新工科背景下“智能化工”课程体系的构建与实践

张玮?王俊文?程永强?董晋湘

摘 要：在国内外产业界快速发展智能制造的大趋势下，化工行业对人才提出了新的要求。传统的化工专业教学体系成熟，推进学科交叉培养难度较大。本文以化工行业信息化和智能化为背景，依托太原理工大学化工学科作为“双一流”建设学科的优势，开展化工专业新工科建设，提出了化工、控制和计算机三个专业交叉融合的“智能化工”课程体系，以期为相关专业融合信息技术培养新工科智能制造人才提供参考和借鉴。

关键词：新工科;化工专业;智能化工;跨学科;课程体系;智能制造

2018年10月，教育部、工业和信息化部、中国工程院联合发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，强调要“推动学科交叉融合，促进理工结合、工工交叉、工文渗透，孕育产生交叉专业，推进跨院系、跨学科、跨专业培养工程人才”。从人才发展来看，知识交叉与融合是新工科建设培养创新人才的着力点[1]。在新经济环境下，新兴学科专业的建设路径是“预测未来人才市场需求—改造升级现有专业—调整完善现有学科”[2]。因此，本文据此分析了我国化工行业的发展现状，指出智能化工对未来人才的要求，借鉴国内外工程教育改革经验，立足于我国高等化工教育现状，提出了跨学科“智能化工”课程体系。

一、化工产业发展呼唤智能化工人才

1.化工产业发展现状

以移动互联网、物联网、云计算、大数据、新一代人工智能等为代表的信息科技革命为我国化工产业转型升级带来了难得的机遇。在“中国制造2025”等国家战略的指引、推动下，工业和信息化部从2015年开始已经连续4年实施了“智能制造试点示范专项行动”，共有305个试点示范项目入选。其中，九江石化于2015年升级改造了年产800万吨油品的智能工厂，实现了计划调度、装置操作、安全环保、能源管理、IT管控智能化，成为当时石油石化行业唯一一家国家工信部智能制造试点示范企业，智能工厂每年能为九江石化增益2～3亿元。万华化学公司化学品生产智能工厂于2017年入选工信部智能制造试点示范项目，该项目已构建起以MES为核心的生产运营管理平台、以ERP为核心的企业资源计划管理平台、以BW为核心的商务智能平台和以OA為核心协同办公管理平台等四大智能平台，安全应急响应速度提升70%，能源利用率提高5%，装置稳定性提高30%，发货时间缩短到24小时以内，每年可节约运行成本约2亿元。可见，化工企业的信息化及智能化转型升级提升了化工产业整体的竞争力。

2.智能化工对人才的要求

化工产业信息化和智能化的发展引发了生产组织方式和商业模式的变革，数字化、网络化、智能化的趋势贯穿于研发、设计、制造、销售、服务全生命周期的各个环节。这项庞大的系统工程既需要单一技术与装备的突破应用，同时还需要系统化的集成与创新，行业急需具有宽口径知识和现代科学创新意识的高级技术人才。具体来说，智能化工人才需要具备以下特征和能力。

（1）具有多专业融合的知识体系和思维习惯。智能化工人才培养须以系统的化工知识为基础，融合自动化、计算机、物联网、大数据、云计算、人工智能等方面的知识，培养学生具有多学科交叉的强烈意识，同时具有化工思维和智能思维，并养成多学科空间观察、思考问题的习惯[3]。

（2）具有设计数字化工厂的能力。能够熟练应用三维设计软件，如三维工厂设计系统PDMS，智能三维设计软件Intergraph Smart 3D，智能仪表设计软件Smart Instrumentation，智能工艺流程设计软件Intergraph Smart P&ID，管道应力分析软件CAESAR II 等，完成智能工厂的数字化设计。

（3）具有操纵和维护数字化和智能化设备的能力。智能化工企业的生产过程一般都采用了集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）、可编程控制器（PLC）系统，安装了紧急停车（ESD）系统、先进控制（APC）系统、实时优化（RTO）或运行控制系统等，其生产管理过程还建成了以企业资源计划（ERP）、制造企业生产过程执行系统（MES）和实时数据库为主线的生产经营信息化体系。这些智能化生产线、智能化设备和大数据系统的指挥、操作和运营需要具有综合专业素质的人才。

（4）具有研发化工软件的能力。目前我国智能制造的最大短板就是工业软件，化工行业也不例外。国内化工设计院和研究常使用的化工流程模拟软件有美国SimSci-Esscor公司的PRO/II，美国AspenTech公司的Aspen Plus，Hysys，英国PSE公司的gPROMS，美国Chemstations公司ChemCAD和美国WinSim Inc.公司的Design II，加拿大Virtual Materials Group的VMGSim。化工软件绝非简单的IT软件，它是工业化长期积累的工业知识的结晶。人工智能和大数据推动制造业转型升级的核心就是工业软件，目前我国工业软件设计研发能力不足，由于国内企业长期购买国外软件，导致国内工业软件开发人才的培养已经出现了断层。因此，培养具有开发自主核心工业软件的高端人才是智能制造极为紧迫的任务。

