面向新工科建設的“牽引供電”課程科教融合式教學改革

劉秋降 吳命利 霍靜怡

［摘 要］ 軌道交通“牽引供電”課程具有知識點涉及多專業、綜合性強、行業發展迅速、知識迭代快等特點，針對當前課程教學中的突出問題，以科研方向的交通強國、“雙碳”戰略和教學方向的新工科建設為雙抓手，提出軌道交通“牽引供電”課程科教融合式教學改革方案。結合行業特色院校的學科優勢，充分利用多樣化軟硬件平臺，形成以學生為中心的“牽引供電”課程教學模式，提高學生的思想政治認識水平、自主學習能力、理論分析能力、動手實踐能力、工程實踐能力等，可為培養多樣化、創新型、綜合型軌道交通行業人才打下堅實的基礎。

［關鍵詞］ “雙碳”戰略；新工科；科教融合；課程改革；牽引供電

［基金項目］ 2020年度北京交通大學教學改革重點項目“牽引供電系統分析課程建設”

［作者簡介］ 劉秋降（1989—），男，河北衡水人，工學博士，北京交通大學電氣工程學院講師，主要從事軌道交通牽引供電系統研究；吳命利（1971—），男，河北石家莊人，工學博士，北京交通大學電氣工程學院院長，教授（通信作者），主要從事軌道交通牽引供電系統研究；霍靜怡（1994—），女，河北滄州人，工學碩士，北京交通大學電氣工程學院實驗師，主要從事電氣類實踐教學及創新創業教育研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）26-0072-04［收稿日期］ 2022-11-22

引言

相對于傳統工科而言，新工科是一種新的工科教育培養路徑，強調以新技術、新產業、新業態和新模式為特征，對我國未來全球競爭力的提升具有重大意義，因此對工程人才培養提出了更高的要求，即要面向產業、面向世界、面向未來［1-2］。隨著我國已建成世界上規模最為龐大、環境最為復雜、工況最為多樣的軌道交通運行網絡，我國軌道交通行業發展的重心已經由大規模建設轉入高品質運營的關鍵階段。軌道交通以其在國民經濟生活中的重要作用以及作為基礎設施耗能的巨大體量，在踐行我國交通強國、“雙碳”戰略等一系列國家發展戰略中具有引領示范作用［3］。為了順應新工科對人才培養的要求，適應軌道交通行業發展態勢的轉變，繼續為鐵路行業培養適合新時代發展的綜合性高水平人才，作為行業特色院校，有必要對相應的課程教學內容和教學模式進行科教融合式一體化教學改革。

軌道交通“牽引供電”課程是電氣工程專業本科生的一門理論性與實踐性都很強的專業課，是北京交通大學電氣工程學院培養鐵路特色高層次專業人才的主干課程之一。由于本課程涉及的專業知識綜合性強，軌道交通行業新技術發展十分迅速，學生在學習的過程中容易出現掌握知識點較為困難的現象，并且近年來學生的社會實踐機會有所減少，學生對工程實際情況的認識明顯不足。因此，課程教學組結合當前軌道交通行業在深化高質量發展過程中的新技術、新理念，圍繞北京交通大學“四通模式”人才培養方案的指導要求，開展了以交通強國戰略、“雙碳”戰略與新工科建設雙驅動的“牽引供電”課程科教融合式教學改革。

一、從技術超越到行業引領擔當，增強思政元素切入

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程［4］。我國軌道交通事業經過幾代人的共同努力，取得了重大成就，已經成為我國一張亮麗的名片。但是，其發展過程并不是一帆風順的，從1905年詹天佑主持修建的中國第一條鐵路京張鐵路，到今天復興號具有完全自主知識產權并且出口海外，形成中國標準，我國軌道交通事業的蓬勃發展是我國邁向新時代歷程的一個縮影。本課程從國家、社會、個人三個層面充分挖掘借助社會主義核心價值觀進行教育的育人元素，增強學生對我國新時代建設成就的自豪感和主動擔當的使命感，激發對軌道交通行業特別是牽引供電專業的興趣愛好，樹立為集體、社會、國家積極做出貢獻的遠大目標。結合課程思政把握方向的要求，課程思政要點總結見表1。從表1中可以看出，軌道交通“牽引供電”課程思政設計的主要思路是以點帶面，本課程的思政元素和課程教學內容力求做到無縫結合，實現潤物無聲的效果。

