智慧化工人才培养平台研究与实践_王召.pdf

年月 第 卷 第期 作者简介王召（），男，副教授，院长助理。通信作者王召，：。基金项目：教育部新工科研究与实践项目（，）；年度天津大学本科教育教学改革研究项目。智慧化工人才培养平台研究与实践王召，程金萍，魏树红，周颖，夏淑倩，张凤宝（天津大学 化工学院，天津 ）摘要 现代化工过程变得越来越复杂，对复合型化工人才的需求量也越来越大。天津大学打破学院和专业之间的藩篱，依托优势学科建设了微专业，搭建了智慧化工人才培养平台，以丰富学生的知识架构，促进学科的交叉融合。文章结合“互联网”背景下虚拟仿真实验、线上课程迅猛发展的趋势，从培养目标的确定、培养平台的构建、保障措施和未来发展思路等方面，详细阐述了智慧化工人才培养平台的架构，为复合型化工人才培养提供参考。关键词 新工科；智慧化工；人才培养；实践机制 ，（，）：，：；化工是一个复杂系统，涉及多尺度物质结构与产品设计、过程控制与优化、生产运营以及产业链集成的宽广领域，系统中多种结构化与非结构化的机制共存，这是化工行业在新一轮科技革命及产业变革背景下的新特性。化工行业的发展方向主要包括产业链的集成与创新、全供应链的资源优化配置、化工过程的本质安全设计与控制、绿色化工理念导向下的技术创新等，这就要求化工专业人才必须具备满足未来产业发展所需的复合型知识、能力和素质。在我国国民生产总值中，化学工业的产值约占。从关乎民生的衣食住行、卫生健康、生命科学等基础领域，到高精尖的新材料、新能源、人工智能等科技领域，化学工业起到了基础性保障作用，在新冠肺炎疫情防控中也发挥了不可替代的作用。要解决我国面临的高性能电子材料断供等装备制造业的“卡脖子”问题，实现国家“双碳”战略目标，离不开化工行业的跨越式发展。因此，培养化工行业高质量人才，提升化学工业的科技创新能力，对我国科技和民生发展至关重要。目前化工行业的人才培养面临培养方式、培养内容与行业最新生产和技术研发需求脱节的问题。对此，本文结合新技术、新工业的要求，提出新工科建设背景下智慧化工人才培养模式，并阐述具体的培养思路和实施内容。一、智慧化工人才培养平台建设目标新工科建设是我国工程教育的改革创新举措，更加强调多学科交叉和跨学科人才培养，注重学生创新创业能力培养，致力于培养面向未来的卓越工程创新人才 。天津大学作为新工科建设组长单位，提出建设新工科培养平台和以学科交叉、项目式教学为特色的新工科建设方案，并充分结合各类学科形成“化工”的思路，提出建设智慧化工人才培养平台。学校依托该平台，以实践项目为载体，以化工生产为背景，建设微专业课程体系 ，以学生知识和能力的有机融合、解决复杂问题能力的培养为目标。每学期的学生代表反馈和学生问卷调查结果表明，学生对计算机、自动化、管理等方面的课程有极高的需求。据此，学校联合化工学院、自动化学院、智算学部、经管学部和微电子学院开展多学院跨学科共建，构建了智慧生产、智慧工厂、智慧物流、智慧经营四个微专业平台。其中，智慧生产微专业平台已率先开启，设置了机器学习与智慧化工、面向流程工业的数字孪生技术实践、工业信息物理系统（基础与应用）等门课程，供学生选修。修满课程学分的学生可以获得智慧生产微专业学位证书。二、智慧化工平台的人才培养模式根据培养复合型和应用型化工人才的需求，智慧化工平台需要进行跨学科的协同，加强实践基地的建设，并联合企业提供有交叉学科背景的更为复杂的实践课题与场景。为此，天津大学化工学院提出面向科技革命及产业变革的智慧化工新模式，强调在化工经典体系的基础上，广泛应用、工业物联网和人工智能等信息技术成果，挖掘化工新的价值领域，发展新方法论。