人工智能與化工設備與維修專業學科融合的教育模式探究

尚亞平(天津市職業大學，天津 300400)

0 引言

隨著計算機、云計算和大數據技術的發展，工業發展進入人工智能4.0時代，社會生產勞動方式發生巨大變革，高效率低成本的智能生產模式促使企業進行升級轉型，人才需求也發生相應的變化。“中國制造2025”確定了發展智能制造的戰略地位，智能制造的實施需要大量的與其適應的相關專業智能制造人才。但受體制機制等多種因素影響，人才培養供給側和產業需求側在結構、質量、水平上還不能完全適應，“兩張皮”問題仍然存在[1]。《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》(國辦發〔2017〕95號)中明確提出 “推動學科專業建設與產業轉型升級相適應。建立緊密對接產業鏈、創新鏈的學科專業體系。適應新一輪科技革命和產業變革及新經濟發展，促進學科專業交叉融合加快推進新工科建設”。新興工科的創建不能完全脫離傳統工科而出現，恰恰是由傳統工科的升級改造而來，其必然是由多個傳統學科的交叉、融合、滲透或拓展而形成[2]。傳統工科的升級改造與新工科的建設是目前我們國家乃至全世界都面臨的難題，也是研究的熱點。它關乎我們國家高等教育發展的方向，關乎產業升級的人才保障，關乎國家可持續發展的戰略舉措[3]。根據當前的研究情況，眾多學者在新興工科創建方面有一點可以達成共識，即新興工科具有典型的多學科融合，跨學科整合的特點[4,5]。對于傳統工科升級改造與新興學科具體如何建設目前研究甚少，缺乏具體的可實施的方案。華北電力大學白逸仙課題組建議以“解決復雜工程問題”為導向整合不同專業課程，培養學生的跨界整合能力[6]。武漢理工大學張安富教授指出以“解決復雜工程問題”為導向，以現代網絡信息技術為切入點，以傳統工科專業改造為基礎，以新興產業需求為依據，精心設計跨學科課程群，推進基于項目化的CDIO教學模式[7]。目前國內雖然對新興學科的理論研究和設想頗多，但缺少具體實施的探索和實踐，以至于缺少反饋數據作支撐為傳統學科升級改造與新興學科的建立作基礎性鋪墊。

本文基于傳統工科專業化工設備制造與維修專業在產業化升級過程中面對新的產業要求，而新的人工智能進入化工設備制造與維修行業引起的產業化升級需要與之勝任的人才的現狀，進而提出融合多學科構建人工智能與化工設備與維修專業學科的設想。

1 產業升級現狀及人才供需狀況分析

隨著我國石化行業向產品鏈條的中下游延伸、向深度加工和精細化發展，設備制造與維修專業技術難點主要集中在如何提供精細化工發展所需的技術和裝備。近年來出現的太陽能發電、風能發電、核能發電和海上石油鉆采集輸等新興產業，也給裝備制造業創造了新市場。目前國內多家大型化工企業投建智能工廠項目，如九江石化智能工廠項目、萬華化學智能管理平臺等。2015年首批公布的46個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為2.2億元，2014年生產班組精簡13%，外操室精簡35%。石化企業智能化生產線的建立可以大幅提升企業生產效率，降低運營成本，提高生產安全環保水平，增益顯著。

在這些智能工廠中，工業機器人代替人工進行簡單重復的勞動，取代了部分傳統的人力技術操作，傳統專業技術人員的崗位需求減少。與此同時，人工智能的應用也創造出許多新的崗位需求，如機器人和人工智能生產線的設計、安裝、運行、調試和日常維護等。新的崗位需要同時具備化工設備生產維修、智能生產控制和通信等多學科知識背景的復合型技術技能人才，能夠熟悉化工設備(含管路)生產和維修技術，同時掌握人工智能設備的調試、運行和維護方法，了解數據收集、分析、標記等數據處理技術。目前我國智能化人才缺口達500萬人，尤其是操作技能人才的培養速度無法滿足行業產業升級需求。

