新工科背景下“智能化工”課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐

張瑋?王俊文?程永強(qiáng)?董晉湘

摘 要：在國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界快速發(fā)展智能制造的大趨勢下，化工行業(yè)對人才提出了新的要求。傳統(tǒng)的化工專業(yè)教學(xué)體系成熟，推進(jìn)學(xué)科交叉培養(yǎng)難度較大。本文以化工行業(yè)信息化和智能化為背景，依托太原理工大學(xué)化工學(xué)科作為“雙一流”建設(shè)學(xué)科的優(yōu)勢，開展化工專業(yè)新工科建設(shè)，提出了化工、控制和計(jì)算機(jī)三個(gè)專業(yè)交叉融合的“智能化工”課程體系，以期為相關(guān)專業(yè)融合信息技術(shù)培養(yǎng)新工科智能制造人才提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：新工科;化工專業(yè);智能化工;跨學(xué)科;課程體系;智能制造

2018年10月，教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》，強(qiáng)調(diào)要“推動(dòng)學(xué)科交叉融合，促進(jìn)理工結(jié)合、工工交叉、工文滲透，孕育產(chǎn)生交叉專業(yè)，推進(jìn)跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)培養(yǎng)工程人才”。從人才發(fā)展來看，知識交叉與融合是新工科建設(shè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的著力點(diǎn)[1]。在新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，新興學(xué)科專業(yè)的建設(shè)路徑是“預(yù)測未來人才市場需求—改造升級現(xiàn)有專業(yè)—調(diào)整完善現(xiàn)有學(xué)科”[2]。因此，本文據(jù)此分析了我國化工行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出智能化工對未來人才的要求，借鑒國內(nèi)外工程教育改革經(jīng)驗(yàn)，立足于我國高等化工教育現(xiàn)狀，提出了跨學(xué)科“智能化工”課程體系。

一、化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展呼喚智能化工人才

1.化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等為代表的信息科技革命為我國化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來了難得的機(jī)遇。在“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的指引、推動(dòng)下，工業(yè)和信息化部從2015年開始已經(jīng)連續(xù)4年實(shí)施了“智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)”，共有305個(gè)試點(diǎn)示范項(xiàng)目入選。其中，九江石化于2015年升級改造了年產(chǎn)800萬噸油品的智能工廠，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃調(diào)度、裝置操作、安全環(huán)保、能源管理、IT管控智能化，成為當(dāng)時(shí)石油石化行業(yè)唯一一家國家工信部智能制造試點(diǎn)示范企業(yè)，智能工廠每年能為九江石化增益2～3億元。萬華化學(xué)公司化學(xué)品生產(chǎn)智能工廠于2017年入選工信部智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目已構(gòu)建起以MES為核心的生產(chǎn)運(yùn)營管理平臺、以ERP為核心的企業(yè)資源計(jì)劃管理平臺、以BW為核心的商務(wù)智能平臺和以O(shè)A為核心協(xié)同辦公管理平臺等四大智能平臺，安全應(yīng)急響應(yīng)速度提升70%，能源利用率提高5%，裝置穩(wěn)定性提高30%，發(fā)貨時(shí)間縮短到24小時(shí)以內(nèi)，每年可節(jié)約運(yùn)行成本約2億元。可見，化工企業(yè)的信息化及智能化轉(zhuǎn)型升級提升了化工產(chǎn)業(yè)整體的競爭力。

2.智能化工對人才的要求

化工產(chǎn)業(yè)信息化和智能化的發(fā)展引發(fā)了生產(chǎn)組織方式和商業(yè)模式的變革，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的趨勢貫穿于研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)。這項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程既需要單一技術(shù)與裝備的突破應(yīng)用，同時(shí)還需要系統(tǒng)化的集成與創(chuàng)新，行業(yè)急需具有寬口徑知識和現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新意識的高級技術(shù)人才。具體來說，智能化工人才需要具備以下特征和能力。

（1）具有多專業(yè)融合的知識體系和思維習(xí)慣。智能化工人才培養(yǎng)須以系統(tǒng)的化工知識為基礎(chǔ)，融合自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等方面的知識，培養(yǎng)學(xué)生具有多學(xué)科交叉的強(qiáng)烈意識，同時(shí)具有化工思維和智能思維，并養(yǎng)成多學(xué)科空間觀察、思考問題的習(xí)慣[3]。

（2）具有設(shè)計(jì)數(shù)字化工廠的能力。能夠熟練應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件，如三維工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)PDMS，智能三維設(shè)計(jì)軟件Intergraph Smart 3D，智能儀表設(shè)計(jì)軟件Smart Instrumentation，智能工藝流程設(shè)計(jì)軟件Intergraph Smart P&ID，管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II 等，完成智能工廠的數(shù)字化設(shè)計(jì)。