智慧化工人才培养平台采用以项目为载体的架构，按照项目全过程管理模式，融合学科优势和产业优势，构建了多层次融合、多方协同发展的新体系，形成了包含一个联盟、两类融合、三级依托、四大模块、五类技术的“”人才培养模式。（一）完善实践平台，注重协同育人智慧化工人才培养平台主动对接行业和产业需求，汇聚校内外要素资源，深化校企合作，搭建了高校与企业的产学研融合资源共享平台；加强化工人才培养供给侧、需求侧的连接，优化理论学习与生产科研实践的对接方式，形成了主体多元、有效协同、企业深度参与的产业人才实践基地建设和联合培养模式，与企业共建多学科交叉的工程实践教育基地和人才培养实践创新平台；以实践为导向，整合传统的专业课程，构建了与应用型人才岗位目标相适应的课程模块。（二）实现两类融合，强化实践应用化工学院依托自身科研优势，以强化实践应用为导向，开展智慧生产的全过程管理，形成了智慧化工与科研、实践的“双融合”系统。王召，等 智慧化工人才培养平台研究与实践一是实现智慧化工平台与科研成果融合。如图所示，智慧化工平台融合多学科知识，通过收集产业项目实例，建设了若干门适用于四个模块的特色课程；以促进智慧化工人才培养、鼓励多学科交叉为目标，创办了智慧化工创新大赛，鼓励完成相关课程学习和项目实践的学生积极参与，并通过邀请专家传授经验、专门指导等方式激励学生参加各类竞赛；积极探索微专业的运行管理模式。图智慧化工与科研、实践的“双融合”系统二是强化智慧生产、柔性制造和供应链管理的融合。为适应化工智慧化的趋势，化工学院建设了虚拟仿真实验室，并与经管学部、智算学部等开展深度合作，形成了智慧生产、柔性制造和供应链管理三方融合发展模式。为实现与资源、产业的融合，将智慧生产理论应用于实践，学校与万华化学集团等企业展开教学、科研等层面的合作，着力培养具有跨界整合能力的化工专业人才。（三）依托三项内容，构建联动育人系统依托智慧化工人才培养平台，化工学院与万华化学集团深入合作，制定了面向化工企业需求的智慧生产等微专业培养方案和课程体系，建立了校企联合育人机制，并创新校企联合育人组织形式。在此过程中，学院汇集各学部的实践教学力量，进一步深化现代信息技术与化工行业的融合，建设了智慧化工可视化研究平台，将化工生产中涉及的场景、生产数据、事故类型、事故处置和恢复重建等环节进行模块化开发，并形成了“三依托”联动育人系统。平台的模块化内容为智慧化工创新实践与实训平台建设提供了有力支持，可用于学生课程项目及其他实践环节的教学。平台架构如图所示。图智慧化工人才培养平台架构王召，等 智慧化工人才培养平台研究与实践学院依托自身的学科优势，与自动化学院等个学院（部）联合成立了智慧化工微专业。该微专业的教师队伍由不同学科和专业结构的教师构成，并专门设置了管理服务部门。五大学院（部）充分发挥各自优势，实现了资源、技术、产业链、人工智能等多层次的融合。智慧流程中所需关键技术贯穿全方位智慧管理过程。学院依托项目全过程管理，以项目为抓手、以企业实践基地为平台组建项目小组，通过校企合作设置了交叉学科的实践课题与场景，以提高学生参与实践的积极性，并为学生的创新实践能力培养提供支撑。学院在实践基地构建了最接近真实工程环境的现代实践教学平台，为学生提供先进的现代大工程训练场景，使学生能够在多元信息刺激的环境和立体的知识学习空间里获得亲身体验，实现知识迁移和能力提升，强化工程意识和创新能力。学院依托各类竞赛平台，对实践效果进行评估，通过组织开展相关比赛、为获奖学生颁发荣誉学位证书等举措，鼓励学生参加多学科交叉的实践培训，并构建了全方位、多角度的实践监控体系，采用多元考核评价方法。校企双方共同成立教学督导组，负责人才培养质量的评价与监控。在实习效果评价方面，督导组主要从“听、看、练、评、考”五个方面出发建立灵活多样的考评方式，以促进实践教学效果的提升。