人工智能+化工专业教育模式的探索——以天津职业大学为例

尚亚平

（天津职业大学，天津 300410）

引言

随着互联网、云计算和传感技术的飞速发展，人工智能技术引发的颠覆性科技变革将带领我们进入工业4.0 时代——人工智能时代[1]。2017 年3月，全国两会政府工作报告首次将“人工智能”作为战略性新兴产业提及，并指出要加快其技术研发和转化。围绕“中国制造2025”国家战略，我国持续加快推进智能制造产业升级，支持和引导企业在设计、生产、管理等环节应用人工智能技术。人工智能技术的发展将推动社会劳动形态的转变，对产业结构和社会就业结构产生巨大的影响。高等教育应积极应对智能技术发展带来的人才需求变革。

2020年2月，人社部发布包括智能制造工程技术人员、人工智能训练师在内的16 个新职业，智能制造相关新兴职业从业人员社会需求巨大。2018年4月，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，要求高校提升人工智能领域科技创新和人才培养能力，积极开展“新工科”研究和实践，探索人工智能与其他学科专业教育交叉融合的“人工智能+X”人才培养模式。同年10 月，教育部、工业和信息化部、中国工程院印发《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 意见》，强调加快“新工科”建设，改造升级传统工科专业，注重学科交叉融合，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 年度普通高等学校本科专业备案和审批结果名单中，智能科学与技术备案专业点有96 个、智能+相关备案专业点有175 个，35 所高校获批建设人工智能专业点，设置人工智能相关专业的普通高等学校在我国呈现井喷式增长。2019 年2 月，国务院颁布《国家职业教育改革实施方案》，要求高等职业院校对接科技发展趋势和市场需求，完善职业教育和培训体系。面对智能技术发展引发的社会生产、服务的劳动需求和社会岗位变化，各职业院校也需积极应对，进行相应的专业调整和人才培养模式的探索，发挥职业教育优势和特色，培养智能化工领域的操作型技术技能人才[3]。

化工行业智能化产业升级亟需精通化工和智能化生产、管理的复合型技术人才攻克技术壁垒，在线检测技术、有效数据库和模拟模型[4]等方面获得技术突破。智能化工的人才需求是多层次的，需各教育机构形成系统的教育体系。目前，已有普通高等院校开始探索智能化工学科交叉课程体系，旨在培养智能化工领域高端研究型和科技成果转化人才[5]。但是，针对人才需求缺口较大的智能化工一线操作技术技能人才的培养，需高等职业院校发挥职业教育优势，进行人工智能+化工创新职业教育模式的探索。

目前还没有高等职业院校设立专门培养智能化工人才的专业，天津职业大学依托中国特色高水平高职学校和专业建设计划（以下简称“双高计划”），结合化工行业智能化升级产生的人才需求，积极探索人工智能+化工专业创新职业教育人才培养模式，开发了具有职业教育特色、注重实践实训和综合技能培养的“三横四纵”课程体系。

一、化工行业智能化产业升级

（一）化工行业智能化升级现状

自2015 年工业和信息化部启动“智能制造试点示范专项行动”以来，在全国范围内每年遴选100个左右智能制造示范项目。其中2022年公布的99项智能制造示范项目中化工制药类项目有13项，包括中科炼化有限公司、广西华谊能源化工有限公司、天士力医药集团股份有限公司等。

在2015 年公布的首批智能制造示范项目中，九江石化智能工厂建成智能工厂神经中枢、企业级中央数据库、三维数字化平台和全流程优化平台，实现了系统化操作、管控一体和生产经营优化及安全管理的智能化应用。智能化工厂为九江石化带来经济增益2.2 亿元，生产班组精简13%，外操室精简35%。东岳集团投资2 亿元建设的智能化管控中心和信息化管理平台，管控信息化程度和装置自动化程度提升31%，人力资源精简24%。万华化学（宁波）构建生产运营管理、企业资源计划管理、商务智能和协同办公管理4大智能管理平台，每年节约成本2亿元，且生产安全应急响应速度和装置稳定性大幅提升。内蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司煤化工智能工厂构建数据信息统一共享平台，实现了实时化、数字化和流程化的生产全过程管控，采用全自动智能化系统，实现部分生产线和操作区域的无人化，工作效率提高10%。