（3）具有操縱和維護(hù)數(shù)字化和智能化設(shè)備的能力。智能化工企業(yè)的生產(chǎn)過程一般都采用了集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)，安裝了緊急停車（ESD）系統(tǒng)、先進(jìn)控制（APC）系統(tǒng)、實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）或運(yùn)行控制系統(tǒng)等，其生產(chǎn)管理過程還建成了以企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為主線的生產(chǎn)經(jīng)營信息化體系。這些智能化生產(chǎn)線、智能化設(shè)備和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的指揮、操作和運(yùn)營需要具有綜合專業(yè)素質(zhì)的人才。

（4）具有研發(fā)化工軟件的能力。目前我國智能制造的最大短板就是工業(yè)軟件，化工行業(yè)也不例外。國內(nèi)化工設(shè)計(jì)院和研究常使用的化工流程模擬軟件有美國SimSci-Esscor公司的PRO/II，美國AspenTech公司的Aspen Plus，Hysys，英國PSE公司的gPROMS，美國Chemstations公司ChemCAD和美國WinSim Inc.公司的Design II，加拿大Virtual Materials Group的VMGSim。化工軟件絕非簡單的IT軟件，它是工業(yè)化長期積累的工業(yè)知識的結(jié)晶。人工智能和大數(shù)據(jù)推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心就是工業(yè)軟件，目前我國工業(yè)軟件設(shè)計(jì)研發(fā)能力不足，由于國內(nèi)企業(yè)長期購買國外軟件，導(dǎo)致國內(nèi)工業(yè)軟件開發(fā)人才的培養(yǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了斷層。因此，培養(yǎng)具有開發(fā)自主核心工業(yè)軟件的高端人才是智能制造極為緊迫的任務(wù)。

以上這些能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)的知識。企業(yè)雖然在人才發(fā)展過程中投入巨大，但效果卻不盡如人意，很難在短時(shí)間內(nèi)有效地培養(yǎng)出數(shù)字化和智能化人才。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于高等教育培養(yǎng)階段。高等教育要適應(yīng)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求和世界高等教育發(fā)展新趨勢，推進(jìn)全面改革，聚焦人才發(fā)展，培養(yǎng)出符合我國目前企業(yè)所需的“既有理論知識，又有現(xiàn)場實(shí)踐，既掌握本專業(yè)技能，又有跨專業(yè)能力的創(chuàng)新性復(fù)合型人才”[4]。

二、國內(nèi)外高等化工教育改革現(xiàn)狀分析

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿科技的飛速發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)化與信息化的深度融合。針對新經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)的新問題，學(xué)者們做了大量調(diào)研工作，國內(nèi)外高校相關(guān)學(xué)科也及時(shí)進(jìn)行了調(diào)整。

Dr. Ruth Graham受MIT委托，于2018年3月完成了The Global State of the Art in Engineering Education報(bào)告。報(bào)告指出工程教育正進(jìn)入一個(gè)快速變革的時(shí)期，許多工程院校實(shí)施的一元化的單一學(xué)科結(jié)構(gòu)阻礙了跨學(xué)科學(xué)習(xí)。Arvind Varma在《化學(xué)工程教育的發(fā)展趨勢》一文中提出，未來化工領(lǐng)域除了傳統(tǒng)化工核心課程外，分析、建模、仿真、過程控制類課程的相對重要度越來越高。跨學(xué)科課程的設(shè)置與加強(qiáng)是發(fā)達(dá)國家課程體系改革的重要趨勢，MIT的跨學(xué)科課程與跨學(xué)科研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了深度融合，其跨學(xué)科課程約占課程總量的32%，一些跨學(xué)科研究項(xiàng)目還設(shè)立了專門的學(xué)位計(jì)劃，以此為依托成立了62個(gè)跨學(xué)科研究組織和跨學(xué)科研究中心[5]。

2018年天津大學(xué)全面啟動(dòng)了“一流本科教育2030行動(dòng)計(jì)劃”，該計(jì)劃打破了本、碩、博的“身份”限制，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)方案貫通、課程體系貫通、運(yùn)行模式貫通、導(dǎo)師培養(yǎng)貫通，使得縱向跨層次選課、橫向跨學(xué)科選課成為可能。2018年9月復(fù)旦大學(xué)試點(diǎn)實(shí)施本科“學(xué)程教育計(jì)劃”，鼓勵(lì)學(xué)生可在主修專業(yè)之外，系統(tǒng)性地修讀其他專業(yè)的基礎(chǔ)課程或特設(shè)主題的系列課程，獲得更多交叉創(chuàng)新發(fā)展的新路徑。

