大学化学, 2020, 35(10): 17-22 doi: 10.3866/PKU.DXHX202006038

专题

基于化学的新工科专业——“智慧分子工程”专业建设思路及建议

宋丽娟1, 张树永2, 王吉林1, 郑兰荪3, 朱亚先,3

Ideas and Suggestions for Constructing "Intelligent Molecular Engineering" as an Emerging Engineering Education Major Based on Chemistry

Song Lijuan1, Zhang Shuyong2, Wang Jilin1, Zheng Lansun3, Zhu Yaxian,3

通讯作者: 朱亚先, Email: yaxian@xmu.edu.cn

收稿日期: 2020-06-8   接受日期: 2020-06-9  

基金资助: 教育部首批“新工科”研究与实践项目“基于化学的新工科设置和建设方案研究”

Received: 2020-06-8   Accepted: 2020-06-9  

Fund supported: 教育部首批“新工科”研究与实践项目“基于化学的新工科设置和建设方案研究”

摘要

依据新工科建设的理念,论述了设置智慧分子工程专业的必要性,分析了专业人才培养需求状况,阐述了智慧分子工程专业的建设思路与建设草案,包括培养目标、毕业要求、教学内容、师资队伍及教学条件等。对指导“智慧分子工程”专业设计及建设具有一定的指导意义。

关键词: 新工科 ; 智慧分子工程 ; 化学类专业 ; 新专业增设

Abstract

According to the construction concept of the "emerging engineering education", ideas and the connotations for constructing "intelligent molecular engineering" are introduced. The necessities of setting up of "intelligent molecular engineering" are discussed and the cultivation demand of professional talents is analyzed. The construction draft of "intelligent molecular engineering" is also expounded, including the cultivation targets and requirements of graduation, the teaching content of curriculum system, teaching staff and teaching conditions. All the statements are significant for guiding the design and construction of "intelligent molecular engineering".

Keywords: Emerging engineering education ; Intelligent molecular engineering ; Chemistry majors ; Setting up a new major

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宋丽娟, 张树永, 王吉林, 郑兰荪, 朱亚先. 基于化学的新工科专业——“智慧分子工程”专业建设思路及建议. 大学化学[J], 2020, 35(10): 17-22 doi:10.3866/PKU.DXHX202006038

Song Lijuan. Ideas and Suggestions for Constructing "Intelligent Molecular Engineering" as an Emerging Engineering Education Major Based on Chemistry. University Chemistry[J], 2020, 35(10): 17-22 doi:10.3866/PKU.DXHX202006038

新工科建设的理念是应对变化、塑造未来[1]。作为最具有活力和创造力的中心学科,化学学科在未来新技术、新产业、新业态、新模式的形成和发展中必将一如既往地发挥基础性和引领性作用,是现代社会产业结构升级和重塑的最主要推动力之一。因此,设计及构建化学类新工科专业势在必行。

进入21世纪以来,物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术快速发展,对行业和人们的生活产生了重大影响。化学与这些新技术结合,在精细分析(分子层次)原料资源组成的基础上,对整个加工产业价值链进行全面优化,从而推进产品生产与服务,满足经济和社会效益最大化,这必然要求高校化学类专业培养出一大批具有化学基础、掌握或理解这些新技术,并具有相关学科交叉背景的复合型、创新性人才。

因此,教育部高等学校化学类专业教学指导委员会(以下简称化学教指委)在组织实施教育部立项的“基于化学的新工科专业设置和建设方案研究”这一研究与实践项目过程中,经过多次深入细致讨论,提出并设计了“智慧分子工程”这一前瞻性和引领性的“新工科”专业[2]