以上这些能力的培养不是一蹴而就的，需要系统学习相关专业的知识。企业虽然在人才发展过程中投入巨大，但效果却不尽如人意，很难在短时间内有效地培养出数字化和智能化人才。解决这个问题的关键在于高等教育培养阶段。高等教育要适应国家战略发展新需求和世界高等教育发展新趋势，推进全面改革，聚焦人才发展，培养出符合我国目前企业所需的“既有理论知识，又有现场实践，既掌握本专业技能，又有跨专业能力的创新性复合型人才”[4]。

二、国内外高等化工教育改革现状分析

人工智能、大数据、云计算等前沿科技的飞速发展，促进了工业化与信息化的深度融合。针对新经济出现的新问题，学者们做了大量调研工作，国内外高校相关学科也及时进行了调整。

Dr. Ruth Graham受MIT委托，于2018年3月完成了The Global State of the Art in Engineering Education報告。报告指出工程教育正进入一个快速变革的时期，许多工程院校实施的一元化的单一学科结构阻碍了跨学科学习。Arvind Varma在《化学工程教育的发展趋势》一文中提出，未来化工领域除了传统化工核心课程外，分析、建模、仿真、过程控制类课程的相对重要度越来越高。跨学科课程的设置与加强是发达国家课程体系改革的重要趋势，MIT的跨学科课程与跨学科研究已经实现了深度融合，其跨学科课程约占课程总量的32%，一些跨学科研究项目还设立了专门的学位计划，以此为依托成立了62个跨学科研究组织和跨学科研究中心[5]。

2018年天津大学全面启动了“一流本科教育2030行动计划”，该计划打破了本、硕、博的“身份”限制，实现培养方案贯通、课程体系贯通、运行模式贯通、导师培养贯通，使得纵向跨层次选课、横向跨学科选课成为可能。2018年9月复旦大学试点实施本科“学程教育计划”，鼓励学生可在主修专业之外，系统性地修读其他专业的基础课程或特设主题的系列课程，获得更多交叉创新发展的新路径。

国内外高等教育改革的现状表明跨学科教育的改革已经势不可挡，各类培养计划已经启动。经过调研发现，目前国内高校本科教育阶段还没有设立与智能化工需求相关的专业，化工专业人才培养的改革创新也未涉及人工智能的内容。为适应智能化时代要求，紧跟产业结构转型升级的步伐，太原理工大学化学化工学院教学团队对目前国内外化工专业课程体系进行了研究和分析，依托“双一流”建设学科的优势提出了“智能化工”课程体系。

三、智能化工课程体系

智能化工新工科的人才培养需在传统教育体系的基础上调整培养目标、重构课程知识体系，优化教学方式。

1.着眼未来的培养目标

智能化学工程专业的培养目标是面向化工行业培养具有化学工程与工艺知识背景，能够适应智能化工需求，综合运用化工工艺、自动化、计算机和信息科学知识，掌握云计算、大数据、物联网等前沿信息化技术，在化工、能源、材料、环保、生物工程、轻工、冶金等行业从事工程设计、技术应用开发、生产技术管理和科学研究工作，具有全球观念、国际竞争力和国际交往能力，以及解决复杂工程问题的复合型工程技术人才。

智能化工专业学生在毕业后5～10年应该能够达成以下目标之一。

（1）进入大型现代化工企业，结合化工、自动化和计算机等知识综合解决现代化工发展的问题，成为化工厂数字化集成专家、化工应用程序开发工程师等化工产业的领军人才。

（2）继续通过硕博培养，进入知名高校、科研院所和相关设计院，从事数字工厂和智能工厂设计、化工工程软件开发，以及专业大数据分析等开创性的工作。

（3）创新创业，推动化工领域新技术革新和可持续发展。

（4）成为化工专业协会、政府部门、咨询公司和学术机构的知名专家和领导者。

2.交叉融合的课程知识体系

制订跨学科课程体系最大的困难在于构建多学科复合融通的系统知识体系。太原理工大学化学化工学院教学团队制订了“智能化工创新班培养方案”，建立了以项目驱动为主线的“三横三纵”跨学科智能化工专业核心课程体系（见图1，图中不包含人文课程、英语、高等数学和大学物理等公共基础课程）。所谓“三横”是指理论基础课、专业基础课和创新综合课，“三纵”是指化学化工类课程、自动控制类课程和计算机类课程。三类课程仅在理论基础课和专业基础课部分有所区分，它们在创新综合课部分实现了整体融合。这种融合是以某化工智能工厂的设计为最终目的展开的。学生利用相关数字化设计软件完成数字工厂的3D设计，从而将真实化工厂的各种设计和生产信息转换为数字化模型，形成一个与现实工厂相对应的，可以局部或全部模拟工厂行为的系统，并可以预测或反映工厂真实的结果。接着，学生通过系统学习“化工过程建模及智能优化”和“智能化工集成系统”两门课建立起智能化的概念。将此概念融入数字化工厂中，从而实现企业的供应链协同优化、智能运营、生产过程优化、生产过程综合管理、数字化销售等智能工厂的功能。