國內(nèi)外高等教育改革的現(xiàn)狀表明跨學(xué)科教育的改革已經(jīng)勢不可擋，各類培養(yǎng)計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高校本科教育階段還沒有設(shè)立與智能化工需求相關(guān)的專業(yè)，化工專業(yè)人才培養(yǎng)的改革創(chuàng)新也未涉及人工智能的內(nèi)容。為適應(yīng)智能化時(shí)代要求，緊跟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的步伐，太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)對目前國內(nèi)外化工專業(yè)課程體系進(jìn)行了研究和分析，依托“雙一流”建設(shè)學(xué)科的優(yōu)勢提出了“智能化工”課程體系。

三、智能化工課程體系

智能化工新工科的人才培養(yǎng)需在傳統(tǒng)教育體系的基礎(chǔ)上調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)、重構(gòu)課程知識體系，優(yōu)化教學(xué)方式。

1.著眼未來的培養(yǎng)目標(biāo)

智能化學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是面向化工行業(yè)培養(yǎng)具有化學(xué)工程與工藝知識背景，能夠適應(yīng)智能化工需求，綜合運(yùn)用化工工藝、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)知識，掌握云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿信息化技術(shù)，在化工、能源、材料、環(huán)保、生物工程、輕工、冶金等行業(yè)從事工程設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)管理和科學(xué)研究工作，具有全球觀念、國際競爭力和國際交往能力，以及解決復(fù)雜工程問題的復(fù)合型工程技術(shù)人才。

智能化工專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)后5～10年應(yīng)該能夠達(dá)成以下目標(biāo)之一。

（1）進(jìn)入大型現(xiàn)代化工企業(yè)，結(jié)合化工、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等知識綜合解決現(xiàn)代化工發(fā)展的問題，成為化工廠數(shù)字化集成專家、化工應(yīng)用程序開發(fā)工程師等化工產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍人才。

（2）繼續(xù)通過碩博培養(yǎng)，進(jìn)入知名高校、科研院所和相關(guān)設(shè)計(jì)院，從事數(shù)字工廠和智能工廠設(shè)計(jì)、化工工程軟件開發(fā)，以及專業(yè)大數(shù)據(jù)分析等開創(chuàng)性的工作。

（3）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，推動(dòng)化工領(lǐng)域新技術(shù)革新和可持續(xù)發(fā)展。

（4）成為化工專業(yè)協(xié)會、政府部門、咨詢公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的知名專家和領(lǐng)導(dǎo)者。

2.交叉融合的課程知識體系

制訂跨學(xué)科課程體系最大的困難在于構(gòu)建多學(xué)科復(fù)合融通的系統(tǒng)知識體系。太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)制訂了“智能化工創(chuàng)新班培養(yǎng)方案”，建立了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線的“三橫三縱”跨學(xué)科智能化工專業(yè)核心課程體系（見圖1，圖中不包含人文課程、英語、高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理等公共基礎(chǔ)課程）。所謂“三橫”是指理論基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和創(chuàng)新綜合課，“三縱”是指化學(xué)化工類課程、自動(dòng)控制類課程和計(jì)算機(jī)類課程。三類課程僅在理論基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課部分有所區(qū)分，它們在創(chuàng)新綜合課部分實(shí)現(xiàn)了整體融合。這種融合是以某化工智能工廠的設(shè)計(jì)為最終目的展開的。學(xué)生利用相關(guān)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件完成數(shù)字工廠的3D設(shè)計(jì)，從而將真實(shí)化工廠的各種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型，形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠相對應(yīng)的，可以局部或全部模擬工廠行為的系統(tǒng)，并可以預(yù)測或反映工廠真實(shí)的結(jié)果。接著，學(xué)生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)“化工過程建模及智能優(yōu)化”和“智能化工集成系統(tǒng)”兩門課建立起智能化的概念。將此概念融入數(shù)字化工廠中，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的供應(yīng)鏈協(xié)同優(yōu)化、智能運(yùn)營、生產(chǎn)過程優(yōu)化、生產(chǎn)過程綜合管理、數(shù)字化銷售等智能工廠的功能。

由于課時(shí)限制，智能化工專業(yè)核心課程體系將“三縱”課程做了學(xué)分分配，化學(xué)化工類占總學(xué)分的40%，自動(dòng)控制類占總學(xué)分的30%，計(jì)算機(jī)類占總學(xué)分的30%。化學(xué)化工類課程分成三個(gè)課程群——基礎(chǔ)化學(xué)課程群、化學(xué)工程課程群和化工工藝課程群，每個(gè)課程群均配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制類課程強(qiáng)調(diào)電子電路基礎(chǔ)，并加強(qiáng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。計(jì)算機(jī)類課程加強(qiáng)了程序語言的學(xué)習(xí)，并強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能力。考慮到新興人才培養(yǎng)需加強(qiáng)非技術(shù)工程的能力，因此還要開設(shè)工程倫理、職業(yè)道德、知識產(chǎn)權(quán)策略以及與企業(yè)經(jīng)營相關(guān)的法律法規(guī)知識、經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)和法律風(fēng)險(xiǎn)的識別、防范和控制等選修課程。

