成煥波 楊 蕾 王 建

南京工程學(xué)院機械工程學(xué)院 江蘇南京 211167

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟中最重要的組成部分，工業(yè)增加值占國民生產(chǎn)總值(GDP)的35%[1]。隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，制造業(yè)對資源、能源的需求量也正飛速上升，制造過程中產(chǎn)生的邊角料、殘次品以及退役產(chǎn)品造成大量資源浪費，而大量廢液、殘渣以及溫室氣體排放對環(huán)境造成嚴重危害。資源、能源、環(huán)境問題所帶來的不僅是挑戰(zhàn)，也是機遇。綠色制造(Green Manufacturing)是解決該問題的根本方法和途徑，是制造業(yè)提質(zhì)增效的關(guān)鍵，是實現(xiàn)“節(jié)能減排”和“低碳經(jīng)濟”的有效途徑。

綠色制造又稱環(huán)境意識制造(Environmentally Conscious Manufacturing)、面向環(huán)境的制造(Manufacturing For Environment)、可持續(xù)制造等。它是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，其目標是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響(副作用)最小，資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化[2,3]。

綠色制造與傳統(tǒng)的大量投入、大量生產(chǎn)、大量廢棄的線性經(jīng)濟模式不同，綠色制造立足于產(chǎn)品全生命周期過程，強調(diào)企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化，涉及新的系統(tǒng)觀、新的經(jīng)濟觀、新的價值觀、新的生產(chǎn)觀、新的消費觀一系列新理念。國內(nèi)機械工程專業(yè)教學(xué)中只注重傳統(tǒng)機械制造領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計理論和方法、制造技術(shù)及裝備、工程實踐實訓(xùn)等內(nèi)容的傳授。綠色制造無論是在應(yīng)用上還是在理論方法的教學(xué)上都要落后于歐美一些發(fā)達國家，國內(nèi)只有部分高校開設(shè)了涉及綠色制造的課程，且未將綠色制造的理論與方法和專業(yè)教學(xué)有效融合。只有將綠色制造理論和方法融入機械工程專業(yè)的教學(xué)中，才能有效彌補現(xiàn)有制造理論和方法的不足，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施培養(yǎng)具有綠色理念的機械工程人才。

1 綠色制造課程的開設(shè)

在我國高校的教學(xué)計劃中，特別是工程類的教學(xué)計劃中，幾乎沒有有關(guān)綠色設(shè)計與綠色制造方面的課程或相關(guān)內(nèi)容，因此，為了適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的要求，培養(yǎng)寬口徑、寬知識面的高素質(zhì)人才，開設(shè)這一方面的課程已顯得非常迫切和重要。綠色制造是研究解決在機電產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，如何最大限度地節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染的一門課程，以培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保意識和介紹綠色制造方法的專業(yè)必修課。在教學(xué)過程中綜合運用和總結(jié)歸納學(xué)生選修課的有關(guān)知識，結(jié)合新技術(shù)和新產(chǎn)品啟發(fā)學(xué)生的思維過程，使學(xué)生能夠較全面的考慮資源利用、回收，環(huán)境污染等問題。

1.1 培養(yǎng)目標

(1)樹立正確的設(shè)計與制造思想，培養(yǎng)綜合運用所學(xué)理論解決實際問題的能力。

(2)了解綠色制造的相關(guān)概念、基礎(chǔ)理論、思維方法和基本原理。

(3)進行綠色制造基本技能的訓(xùn)練。

(4)通過針對性實驗，加強感性認識，掌握將綠色概念與傳統(tǒng)設(shè)計理論相結(jié)合用于產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的方法。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容

(1)綠色產(chǎn)品及其評價。掌握產(chǎn)品全生命周期評價方法，能夠?qū)δ骋划a(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期的輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響進行評價。

(2)綠色設(shè)計。從產(chǎn)品的設(shè)計源頭考慮產(chǎn)品的可拆卸性、可回收性、可再制造性以及綠色材料的使用。

(3)拆卸設(shè)計。掌握可拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和方法，了解智能拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法。

(4)回收設(shè)計。包括回收工藝設(shè)計、回收決策、主動再制造設(shè)計等理論和方法。

(5)綠色包裝設(shè)計。包括綠色包裝材料的使用、包裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。

(6)綠色工藝。包括回收工藝、綠色熱處理工藝、干切削工藝、再制造等。

1.3 實驗教學(xué)內(nèi)容

(1)通過實驗，加深學(xué)生對綠色設(shè)計與綠色制造領(lǐng)域的主要理論、方法與技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生運用系統(tǒng)的、環(huán)境友好的思想來認識問題、分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生在今后的畢業(yè)設(shè)計以及工作過程中解決實際的問題奠定基礎(chǔ)。

(2)根據(jù)面向生命周期的思想，研究綠色設(shè)計與分析軟件的設(shè)計方法，通過試用設(shè)計軟件，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識設(shè)計軟件構(gòu)架；通過產(chǎn)品拆卸與材料回收過程的演示，使學(xué)生認識到開展綠色設(shè)計的重要性與可行性，了解產(chǎn)品回收與再資源化的基本方法與裝備。