由此可见，智能化工厂的建设可以大幅提升工厂的管理运营水平，变革企业生产方式和管控模式，提高工厂的安全环保水平，实现较大生产增益。石化行业生产体量大，对于智能制造提升效率需求尤其强烈，可以预见未来将有更多的化工类企业进行智能工厂建设或者升级改造以适应时代发展步伐。

（二）人工智能在化工生产行业的应用

化工行业生产过程是连续化生产过程，其智能控制与离散工业不同，涉及各项流程业务的数据集成优化，实现资金、物质、信息和能量的优化控制一体化[6]。以大数据和云计算为基础的人工智能技术在化工行业的应用体现在以下几个方面。

1.智能经营管理决策

能源市场竞争激烈，国内和国际市场经营环境复杂，化工企业经营者面临的挑战日益严峻。如何优化企业运营生产方案，降低生产成本，最大程度地提高收益，是经营者和生产管理者亟需解决的问题。他们利用大数据技术和信息化资源，进行采购、管理、营销和生产决策，制定生产计划和方案，以获得利润的最大化。如，企业资源计划（ERP）是以供应链上所有的物资、人力、财务、信息资源集成一体化管理的企业管理软件，可将客户的需求、企业制造能力以及供应商的制造资源整合联系，为企业生产管理决策提供依据。

2.智能数字交付

传统的化工企业工厂设计的结果都是给出设计图纸和相关文件，在人工智能模式下，设计人员可以使用三维设计软件进行数字化工厂的设计，包括工艺流程、设备、管道、仪表及公用工程等相关的每一版设计数据，以数据型文档的形式进行交付，便于对整个设计过程的有效监控和管理[7]。企业可结合经验数据及模拟结果，在三维数字化工厂的基础上设计完善企业数字化虚拟现实仿真平台，建立实时与项目信息数据一致的虚拟模型，对员工进行岗前培训、安全演练等。此外，化工行业作为连续化生产，不同班次间进行工作交接时，只需要生产操作人员和管理人员轻点鼠标就可以了解当前生产工况和以往数据信息，完成数字化交付，减少交接工作的人为失误，提高安全生产效率。

3.智能全流程模拟和控制

制造企业生产过程执行系统（MES）可以利用信息化手段根据订单对整个生产流程进行优化管理，联系管理决策和车间智能化生产，进行生产管理和调度。对于化工生产过程而言，智能技术可将各个生产单元流程之间的“信息孤岛”进行集成化处理，实现多单元全流程间的协调优化和控制。石化生产过程的优化管理依赖于工艺参数监测的准确性和实时性，要求对各类信息进行有效地识别和标记，提供以数据库为基础的数字化生产流程，结合过程机理进行数据驱动和融合机理混合建模，实现不同生产方案的多目标优化，降低全流程能耗[8]。

4.智能安全管理和环保评价

石化行业生产过程中涉及有毒、易燃易爆化学品，安全生产和环境保护在石化生产行业至关重要，实验室信息管理系统（LIMS）能够进行数据和信息的收集、分析，监控石化过程生产质量，进行环保数据监测和评估[9]。针对各个风险进行综合评估，优化工艺装置布局，降低安全生产和环保风险因素；通过安全事故数据分析，建立知识库，指导危险辨识、安全预警和故障诊断操作；依靠数据信息学建立快速预测有害气体扩散模型和水体污染模型，预测泄漏事故的影响范围、反推泄漏源位置，为人员疏散和事故应急响应提供决策依据，提升企业事故应急处理能力。

二、智能化工人才供需情况分析

（一）智能化生产人才需求变化

人工智能技术的发展将使生产服务过程中简单重复的、低层次的劳动被机器人替代，人类的劳动形态也在发生剧烈变革。目前，在我国制造业领域，工业智能机器人上岗率大幅增加，大量劳动力被机器人替代，与之相对应的专业人才就业机会减少。同时，与机器人应用相关的领域，带来了新的就业岗位，比如机器人的安装、维修、生产维护等。机器人并不是完全取代人类，而是协助人类提高工作效率，这种对参与组织化生产的机器人进行指挥和管控的人机协同劳动成为人工智能时代的基本劳动形态，彻底改变人的劳动方式。人从单一重复的劳动中解放出来，可以从事多种不同的工作，这也要求劳动者具有更广泛和复杂的知识和能力[10]。教育部前副部长鲁昕也指出，人工智能技术高端人才需要强大的复合专业背景，需要知识结构的全面重塑。同时，她指出，人工智能技术人才结构分为四个层次，依次为：高端研究型人才、科技成果转化人才、转化成果行业应用人才和操作技术技能人才[11]。中国智能化人才存在较大缺口，2023 年发布的《产业数字人才研究与发展报告》显示，2022 年智能行业数字人才缺口已达430 万人，其中技能人才缺口占70%左右。职业教育如何补足人才缺口，培养社会需要的新型技术技能人才值得深入思考和探究。