3.教學(xué)方式

（1）采用基于MOOC的混合式課堂教學(xué)模式。網(wǎng)絡(luò)上豐富的MOOC資源為各類型高校培養(yǎng)跨學(xué)科智能化工人才提供了強(qiáng)有力的支持。各大高校可以根據(jù)各自的教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)方向選擇不同的網(wǎng)絡(luò)資源，采取“線上”或“線上+線下”混合式教學(xué)模式，實(shí)施靈活的培養(yǎng)方案。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)助力實(shí)踐環(huán)節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。石油化工行業(yè)是典型的高危行業(yè)，所處理的物料多為易燃、易爆、有毒、腐蝕性、放射性等危險(xiǎn)物質(zhì)，為了解決解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備以及實(shí)際運(yùn)行困難，涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題，教育部開展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，并建成了全球范圍第一個(gè)開放共享的實(shí)驗(yàn)教學(xué)公共服務(wù)平臺——實(shí)驗(yàn)空間。平臺完全公開、免費(fèi)，國內(nèi)外學(xué)生可以通過該平臺直接在線做實(shí)驗(yàn)，為智能化工實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)提供了有力支持。太原理工大學(xué)煤基甲醇轉(zhuǎn)化制芳烴（MTA）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲批2017年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生在安全、環(huán)保、節(jié)能的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得與真實(shí)生產(chǎn)相近的體驗(yàn)。

（3）搭建“設(shè)計(jì)院+科研院所+大型企業(yè)”創(chuàng)新實(shí)踐平臺。太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院建成了“設(shè)計(jì)院+科研院所+大型企業(yè)”聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)踐平臺。聯(lián)合中國化學(xué)賽鼎工程公司開展了“數(shù)字工廠”設(shè)計(jì)的培訓(xùn)工作，在大二和大三年級學(xué)生中引起了強(qiáng)烈反響，繼而采取“朋輩導(dǎo)學(xué)”的方式，采取大四學(xué)生和研究生輔導(dǎo)本科低年級“智能化工興趣小組”的同學(xué)，形成了學(xué)習(xí)數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)的氛圍。邀請了海克斯康工程技術(shù)人員做了“SMARTPLANT 3D”的培訓(xùn)，使學(xué)生全方位地掌握了數(shù)字工廠設(shè)計(jì)的基本理念和軟件應(yīng)用。2018年太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)獲批了教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在培養(yǎng)化工行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)人才，助推智能化工的人才培養(yǎng)。太原理工大學(xué)聯(lián)合中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，開展了深度科研和教學(xué)合作，共同研制開發(fā)了甲醇制芳烴小試裝置并面向本科生開放。

以人工智能、大數(shù)據(jù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)到來，國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和重大戰(zhàn)略的實(shí)施呼喚與之相適應(yīng)的新興工科建設(shè)。傳統(tǒng)的工科專業(yè)，如化工、機(jī)械、材料、水利和電力等，其教學(xué)體系成熟，推進(jìn)學(xué)科交叉培養(yǎng)難度較大。本文基于化工行業(yè)發(fā)展對人才的需求，提出優(yōu)化化工學(xué)科課程體系結(jié)構(gòu)的思路，探索多學(xué)科交叉融合的化工人才培養(yǎng)模式，建議利用互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行信息化教學(xué)改革，從而推進(jìn)信息技術(shù)與工程教育深度融合。健全人才培養(yǎng)機(jī)制還需要加強(qiáng)校企合作，共建智能制造實(shí)訓(xùn)基地，使企業(yè)和院校成為人才培養(yǎng)的“雙主體”，共同培養(yǎng)滿足智能制造發(fā)展需求的高素質(zhì)技能人才。文章回答了“如何更好地梳理出人工智能與其他學(xué)科的基礎(chǔ)內(nèi)容與核心支撐的關(guān)系，在專業(yè)人才培養(yǎng)中尚需深入思考和進(jìn)一步探索”[6]。本文的改革思路還可以推廣到其他傳統(tǒng)工科的教學(xué)改革，比如可以建立“智能水利工程”“智能材料工程”“智能電氣工程”“智能冶金工程”“智能紡織工程”“智能食品工程”等新興工科專業(yè)。

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[責(zé)任編輯：余大品]