1.4 培養(yǎng)成效

(1)使學(xué)生在產(chǎn)品綠色設(shè)計方面得到培養(yǎng)鍛煉，提高綠色產(chǎn)品的設(shè)計能力，聯(lián)系實際，勇于創(chuàng)新，可以將所學(xué)知識解決實際問題。學(xué)生通過在本課程實驗環(huán)節(jié)的鍛煉，可以將綠色設(shè)計相關(guān)知識與實踐相結(jié)合，為以后的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。

(2)通過課程學(xué)習(xí)，要樹立正確的設(shè)計與制造思想，并在傳統(tǒng)設(shè)計過程中融入了綠色的因素，培養(yǎng)綜合解決問題的能力。

2 綠色制造理論和方法融入機械工程專業(yè)教學(xué)當中

2.1 融入原則

2.1.1 內(nèi)容銜接有序化

綠色制造的技術(shù)體系應(yīng)與機械工程專業(yè)教學(xué)中的設(shè)計、制造、生產(chǎn)管理相結(jié)合，以全生命周期為主線，針對機械工程專業(yè)不同的課程有針對性地選擇不同的綠色制造內(nèi)容融入點，進行有序銜接(如圖1所示)。

圖1 綠色制造理論和方法的融入點

機械設(shè)計方面：綠色設(shè)計理論和方法包括拆卸設(shè)計、回收設(shè)計、節(jié)能設(shè)計、低碳設(shè)計等，產(chǎn)品的性能80%由設(shè)計階段決定，將綠色設(shè)計理論和方法融入機械設(shè)計的教學(xué)中，使學(xué)生具有在產(chǎn)品設(shè)計源頭融入綠色理念的意識。如齒輪、軸設(shè)計章節(jié)中，可以講授齒輪和軸在生命周期末端的回收與再制造工藝；在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計章節(jié)中，充分體現(xiàn)可拆卸、可回收設(shè)計思想，在滿足產(chǎn)品使用功能的條件下，考慮經(jīng)濟和環(huán)境因素，實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計；在機械系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容中，體現(xiàn)節(jié)能思想，掌握產(chǎn)品的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方法。

機械制造方面：分別從綠色減材和綠色增材技術(shù)兩方面講述機械制造技術(shù)，以制造過程的綠色化為目標，闡述綠色制造工藝方法，包括綠色熱處理工藝、干切削工藝、回收與再制造技術(shù)、低碳制造技術(shù)等。若按照產(chǎn)品的制造過程劃分，可分為技術(shù)裝備層、工藝路線層以及協(xié)作調(diào)度層，綠色生產(chǎn)包含的層次以及內(nèi)容(如圖2所示)[4-6]。將不同層次中涉及的綠色技術(shù)單元融入機械制造技術(shù)的教學(xué)當中，使學(xué)生在掌握傳統(tǒng)制造技術(shù)的同時，了解制造過程綠色化的關(guān)鍵技術(shù)，為將來實施清潔生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

圖2 綠色生產(chǎn)包含的層次及內(nèi)容

材料成型方面：增加新型綠色環(huán)保材料選擇、可回收材料/降解材料的使用、成型工藝能量辨識和控制等內(nèi)容。提高學(xué)生們對綠色環(huán)保材料的認識，具備材料成型工藝能量優(yōu)化的知識體系，在材料選擇、包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料成型方面具備綠色意識。如在保證產(chǎn)品的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低裝備的質(zhì)量，從而提高其動力性，減少燃料消耗。優(yōu)先使用輕質(zhì)材料，如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等。

系統(tǒng)工程方面：使學(xué)生掌握產(chǎn)品生命周期的思想和分析方法，能夠借助軟件工具分析產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對環(huán)境的影響，從產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、回收和再利用階段理解全生命周期過程。

物流管理方面：增加綠色供應(yīng)鏈管理和逆向供應(yīng)鏈管理的理論和方法，如在物流管理方面增加庫存控制、逆向物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和生產(chǎn)計劃等內(nèi)容，理解產(chǎn)品的全生命周期過程。

2.1.2 教學(xué)手段多樣化原則

邀請綠色制造方面的專家和企業(yè)中從事綠色制造研究的工程人員開展系列講座，提高學(xué)生對綠色制造發(fā)展的認識水平，理解綠色制造的理論和方法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用過程。專業(yè)認識實踐和生產(chǎn)實習(xí)過程中，結(jié)合具體的工程實例理解綠色制造理念的應(yīng)用過程，強化綠色制造認知能力。

融入綠色制造的教學(xué)內(nèi)容一定要遵循即時性原則，應(yīng)在教學(xué)實踐過程中及時給學(xué)生展現(xiàn)最新的理論成果和方法，教學(xué)內(nèi)容與綠色制造的發(fā)展步伐保持一致。如低碳設(shè)計、低碳制造、生命周期仿真等最新理論和方法。

