解绿色材料、接触绿色材料、理解绿色材料、应用绿色材料，也是现今材料科学与工程专业教学过程中不可缺少的一环。

1 绿色相关理念简介

中国国家十三五规划中提出了绿色发展的概念，并确定其为主要目标之一。绿色是永续发展的必要条件和人民对美好生活追求的重要体现。同时，在发展新型制造业这一部分也提到了发展新型制造业，实施绿色制造工程，推进产品全生命周期绿色管理，构建绿色制造体系[3]。在中国制造2025中，也提到了工业制造要绿色发展。其中绿色制造工程，就提到制定绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色企业标准体系，开展绿色评价[4]。

自绿色材料的概念提出以来，类似的概念得以不断提出，例如绿色化学。绿色化学是指能够保护环境的化学技术。绿色化学作为一个新兴的交叉学科与绿色材料相辅相成[5，6]。美国《绿色化学》(Green Chemistry)杂志中将绿色化学定义为“在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料，消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂”[7]。绿色化学可通过使用自然能源，避免给环境造成负担、避免排放有害物质，如以利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发，并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。2015年爆发的天津港的化学品爆炸事件引起社会对绿色化学品的广泛关注。

2015年G7国家领导人会议上提出了可持续材料管理，这代表绿色材料利用的较大进展[8]。所谓可持续材料管理是指在材料的整个生命周期过程中，更有效的利用及重复再利用的材料系统工程。可持续材料管理能从整体上改变社会如何使用自然资源以及如何进行环境保护的思维方式。通过观察材料的整个生命周期，可以从中找到降低材料对环境影响的新机会或机遇。纵观整个20世纪，全球材料使用已经超过了人口增长速率的两倍，人类每增加1%的GDP，就会产生0.4%的材料使用。

可持续材料管理和废物处理有很大的不同，它关注的是整个材料的生命周期，包括了材料和产品的采集、生产、分布、使用以及抛弃这五个主要的材料生命周期。这个最新的概念不仅包含了零污染、绿色化学、环境标签、可持续供应链管理、精益生产、绿色采购，还包含了美国EPA环境保护计划、G8(八国集团)的3R(Reduce、Reuse、Recycle)计划、UNEP(联合国环境规划署)的可持续产品及消耗与可持续资源管理项目和OECD(经济合作与发展组织)的可持续材料管理框架[9]。

2 绿色理念在高校课堂教学中的渗透

2.1 绿色理念在传统材料类课程教学中的渗透

在传统的材料教学课程中增加绿色材料相关的内容与知识，是渗透绿色材料理念最简便快捷的方法。金属材料加工过程中，铸造、锻造、切削、焊接、热处理、电镀等工艺都会对外部环境带来比较大的负担。而尽可能地降低这些影响，使得原材料损失、能源消耗、废弃物产出达到最小化是绿色理念的一种渗透方式[10]。在金属加工的课堂教学中，一方面鼓励学生思考如何在材料加工过程中降低对环境的影响，另一方面可以提示学生在考虑所需零件选材时，除了材料的经济性与技术性，还应兼顾材料的环境协调性。

无机非金属材料是一类重要的工程材料，包括水泥、沙石、混凝土、玻璃等，在建筑材料中有非常广泛的应用[11，12]。在无机非金属相关课程中，可以渗透绿色建筑材料的相关知识及可能的应用，如原料中可以尽可能选取天然资源，采用低能耗的制造工艺、产品生产过程中降低甲醇、汞等有害的化学药剂的使用、设计产品的循环利用，不产生二次污染等等。教学过程中可以从同学们熟悉的教室环境和家居环境，采用互动式教学方式，增进同学们对周边建筑绿色材料相关知识的了解。

在高分子材料的课程中，可以增加材料的回收与利用的相关知识。高分子材料在近几十年间迅速发展，广泛运用与生活中的方方面面，由此也带来了大量的环境问题。因此教学课程中，除了讲解不同材料的性能与使用，也需强调可能造成的环境污染的问题，在平时教学中渗透材料的充分利用，节能高效的生产方式，建立绿色工业的概念。也可开设以“高分子材料的回收与利用”、“可降解高分子材料”等专题着重介绍塑料和橡胶的回收与再循环。