2 結合傳統學科基礎和人才需求變化明確人才培養目標

通過對天津多家化工企業用人需求進行調研分析，目前企業亟需具備以下技能的技術人才：具有扎實的操作技能，能夠及時解決工作崗位中的技術難題，包括化工裝備(含管路)的智能生產、安裝、調試、維護與檢修、故障處理和現場管理；具有一定的英語讀寫能力，能夠閱讀進口設備的工藝操作說明、檢修說明等相關英文文件；具有扎實的識讀化工圖樣和基本制圖能力，能準確識讀化工設備圖和化工工藝流程圖等圖樣；具有基本的程序語言識讀和編寫能力，能夠正確操作和調試智能化生產裝備，使用智能測試儀器，并理解其運行原理；能夠結合化工機械操作與維護、化工設備操作與維護、化工單元操作、基礎化學、機械工程材料等課程專業知識，利用智能生產技術解決設備問題；具有化工生產安全環保意識和責任感。

傳統化工設備與維修專業的主干課程通常包括工程和材料基礎課程(工程力學、機械工程材料)；制圖基礎課程(化工制圖與CAD技術)；電學基礎課程(電工電子技術)；化學工程與工藝基礎課程(化工單元操作技術、化工儀表及自動化)；和化工設備專業課程(化工設備腐蝕防護、化工機械故障診斷、化工管路安裝與維修技術等)。傳統專業學科缺少智能化設備使用和維修方面的內容，不能滿足時代發展的需要。加入人工智能、工業機器人、大數據和通信等相關課程，有利于傳統化工設備與維修專業的學生掌握智能生產技術，拓寬知識技能領域，滿足企業產業升級對智能化操作技術技能人才的需求。

人工智能與化工設備與維修專業融合的新工科專業的培養目標是，培養具有社會主義核心價值觀的，掌握化工生產設備(含管路)生產使用和維修技術技能的，能夠掌握和利用人工智能技術解決化工生產中設備安裝和維修問題的具有創新意識和能力的操作型技術技能人才。

3 設計復雜工程問題項目，整合跨學科課程

將專業原有綜合實訓項目結合智能化生產需求，設計智能化工設備生產和維修項目，如“塔器焊接工業機器人的設計”，整合跨學科資源進行項目化教學課程設計。我校依托天津職業大學作為綜合性多學科高等職業院校的優勢，進行多學科融合，采用化工設備與維修基礎、智能生產和通信專業基礎并行，模塊式項目化實訓分類強化，綜合實訓項目融會貫通的方式進行多學科融合。

在教學實踐中，將原化工設備生產和維修專業人才培養方案中部分非核心專業基礎課程和專業技術課程刪去，保留主干課程，加入語言編程(C語言、Python)、人工智能(單片機產品設計、工業機器人編程與操作)和大數據技術等課程，專業核心課程均采用項目化教學模式，利用教學做一體的教學模式增強學生的學習興趣和學習效果，逐級強化專業技能和智能設備編程和設計能力。以采用智能化手段解決實際復雜化工設備生產和維修問題設計綜合實訓項目，學生在教師的指導下分組完成項目，同期開設多門專業選修課程對部分專業知識進行補充，學生可根據項目需要選修相關課程完成項目。

4 深化校企合作，加強師資隊伍建設

在新工科建設過程中，單一專業背景的教師隊伍無法滿足專業建設需求，化工、智能控制和計算機通信等各專業背景教師加強協作有利于推進教學項目設計和實施，但仍無法滿足學科深度融合的要求。新工科專業建設亟需提高教師隊伍解決實際問題的能力，尤其是采用智能化手段解決化工設備生產運行和維修問題的能力。與大型化工企業深入產學研合作，從企業引進技術人才參與人才培養方案的修訂、綜合實訓項目的設計和學生培養過程，同時派遣在職教師參加崗位實踐，及時掌握企業生產現狀和技術難題。將服務企業解決技術難題與科研項目、教學項目深入結合，以產促研、以研促教、以教促學，更新教學內容，讓學生掌握與時俱進的智能生產技術。

5 結語

綜上所述，本文基于傳統工科專業化工設備制造與維修專業在產業化升級過程中面對無法適應新的產業要求，而新的人工智能進入化工設備制造與維修行業引起的產業化升級而無法找到勝任的人才之間的矛盾而進行專業升級改造，融合多學科構建適應新形勢下的產業發展的新興學科。筆者結合對人工智能與化工設備與維修專業學科融合的教育模式的探究實踐，為新工科的職業技術技能人才培養提出建議。