人工智能+化工專業教育模式的探索
——以天津職業大學為例

尚亞平

（天津職業大學，天津 300410）

引言

隨著互聯網、云計算和傳感技術的飛速發展，人工智能技術引發的顛覆性科技變革將帶領我們進入工業4.0 時代——人工智能時代[1]。2017 年3月，全國兩會政府工作報告首次將“人工智能”作為戰略性新興產業提及，并指出要加快其技術研發和轉化。圍繞“中國制造2025”國家戰略，我國持續加快推進智能制造產業升級，支持和引導企業在設計、生產、管理等環節應用人工智能技術。人工智能技術的發展將推動社會勞動形態的轉變，對產業結構和社會就業結構產生巨大的影響。高等教育應積極應對智能技術發展帶來的人才需求變革。

2020年2月，人社部發布包括智能制造工程技術人員、人工智能訓練師在內的16 個新職業，智能制造相關新興職業從業人員社會需求巨大。2018年4月，教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》，要求高校提升人工智能領域科技創新和人才培養能力，積極開展“新工科”研究和實踐，探索人工智能與其他學科專業教育交叉融合的“人工智能+X”人才培養模式。同年10 月，教育部、工業和信息化部、中國工程院印發《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0 意見》，強調加快“新工科”建設，改造升級傳統工科專業，注重學科交叉融合，探索工程教育新理念和新模式[2]。2019 年3 月，教育部公布的2018 年度普通高等學校本科專業備案和審批結果名單中，智能科學與技術備案專業點有96 個、智能+相關備案專業點有175 個，35 所高校獲批建設人工智能專業點，設置人工智能相關專業的普通高等學校在我國呈現井噴式增長。2019 年2 月，國務院頒布《國家職業教育改革實施方案》，要求高等職業院校對接科技發展趨勢和市場需求，完善職業教育和培訓體系。面對智能技術發展引發的社會生產、服務的勞動需求和社會崗位變化，各職業院校也需積極應對，進行相應的專業調整和人才培養模式的探索，發揮職業教育優勢和特色，培養智能化工領域的操作型技術技能人才[3]。

化工行業智能化產業升級亟需精通化工和智能化生產、管理的復合型技術人才攻克技術壁壘，在線檢測技術、有效數據庫和模擬模型[4]等方面獲得技術突破。智能化工的人才需求是多層次的，需各教育機構形成系統的教育體系。目前，已有普通高等院校開始探索智能化工學科交叉課程體系，旨在培養智能化工領域高端研究型和科技成果轉化人才[5]。但是，針對人才需求缺口較大的智能化工一線操作技術技能人才的培養，需高等職業院校發揮職業教育優勢，進行人工智能+化工創新職業教育模式的探索。

目前還沒有高等職業院校設立專門培養智能化工人才的專業，天津職業大學依托中國特色高水平高職學校和專業建設計劃（以下簡稱“雙高計劃”），結合化工行業智能化升級產生的人才需求，積極探索人工智能+化工專業創新職業教育人才培養模式，開發了具有職業教育特色、注重實踐實訓和綜合技能培養的“三橫四縱”課程體系。

一、化工行業智能化產業升級

（一）化工行業智能化升級現狀

自2015 年工業和信息化部啟動“智能制造試點示范專項行動”以來，在全國范圍內每年遴選100個左右智能制造示范項目。其中2022年公布的99項智能制造示范項目中化工制藥類項目有13項，包括中科煉化有限公司、廣西華誼能源化工有限公司、天士力醫藥集團股份有限公司等。

在2015 年公布的首批智能制造示范項目中，九江石化智能工廠建成智能工廠神經中樞、企業級中央數據庫、三維數字化平臺和全流程優化平臺，實現了系統化操作、管控一體和生產經營優化及安全管理的智能化應用。智能化工廠為九江石化帶來經濟增益2.2 億元，生產班組精簡13%，外操室精簡35%。東岳集團投資2 億元建設的智能化管控中心和信息化管理平臺，管控信息化程度和裝置自動化程度提升31%，人力資源精簡24%。萬華化學（寧波）構建生產運營管理、企業資源計劃管理、商務智能和協同辦公管理4大智能管理平臺，每年節約成本2億元，且生產安全應急響應速度和裝置穩定性大幅提升。內蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司煤化工智能工廠構建數據信息統一共享平臺，實現了實時化、數字化和流程化的生產全過程管控，采用全自動智能化系統，實現部分生產線和操作區域的無人化，工作效率提高10%。