二、依托多個科研軟硬件平臺，改革課程實踐環節

軌道交通“牽引供電”課程教學不僅需要學生掌握牽引供電系統的基本組成和基本原理，更要為理解工程實際問題、開展畢業設計乃至后續研究生階段的學習打下基礎。尤其是在新工科背景下，強調對課程知識的融會貫通，注重應用實踐環節、實際操作和對學生能力的培養。因此，本課程要有針對性地提升課程教學實踐環節的效果，打造軌道交通“牽引供電”課程實驗軟硬件平臺。本課程通過北京交通大學重點科研設備平臺共享系統，加強科研教學的一體化建設，保障學生學習實踐內容與行業技能要求相結合，培養學生的創新設計思維，改變被動式培養方式，加強學生知識理論、科研素養培育及實踐能力多元融合式培養。根據軌道交通“牽引供電”課程教學內容，改革后的課程科教融合實踐體系見圖1。

（一）基本原理部分實踐

整個課程的教學章節分為《基本原理》《工程問題》《新技術》3個部分。在《基本原理》部分，在牽引供電系統組成的相關章節教學中，采用理論學習+實物課堂+虛擬課堂講授的聯合教學模式，變抽象概念為具體的構造，快速建立對牽引供電系統的直觀感受和印象，本課程建設的設備設施實物教學平臺與虛擬仿真教學平臺見圖1。依托牽引變電所綜合自動化模擬系統、高壓電氣設備操作實驗臺、架空接觸網和地面接觸軌展示架、電力機車司機操作模擬臺等4個設備設施實物教學平臺，使學生能夠在校內對鐵路牽引、供電現場設備有直接接觸。依托高速鐵路牽引供電系統設計與運行虛擬仿真實驗平臺，學生通過該虛擬仿真平臺可以在地圖上自行建造一條線路的牽引供電系統，掌握牽引變電所、接觸網、電力配電系統的組成。

（二）工程問題部分實踐

軌道交通牽引供電系統是為高速動車組、城市軌道交通車輛提供電力供應的系統，其中的供電安全問題是重中之重，直接影響乘客的人身和財產安全。因此，課程教學組與中國鐵道科學研究院集團有限公司、北京市地鐵運營有限公司等十余家單位進行走訪調研，依托產學研聯系培養基地，結合科研項目，總結凝練行業工程實際問題并融入教學。例如，軌道交通牽引供電領域的電能質量問題是一個重點問題，在不同場景下，問題的表現和性質也各不相同，在重載鐵路中突出的是電壓損失和低頻振蕩問題，在高速鐵路中關注的是高次諧波諧振問題等。依托電能質量測試系統、變電所在線監測系統、阻抗測試裝置平臺、供電計算軟件平臺4個科研平臺為教學提供支撐。此部分教學分為4個階段，首先教師對相關問題的背景和要點進行講解，其次組織項目式專題教學+翻轉課堂教學的方法，再次將學生分為幾個小組，通過調研、總結、匯報提高自主學習的主動性，最后依托4個實踐平臺開展動手操作。通過本階段的學習，學生普遍反映教學生動有趣，大家建立了對工程實踐問題的發現、分析、解決全流程的概念。

（三）新技術部分實踐

為了應對能源安全問題、氣候變化問題、運營管理問題，軌道交通行業技術發展以智能化和低碳化兩條并行路線為主。尤其是國內外針對光伏接入交流電氣化鐵路牽引供電系統的“網—源—儲—車”和接入地鐵中的“光—儲—柔—直”新型牽引供電系統的研究，正在重構傳統牽引供電系統的理論體系。這些新技術的內容和應用應在教學中體現，并添加相關實踐環節。本課程在軌道交通踐行“雙碳”戰略過程中的新技術方面，依托在環仿真平臺、dSPACE半實物仿真平臺等硬件，讓學生以小組學習的方式進行實際操作，首先教師對已經搭建好的幾個新型牽引供電系統的模型進行詳細講解，重點為功能設計思路、系統運行模式，而后讓學生通過調整參數、變化拓撲等方式，建立對新技術的直觀理解，為開展畢業設計、解決工作問題、讀研深造打下良好的基礎。

