面向新工科建设的“牵引供电”课程科教融合式教学改革

刘秋降 吴命利 霍静怡

［摘 要］ 軌道交通“牵引供电”课程具有知识点涉及多专业、综合性强、行业发展迅速、知识迭代快等特点，针对当前课程教学中的突出问题，以科研方向的交通强国、“双碳”战略和教学方向的新工科建设为双抓手，提出轨道交通“牵引供电”课程科教融合式教学改革方案。结合行业特色院校的学科优势，充分利用多样化软硬件平台，形成以学生为中心的“牵引供电”课程教学模式，提高学生的思想政治认识水平、自主学习能力、理论分析能力、动手实践能力、工程实践能力等，可为培养多样化、创新型、综合型轨道交通行业人才打下坚实的基础。

［关键词］ “双碳”战略；新工科；科教融合；课程改革；牵引供电

［基金项目］ 2020年度北京交通大学教学改革重点项目“牵引供电系统分析课程建设”

［作者简介］ 刘秋降（1989—），男，河北衡水人，工学博士，北京交通大学电气工程学院讲师，主要从事轨道交通牵引供电系统研究；吴命利（1971—），男，河北石家庄人，工学博士，北京交通大学电气工程学院院长，教授（通信作者），主要从事轨道交通牵引供电系统研究；霍静怡（1994—），女，河北沧州人，工学硕士，北京交通大学电气工程学院实验师，主要从事电气类实践教学及创新创业教育研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）26-0072-04［收稿日期］ 2022-11-22

引言

相对于传统工科而言，新工科是一种新的工科教育培养路径，强调以新技术、新产业、新业态和新模式为特征，对我国未来全球竞争力的提升具有重大意义，因此对工程人才培养提出了更高的要求，即要面向产业、面向世界、面向未来［1-2］。随着我国已建成世界上规模最为庞大、环境最为复杂、工况最为多样的轨道交通运行网络，我国轨道交通行业发展的重心已经由大规模建设转入高品质运营的关键阶段。轨道交通以其在国民经济生活中的重要作用以及作为基础设施耗能的巨大体量，在践行我国交通强国、“双碳”战略等一系列国家发展战略中具有引领示范作用［3］。为了顺应新工科对人才培养的要求，适应轨道交通行业发展态势的转变，继续为铁路行业培养适合新时代发展的综合性高水平人才，作为行业特色院校，有必要对相应的课程教学内容和教学模式进行科教融合式一体化教学改革。

轨道交通“牵引供电”课程是电气工程专业本科生的一门理论性与实践性都很强的专业课，是北京交通大学电气工程学院培养铁路特色高层次专业人才的主干课程之一。由于本课程涉及的专业知识综合性强，轨道交通行业新技术发展十分迅速，学生在学习的过程中容易出现掌握知识点较为困难的现象，并且近年来学生的社会实践机会有所减少，学生对工程实际情况的认识明显不足。因此，课程教学组结合当前轨道交通行业在深化高质量发展过程中的新技术、新理念，围绕北京交通大学“四通模式”人才培养方案的指导要求，开展了以交通强国战略、“双碳”战略与新工科建设双驱动的“牵引供电”课程科教融合式教学改革。

一、从技术超越到行业引领担当，增强思政元素切入

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程［4］。我国轨道交通事业经过几代人的共同努力，取得了重大成就，已经成为我国一张亮丽的名片。但是，其发展过程并不是一帆风顺的，从1905年詹天佑主持修建的中国第一条铁路京张铁路，到今天复兴号具有完全自主知识产权并且出口海外，形成中国标准，我国轨道交通事业的蓬勃发展是我国迈向新时代历程的一个缩影。本课程从国家、社会、个人三个层面充分挖掘借助社会主义核心价值观进行教育的育人元素，增强学生对我国新时代建设成就的自豪感和主动担当的使命感，激发对轨道交通行业特别是牵引供电专业的兴趣爱好，树立为集体、社会、国家积极做出贡献的远大目标。结合课程思政把握方向的要求，课程思政要点总结见表1。从表1中可以看出，轨道交通“牵引供电”课程思政设计的主要思路是以点带面，本课程的思政元素和课程教学内容力求做到无缝结合，实现润物无声的效果。

二、依托多个科研软硬件平台，改革课程实践环节

轨道交通“牵引供电”课程教学不仅需要学生掌握牵引供电系统的基本组成和基本原理，更要为理解工程实际问题、开展毕业设计乃至后续研究生阶段的学习打下基础。尤其是在新工科背景下，强调对课程知识的融会贯通，注重应用实践环节、实际操作和对学生能力的培养。因此，本课程要有针对性地提升课程教学实践环节的效果，打造轨道交通“牵引供电”课程实验软硬件平台。本课程通过北京交通大学重点科研设备平台共享系统，加强科研教学的一体化建设，保障学生学习实践内容与行业技能要求相结合，培养学生的创新设计思维，改变被动式培养方式，加强学生知识理论、科研素养培育及实践能力多元融合式培养。根据轨道交通“牵引供电”课程教学内容，改革后的课程科教融合实践体系见图1。

（一）基本原理部分实践

整个课程的教学章节分为《基本原理》《工程问题》《新技术》3个部分。在《基本原理》部分，在牵引供电系统组成的相关章节教学中，采用理论学习+实物课堂+虚拟课堂讲授的联合教学模式，变抽象概念为具体的构造，快速建立对牵引供电系统的直观感受和印象，本课程建设的设备设施实物教学平台与虚拟仿真教学平台见图1。依托牵引变电所综合自动化模拟系统、高压电气设备操作实验台、架空接触网和地面接触轨展示架、电力机车司机操作模拟台等4个设备设施实物教学平台，使学生能够在校内对铁路牵引、供电现场设备有直接接触。依托高速铁路牵引供电系统设计与运行虚拟仿真实验平台，学生通过该虚拟仿真平台可以在地图上自行建造一条线路的牵引供电系统，掌握牵引变电所、接触网、电力配电系统的组成。