复合材料是一种由无机非金属、高分子材料和金属材料组成的混合物，被誉为“第四类材料”，代替了很多传统的材料，在很多领域都有着广泛的运用。在课堂教学中增加复合材料的材料选择与设计过程讲解，如能否尽可能的使用自然材料、可降解材料来作为复合材料的基体或增强物，以降低对自然环境的破坏；能否设计相关的废弃复合材料回收流程，尽可能的回收其基体或增强物；能否通过复合材料的结构设计，使得尽可能的保持复合材料的强度又减少环境破坏较大的材料的比例[13，14]。 这些都可以在教学过程中激励学生探索设计复合材料，同时渗透绿色材料的理念，让同学们对绿色材料有实际的感性认识。

当然，直接开设“绿色材料”、“环境材料”专业选修课程也是一个行之有效的方法，这些课程可以传统讲授为主，贯穿绿色材料的起源、定义、研究意义、研究内容、发展趋势等，细化材料对环境的影响，对环境影响的评价技术，材料的资源效率，材料的采取与加工，材料的生态学等方面；或者以专题的形式展开，如绿色建筑材料、绿色包装材料、绿色涂料、绿色耐火材料等。课程可以充分发挥学生的主观能动性，要求学生收集相关的专题内容，采用互动教学的模式，教师和学生，学生与学生之间交流，扩大对绿色材料相关内容的认知。也可以采用设计教学方案，给予学生一个具体的实例，引导学生进行绿色材料的流程设计，以设计报告作为课程评价内容。

2.2 新能源材料以及新能源课程

2012年，国家新版的专业目录特别加入了新能源材料及器件专业，由此可见新能源材料相关产业得到了国家政策的主要关注。新能源相关材料，从节约能源、存储能源的角度来说也属于一种绿色材料。开设新能源材料专业，除了相关的材料科学基础的课程之外，同时还应着重关注几类特殊的、具有产业前景、存在应用价值与突破口的重要材料，例如，太阳能电池材料，锂离子电池材料，超级电容器材料。同时也可以介绍部分与产业相关的新能源材料，例如核能材料(锆合金、核聚变材料)，风能材料(磁性材料)。

在课程讲述的过程中，虽然新能源材料本身已经可以节约利用能源，然而，制造新能源材料的过程中也应提示学生注意生产制造过程中对环境的影响。例如，太阳能电池制造技术，一方面需要关注太阳能材料，如单晶硅、多晶硅提纯所需要的耗能，现今制造方法多使用改造西门子法，其缺点就是耗电量太大，为了制造材料而产生的碳排放不容小觑。另一方面，需要注意生产多晶硅所产生的副产品，如大量的尾气，以及副产品四氯化硅，副产品回收过程中由于技术不成熟产生的有毒气体，不仅仅对自然环境空气、土壤有破坏作用，对人类生活也造成重要的影响。第三是关注能源传输与存储问题，第四是关注新型的太阳能电池材料或太阳能直接转化材料。由于用途的不同，某些新型的太阳能电池材料在特殊的地方有一定的优势，有些时候太阳能直接转化成所需的热能或其它能量，这里所涉及的相关材料并不一定比太阳能电池材料要差，也应该有所关注。

2.3 计算机在材料科学与工程中的应用

材料的设计及利用是当今材料科学研究的一大挑战，而发现新材料，创造新材料对现代人类的生产生活有巨大的帮助，材料科学工作者在不断地探索突破已有材料的各种限制，不断提升材料的各项性能。但是，在这个研究探索的过程中，也产生了大量的、重复性的浪费，尤其是一些特殊材料的制备与合成，不仅成本较高、同时耗能较大。如何能够在材料科学实验之前有一个较好的预测，是现代材料科学发展的新趋势。

2012年白宫白皮书提出了一项“材料基因组”计划[15]，可以有效地降低材料研发过程中的弯路。通过计算机可以预测不同成分、不同结构、不同尺度的材料及其相关的可能应用。通过多尺度的材料科学研究计算(第一性原理、分子动力学、相场计算方法、有限元计算方法)可以很好的发现并预测新型的材料及其可能的物理、力学、化学性质。在绿色材料的设计、使用、选材等方面使用计算机手段，可以很好地提升新型材料或新材料结构设计的效率。同时，计算机应用也是当今大学生的一项必备技能，可以通过结合计算机计算材料的成分、结构、性能，来完成降低材料对环境破坏，选择更友好环境的材料、设计更有效的合金、结构材料或复合材料的目标。