（四）聚焦四个模块，建设课程群智慧生产模块实施“化工机械工程工业工程自动化控制”复合专业人才培养新模式，旨在培养具备化工、机械设计、工业工程（安环质）、自动化控制（电气、仪表）知识，工程实践能力强，能胜任化工安环质机电仪及其他相关领域的工艺改进、研究、规划及设计和教育、管理、交流等工作，同时具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的卓越复合型工程人才。除了化工专业的基础和核心课程外，学生还需学习机械工程、自动化控制学科的基本理论、知识和技能，以期成为既能够综合运用工业工程的理念和工具从事管理或科研工作，又懂化工、机械设计、电气仪表自动化控制专业技术知识的复合型高级管理与研究人才。智慧工厂模块面向前沿高新技术，采用“化工自动化控制大数据物联网”复合专业人才培养新模式，培养综合素质高、工程实践能力强、学科基础扎实的化工智慧生产领域专门人才。该模块聚焦化工智慧生产领域中的化工过程检测信息，以信息采集、传输、处理技术与系统为基础，以智能感知、融合、反馈为主线，培养智能化数据感知与分析、机器学习和深度学习等领域的创新人才。除了化工专业的基础和核心课程外，学生还需学习信息技术、微电子技术、人工智能技术、数据分析学科的基本理论、知识和技能，了解和掌握智慧化工技术领域的有关标准、规范、规程，并跟踪该领域的前沿技术，以期成为具有工程创新能力，可实现工业智能方案的设计、开发，并能将其应用于化工生产场景（如实现化工、机械等过程的智能化控制和集成）的人才。智慧物流模块采用“化工物流工程物联网信息技术”复合专业人才培养新模式，培养具备化工、现代物流及相关经营管理知识，工程实践能力强，掌握基于互联网、物联网、人工智能、大数据技术的现代化工智能物流技术与技能，能为企业制定并实施一体化智能化工物流解决方案的新时代复合型人才。除了化工专业的基础和核心课程外，学生还需学习智慧物流、物联网、信息系统与信息管理学科的基本理论、知识和技能，牢固掌握化工领域智能仓储、运输管理、智能配送、信息处理、平台运营等专业技能，熟悉化工领域智慧物流的各种场景和各个环节，并具备较强的智能物流服务和管理能力。智慧经营模块采用“化工金融学区块链市场营销大数据”复合专业人才培养新模式，培养具备化工、区块链、市场营销及相关金融知识，工程实践能力强，能够研究和解决化工领域经营创新与管理、项目投融资、公司理财、市场营销、金融与保险系统工程中的评价与决策等问题的复合型创新人才。除了化工专业的基础和核心课程外，学生还需学习技术经济与管理、区块链、工业工程、金融学科的基本理论、知识和技能，以期成为既掌握经济学、管理学、金融学理论知识，又懂化工专业技术知识的复合型高级管理与研究人才。王召，等 智慧化工人才培养平台研究与实践（五）借助五类技术，助力智慧化工化工学院以智慧化工技术构架为依据，根据学校各学科的优势和特点，建立了“化工”智慧化工人才培养平台，教学内容包括物联网技术、云计算技术、互联技术、跨尺度互联融合技术和多尺度条件的智能制造技术。在低碳技术、大数据技术、信息技术、互联网技术的应用下形成的自组织学习系统，能够实现自我管理和发展、自我学习和挖掘、自我优化和控制、自我感知和通信。三、保障措施和建设效果（一）保障措施为保证教学质量，化工学院以教师发展为关键，以教育研究为引导，深化教学改革研究，推进教师发 展 计 划，加 强 管 理 队 伍 建 设，完 善教学质 量 标 准。学 院 建 立 了 一 套 较 为 完 整 的本科教学质量规范体系，构建了包含决策指挥系统、质量管理与监督系统、质量评估系统、信息收集与反馈系统、质量改进系统和资源保障系统在内的多层面、立体化本科教学质量保障体系（见图），实现了教学质量数据的信息化和系统化，形成了长效的闭环式教学质量保障运行机制。