由此可見，智能化工廠的建設可以大幅提升工廠的管理運營水平，變革企業生產方式和管控模式，提高工廠的安全環保水平，實現較大生產增益。石化行業生產體量大，對于智能制造提升效率需求尤其強烈，可以預見未來將有更多的化工類企業進行智能工廠建設或者升級改造以適應時代發展步伐。

（二）人工智能在化工生產行業的應用

化工行業生產過程是連續化生產過程，其智能控制與離散工業不同，涉及各項流程業務的數據集成優化，實現資金、物質、信息和能量的優化控制一體化[6]。以大數據和云計算為基礎的人工智能技術在化工行業的應用體現在以下幾個方面。

1.智能經營管理決策

能源市場競爭激烈，國內和國際市場經營環境復雜，化工企業經營者面臨的挑戰日益嚴峻。如何優化企業運營生產方案，降低生產成本，最大程度地提高收益，是經營者和生產管理者亟需解決的問題。他們利用大數據技術和信息化資源，進行采購、管理、營銷和生產決策，制定生產計劃和方案，以獲得利潤的最大化。如，企業資源計劃（ERP）是以供應鏈上所有的物資、人力、財務、信息資源集成一體化管理的企業管理軟件，可將客戶的需求、企業制造能力以及供應商的制造資源整合聯系，為企業生產管理決策提供依據。

2.智能數字交付

傳統的化工企業工廠設計的結果都是給出設計圖紙和相關文件，在人工智能模式下，設計人員可以使用三維設計軟件進行數字化工廠的設計，包括工藝流程、設備、管道、儀表及公用工程等相關的每一版設計數據，以數據型文檔的形式進行交付，便于對整個設計過程的有效監控和管理[7]。企業可結合經驗數據及模擬結果，在三維數字化工廠的基礎上設計完善企業數字化虛擬現實仿真平臺，建立實時與項目信息數據一致的虛擬模型，對員工進行崗前培訓、安全演練等。此外，化工行業作為連續化生產，不同班次間進行工作交接時，只需要生產操作人員和管理人員輕點鼠標就可以了解當前生產工況和以往數據信息，完成數字化交付，減少交接工作的人為失誤，提高安全生產效率。

3.智能全流程模擬和控制

制造企業生產過程執行系統（MES）可以利用信息化手段根據訂單對整個生產流程進行優化管理，聯系管理決策和車間智能化生產，進行生產管理和調度。對于化工生產過程而言，智能技術可將各個生產單元流程之間的“信息孤島”進行集成化處理，實現多單元全流程間的協調優化和控制。石化生產過程的優化管理依賴于工藝參數監測的準確性和實時性，要求對各類信息進行有效地識別和標記，提供以數據庫為基礎的數字化生產流程，結合過程機理進行數據驅動和融合機理混合建模，實現不同生產方案的多目標優化，降低全流程能耗[8]。

4.智能安全管理和環保評價

石化行業生產過程中涉及有毒、易燃易爆化學品，安全生產和環境保護在石化生產行業至關重要，實驗室信息管理系統（LIMS）能夠進行數據和信息的收集、分析，監控石化過程生產質量，進行環保數據監測和評估[9]。針對各個風險進行綜合評估，優化工藝裝置布局，降低安全生產和環保風險因素；通過安全事故數據分析，建立知識庫，指導危險辨識、安全預警和故障診斷操作；依靠數據信息學建立快速預測有害氣體擴散模型和水體污染模型，預測泄漏事故的影響范圍、反推泄漏源位置，為人員疏散和事故應急響應提供決策依據，提升企業事故應急處理能力。

二、智能化工人才供需情況分析

（一）智能化生產人才需求變化

人工智能技術的發展將使生產服務過程中簡單重復的、低層次的勞動被機器人替代，人類的勞動形態也在發生劇烈變革。目前，在我國制造業領域，工業智能機器人上崗率大幅增加，大量勞動力被機器人替代，與之相對應的專業人才就業機會減少。同時，與機器人應用相關的領域，帶來了新的就業崗位，比如機器人的安裝、維修、生產維護等。機器人并不是完全取代人類，而是協助人類提高工作效率，這種對參與組織化生產的機器人進行指揮和管控的人機協同勞動成為人工智能時代的基本勞動形態，徹底改變人的勞動方式。人從單一重復的勞動中解放出來，可以從事多種不同的工作，這也要求勞動者具有更廣泛和復雜的知識和能力[10]。教育部前副部長魯昕也指出，人工智能技術高端人才需要強大的復合專業背景，需要知識結構的全面重塑。同時，她指出，人工智能技術人才結構分為四個層次，依次為：高端研究型人才、科技成果轉化人才、轉化成果行業應用人才和操作技術技能人才[11]。中國智能化人才存在較大缺口，2023 年發布的《產業數字人才研究與發展報告》顯示，2022 年智能行業數字人才缺口已達430 萬人，其中技能人才缺口占70%左右。職業教育如何補足人才缺口，培養社會需要的新型技術技能人才值得深入思考和探究。