3 绿色理念在实践课程中的渗透

3.1 生产实践中的废物回收

金工实习、生产实习、就业实习是材料系学生参与材料的制备与生产的主要实践形式，在学生参与这三类实践课程的过程中，可以有意引导渗透绿色材料的思想，一方面可以关注实习过程中企业对废料，旧料的回收处理，另一方面也需要关注生产中的耗能问题，同时也需要关注生产企业的废料、有毒废气体等的处理方式，是否足够环保，有没有可以改进的地方。

3.2 建筑材料的废物利用

绿色建筑材料也是一类重要的绿色材料，通过参观建筑工地建设所需要的材料，了解原料的来源、制造工艺，以及材料生产过程中的排放问题。建筑材料一个重要的组成部分是预制构件，通过了解国家与地方对预制构件的要求，探讨预制构件的建筑选材，以及模拟研究如何尽可能的降低对环境影响较大的材料的比例，或者如何增加可循环回收材料的比例，又同时可以保证工程性能，达到国家标准。这可以成为实践课程的一个重要组成部分。

3.3 新能源材料实践课程的开设

伴随新能源材料专业的开设，可以开设部分与新能源材料相关的实践课程，例如太阳能电池测试，锂离子电池测试。在教学实践过程中，可以指导学生组装太阳能电池材料，设计太阳能电池材料，对太阳能电池板进行组装、IV测试、短线测试等。锂离子电池实践课程，可以指导学生合成锂离子电池的阴极与阳极材料，依据这些材料组装锂离子电池系统，通过改变不同材料成分以及组装设计，来提高锂离子电池的存储容量、容积比、循环次数等等相关的重要参数。

4 绿色理念在校园文化中的渗透

校园文化的主体是在校学生课外文化活动，是大学高等教育的一个重要的组成部分。它往往融合了学生的语言、行为、见解、价值观、哲学观等内容。它的所谓的“规则”，往往是隐性的，也是大学生融入校园所必修的一课。大学校园文化在不同的大学之间，有相似性，同时，也会因学校文化精神的不同而不同。

校园文化是可以被构建的，可以在构建校园文化的精神之中融入绿色环保的意识，使得绿色材料的理念思想深入文化建设之中。在渗透校园文化方面，首先我们从日常生活着手，强调材料的循环利用。例如，在校园四处摆放的垃圾桶，可以依据垃圾分类的目录分为厨余垃圾、可回收物、有害垃圾、以及其他垃圾。对于材料系的学生，可以进一步的强调可回收物的价值，如可将可回收物进一步细化为塑料类、办公用纸、易拉罐类、玻璃类等等。这些材料可以直接回收再利用。同时也可以强调有害垃圾的害处，例如，废旧的电池、手机类、废弃数据线、以及电子元件等等。

校园文化活动也是校园文化建设中重要的一环，例如，本系每年举办的绿色材料演讲大赛，可以很好的调动学生认识绿色材料的积极性。整个演讲大赛由学生自由分组，自由选题，自主寻找素材并制作PPT，最后发挥演讲技巧阐明学生对绿色材料的理解。最后由评判老师从选题、PPT制作、演讲技巧等方面给予学生一定的评价。从历届举办演讲大赛的内容来看，学生自主选题有些立意新颖，跳出传统的框架，覆盖范围宽泛，不仅仅有利于绿色材料绿色思想的普及，同时也有利于学生演讲技巧等综合素质的提高。

此外，建筑垃圾是常见的一种大块的垃圾废料，对建筑垃圾的再利用，可以更直观的体现绿色材料的思想。在建筑垃圾上做简单的修饰，可以成为艺术品，一方面增进人文氛围，同时也可以传播绿色材料的再利用。

5 结语

本文依据绿色材料近年来的发展规律，结合工科院校发展的实际情况，着重探讨了材料类专业绿色理念如何在课堂教学，课外实践与校园文化中的渗透：对于课堂教学，既可以在传统课程中增加绿色材料相关内容，也可以通过开设新能源专业或相关课程来提高学生对绿色理念的理解，或者结合当今计算材料学来减少设计研究材料对环境的影响；对于课外实践、生产实践过程中的废物利用，以及新能源材料的实验实践课程，直观的增强学生的绿色、环保的概念；同时，在校园文化中，也可以融入绿色保护的意识。通过这些方式，可以最终实现绿色材料理念对学生生活全方位渗透的良好效果，帮助于学生更好的理解材料专业的专业知识并树立可持续发展的环保意识。