经过多年的探索与实践，化工专业教研水 平 得 到 了 提 高，教 学 质 量 得 到 了 全 面提升。图化工专业教学质量保障体系（二）建设效果化工基础实验中心将所有的实验项目建设为虚拟仿真实验项目，并配套开发了实验教学线上管理系统。实验项目及管理系统免费对全国高校开放，疫情期间服务 多所高校的万余名学生。此外，该中心还结合大数据、物联网等技术，开发了智慧化工实验，实现了学生人脸识别登录、远程操作真实实验系统、大数据分析、实时监控的全过程考核。化工基础实验中心采用项目式实验系统，锻炼学生的实践创新、实验设计和开发能力。该项目已获批“天津市教学成果奖重点培育项目”。以上实践教学改革，为多学科交叉的实践基地建设和创新人才培养创造了条件。四、智慧化工人才培养平台未来建设思路和措施面向智慧化工的国家重大战略需求，我校智慧化工人才培养平台未来将继续落实高水平人才供给侧结构性改革目标，坚持以人为本的价值取向和因材施教的教育原则，秉持以人为本与规范管理相结合的理念，完善立德树人体系，打造有深王召，等 智慧化工人才培养平台研究与实践度的专业教学体系和人才培养机制，构建有力度的课程体系，培育有厚度的师资队伍，优化学生能力培养模式，培养具有特色的一流本科人才。为了更好地建设智慧化工人才培养平台，本文提出以下几项对应举措。一是完善教学内容，构建学科交叉、知识互融的课程体系。我们将继续完善以项目驱动为主线的跨学科智慧化工课程体系，以微专业为载体，通过面向全校征集课程，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，围绕智慧生产、智慧工厂、智慧物流、智慧经营四个模块，建设不断优化的核心课程群，通过灵活的培养方式，使学生具备化工思维和智能思维，并养成运用多学科视角观察、思考问题的习惯。二是建设以师德为先的高水平师资团队。我们将进一步实施青年教师到企业挂职锻炼制度和青年教师国内外访学制度，以教学改革项目、科研项目为突破口，引进国内外一流大学专业人才；同时从教师队伍中选拔教师进行重点培养，打造具有工匠精神、创新意识、突出能力的高水平师资团队，服务国家和行业发展对化工领军人才的需求。三是打造软硬件环境有机融合的一流实践创新平台。面向智慧化工、智慧工业等国家重大战略需求，我们将继续加大教学软硬件设施投入，依托部级、省级、校级产学协同育人平台深化与企业的实质性合作，建立 个高水平实践创新平台。四是促进“课赛创”三合一跨学科发展。伴随我校新工科建设的持续快速推进，培养目标、育人理念、教学方法都发生了巨大的变化。我们以培养具备创新思维以及多学科交叉知识和技术的人才为目标，提出“课赛创”三合一跨学科创新创造实践项目，将“课”“赛”“创”三者紧密结合起来，以发挥最大的育人作用。该项目要求学生自主发现人类社会生产生活中的各种问题，进而产生全新的解决问题的思路，通过与其他学科背景的学生组成团队并协同合作，利用未来挑战创新实验室提供的跨学院跨学科的设备与工具解决问题。五是将数字孪生与绿色化工相结合。我们将继续改革毕业设计管理体系，以项目为导向，将数字孪生和绿色化工相结合设计毕业选题 “基于数字孪生技术的化工生产线建设与运维设计”，通过学生跨学院、跨专业的合作，提升学生解决新兴前沿工程问题的能力，实现“对内引领起示范作用，对外支撑新产业形成”的目标。五、结语化工学院以学生为中心，在理论与实践的辩证唯物观指导下，构建了智慧化工人才培养平台，突破了独立课程的局限性，形成了覆盖面广、相互关联的化工理论与实践知识网。学院依托校企协同育人，基于该平台构建了创新型教学体系，采用产学研用多方联动的线上线下教学模式，依托已有教学平台和未来实验室实现关联教学，并对学生的学习情况进行持续追踪。