1 “智慧分子工程”专业设置的必要性

1.1 产业结构变化的战略需要

随着社会的发展、科技的进步和产业的改造升级,人们对资源的利用发生了巨大的变化。如,煤、石油及天然气等化石能源以往一直被人们主要用作燃料,生物质起初也是如此。随着产业和能源结构的变化,人们对低附加值的大宗产品的需求量正逐步减少,而对高附加值的精细化学品的需求却在迅速增加。人们越来越希望将日趋耗尽的化石能源等一次性资源转化成具有更高附加值的产品,以充分发挥自然资源的效益。与此同时,人们对生物质、矿物质、天然植物等资源的需求和利用也在发生类似的变化,如,作为中药或化妆品等主要来源的天然植物,其组成的精细分析一直是人们追求的目标,同时人们希望明确各组分的转化机制,以期更好地理解中药或化妆品的作用机制并开发更高效低副作用的新药或更有效的化妆品。这就要求人们能够根据社会的需求和资源的性质,在精细分析(分子层次)资源组成的基础上,应用包括物联网、大数据、云计算、区块链、人工智能等新技术,对整个加工产业价值链进行全面优化,高效整合人力、流程和技术,实现资源配置优化以及设备、生产、销售的全生命周期智能化管理,推进产品生产与服务满足经济和社会效益最大化。这就是智慧加工的概念[3]。这些以化学为基础,同时结合物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的新业态,必然需求一大批具有深厚的化学基础、卓越的化学研究能力、分析检测能力、设计生产能力、大数据分析能力、智能化设计和管理能力的复合型、创新性人才。

1.2 当前的人才培养无法满足需要

目前与“智慧分子工程”相关的专业主要包括:070302应用化学、070305T能源化学、081301化学工程与工艺、020106T能源经济、081304T能源化学工程等。其中应用化学专业主要涉及精细化学品的设计与生产;能源化学为2015年新设立的专业,2016年开始招生,主要利用化学的理论和方法来研究能量的获取、储存、转换及传输过程的规律和探索能源新技术的实现途径[4];化学工程与工艺主要针对化工生产过程进行模拟优化和革新改造,开发设计新的生产过程或者研发新的产品,该专业主要面向大宗化学品的生产;能源经济专业2010年设置,2011年开始招生,属于新办专业,该专业主要是将能源和经济结合起来,研究能源战略的选择、能源的融资发展、能源发展预测、能源企业的组织与管理等;能源化学工程为2011年新增专业,该专业主要面向石油和煤炭等化石资源的基础和应用研究,研究内容包括能源清洁转化、煤化工、环境催化、绿色合成、新能源利用与化学转化以及环境化工等。由此可见,应用化学和化学工程与工艺主要面向化学品的生产,而能源化学、能源经济和能源化学工程主要面向能源的清洁和高效利用。其培养面向与“智慧分子工程”存在较大差异,现有的人才培养体系不能满足智慧化生产模式的相关需要。

设置“智慧分子工程”专业目的就是培养满足智慧加工发展所需的人才,抢占资源的智慧加工和储运、销售等技术的制高点,从而发展新技术、新产业、新业态。因此,建立“智慧分子工程”专业、构建相关的人才培养体系十分必要。

2 专业人才培养需求状况分析

第四次工业革命带来的智能制造时代使产业结构产生巨大的变革,传统的小规模单元操作生产方式必将被打破,取而代之的将是根据需求调控全生产链的智慧化生产模式,即从整个加工产业价值链出发,整合人、流程和技术,实现资源配置优化以及设备、能源、生产、销售的全生命周期管理,打通产–购–销–存整个生产链,实现全生产价值链优化。这就要求生产者和管理者具有全新的思维模式,综合的创新能力。而这恰恰与“智慧分子工程”的人才培养与人才服务面向一致,为“智慧分子工程”专业的建设和人才培养提供了广阔的发展空间。

以炼化行业为例,相较于其他行业,炼化行业具有易燃易爆、流程工艺复杂、控制要求精细、信息高度集成等特点,是化学、化工与大数据、云计算、物联网技术结合应用的优先行业。炼化大数据一方面来自原料、中间产品、成品的物性分析。单就原料原油而言,每种原油的详细评价数据就多达200–300个。另一方面,在炼油过程中,从原料到中间馏分再到产品,物性分析数据纷繁复杂,需要随时进行监控和调整。由于控制精细化要求,每套装置的数据采集点通常超过1000个,各装置单元的流量、温度、压力、液位等数据每秒都在变化,按每10秒存储一个数据,则一个大型炼化集团每年也将产生数十万亿字节的数据。如何对这些多源多样的数据进行分析、处理和存储,指导生产和储运,成为炼化大数据应用首先必须解决的问题。在可预见的未来,随着云计算、物联网、人工智能、大数据等技术与石油石化产业的深度结合,这些新技术将不断推动传统炼化产业升级,实现更加全面的感知、更加快捷的反应、更加智慧的决策。目前燕山石化、镇海炼化、茂名石化和九江石化作为中国智能炼厂的先驱,正在积极开展相关建设工作。这些新业态、新要求对培养既懂得化学化工,又懂得流程设计与生产控制,以及产品的储运销售的复合型、创新性人才提出了迫切需求。

