数实融合时代的化工人才培养来自工业部门的一点思考

1 数实融合时代化学工业发展对人才的需求

同志在20世纪为景山学校题词：“教育要面向现代化、面向世界、面向未来。”所以谈到对人才的需求时，不能只看到眼前的需求，更应当着眼于未来的需求，从把握时代特征出发，尽可能看到将来发展对人才的要求。

1.1 数字经济时代背景

数字经济时代是随着信息技术发展而产生的一种新的经济形态，是继农业经济、工业经济之后的一种新的经济社会发展形态，以数据作为关键生产要素、以信息网络作为重要载体，通过网络和信息技术的有效应用，推动各领域数字转型，实现价值增值和效率提升。我国从20世纪末就强调了信息化与工业化两化融合，2017年3月，数字经济首次写入政府工作报告，从而开启了数字经济时代新篇章。

总体来看，我国数字经济在规模和质量上实现了飞跃式发展。据中国信息通信研究院测算，2005年我国数字经济增加值为2.6万亿元，2019年增长到 35.8 万亿元，2020 年更达到 37.9 万亿元，2022 年则达到 50.2 万亿元，同比名义增长率高达10.3%；与此同时，数字经济占 GDP 的比重由14.2%提升至41.5%。这个比重与工业占GDP的比重相当。从体量上看，世界各国中美国的数字经济仍然占第一，占世界总量的41.7%；中国则排在第二，占世界总量的 16.4%；第三是德国，占7.8%；第四是日本，占7.6%。

数字经济包括数字产业化和产业数字化两方面。数字产业化要从20世纪80年始的第四次工业说起，这一轮以信息技术为代表的新产业改变了传统经济发展的进程。这些新信息数字技术可以归纳为互联网和 ABCDE 技术——A 即人工智能、B 即区块链技术、C 即云存储和云计算、D即大数据、E即边缘计算。

这些新技术形成了新的基础设施系统，把工业经济架构在“铁(路)、公（路）、机（场） ”上的物理基础设施，改变成网宇实体系统CPS。能够不断把消费、生产、服务过程中所创造出来的数据变成生产要素，从而提供新服务、新应用。通过数字技术催生新产业、新业态和新模式，打造新的经济增长点，由此也形成了一系列新兴数字产业部门，如以互联网为平台的苹果、谷歌、亚马逊、腾讯和阿里巴巴等，这些公司迅速崛起成为世界市值前十名的大公司。

产业数字化也就是数实融合发展，这是推动传统产业数字化转型升级的需要，是实体经济高质量发展的需要，也是我国经济“由大变强”、大国竞争的需要。2023 年 2 月，中央、印发《数字中国建设整体布局规划》从顶层设计就强调了这一点。以化学工业为例，我国在2010年左右化学工业销售收入已经超过美国，成为世界上最大的化学品生产大国。2014 年，我国化学工业的主营收入已经超过第二位的美国和第三位的日本加起来的总和。但是“大而不强”，大宗低端化学品产能过剩，化工新材料和高端精细化学品需要大量进口，化工新材料的自给率只有 70% 的现状，使得我国炼油化学工业成为最大的贸易逆差行业。

数字经济改变了生产方式，使得数据成为生产要素，使数字素养成为对劳动者和消费者的要求。这种与工业经济迥异的特性对比从表1中可见。这种巨大的反差当然会反映到对人才培养的要求，这在后文会进一步深入讨论。

数字经济使得范围经济变得比较容易实现，从而引发化学工业的产品结构转变。过去主要依靠大规模标准化生产的低成本优势，这在20世纪末已经显露出问题，美国的陶氏化学和杜邦公司等均发现大宗化学品盈利空间有限，甚至可能亏损，纷纷开始转向以客户为中心的定制化特种化学品和精细化工产品生产。我国化学工业的精细化工率只有40％~50％，而化工强国都在 60％~70％，所以需加快推进产业结构高端化进程，使我国化学工业“由大变强”。这样一来，要求研发新产品的能力加强、新产品上市的时间要快、生产的批量不大但附加价值高。这种生产模式与大规模稳定生产的模式完全不同，前者往往采用批量间歇式非稳态生产，而后者是传统的稳态长周期运行。传统的化工公司往往每年都在生产同样几种产品，即使有产品更新也并不多。可是数字经济时代的化工公司则不同，每年都有大量的新产品上市，每年生产不同的产品多、相同的少。例如美国的陶氏化学十年间就研发出5000种新产品。更有甚者，杜邦公司宣布自己的定位已经不是化学工业公司，而改型成为“科学公司”。