该平台在促进化工与其他学科有机融合的同时，有助于提升学生的专业技能，培养学生的创新意识和学以致用的能力。该平台的建设是培养复合型、创新型化工人才的一次有益尝试，对新工科建设起到了促进和示范作用。（责任编辑：李丽妍）参考文献：孙宏伟化学工程的发展趋势 认识时空多尺度结 构 及 其 效 应 化 工 进 展，（）：杨宁，李静海化学工程中的介尺度科学与虚拟过程工程：分析与展望 化工学报，（）：吉旭，党亚固，周利，等 化学工业多尺度融合的智能制造模式 互联化工 化工进展，（）：周济“中国智能制造 ”的主攻方向中国机械工程，（）：孙燕妮，白晓军 中国制造 中国特色的强国战略 智能制造，（）：张盼良，孙碧珠，刘宇，等 化工行业人才需求分析及对应用型本科人才培养的启示广东化工，（）：（下转第 页）王召，等 智慧化工人才培养平台研究与实践生的学习主动性和创造性，明显提高了课程教学效果，为“三创型”人才培养提供了有力保障。伴随着化工、能源、天然气等行业的不断发展，今后我们需要继续改进和完善化工装备 技术基础课程教学，以适应社会发展的需要。（责任编辑：李丽妍）参考文献：郑华林，胡腾，董亮亮 基于项目教学法的 机械制造工艺学 课程教学改革与实践 科技风，（）：崔建中围绕工程设计的材料成型 课程教学改革探讨科技视界，（）：林健新工科专业课程体系改革和课程建设高等工程教育研究，（）：，林健面向未来的中国新工科建设清华大学教育研究，（）：刘华，刘 红 生，尤 芳 怡基 于“板 料 成 形 ”课程项目式混合教学改革的探索教育教学论坛，（）：胡雪，夏博，葛云，等基于 模式的机械制造工艺学课程教学设计探究与实践教育现代化，（）：，王道林基于项目化教学的 机械制造技术 课程建设与实 践 南 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报，（）：张荣 机械制造技术 项目教学改革与实施湖南理工学院学报（自然科学版），（）：叶红仙，胡 小 平，纪 华 伟，等基 于 项目式教学的 互换性与测量技术基础 课程教学改革初探教育教学论坛，（）：俞彦勤，廖敦明，樊自田 基于 的模具 实验教学体系的构建 高教学刊，（）：孙肖 霞，唐友亮翻 转 课 堂 模 式 下 的 模 具 教学研究及应用高教学刊，（）：，李芳蓉，孙彦坪，赵明，等基于“项目导向、任务驱动”教学法的分析化学教学改革的思考 卫生职业教育，（）：杨洪刚面 向 工 程 教 育 专 业 认 证 的 汽 车 教学改革实践教育现代化，（）：，赵禹，韩兴坤，谷文明基于项目驱动的机械基础实验教 学 改 革 与 实 践 内 燃 机 与 配 件，（）：刘朝晖，郑大腾，谢世坤，等基于 创新理论的地方高校本科生 教学改革研究 以机械类专业为例工业和信息化教育，（）：，（上接第 页）刘有智 新时代化工专业教育的新使命及实践教学体系改革 化工高等教育，（）：张东升，卢爱党，杨秋生，等 面向学生工程实践能力和创新能力提升的化工专业课程教学改革与探索化工高等教育，（）：陈立宇，赵彬然，聂艳，等新工科人才培养导向的化工类延伸式实践教学模式的构建与运行 化工高等教育，（）：李培根工科何以而新高 等 工 程 教 育研 究，（）：吴岩 勇立潮头，赋能未来 以新工科建设领跑高等教育变革 高等工程教育研究，（）：吴爱华，杨秋波，郝杰，等以“新工科”建设引领高等教育创新变革高等工程教育研究，（）：辛忠发挥学科优势设立微专业，加速复合型化工人才培养 化工高等教育，（）：张舒乐，钟秦，陈迁乔，等 化工本科微专业教学体系的建设与实施化工高等教育，（）：周池楼，等 基于项目驱动教学的化工装备 技术基础课程教学改革与实践