三、遵循以學生為中心的培養理念，改革課程考評體系

傳統的以出勤、提問為依據的平時成績+期末考試成績相結合的考評方式可能會造成學生注重出勤，不注重學習過程；重視與考試相關的理論知識點，生搬硬套，即“知其然”，不重視對專業知識的理解和自主學習思考。針對上述情況，本課程改革加強引入項目式、專題式教學的內容，采用翻轉課堂的形式，配以研究生助教，協助培養學生。針對本課程每個章節的重點知識，設計相應的項目專題，把學生分為多個項目小組，每個項目小組可以選擇自己感興趣的1～2個項目專題，通過課下查閱文獻、組內討論、科教平臺實踐等多種方式，形成專題報告，并且采用翻轉課堂的形式，以學生為中心進行分享與講解。同時支持學生自主設計專題，保證了項目專題的靈活性和內容的不重復性。例如，在電能質量問題項目專題的學習中，學生對比國內外不同的標準規范對電能質量指標規定的差異性，加深對軌道交通牽引供電領域電能質量問題的理解。為了充分調動學生學以致用的積極性，本課程鼓勵學生以軌道交通相關的項目題目參加各類學科競賽，學生可以把學科競賽的經歷和成果寫成報告，作為課程平時表現成績的依據。這種以學生為中心，以成果為導向，學以致用+以賽促學的互補教學模式有效提高了學生的綜合素質和科創能力，實現了科教融合的良好效果。本課程2022年度教學和競賽融合的成果如表2所示。

在期末考試環節避免學生有針對性地備考，如對往年題目采用死記硬背的方法記答案，本課程讓學生自己梳理總結軌道交通“牽引供電”課程的知識點、收獲和體會，包括具體的課程教學環節、實踐教學環節、項目式專題學習環節、學科競賽環節的內容，把學生自己總結梳理的內容納入考試出題范圍，讓學生作為主體直接參與考試設計，真正做到檢驗自己的學習效果，而不是以應試為目的獲得高分數。

結語

在新工科建設背景下，行業特色院校應緊跟時代發展，對自身特色專業課程進行相應改革，北京交通大學軌道交通“牽引供電”課程組順應高等教育的改革方向要求，結合當前軌道交通處于高質量發展轉型的關鍵階段的實際情況，注重對學生適應當前行業及未來發展趨勢的綜合素質能力的培養。北京交通大學電氣學院軌道交通“牽引供電”課程組通過探索和實踐，從課程思政、實踐環節、考評環節三個方面進行了教學改革，學生的學習主動性明顯提高，學習效果進步顯著，特別是學生的動手實踐能力、分析問題能力、持續學習能力得到了提高，符合我國軌道交通牽引供電行業發展對人才培養的期望。

參考文獻

［1］顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑［J］.高等工程教育研究，2017（6）：1-13．

［2］賓志燕，李煒，周堅和.新工科背景下基于CDIO理念的實踐課程教學改革研究［J］.計算機時代，2019（1）：99-101.

［3］宋華東，李亞飛，侯夢珠，等.交通運輸在新時代創新與發展中的帶動作用［J］.綜合運輸，2019，41（6）：42-48.

［4］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

Science and Education Integrated Teaching Reform of Rail Transit Traction Power Supply Course Oriented Towards Emerging Engineering Education

LIU Qiu-jiang， WU Ming-li， HUO Jing-yi

（School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Aiming at the characteristics of rail transit traction power supply course， such as the knowledge points involving multiple majors and comprehensive， rapid industry development and iteration， based on the major problems in the current teaching of this course， taking the strategy of building Chinas strength in transportation and achieving carbon peaking and carbon neutrality goals in the scientific research field， and construction of emerging engineering education in the teaching field as focus this paper proposes a science and education integration teaching reform plan for rail transit traction power supply course. This program combines the discipline advantages of characteristic colleges in the industry and makes full use of diversified software and hardware platforms to form a student-centered teaching model in traction and power supply courses. This teaching reform improves students ideological and political understanding， autonomous learning ability， theoretical analysis ability， hands-on practice ability， engineering practice ability， etc. It lays a solid foundation for training diversified， innovative and comprehensive talents in rail transit industry.

Key words： peaking and carbon neutrality goals; emerging engineering education; science and education integration; teaching reform; traction power supply