2.1.3 課程設(shè)置多樣化原則

開設(shè)針對綠色制造教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)選修課程，如制造業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)、環(huán)境意識下的設(shè)計、無損檢測、生命周期工程、綠色創(chuàng)新設(shè)計、金屬和非金屬再生等專業(yè)選修課程。開設(shè)綠色制造領(lǐng)域相關(guān)的選修課對支撐綠色制造教學(xué)體系是必要的，合理地設(shè)置專業(yè)選修課，能夠強化學(xué)生對綠色制造理論和方法的學(xué)習(xí)和理解。

2.2 融入綠色制造理論和方法的教學(xué)實踐體系構(gòu)成

基礎(chǔ)性實驗：增加材料利用率和資源消耗率的分析實驗，引導(dǎo)認識融入的重要性，如采用超臨界流體回收碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，分析溫度、壓力以及時間對回收效率和回收品質(zhì)的影響。

設(shè)計綜合實驗：將綠色設(shè)計理論和方法與創(chuàng)新設(shè)計方法結(jié)合，進行綠色產(chǎn)品開發(fā)；構(gòu)建產(chǎn)品綠色性能分析的軟件框架，分析模塊功能，理解產(chǎn)品綠色設(shè)計理論和方法的應(yīng)用過程。

研究創(chuàng)新實驗：充分體現(xiàn)綠色制造的最新理論和成果，如制造過程的綠色化、少無冷卻液集成加工裝置的設(shè)計等。

2.3 綠色制造教學(xué)體系構(gòu)建

形成固定的綠色制造學(xué)科方向，積極申報各級各類的綠色制造領(lǐng)域中的科研項目，以科研項目支撐本科生培養(yǎng)，促進專業(yè)化、項目化教學(xué)，實現(xiàn)綠色制造理論和方法在學(xué)科中滲透、在專業(yè)教學(xué)中滲透、在實踐創(chuàng)新體現(xiàn)中滲透(如圖3所示)。

圖3 綠色制造教學(xué)體系構(gòu)建

(1)以科研促進教學(xué)。將綠色制造方面的科研成果引入到教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中，讓學(xué)生參與完成相關(guān)科研項目中的研究內(nèi)容，提高學(xué)生對綠色制造的認知能力。

(2)教師隊伍建設(shè)。機械工程專業(yè)教師應(yīng)該了解和掌握綠色制造的理論、技術(shù)和方法，通過邀請綠色制造領(lǐng)域?qū)＜疫M行學(xué)術(shù)講座等方式提高綠色制造教學(xué)水平。

(3)在校內(nèi)舉辦各級各類的綠色制造科技創(chuàng)新比賽，提高學(xué)生對綠色制造的認知能力，強化學(xué)生的綠色制造理念。

未來綠色制造人才培養(yǎng)應(yīng)著重專業(yè)技術(shù)、經(jīng)營管理、技能3個領(lǐng)域，圍繞技術(shù)裝備層、工藝路線層以及協(xié)作調(diào)度層3個層次培養(yǎng)具有綠色理念的機械工程人才(如圖4所示)。

圖4 綠色制造人才培養(yǎng)體系

3 結(jié)論

(1)綠色制造是研究解決在機電產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，如何最大限度地節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染的一門課程。開設(shè)綠色制造專業(yè)必修課以及綠色制造領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)選修課，培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保意識，使學(xué)生掌握綠色制造的基本方法和技術(shù)過程。培養(yǎng)環(huán)節(jié)應(yīng)實現(xiàn)教學(xué)大綱、課程目標、教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)一。

(2)以全生命周期為主線，將綠色制造理論和方法融入機械工程專業(yè)教學(xué)當中，實現(xiàn)有序銜接，與專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域中的設(shè)計、制造以及生產(chǎn)管理主題相對應(yīng)。教學(xué)手段多樣化，結(jié)合具體的工程實例理解綠色制造理念的應(yīng)用過程，強化綠色制造認知能力。課程設(shè)置多樣化，實現(xiàn)綠色制造知識體系的全方位覆蓋。

(3)建立綠色制造知識保障體系，以綠色制造領(lǐng)域的科研項目促進專業(yè)化教學(xué)，實現(xiàn)綠色制造理論和方法在學(xué)科中滲透、在專業(yè)教學(xué)中滲透、在實踐創(chuàng)新體系中滲透。

[1]《綠色制造工程實施指南(2016-2020年)》解讀[J].中國資源綜合利用,2016(9):18-21.

[2]劉光復(fù),劉志峰.綠色設(shè)計與制造[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[3]劉飛,曹華軍,張華.綠色制造的理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[4]徐濱士.再制造工程基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[5]劉飛,李聰波,曹華軍,王秋蓮.基于產(chǎn)品生命周期主線的綠色制造技術(shù)內(nèi)涵及技術(shù)體系框架[J].機械工程學(xué)報,2009(12):115-120.

[6]劉飛,曹華軍.綠色制造的理論體系框架[J].中國機械工程,2000(9):10-13,4.