（二）工程问题部分实践

轨道交通牵引供电系统是为高速动车组、城市轨道交通车辆提供电力供应的系统，其中的供电安全问题是重中之重，直接影响乘客的人身和财产安全。因此，课程教学组与中国铁道科学研究院集团有限公司、北京市地铁运营有限公司等十余家单位进行走访调研，依托产学研联系培养基地，结合科研项目，总结凝练行业工程实际问题并融入教学。例如，轨道交通牵引供电领域的电能质量问题是一个重点问题，在不同场景下，问题的表现和性质也各不相同，在重载铁路中突出的是电压损失和低频振荡问题，在高速铁路中关注的是高次谐波谐振问题等。依托电能质量测试系统、变电所在线监测系统、阻抗测试装置平台、供电计算软件平台4个科研平台为教学提供支撑。此部分教学分为4个阶段，首先教师对相关问题的背景和要点进行讲解，其次组织项目式专题教学+翻转课堂教学的方法，再次将学生分为几个小组，通过调研、总结、汇报提高自主学习的主动性，最后依托4个实践平台开展动手操作。通过本阶段的学习，学生普遍反映教学生动有趣，大家建立了对工程实践问题的发现、分析、解决全流程的概念。

（三）新技术部分实践

为了应对能源安全问题、气候变化问题、运营管理问题，轨道交通行业技术发展以智能化和低碳化两条并行路线为主。尤其是国内外针对光伏接入交流电气化铁路牵引供电系统的“网—源—储—车”和接入地铁中的“光—储—柔—直”新型牵引供电系统的研究，正在重构传统牵引供电系统的理论体系。这些新技术的内容和应用应在教学中体现，并添加相关实践环节。本课程在轨道交通践行“双碳”战略过程中的新技术方面，依托在环仿真平台、dSPACE半实物仿真平台等硬件，让学生以小组学习的方式进行实际操作，首先教师对已经搭建好的几个新型牵引供电系统的模型进行详细讲解，重点为功能设计思路、系统运行模式，而后让学生通过调整参数、变化拓扑等方式，建立对新技术的直观理解，为开展毕业设计、解决工作问题、读研深造打下良好的基础。

三、遵循以学生为中心的培养理念，改革课程考评体系

传统的以出勤、提问为依据的平时成绩+期末考试成绩相结合的考评方式可能会造成学生注重出勤，不注重学习过程；重视与考试相关的理论知识点，生搬硬套，即“知其然”，不重视对专业知识的理解和自主学习思考。针对上述情况，本课程改革加强引入项目式、专题式教学的内容，采用翻转课堂的形式，配以研究生助教，協助培养学生。针对本课程每个章节的重点知识，设计相应的项目专题，把学生分为多个项目小组，每个项目小组可以选择自己感兴趣的1～2个项目专题，通过课下查阅文献、组内讨论、科教平台实践等多种方式，形成专题报告，并且采用翻转课堂的形式，以学生为中心进行分享与讲解。同时支持学生自主设计专题，保证了项目专题的灵活性和内容的不重复性。例如，在电能质量问题项目专题的学习中，学生对比国内外不同的标准规范对电能质量指标规定的差异性，加深对轨道交通牵引供电领域电能质量问题的理解。为了充分调动学生学以致用的积极性，本课程鼓励学生以轨道交通相关的项目题目参加各类学科竞赛，学生可以把学科竞赛的经历和成果写成报告，作为课程平时表现成绩的依据。这种以学生为中心，以成果为导向，学以致用+以赛促学的互补教学模式有效提高了学生的综合素质和科创能力，实现了科教融合的良好效果。本课程2022年度教学和竞赛融合的成果如表2所示。

在期末考试环节避免学生有针对性地备考，如对往年题目采用死记硬背的方法记答案，本课程让学生自己梳理总结轨道交通“牵引供电”课程的知识点、收获和体会，包括具体的课程教学环节、实践教学环节、项目式专题学习环节、学科竞赛环节的内容，把学生自己总结梳理的内容纳入考试出题范围，让学生作为主体直接参与考试设计，真正做到检验自己的学习效果，而不是以应试为目的获得高分数。

结语

在新工科建设背景下，行业特色院校应紧跟时代发展，对自身特色专业课程进行相应改革，北京交通大学轨道交通“牵引供电”课程组顺应高等教育的改革方向要求，结合当前轨道交通处于高质量发展转型的关键阶段的实际情况，注重对学生适应当前行业及未来发展趋势的综合素质能力的培养。北京交通大学电气学院轨道交通“牵引供电”课程组通过探索和实践，从课程思政、实践环节、考评环节三个方面进行了教学改革，学生的学习主动性明显提高，学习效果进步显著，特别是学生的动手实践能力、分析问题能力、持续学习能力得到了提高，符合我国轨道交通牵引供电行业发展对人才培养的期望。

参考文献

［1］顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径［J］.高等工程教育研究，2017（6）：1-13．

［2］宾志燕，李炜，周坚和.新工科背景下基于CDIO理念的实践课程教学改革研究［J］.计算机时代，2019（1）：99-101.

［3］宋华东，李亚飞，侯梦珠，等.交通运输在新时代创新与发展中的带动作用［J］.综合运输，2019，41（6）：42-48.

［4］习近平在全国高校思想政治工作会议上强调 把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面［N］.人民日报，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