（二）化工企业智能化人才需求

当前，化工企业的智能化发展引发的生产模式的变革是巨大的，相应产生的人才供需关系不均衡是亟待解决的问题。与传统化工生产不同，智能化工人才需要具备宽知识口径和科学创新意识。化工企业智能化生产需要的人才要兼备化工基础知识和自动化控制、通信和人工智能多学科交叉的知识背景，善于用化工和智能生产思维思考、分析和解决工程问题。数字化智能化工厂的建设和生产需要能够使用数字化化工类软件的人才，包括Pro Ⅱ、Aspen Plus、Chemical CAD、Intergraph Smart P&ID 等流程模拟计算及设计软件。智能化生产和管理需要能够操作和维护智能化装备的人才，比如DCS（集散）控制系统、PLC（可编程）、ESD（紧急停车）控制系统的使用和维护。能够创新地设计解决化工生产过程中智能生产难题，满足特定生产需求，能开发、选择数据预测和模拟软件或系统，能设计智能生产方案的新型智能化工人才，将在未来的就业市场具有较强的竞争力。

以上能力的培养不是一蹴而就的，需要构建技术人才知识体系，进行学科交叉和融合，重构课程知识系统[12]，建立智能化工人才培养体系。孟传慧[13]在其研究中将技术技能人才分为三个层次，分别为：能够针对生产工艺设计智能化生产流程的设计人才；能够调试和维护机器人的技能人才；能够在智能机器人升级后进行复杂情况管理和维护使用的高级人才。智能化工技术技能人才同样需要按照三个层次进行递进式培养，建立人才培养体系。

三、人工智能+化工专业人才培养模式

（一）培养目标

与传统的应用化工技术专业相比，人工智能+化工专业培养的学生是能够利用智能化控制和计算机通信知识，结合化工工艺基础知识设计智能化生产流程，能够利用化工知识辅助智能机器人进行有效数据识别标记建立数据库，能够进行化工生产工业机器人的编程、调试和维护，能够使用和控制化工生产智能控制系统和软件的技术技能人才。

（二）课程体系构建

目前，虽有部分本科院校进行了人工智能+专业人才培养模式的探索，但是还没有高职院校设置相关的专业并探索智能化工操作技术技能人才的职业教育培养模式，天津职业大学依托“双高计划”院校建设实现“三横四纵”教育模式，突出职业教育注重技术技能培养的特点，实现人工智能+化工专业技术技能人才培养，如表1 所示。“三横”指通识基础课程、专业技能课程和综合实训课程；“四纵”指化学化工类课程、人工智能类课程、技能实训和素质拓展课程（不包含公共基础课程）。对于三年制的高职学生，四类课程在通识基础和专业技能课程模块是相对独立的，在综合实训阶段则融合为有机整体，实现化工专业人工智能生产技能的综合训练。

表1 人工智能+化工专业核心课程体系

通识基础课程设置专业类别平台课，所有化工类相关专业（应用化工技术、工业分析与检验技术、化工设备维修技术、生物制药技术、安全管理技术、环境监测与评价技术等专业）均通过课程平台进行授课。通过开发涉及化学类、工程类、计算机类、高数、英语等多学科门类的通用平台课程及其实践模块，强化学生职业通用能力的培养，使其具备岗位转换和迁移的适应能力，提升人工智能技术发展形势下学生抵抗职业替代风险的能力。专业技能课程主要包括化工工程和工艺类课程、智能生产和控制类课程以及其综合实训模块和素质拓展课程。课程体系设计中融合的人工智能元素主要包括计算机基础知识、编程语言、强弱电路工作原理和化工生产过程中的智能控制。学生通过化工模拟软件系统学习典型化工生产过程的智能生产控制操作和简单控制系统的编程方法，最终在综合实训阶段，在实际生产场景中对知识模块进行融合和强化。

