双碳背景下《材料科学与工程选论》课程教学改革探讨

张楚虹，聂 敏，刘新刚，何菡娜，李怡俊

(四川大学高分子研究所高分子材料工程国家重点实验室，四川成都 610065)

1 引言

面对全球资源消耗、能源紧缺、环境污染、气候变化加剧等严峻问题，2020 年9 月22 日，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出碳达峰、碳中和的“双碳”宏远目标，具有极其重要的战略意义。实现“双碳”目标，培养具有创新和实践能力的高素质“双碳”人才是基础。教育部在2022 年5 月印发的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》中特别强调，高校要加强绿色低碳教育，加大“双碳”领域课程、教材等教学资源建设力度，推进“双碳”相关专业人才的高质量培养[1]。

材料是现代社会发展的基石，也是实现“双碳”目标的关键。材料科学与工程作为我国重要学科方向之一，肩负培养材料专业高素质创新人才的重任。《材料科学与工程选论》是四川大学高分子材料与工程专业的一门研究生必修课程，以培养学生的材料工程化应用和研发能力为目标，在专业教学中占有重要地位[2]。本文结合笔者多年讲授该课程的教学实践，剖析课程现状，思考“双碳”背景下课程内容和教学模式的改革措施，探讨新一代复合型“双碳”人才的创新培养模式。

2 《材料科学与工程选论》课程现状

2.1 课程内容

《材料科学与工程选论》是一门主要讲授有关新材料、新方法、新技术及其应用领域和发展趋势的综合性课程。通过该课程的学习，帮助学生建立材料科学基本知识架构，明确相关专业的培养目标，学习各类新兴材料的最新发展动态，为后续专业课程的学习奠定基础。经过多年教学实践，课程内容不断补充完善，特别是增加了功能复合材料、能源材料、高分子材料先进加工等相关内容，取得了较好的教学效果。但是，随着国家“双碳”战略的快速发展以及产业布局的调整升级，《材料科学与工程选论》亟需增设“双碳”相关材料和减排降碳新理论新技术的系统课程内容，以满足日益增长的培养学科交叉、具有“双碳”工程应用思维的新工科人才的迫切需求。

2.2 教学模式

以新材料和先进加工为特色的材料科学与工程专业，以培养工程应用型创新人才为导向。《材料科学与工程选论》课程重视理论与工程应用的联系，但传统的课堂教学模式不利于知识的拓展和与实际相联系，学生大多被动接收知识，学习积极性和主观能动性不高[3]。在国家“双碳”目标需求下，新型产业和技术不断发展，新材料和新事物不断涌现，显然这种单一的教学模式已经远远不能适应越来越高的创新性复合型“双碳”人才培养目标的要求。针对较为繁杂的课程内容，如何突破现有教学模式局限，通过多元化教学提高学习趣味性，实现学生变被动式吸收为主动学习是关键。

3 《材料科学与工程选论》课程教学改革的思考

作为材料科学与工程专业的一门核心课程，《材料科学与工程选论》涉及材料、化学、能源、环境等多领域知识，具有多学科交叉的特点。针对上述目前课程存在的“双碳”教学内容不足、教学模式单一等问题，课程设计需面向“双碳”背景下的材料领域研究前沿，丰富课程内容，更加系统的介绍新型清洁能源材料、环境友好材料、碳捕集、利用与封存技术等相关内容；改进课程教学模式，将绿色低碳、可持续发展理念融入教学中，在传统授课的基础上增加情景教学、自主学习、应用实践等环节，为国家培养顺应时代发展的“双碳”人才打下坚实基础，具体思考与建议如下。

3.1 紧密结合“双碳”材料和技术研究前沿，丰富和优化课程内容

碳中和是一条庞大的产业链，在源头上开发绿色清洁能源，在过程中践行节能减排，在后端实现高效资源循环利用，是实现“双碳”战略目标的关键，每个环节都涉及到材料和技术的创新及应用。因此，结合碳中和理念，《材料科学与工程选论》课程建议增设并系统介绍以下内容。

3.1.1 清洁能源材料与技术：发展清洁能源，推动我国能源经济绿色转型，降低对化石能源的依赖性，是从源头上减少碳排放的根本途径之一[4,5]。目前，我国能源结构正由化石能源向化学电源、核能、生物质能、地热能、风能、海洋能、太阳热能/电池、洁净煤等清洁能源转变，也引发了清洁能源材料和技术的大规模开发和利用。该部分教学内容有助于学生了解新能源材料和器件的最新科技进展，构建新能源技术知识体系。

3.1.2 环境友好材料及其高值高效回收利用技术：

环境友好材料在整个服役周期内不会对环境产生污染或造成公害，开发新型环境友好材料，如生物质材料、可降解塑料、环境友好水溶性聚乙烯醇材料等[6,7]，有助于实现节能减排，符合绿色低碳、可持续发展的要求。另一方面，材料使用后的再回收利用也是重要的资源碳中和途径。以高分子材料循环利用为例，石化工业将能源碳大规模转化为高分子材料等物质碳，但随之也产生大量废弃高分子材料，仅废弃塑料我国就超过6000 万吨/年，其中仅30%被回收利用，形成大量“白色污染”。若将这6000 万吨废弃塑料回收利用，即可少用6000 万吨塑料原料，节约1.4 亿吨原油，相当于大庆油田3 年的产量。这不仅可减少石油开采和树脂合成过程的碳排放，降低对石油资源的依赖，还可以减少高分子废弃物给环境造成的污染难题[8]。