（二）化工企業智能化人才需求

當前，化工企業的智能化發展引發的生產模式的變革是巨大的，相應產生的人才供需關系不均衡是亟待解決的問題。與傳統化工生產不同，智能化工人才需要具備寬知識口徑和科學創新意識。化工企業智能化生產需要的人才要兼備化工基礎知識和自動化控制、通信和人工智能多學科交叉的知識背景，善于用化工和智能生產思維思考、分析和解決工程問題。數字化智能化工廠的建設和生產需要能夠使用數字化化工類軟件的人才，包括Pro Ⅱ、Aspen Plus、Chemical CAD、Intergraph Smart P&ID 等流程模擬計算及設計軟件。智能化生產和管理需要能夠操作和維護智能化裝備的人才，比如DCS（集散）控制系統、PLC（可編程）、ESD（緊急停車）控制系統的使用和維護。能夠創新地設計解決化工生產過程中智能生產難題，滿足特定生產需求，能開發、選擇數據預測和模擬軟件或系統，能設計智能生產方案的新型智能化工人才，將在未來的就業市場具有較強的競爭力。

以上能力的培養不是一蹴而就的，需要構建技術人才知識體系，進行學科交叉和融合，重構課程知識系統[12]，建立智能化工人才培養體系。孟傳慧[13]在其研究中將技術技能人才分為三個層次，分別為：能夠針對生產工藝設計智能化生產流程的設計人才；能夠調試和維護機器人的技能人才；能夠在智能機器人升級后進行復雜情況管理和維護使用的高級人才。智能化工技術技能人才同樣需要按照三個層次進行遞進式培養，建立人才培養體系。

三、人工智能+化工專業人才培養模式

（一）培養目標

與傳統的應用化工技術專業相比，人工智能+化工專業培養的學生是能夠利用智能化控制和計算機通信知識，結合化工工藝基礎知識設計智能化生產流程，能夠利用化工知識輔助智能機器人進行有效數據識別標記建立數據庫，能夠進行化工生產工業機器人的編程、調試和維護，能夠使用和控制化工生產智能控制系統和軟件的技術技能人才。

（二）課程體系構建

目前，雖有部分本科院校進行了人工智能+專業人才培養模式的探索，但是還沒有高職院校設置相關的專業并探索智能化工操作技術技能人才的職業教育培養模式，天津職業大學依托“雙高計劃”院校建設實現“三橫四縱”教育模式，突出職業教育注重技術技能培養的特點，實現人工智能+化工專業技術技能人才培養，如表1 所示?！叭龣M”指通識基礎課程、專業技能課程和綜合實訓課程；“四縱”指化學化工類課程、人工智能類課程、技能實訓和素質拓展課程（不包含公共基礎課程）。對于三年制的高職學生，四類課程在通識基礎和專業技能課程模塊是相對獨立的，在綜合實訓階段則融合為有機整體，實現化工專業人工智能生產技能的綜合訓練。

表1 人工智能+化工專業核心課程體系

通識基礎課程設置專業類別平臺課，所有化工類相關專業（應用化工技術、工業分析與檢驗技術、化工設備維修技術、生物制藥技術、安全管理技術、環境監測與評價技術等專業）均通過課程平臺進行授課。通過開發涉及化學類、工程類、計算機類、高數、英語等多學科門類的通用平臺課程及其實踐模塊，強化學生職業通用能力的培養，使其具備崗位轉換和遷移的適應能力，提升人工智能技術發展形勢下學生抵抗職業替代風險的能力。專業技能課程主要包括化工工程和工藝類課程、智能生產和控制類課程以及其綜合實訓模塊和素質拓展課程。課程體系設計中融合的人工智能元素主要包括計算機基礎知識、編程語言、強弱電路工作原理和化工生產過程中的智能控制。學生通過化工模擬軟件系統學習典型化工生產過程的智能生產控制操作和簡單控制系統的編程方法，最終在綜合實訓階段，在實際生產場景中對知識模塊進行融合和強化。