表1 工业经济与数字经济特点的对比

1.2 绿色低碳可持续发展时代

我国2020年碳排放量近100亿吨，占世界当年排放总量的约1/4，是目前碳排放第一大国，这是由于中国从 2009 年起就成为世界第一耗能大国。而我国的能源结构禀赋是“多煤、缺油、少气”，再加上我国产业结构存在高能耗、高排放和低能效并存的问题。我国钢铁产量占世界 54％，水泥产量也占世界一半以上，化工和炼油产值分别为世界第一和第二（碳排放约占工业的20％），这些都使得我国成为碳排放大户。我国已于 2020 年提出：中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。从而使“双碳”成为我国向世界承诺的重要目标。

面临这样的环境压力，我国的能源化工行业积极采用各种办法实现绿色低碳转型，大力发展新能源产业，包括风电、光伏电、生物质发电、氢能；政府从源头控制“两高”能源化工企业发展；引导和限制煤化工的发展；政府管理由“节能双控”转变为“碳排放双控”；大力发展碳捕集、利用和封存（CCUS）技术。特别是CCUS中CO2的捕集利用是典型化工问题，成本下降空间较大，CO是空间很大的化工产业，预计利用的CO2利用更2每年可达3亿吨，CO2基产品的经营额每年可达0.8~1.1万亿美元。

1.3 时代对高等化工人才的需求

1.3.1 高等数字素养

数字经济时代不仅生产劳动者要有数字素养，消费者也需要数字素养。高等化工教育培养的高级化工人才需要具有将数字素养和化工专业素养融合起来的能力。他们不仅需要在化工厂物理空间操控具体的化工设备装置，还要能够自由地进入CPS的虚拟空间，能够有构建化工厂CPS虚拟空间，并在CPS虚拟空间中熟练操控决策的能力。由于数字信息化技术发展太快，一些企业已经来不及等待新培养的大学毕业生，而开始大力培训现有在职员工直接掌握最新的数字化技术。例如，德国的梅赛德斯-奔驰汽车公司已经着手培训一线操作员工直接掌握生成式人工智能平台，在重复性劳动和模式识别活动中取得明显效果。化工企业也会即将跟上。

1.3.2 自主创新能力

在一个能源化工企业守着一套装置、数年生产同样的产品、负责生产装置“安、稳、长、满、优”运行就是一个好化学工程师的时代正逐步成为过去。以“产品为中心”正在被以“客户为中心取代”，一个好的化学工程师要时刻关心市场变化的客户需求，以快速创新的研发满足客户需求。这就要靠坚实的化工基础知识，利用各种信息化软件工具和产品工程方法，快速研发新产品。可能这种新产品需求并非以万吨计的需求，而是每年数百吨的特种化学品。所以制造工艺往往采用间歇式批量生产，从投料到出合格产品都是动态过程（不存在稳态长周期运行）。这类特种化学品或精细化工品需要快速上市，时间就是竞争力。

1.3.3 跨学科学习融合能力

例如改进化学制造工艺以满足绿色低碳要求。对于传统化工企业就需要改造那些高能耗高排碳的制造过程，以满足碳排放强度和排放量“双控”的要求。为了碳减排一方面要积极改变能源结构，发展可再生新能源来替换传统的燃煤锅炉构建的蒸汽管网系统；另一方面要熟悉CCUS技术，积极发展碳捕集、排碳的化工利用，发展负碳化工产业。总之，向“碳中和”进军的时代正是化工技术大显身手的时代。

1.3.4 善于沟通和团队组织的能力

当今无论在企业里还是在研究设计单位工作，或者自主创业，都会在一个团队里工作。是否善于与同事沟通，直接影响工作效率的高低。如果一流大学以培养领军人物为己任，则在大学中就要培养组织工作能力，能够领导一个小组或团队，完成一项简单的任务。如果光有会读书、应付考试和写论文报告的能力是不行的。

2 我国教育系统新工科的改革

经过 2017 年启动的“新工科”的改革，我国在高等教育改革方面已经取得显著成就，建成了世界最大的工程教育体系，以支撑我国这个号称“世界工厂”的制造大国。根据教育部官方统计，现在的中国工程教育可用“四个三分之一”和“一个90％”来形容。我国有 92 个专业类，工科类 31个，占比33.7％；全国有58000多个专业点，工科布点194477个，占比33％；本科在校生中工科生占比 33.3％；2019 年中国工科本科毕业生人数为125万，占世界工科本科毕业生总数的38％；92％的本科高校都设有工科专业。

2019年4月，教育部高教司发布《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》，该计划旨在建设 10000 个左右的国家级一流本科专业点和10000个左右的省级一流本科专业点，加快培养一流人才。在这种大形势下，根据天津大学的统计，不同化工类专业获批国家级一流专业的情况如表2所示。化工类专业整体获批国家级一流专业的比例为25.7％，高于全国19.3％的平均水平，这说明我国化工类专业整体建设情况较好。