3.1.3 固碳材料与碳捕集技术：碳捕集、利用与封存技术将二氧化碳从排放源中分离后直接加以利用或封存，是后端有效降低碳排放的重要手段[9,10]。碳捕集与能源化利用、碳捕集与资源化利用是固碳技术发展的2 个重要方向，前者利用二氧化碳超临界状态下优异的流动性和热传导性等特性，将其用作燃料驱动热机；后者将二氧化碳代替石油做化工原料，衍生出建筑材料、化学品、塑料、碳纤维和碳材料等极具潜力的新型材料。

《材料科学与工程选论》课程内容应与时俱进，不断补充和完善“双碳”背景下带来的新知识、新理论和新技术，可重点介绍上述清洁能源材料、环境友好材料、固碳材料等不同类型新兴材料的结构、性能、合成方法、应用领域以及存在的问题等。但由于课时限制，也不能面面俱到，教师应结合自身研究背景，优化教学内容，例如“双碳”目标下的能源转换与存储材料和技术范围广，内容多，在让学生对该领域有一个基本认识的基础上，可以聚焦以电化学为核心的能源转换与存储，包括超级电容器、二次电池、电催化分解水材料及技术等，引入更多最新研究前沿进展的实例讲解，激发学生对“双碳”知识的求知欲，为培养自主创新的“双碳”人才打下良好基础。

3.2 改进教学方法，践行多元化“双碳”教学模式改革

3.2.1 情景教学，互动学习：采用“情景教学”的方法，将抽象的理论知识直观化，让学生切身感受到新材料的开发设计与“双碳”目标之间的内在联系以及作用机制，激发学生的兴趣，加深学生的理解和认知。例如，在介绍清洁能源材料及关键技术时，展示相关实验视频，让学生能够直观理解材料的制备流程和在相关储能系统中的实际应用情况。采用“启发式”教学模式，结合“分组讨论”，如在讲述废弃高分子材料回收利用时，可引导学生思考并讨论“白色污染的治理策略”，活跃课堂气氛，推动教学互动，增加学生的参与感，调动学生的学习主动性，提高教学质量。

3.2.2 项目引导，应用实践：依托科研项目，引导学

生参与实验研究，避免传统课堂教师灌输性枯燥讲解，促使学生将《材料科学与工程选论》课程所讲述的抽象知识转化为应用实践，培养学生灵活应用理论知识，解决实际工程问题的能力，全面提高学生综合素质。如通过参与与能源相关的功能器件3D打印项目，让学生深入了解3D 打印技术的原理和器件多层次结构的构建机制，增进学生对材料加工特性、器件结构设计与构效关系的理解。鼓励学生参加“互联网+”、“挑战杯”等实践与学术科技竞赛，指导学生实战演练，达到以赛促学、以赛促教的效果，培养学生良好的创新意识和科学素养，提高学生的科技创新与工程实践能力。

3.2.3专题导向、自主学习：在学生充分了解《材料科学与工程选论》的基本理论知识后，可开展专题讨论，串联所学知识要点，通过不同知识点的相互印证，实现融会贯通，帮助学生形成系统的知识体系，加深对课程内容的理解与掌握。例如，开设“发展可降解高分子材料对解决全球白色污染的可行性”的专题讨论，引导学生查阅、综述现有可降解高分子材料的种类、结构与性能、加工特性，白色污染的来源，材料的降解机理及产物对环境的影响等，加深学生对可降解材料助力实现“双碳”目标的理解，树立可持续发展的科学观。

3.2.4追踪前沿，与时俱进：碳中和的专业和学科建设具有鲜明的交叉性、应用性和变革性特征。教学内容不应局限于现有教材，应更多地关注学科研究动态和热点，将最新的学术成果及时充实到教学中，拓宽学生知识面，加强学生对本领域的了解，促使学生掌握前沿性和创新性知识，这反过来也可增进学生对于课程的学习兴趣。通过邀请领域知名学者、产业界专家进行线上或线下授课，鼓励学生多参加“双碳”知识网络讲座，把不懂的问题反馈给教师并开展课堂讨论，营造良好的学术氛围，激发学生的科研热情，培养“双碳”创新意识。

4 结语

实现“双碳”目标是解决人类社会能源、资源、环境、气候等问题的必经之路，目前正处于重要的发展时期。通过对《材料科学与工程选论》课程教学内容的不断丰富和更新，以及教学手段的改革和创新，可以将“双碳”理念有机的融入课程的教学和实践中，激发学生的科研热情，促进学生对材料学研究前沿热点的学习，有利于培养学生的“双碳”创新思维能力。本文以《材料科学与工程选论》课程为例，提出了在课程内容以及教学模式方面改革的思考，将有助于推动高校“双碳”相关专业的学科建设和培养更多更优秀的符合时代发展需求的“双碳”科技创新人才。