目前国内有炼厂202家,其中实现炼化一体化的企业有19家,而目前有关智能炼化人才培养在国内还处于空白。因此,仅仅炼化产业,对“智慧分子工程”专业人才的需求量就很大。可以预计,随着产业结构的变革,其他自然资源物质的加工利用亦必将产生与炼化行业类似的变化。因此,“智慧分子工程”的毕业生就业和发展前景十分广阔,需求量增大的同时也对“智慧分子工程”专业的人才培养提出越来越多、越来越高的要求。

3 专业培养要求

3.1 专业培养目标建议

培养德智体美劳全面发展,具备较强社会责任感和良好职业道德;具有扎实的化学和资源转化与利用的基本理论、基本知识和基本技能;了解大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟现实、智慧化管理等新技术及其运用;具有良好科学素养、综合创新思维和工程实践能力,能在石油石化、煤炭加工、天然气化工、生物质转化、矿物质加工利用、天然植物加工利用等资源性领域从事科学研究、技术开发、工程设计和技术管理等工作的复合型、创新型或应用型人才。

“智慧分子工程”专业属于具有前瞻性和引领性的“新工科”专业,各专业创建点可根据学校的办学定位,结合专业办学历史、学科基础和学生就业面向和发展情况等确定培养目标定位[5]

3.2 专业毕业要求建议

“智慧分子工程”的专业知识要求主要涉及自然资源的分子工程:从分子角度研究自然资源的组成、性能、结构与其反应性能之间的关系,辅助加工管理,实现分子利用与效益最大化;分子管理:基于分子工程,使分子在合理的时间出现在合适的位置,从而优化加工管理的方法;分子信息库:对组成资源的元素、单体、族组成及结构族组成等信息进行测定,采取符合某种特定规则的分类方法及分子骨架结构的信息化编码;分子反应规则库:推动产品调和模型的建立;依据不同地区资源的分子信息及加工能力,优化资源配置,实现资源效益的最大化。

能力要求主要涉及化学研究能力:能够研究资源的组成、性能、结构与其反应性能之间的关系,对组成资源的元素、单体、族组成及结构族组成等信息进行测定和描述;化工生产设计能力:能够根据市场需求,设计和优化加工过程,能够综合化学、化工、物联网和大数据等方面的原理和方法开展综合设计;生产和物流管理能力:能够根据物联网信息、智慧化生产管理信息,综合设计和管理生产和流通环节、组织不同类型的人员完成复杂综合的任务。

素质要求主要体现社会责任感、绿色和可持续发展意识、人文精神和职业素养等。在方案设计中能够综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素的影响。

各高校可根据自身的培养定位确定具体毕业要求,主要方面有:

(1)掌握化学的基础知识、基本理论和基本技能,掌握本专业所需的数学、物理学、大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟仿真和智慧化管理等方面的基本知识。

(2)能够基于化学及其交叉学科的原理并采用科学方法,对专业相关问题设计解决方案、设计实验、进行研究、分析数据,并通过信息综合得到合理有效的结论。

(3)能够利用典型分子信息库、分子反应规则库及分子反应网络的构建、模拟及优化等方法,设计或操作满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程。

(4)能够使用恰当的信息科学以及大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟仿真等技术,对复杂工程问题进行预测与模拟,并能够理解其局限性。

(5)能够利用所学的原理和知识,评价与智慧分子工程相关的工程实践和解决方案对社会、健康、安全、法律、文化以及可持续发展的影响,理解应承担的责任。

(6)能够将数字化工厂及智能化工厂理念,管理原理与经济决策方法在智慧分子工程相关的多学科环境中应用,或能够相对独立地操作运行管理智慧化系统或模块。

(7)具有综合的人文和社会科学素养,具有社会责任感,能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范,履行责任。

(8)能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色,具有较强的组织管理能力。

(9)能够就本专业领域的问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流,包括撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。具备较强跨文化沟通和交流能力,能够开展国际合作。

(10)具有较强的自主学习能力和终身学习意识,能够通过学习及时了解专业相关领域的发展现状和趋势,洞察新产品、新工艺、新技术和新设备的发展动态,适应行业企业和个人发展的需要。

3.3 培养规格

具体化、特色化及个性化是专业培养的必然特征[5]。“智慧分子工程”专业涉及领域及行业面广而繁杂,人才需求多样性、差异性强。因此“智慧分子工程”专业的人才培养规格必然体现出多样性。各高校可根据自己的培养定位,制定具体的培养规格。综合建议如下。