（三）培養方法和特色

1.打造通用知識平臺課程群

結合化工類各技術工種國家職業標準，明確化工行業職業通用能力標準，構建化工類職業通用能力框架體系，服務于“學歷證書+若干職業技能等級證書”（即1+X 證書）高等職業教育發展方向，為學生進行崗位轉換和應對職業替代提供知識和技能基礎。與此同時，智能化生產將大幅提高生產效率，人機協作的工作模式需要技術人員可以與計算機協作完成多種工作任務，這要求院校培養的畢業生具有更廣泛和復雜的知識和能力。通用平臺課程體系建設，可以使學生廣泛涉獵化工企業生產所需的工程工藝、設備維修、分析檢驗、安全管理、環境評價等多崗位基礎知識，方便學生結合智能技術進行崗位轉換和多崗位協作。多位教師同時進行平臺授課，采用統一的課程標準和考核方式，有利于真正實現教考分離，真正提升教學質量。

2.靈活采用線上+線下教學模式

信息化技術的發展為高等職業教育改革傳統教學方法提供有利條件，充分利用學?，F有的資源庫課程和網絡課程資源，采用線上+線下結合的教學模式靈活實施人才培養方案。線上教學可以充分利用學生課余時間進行碎片化知識技能傳授，與教師進行實時互動和反饋；線下教學可以利用面對面的交流將碎片知識進行系統化梳理和引導，重點解決教學難點，強化學習重點。此外，線上+線下教學模式尤其適用于綜合實訓和頂崗實習階段的遠程教學，學生在完成項目任務目標過程中遇到的問題可以隨時與教師進行溝通，在教師的指導下梳理思路尋求解決方案，并獲得知識積累。近三年疫情期間，學校充分發揮線上教學功能，利用網絡教學資源進行網絡授課，充分利用化工虛擬模擬仿真平臺進行仿真實訓教學和線上實訓指導，保障了疫情期間的教學活動秩序。

3.智能化工情境化實訓教學項目雙導師制，加強創新創業教育

對于人工智能與傳統化工結合的實訓項目采取情境化項目教學的方式，學生獲取項目任務后根據教學內容自行整理資料完成項目任務，設置化工和智能生產雙技術指導教師，分別對學生解決工程與工藝難題及智能生產方法方面進行指導，有利于學生利用智能生產手段解決化工生產過程中的工程及工藝問題，達到生產目標。同時，加強創新創業教育，設置相關選修科目，鼓勵學生在教師指導下參加“互聯網+”創新創業大賽、創青春創業比賽等創新創業項目，帶動學生創新創業的積極性，培養其創新創業素質精神，積極應對化工行業智能化發展浪潮。

4.深化校企合作，建設智能化工實訓基地

學校深化校企產學研合作，創建智能化工實訓基地，讓大三學生進入企業崗位頂崗實習和培訓，將所學智能生產和化工專業技術知識學以致用，并在校外指導教師和校內指導教師的雙重指導下熟練掌握企業先進智能生產技術。同時派遣教師參加化工實訓基地崗位實踐，與企業技術人員進行化工工藝和新材料技術創新技術研發和生產，總結生產經驗，并對照人才培養方案梳理成相應的知識技能點，優化教學內容。通過智能化工實訓基地的建設，使企業和學校共同培養滿足化工企業智能生產需要的高素質技術技能人才。

四、總結

通過對目前國內化工企業智能化升級和改造現狀進行梳理和總結，分析當前化工行業智能生產人才需求變化，結合社會需求調整人才培養方案，探索將人工智能生產融入傳統化工專業教育模式。新的人才培養方案有效提升了學生的創新能力和智能制造技術水平，學生參加大學生創新創業競賽取得優異成績。近三年在校生參加全國“互聯網+”大學生創新創業比賽獲得三金兩銀，60%以上的畢業生在企業頂崗實習時獲得企業認可，并順利入職萬華化學、中石化和渤化集團等大型智能化工企業就業。筆者只對傳統工科改造進行了初步的探索，但是在實施過程中化工專業技術課程和智能生產類課程的比例分配、知識內容的增刪情況，還需根據畢業生追蹤調查和企業反饋進行進一步調整和優化。