（三）培养方法和特色

1.打造通用知识平台课程群

结合化工类各技术工种国家职业标准，明确化工行业职业通用能力标准，构建化工类职业通用能力框架体系，服务于“学历证书+若干职业技能等级证书”（即1+X 证书）高等职业教育发展方向，为学生进行岗位转换和应对职业替代提供知识和技能基础。与此同时，智能化生产将大幅提高生产效率，人机协作的工作模式需要技术人员可以与计算机协作完成多种工作任务，这要求院校培养的毕业生具有更广泛和复杂的知识和能力。通用平台课程体系建设，可以使学生广泛涉猎化工企业生产所需的工程工艺、设备维修、分析检验、安全管理、环境评价等多岗位基础知识，方便学生结合智能技术进行岗位转换和多岗位协作。多位教师同时进行平台授课，采用统一的课程标准和考核方式，有利于真正实现教考分离，真正提升教学质量。

2.灵活采用线上+线下教学模式

信息化技术的发展为高等职业教育改革传统教学方法提供有利条件，充分利用学校现有的资源库课程和网络课程资源，采用线上+线下结合的教学模式灵活实施人才培养方案。线上教学可以充分利用学生课余时间进行碎片化知识技能传授，与教师进行实时互动和反馈；线下教学可以利用面对面的交流将碎片知识进行系统化梳理和引导，重点解决教学难点，强化学习重点。此外，线上+线下教学模式尤其适用于综合实训和顶岗实习阶段的远程教学，学生在完成项目任务目标过程中遇到的问题可以随时与教师进行沟通，在教师的指导下梳理思路寻求解决方案，并获得知识积累。近三年疫情期间，学校充分发挥线上教学功能，利用网络教学资源进行网络授课，充分利用化工虚拟模拟仿真平台进行仿真实训教学和线上实训指导，保障了疫情期间的教学活动秩序。

3.智能化工情境化实训教学项目双导师制，加强创新创业教育

对于人工智能与传统化工结合的实训项目采取情境化项目教学的方式，学生获取项目任务后根据教学内容自行整理资料完成项目任务，设置化工和智能生产双技术指导教师，分别对学生解决工程与工艺难题及智能生产方法方面进行指导，有利于学生利用智能生产手段解决化工生产过程中的工程及工艺问题，达到生产目标。同时，加强创新创业教育，设置相关选修科目，鼓励学生在教师指导下参加“互联网+”创新创业大赛、创青春创业比赛等创新创业项目，带动学生创新创业的积极性，培养其创新创业素质精神，积极应对化工行业智能化发展浪潮。

4.深化校企合作，建设智能化工实训基地

学校深化校企产学研合作，创建智能化工实训基地，让大三学生进入企业岗位顶岗实习和培训，将所学智能生产和化工专业技术知识学以致用，并在校外指导教师和校内指导教师的双重指导下熟练掌握企业先进智能生产技术。同时派遣教师参加化工实训基地岗位实践，与企业技术人员进行化工工艺和新材料技术创新技术研发和生产，总结生产经验，并对照人才培养方案梳理成相应的知识技能点，优化教学内容。通过智能化工实训基地的建设，使企业和学校共同培养满足化工企业智能生产需要的高素质技术技能人才。

四、总结

通过对目前国内化工企业智能化升级和改造现状进行梳理和总结，分析当前化工行业智能生产人才需求变化，结合社会需求调整人才培养方案，探索将人工智能生产融入传统化工专业教育模式。新的人才培养方案有效提升了学生的创新能力和智能制造技术水平，学生参加大学生创新创业竞赛取得优异成绩。近三年在校生参加全国“互联网+”大学生创新创业比赛获得三金两银，60%以上的毕业生在企业顶岗实习时获得企业认可，并顺利入职万华化学、中石化和渤化集团等大型智能化工企业就业。笔者只对传统工科改造进行了初步的探索，但是在实施过程中化工专业技术课程和智能生产类课程的比例分配、知识内容的增删情况，还需根据毕业生追踪调查和企业反馈进行进一步调整和优化。