3.3.1 授予学位

建议采用五年制双学位模式,或采用本-硕贯通方式进行培养。

五年制双学位专业可以同时授予理学和工学学士学位。

本-硕贯通培养建议授予工学硕士学位。

3.3.2 参考总学分或学时

五年制双学位专业以180–200学分为宜。包含课堂教学及各类实践教学环节,各专业创建点可根据具体情况做适当调整。本-硕贯通培养建议以190–210学分为宜,可按学术硕士或者专业硕士培养。硕士学位论文要求依各高校的培养定位而定。

3.4 课程体系和教学内容

课程体系和教学内容是培养方案的具体体现,“智慧分子工程”专业行业特色、地域特色突出,涉及领域及学科宽泛。各专业创建点可根据自身培养定位制定具体的课程体系和教学内容。建议主要包括内容如下。

3.4.1 专业理论教学基本内容

在化学教指委制定的《化学类专业本科教学质量国家标准》[6]和《化学类专业化学理论教学建议内容》[7]的基础上,结合“智慧分子工程”专业涉及知识面广、学科交叉性强的特点,适当削减化学类的教学内容,强化数学、物理学、运筹学及优化、模拟方法与计算技术、大数据、物联网、人工智能、云计算、虚拟仿真、智慧化储存运输及管理、经济学及市场营销等方面的教学。

加强自然资源物质的精细分析及表征、分子结构的信息化描述、分子信息数据库的建立及应用、分子组成分析及构建方法、分子的化学转化规则、化学反应的信息化描述、化学反应规则数据库的建立和应用、分子反应动力学模型、化学反应网络生成与调变、分子管理、催化化学、催化材料及催化剂制备等领域教学。

3.4.2 专业实验教学基本内容

在化学教指委制定的《化学类专业本科教学质量国家标准》[6]和《化学类专业化学实验教学建议内容》[8]的基础上,结合“智慧分子工程”专业的特点,适当削减现有基本实验教学内容,强化自然资源物质的精细分析及表征、掌握典型分子信息库、分子反应规则以及分子反应网络的设计、构建、模拟及优化的基本方法、智慧化工厂的虚拟仿真、催化剂表征与制备等。

3.4.3 课程体系建设

各专业创建点应根据办学定位和人才培养目标制定凸显自身鲜明特色的培养方案,建立具有特色的课程体系。建议“智慧分子工程”专业的课程体系应包含:化学基础理论模块;化学工程模块;大数据模块;物联网模块;人工智能模块;智慧化管理模块;经济及市场营销模块等。具体开设课程及课程大纲、教学学时由各专业创建点自主确定。

3.5 师资队伍要求

师资队伍除了符合化学类专业办学基本条件的规定外,还应强化高等仪器分析、催化材料和催化剂工程、计算机在化学中的应用、相应资源加工利用等方面的师资队伍建设。同时还应打破学科间的界限,充分利用与之相关学科的师资队伍资源,强化数学(与物联网和大数据相关内容)、运筹学与最优化方法、电工技术、计算机程序设计语言、数据库原理与数据结构、物联网技术、大数据分析方法、智能控制基础、机器学习、影像分析、数据可视化等方面的师资建设,建设一个完善的专业师资队伍群,满足课程建设和教学需要。

3.6 教学条件要求

除了满足化学类专业办学基本条件外,还应加强仪器分析的教学条件建设,加强人工智能、大数据和物联网、智慧化生产流程、智慧化管理(包括物流管理、市场管理、经济管理等)等相关实验教学条件建设,增加虚拟仿真和实物仿真等实验教学条件。

应加大协同育人模式建设,加大与相关科研院所、生产企业、存储和销售等用人单位合作育人的力度,建立综合性的实习基地,完善实习模式和实习内容。

4 结语

“智慧分子工程”专业是应对时代变革、应对新技术而提出的一个全新的专业建设理念,无前人经验可以借鉴。专业涉及知识面广、新知识多、学科交叉性强。增设此专业对学校的学科间协调性、各机构间协调性,以及教师能力的培训提升等都提出了新的巨大挑战。但挑战与机遇共存。如前所述,“智慧分子工程”专业是前瞻性引领性专业,该专业的建设必定为学校学科建设的发展、学校办学水平的提高提供强有力的支撑。

参考文献

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