表2 不同化工类专业获批国家级一流专业建设点情况

表2显示，尚没有任何一个专业针对信息化时代/数字经济时代特征，这就是后文讨论的核心问题。

3 我国化工高等教育与世界一流大学的差距和问题

本节选择世界化工系排名第一的美国麻省理工学院（MIT）来作对标。MIT曾经是化学工程这门学科的诞生地，很长一段时间内保持世界领先的位置。但是到20世纪六七十年代，其化工系排名已经落到前五名以后。其校董事会十分重视，要求空缺系主任一职三年进行世界招聘，新任系主任的主要任务是重振MIT化工系到世界第一位。招聘的新任系主任为当时在美孚石油公司研究院工作的MIT校友 James Wei （韦潜光）博士（炼油化学反应工程的集总模型创始人）。他担任系主任20年，90年代中期MIT化工系恢复到排名世界第一，他正好也要担任美国化工学会AIChE主席。MIT化工系第一的位置一直延续到今天。

3.1 从我国化工类高等院校专业设置看差距

表 3 选择的大学化工系均是国内排名 A+和 A类的化工系（学院），与MIT作分析对比。分析结果如下。

表3 化工类高等院校专业设置的比较

（1） MIT 把数学与计算系统排在专业第一位，体现了数字经济时代的要求。在我国开始办“互联化工”“智能化工”等试验班的时候，MIT已经把数学和计算机系统办成了化工系的第一专业。这反映出了我国化工类高等教育对于时代认识的跟进不足。

（2）应对“百年不遇的大变局”，要在人才培养方面“面向未来”，而不是只面向当前化学工业需要的技能人才。MIT 从来都是以培养“领军人才”为己任，越是面向“百年不遇大变局”不确定性，越需要向基础科学原理靠拢，而不是紧跟市场需要，这才是一流大学与二流大学及大专学校的差别。当然面对国内化工类人才市场的缺口，高等学校也有责任做出响应，但是如果这种需求并不带有国家战略性发展需要的性质，那么在高等学校之间就应该有所分工。一般性人才市场需求可以交给普通大学去满足，没有必要动用宝贵的一流大学、一流专业的资源。我国的一流化工专业是要为国家发展战略培养领军人物的场所，不必为食品工业、轻化工、油气输送等常规需要分散精力。这就是“世界一流靠学科，二流大学靠市场”的差异。

（3）生物化工专业及环境工程专业是放在化工学院（化工系）里面？还是从化工学院独立，成立单独的生物工程和环境工程学院好？这个问题在高等学校中是见仁见智，似乎各有各的好处。MIT的化工系涵盖得最全面，而我国天津大学和清华大学把生物有关专业放在化工学院，而将环境工程分出去，大连理工大学则是将环境工程、生物工程都单独分成多个单独学院。其实2017年教育部发起的“新工科”研讨就已经明确新工科人才培养需要强调学科的交叉性与综合性，主要理念为灵活应对变化，继承的同时创新协同融合学科优势，交叉共享，培养多元化、创新型拔尖人才。从这里也可以看到专业设置的综合性架构与世界一流化工系的差距。MIT强调多元学科的交叉融合，不仅给教授们在一个系里发展交叉融合创造条件，而且从学生角度也尽量给不同学科的同学们之间互相交流互动创造条件，成立了各种各样的学生社团多达 3500多个，是美国大学学生社团最多的大学之一。

（4）专业名称上的差异。专业名称上的差异既反映认识上的差异，也有文化上的差异。中国人讲究名称上跟上潮流，所以试验班有四川大学的“互联化工”、华东理工大学的“智慧化工”、大连理工大学的“先进装备与智能控制”。而MIT认为化工企业的数字化转型的核心就是数学模型和计算机系统的应用，所以名称反映实质，就叫“数学与计算系统”。大家知道国民经济的数字化和与实体经济的“数实融合”，具体化到化工企业面临的数字化转型，是由初级阶段的数字化向工业互联网化转变，再进一步提升到智能化阶段。作为高等学府的学科专业名称，是应该反映学理呢？还是反映工业应用呢？

3.2 从专业课程开设的比较上看差距

化工系（学院）的专业很多，仅以与数字经济与实体经济融合最密切的专业为例，来分析我国的化工高等教育的不同之处，见表4。需要说明的是，MIT化工系数学与计算系统专业是已开设多年成熟专业，化工系第10类课程有34 门课，这里选择列出的只是作为数学与计算系统专业的必修课，没有包括选修课。国内选择四川大学的互联化工专业作为对比，是因为他们是我国这类专业最早的招生专业，从2020年起正式招生每年42人，现在已经连续三届并即将有毕业生了。大连理工大学智能化工创新实践强化班也是 2019年才面向二、三年级化工学院学生招生，按一年制15个学分“过程-安全-控制”一体设计的。从表4的比较中可以看出以下一些异同。

