机械工程类本科专业可持续发展知识教学探讨

张应中　张洪潮　李涛　刘伟嵬　刘淑杰

摘要：可持续发展是未来经济和社会发展方向，培养未来工程师或决策领导者具有可持续发展思想意识和可持续发展知识是大学今后人才培养的一项新的内容。本文通过对现有机械工程类本科教学和可持续发展知识分析，提出融合可持续发展知识的机械工程本科课程教学模式，为应对可持续发展知识需求，改进现有机械类本科教学提供借鉴作用。

关键词：可持续发展知识；机械工程专业；本科教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0143-02

随着人类社会和经济的不断发展，工业化和制造业消耗了大量的自然资源，造成资源枯竭、能源危机、环境严重污染等问题。为此探索一条人类经济发展、社会发展与环境保护相结合的可持续发展的道路已经越来越受到世界各国的强烈重视；政府、企业和个人越来越意识到社会经济发展的三重底线，即经济、社会和环境的可持续发展。

制造业对经济、社会和环境的可持续发展有重要的影响。制造业不仅向环境排放大量废弃物，又是采矿、电力等高能耗工业产出产品（电能、材料等）的消费者。机械产品及机械制造过程是制造业的重要部分，机械制造业的可持续发展是今后机械工业重要的战略方向，目前可持续机械设计制造成为机械学科研究热点之一。

本文结合作者多年机械设计制造课程教学、可持续设计制造技术的科研积累及在国外参与可持续发展知识教学实践，根据可持续技术发展对知识基本要求，对现有机械工程专业课程融合可持续发展知识教学内容进行探讨，提出将要开展的教学模式。

一、可持续发展知识

可持续发展（Sustainable development，SD）是能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展，一般归结为经济的可持续发展、社会的可持续发展和环境的可持续发展。

可持续发展是社会发展的宏观战略，同时要求社会经济的各个微观层面的协同。具体到机械制造业，可持续发展的要旨就是为社会提供具有竞争力的产品的同时，对环境和社会的破坏和影响最小。对环境的影响要从产品全生命周期评估，即要综合考虑从制造产品的材料的矿石开采开始，到产品制造、产品使用、回收和处置等产品各个生命周期阶段对环境的影响。可持续发展不仅是发展理念的变革，更需要一系列的使能技术，理解、掌握和应用这些技术就要具备可持续发展的知识。目前机械制造业可持续使能技术涉及机械设计和制造的各个方面，主要包括如下方面：

1.产品全生命周期评价技术。全生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是目前研究和分析产品和过程全生命周期对资源和环境影响的主要技术。它是通过识别和量化产品全生命周期（包括产品制造、使用和回收等各个生命周期阶段）所用的能量、原材料以及排放来评价产品及其制造过程对环境的影响。

2.绿色设计技术。产品绿色设计是将环境考虑集成在产品和工艺设计过程中。在保证产品价格、性能和质量标准下设计与环境友好的产品和工艺。绿色设计主要涉及绿色材料设计、面向回收/拆卸的设计、节能和低碳设计、轻量化设计、基于LCA的生态设计等。

3.绿色制造工艺技术。绿色制造工艺技术是保证产品制造过程中对环境影响最小。绿色制造工艺技术主要包括两大部分：一是新型绿色成形技术，主要有少无切削工艺、干式切削工艺等。二是改进现有制造成形技术，减少制造过程中的能源消耗和各种排放（废气、废水、废屑、噪声等）。

4.产品生命周期末端处置技术。产品服役（使用）期结束后，进入产品生命周期末端，若不对产品实施处置，将造成资源浪费并导致环境污染。目前产品生命周期末端处置主要涉及产品拆卸、回收重用（包括直接重用、修复重用、再制造重用）、回收材料利用和废弃处置方案。

5.绿色材料和新能源技术。绿色材料是指在原料采取，产品制造使用和再循环利用以及废物处理等环节中与生态环境和谐共存并有利于人类健康的材料。绿色材料的选择和使用直接关系到资源消耗和环境影响，绿色材料知识是重要的可持续发展知识之一。随着地球资源的减少，新可再生能源（太阳能、风能等）和清洁能源（电动能源、氢能源等）技术快速发展，这些新能源技术知识对制造业的可持续发展是非常重要的。

二、融合可持续发展知识的机械工程类本科教学

1.机械工程类本科教学。机械工程作为一个大类专业，一般分为机械设计制造及其自动化、车辆工程、测控技术与仪器等多个专业。按照培养宽口径、厚基础、强能力、高素质的复合型、创新型精英人才的要求，目前普遍的本科培养方案采用机械大类招生，一二年级按照大类共同培养，课程设置包括通识教育课程和学科大类基础课程；三年级起进行专业分类培养，课程设置包括专业基础课程和专业方向模块课程。