由于课时限制，智能化工专业核心课程体系将“三纵”课程做了学分分配，化学化工类占总学分的40%，自动控制类占总学分的30%，计算机类占总学分的30%。化学化工类课程分成三个课程群——基础化学课程群、化学工程课程群和化工工艺课程群，每个课程群均配有相应的实验或课程设计。自动控制类课程强调电子电路基础，并加强控制系统设计的能力。计算机类课程加强了程序语言的学习，并强调数据库和应用工业物联网的能力。考虑到新兴人才培养需加强非技术工程的能力，因此还要开设工程伦理、职业道德、知识产权策略以及与企业经营相关的法律法规知识、经营风险和法律风险的识别、防范和控制等选修课程。

3.教学方式

（1）采用基于MOOC的混合式课堂教学模式。网络上丰富的MOOC资源为各类型高校培养跨学科智能化工人才提供了强有力的支持。各大高校可以根据各自的教学目标和培养方向选择不同的网络资源，采取“线上”或“线上+线下”混合式教学模式，实施灵活的培养方案。

（2）虚拟仿真实验助力实践环节。虚拟仿真实验教学是以现代信息技术为依托，线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。石油化工行业是典型的高危行业，所处理的物料多为易燃、易爆、有毒、腐蚀性、放射性等危险物质，为了解决解决真实实验项目条件不具备以及实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，教育部开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设，并建成了全球范围第一个开放共享的实验教学公共服务平台——实验空间。平台完全公开、免费，国内外学生可以通过该平台直接在线做实验，为智能化工实践环节的培养提供了有力支持。太原理工大学煤基甲醇转化制芳烃（MTA）虚拟仿真实验系统，获批2017年国家虚拟仿真实验项目，使学生在安全、环保、节能的实验环境中获得与真实生产相近的体验。

（3）搭建“设计院+科研院所+大型企業”创新实践平台。太原理工大学化学化工学院建成了“设计院+科研院所+大型企业”联合创新实践平台。联合中国化学赛鼎工程公司开展了“数字工厂”设计的培训工作，在大二和大三年级学生中引起了强烈反响，继而采取“朋辈导学”的方式，采取大四学生和研究生辅导本科低年级“智能化工兴趣小组”的同学，形成了学习数字化工厂设计的氛围。邀请了海克斯康工程技术人员做了“SMARTPLANT 3D”的培训，使学生全方位地掌握了数字工厂设计的基本理念和软件应用。2018年太原理工大学化学化工学院教学团队获批了教育部高等教育司产学合作协同育人项目，该项目旨在培养化工行业的物联网人才，助推智能化工的人才培养。太原理工大学联合中国科学院山西煤炭化学研究所，开展了深度科研和教学合作，共同研制开发了甲醇制芳烃小试装置并面向本科生开放。

以人工智能、大数据为代表的新一轮科技革命和产业变革已经到来，国家经济发展和重大战略的实施呼唤与之相适应的新兴工科建设。传统的工科专业，如化工、机械、材料、水利和电力等，其教学体系成熟，推进学科交叉培养难度较大。本文基于化工行业发展对人才的需求，提出优化化工学科课程体系结构的思路，探索多学科交叉融合的化工人才培养模式，建议利用互联网资源进行信息化教学改革，从而推进信息技术与工程教育深度融合。健全人才培养机制还需要加强校企合作，共建智能制造实训基地，使企业和院校成为人才培养的“双主体”，共同培养满足智能制造发展需求的高素质技能人才。文章回答了“如何更好地梳理出人工智能与其他学科的基础内容与核心支撑的关系，在专业人才培养中尚需深入思考和进一步探索”[6]。本文的改革思路还可以推广到其他传统工科的教学改革，比如可以建立“智能水利工程”“智能材料工程”“智能电气工程”“智能冶金工程”“智能纺织工程”“智能食品工程”等新兴工科专业。

参考文献：

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 林健. 引领高等教育改革的新工科建设[J]. 中国高等教育，2017（13）：40-43.

[3] 杨若凡，刘军，李晓军. 多方协同开展智能制造新工科人才培养的思考与实践[J]. 高等工程教育研究，2018（5）：30-34.

[4] 国务院关于印发《中国制造2025》的通知[Z]. 国发〔2015〕28号.

[5] Arvind Varma， Ignacio E. Grossmann， Evolving Trends in Chemical Engineering Education[J]. American Institute of Chemical Engineers， 2014（11）： 3692-3700.

[6] 黄河燕. 新工科背景下人工智能专业人才培养的认识与思考[J]. 中国大学教学，2019（2）：20-25.

[责任编辑：余大品]