表4 国内外数智化工专业所开设课程对比

（1）MIT的过程控制类课程比较强，有三门之多，包括了工业中常用的模型预估控制都形成独立课程了。而我国的专业则只有一门必修课（或选修课），相对较弱。

（2）数学方法基础MIT比较重视，既有化学工程中的数值计算方法，又有专门的优化算法课。四川大学虽然也比较重视，但只有一一门离散数学是必修课，其余四门均为选修课。

（3）均开设了大数据分析必修课。

（4）MIT十分重视培养学生的分子层面科学知识，开设了计算化学和生物信息论两门必修课。其实化学工程向分子工程延伸早在20世纪90年代就开始了。到了21世纪初，美国Exxon-Mobil公司已经将炼油分子管理付诸实践，并取得巨大经济效益，印证了高等教育急需发展分子工程。所谓“分子炼油”简单来说，就是要求把世界各个不同的原油产地来的原料石油，其中的每个分子，在最合适的时间送到炼油产业链最适合的装置位置上去，以使其发挥出最大的效益。而向分子层面扩展的过程在我国只在天津大学有体现，设立了“分子工程与科学”，其他化工院校似乎还没有开始。

（5）正如Stephanopoulos和 Reklaitis所指出的：强调系统思维是对化学工程分析倾向（一直向分子层次深入）的一种辩证相互补充，因而在综合与分析之间建立一种张力，有助于现代化学工程学科发展的凝聚力。这当然是针对美国化学工程从单元操作和“三传一反”不断向分子层面扩展而言的。从表4中看到，不论是MIT还是国内的专业对系统工程课程均给予了重视。

3.3 问题和方向

我国石油化工产业从“两化融合”发展到“数实融合”，一直是与国际接轨的，中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司一直是世界公司100强中排名前五左右的跨国公司，所以他们采用的技术基本上是与国际接轨的先进技术。例如在数字化转型工厂信息系统建设中，大量引进了美国、德国的先进控制、流程模拟、实时优化、先进生产计划优化、调度管理系统等软硬件，每年花费上亿费用租用最先进的各种工业软件，特别在两大公司的智能工厂试点项目中花费的工业软件租用费更大。但所有这些先进工业软件对于我国高等院校是不开放的。也就是说，高等学校的老师无法进入化工企业的数字虚拟空间，他们到企业实习也只能进入物理车间。我国高等学校所使用的还是40年前由MIT开发的ASPEN PLUS流程模拟系统和20世纪的通用数学软件 MATLAB 等。从数实融合角度上看，我国化工高等院校教学实践落后于石油化工生产实践，除了个别高校外整体上已经不在一个层次上。其实美国的高等化工院校也有类似问题，但程度稍轻。反映到化工高等教育专业设置和课程设置，体现了与世界一流大学差距的根源。

对于化学工程科学的教育和研究方向，国际上最近也有一些讨论。主要是面向数字化转变和低碳绿化发展，化学工程在许多新兴产业发展上发挥了明显作用，在美国化工系毕业的学生只有 57% 在化工和能源化工行业工作。另一个趋势是在大宗化学品/石油化工产业部门工作的只占 45%，而在特种化学品和其他精细化学品产业占30%。研究成果发表在传统化工杂志上减少，而发表在跨学科及影响因子更大的杂志上增多。这说明化学工程在探索发展前沿的时候，有一种离散化倾向，引起高等学校中化学工程界的担忧。在这种背景下，2022年由普渡大学（最大的美国高校本科化工系）的 Ramkrishna 和 MIT 的 Braatz 教授联合写了一篇“化学工程向何处去？”的论文，他们强调在探索发展前沿时必须保持核心内容的坚实基础，特别是大学本科化工教育方面。当然所谓“核心内容”也是随时代而变化的，他们梳理了化学工程发展沿革，肯定了以下几个方面仍然属于核心：

①应用数学、传递过程、化学反应工程；②过程系统工程PSE （包括复杂系统的软件分析工具），分成两组，即一组内向性，专注传统的PSE，一组外向性，专注跨学科领域影响，Computer-Aided PSE：Aspen Plus、gPROM、DMC Plus、Delta V 无处不在，但是大多数工业软件不对高等学校开放；③生物工程；④族群平衡（population balances）生物界中的细胞、细菌；流态化中的颗粒度等；⑤数据科学与机器学习。