2.融合可持续发展知识的机械工程类本科教学。高等教育是一个知识传授和综合能力培养的过程。教学过程中的每一门课程都是一个专业学习的知识点，知识点具有相互依赖的关系，前一知识点是后一知识点的基础和支撑，一个知识点可能需要多个知识点的支持。

一般来说，在现有本科培养方案中的每门课程，对于培养学生系统掌握本学科知识是非常重要的。同时，可持续发展是有特定的发展对象，可持续发展知识需要与学科专业知识融合，才能被充分理解和实际应用。为此，我们根据可持续发展知识特征和现有课程，提出如下融合可持续发展知识教学模式：

（1）在现有课程中添加可持续发展知识元。所谓课程知识元是指一门课程授课的知识中，具有不可再分割的具有完备知识表达的知识单位。一门课程传授多个不同类的知识，例如“机械工程材料”课，要传授金属材料知识、非金属材料知识及材料应用的知识等。同一课程内的知识单位，定义为课程知识元。

很多可持续发展知识与学科专业知识相关联，如果要独立为一门课程传授，它包含的知识元较少，没有必要独立为一门课程传授。因此，对于这类知识，可以聚类为单个的知识元，并且与同一课程中知识元关联，就能有机地融合到现有本科培养方案的课程知识中。首先提出在如下两门课程中添加可持续发展知识元：①机械工程材料课。“机械工程材料”课程是机械类各专业的一门重要的学科基础课程。其任务是通过本课程的教学，学生具备对机械零件合理选材、提出热处理技术要求及制订冷热加工工艺路线的能力。该课程的知识元有金属材料的性能与成分、组织结构及加工工艺之间的关系；钢铁材料的热处理基本原理及工艺；机械工程常用金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料的成分、组织、性能及用途等。产品材料是影响可持续发展的重要因素，选择的材料不仅能满足产品使用功能要求，而且全生命周期评估是绿色（环境友好）的。绿色材料知识元有：工程材料可持续发展特性，例如，材料的可再生性、可回收性和可制造性等特性；工程材料生产的环境影响，例如，重金属开采、冶炼、处置对环境的影响；工程材料在不同应用场合的环境特性，例如，材料毒性、环境（空气、水、土壤）污染等；钢铁材料热处理环境特性，能耗及环境影响等；各种新型生态工程材料。上述这些知识元可以与工程材料的物理、化学和机械性能知识元融合，及与零件的工程材料选择知识元融合。②机械设计课。“机械设计”课程为大学本科机械类必修的技术基础课程。该课程主要知识元包括：机械设计的基本理论（强度、摩擦学等）、连接件、传动件、转动和支承零件等。目前的知识元主要针对具有设计能够满足产品功能零部件的能力，需要融合如下可持续发展知识元：面向可拆卸和重用的设计，该知识元可以与联接紧固知识元融合；零件轻量化设计，该知识元可以与零件强度设计知识元融合；零件寿命组合设计和回收设计，该知识元需要新独立添加；面向3D打印制造的设计，3D打印是新型的绿色増材制造技术，该知识元需要新独立添加；面向优化环境制造的设计，对设计方案需要的制造方案进行环境评估，选择实现环境最友好的设计，该知识元需要新独立添加；基于绿色新能源的产品设计，目前许多绿色新型能源不断涌现，需要不同的产品设计方案，该知识元需要新独立添加。

（2）开设新的可持续发展知识课程。可持续发展知识涉及工程、环境和社会经济多学科，经过多年的技术发展，已经逐步形成一套独立的知识体系，并且上述新添加知识元需要这些知识元的支持。对于这些知识元，应该独立开设课程，插入到培养课程知识流网络中。可持续发展技术中最有特色的是产品全生命周期评价技术，即LCA技术。评估一个产品、一项工艺或一项服务是否是绿色的（或可持续的），需要从其全生命周期对资源消耗和环境影响进行评估。国际标准ISO 14040-2006和ISO14044-2006将LCA的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个部分。由此，形成一个完整的LCA评估技术和工具。在此基础上，建立新的可持续发展基础知识元，形成一门新课程：可持续工程基础。“可持续工程基础”课程包括如下知识元：工业生态学基础，简要介绍自然生态系统和工业系统、可持续发展观和资源环境等；全生命周期评估，包括产品分析目标和边界范围定义、全生命周期清单分析、环境影响评价和解释；常用LCA软件工具及应用实例；材料流分析等。

三、结束语

可持续发展作为一种注重长远发展的经济增长模式，是未来全球经济发展方向。培养未来工程师或决策领导者具有可持续发展的思想意识，理解可持续发展内容、原理和方法，具有的可持续发展知识是大学今后人才培养的一项新的内容。如何在现有本科培养方案课程中，更好、更多地融合可持续发展知识，改进培养课程体系，是一急待解决的问题。本文通过对现有机械工程类本科教学和可持续发展知识分析，提出可持续发展知识与现有本科课程相融合的教学模式，为系统地将可持续发展知识引入当前本科教学提供一个思路，为今后开展相应的课程建设和课程实践打下基础。endprint