面向新工科建設(shè)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(yè)、綜合性強、行業(yè)發(fā)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(zhàn)略和教學方向的新工科建設(shè)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(jié)合行業(yè)特色院校的學科優(yōu)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(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型、綜合型軌道交通行業(yè)人才打下堅實的基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ “雙碳”戰(zhàn)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(tǒng)分析課程建設(shè)”

［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(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(tǒng)工科而言，新工科是一種新的工科教育培養(yǎng)路徑，強調(diào)以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)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(yǎng)提出了更高的要求，即要面向產(chǎn)業(yè)、面向世界、面向未來［1-2］。隨著我國已建成世界上規(guī)模最為龐大、環(huán)境最為復(fù)雜、工況最為多樣的軌道交通運行網(wǎng)絡(luò)，我國軌道交通行業(yè)發(fā)展的重心已經(jīng)由大規(guī)模建設(shè)轉(zhuǎn)入高品質(zhì)運營的關(guān)鍵階段。軌道交通以其在國民經(jīng)濟生活中的重要作用以及作為基礎(chǔ)設(shè)施耗能的巨大體量，在踐行我國交通強國、“雙碳”戰(zhàn)略等一系列國家發(fā)展戰(zhàn)略中具有引領(lǐng)示范作用［3］。為了順應(yīng)新工科對人才培養(yǎng)的要求，適應(yīng)軌道交通行業(yè)發(fā)展態(tài)勢的轉(zhuǎn)變，繼續(xù)為鐵路行業(yè)培養(yǎng)適合新時代發(fā)展的綜合性高水平人才，作為行業(yè)特色院校，有必要對相應(yīng)的課程教學內(nèi)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(yè)本科生的一門理論性與實踐性都很強的專業(yè)課，是北京交通大學電氣工程學院培養(yǎng)鐵路特色高層次專業(yè)人才的主干課程之一。由于本課程涉及的專業(yè)知識綜合性強，軌道交通行業(yè)新技術(shù)發(fā)展十分迅速，學生在學習的過程中容易出現(xiàn)掌握知識點較為困難的現(xiàn)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(jié)合當前軌道交通行業(yè)在深化高質(zhì)量發(fā)展過程中的新技術(shù)、新理念，圍繞北京交通大學“四通模式”人才培養(yǎng)方案的指導要求，開展了以交通強國戰(zhàn)略、“雙碳”戰(zhàn)略與新工科建設(shè)雙驅(qū)動的“牽引供電”課程科教融合式教學改革。

一、從技術(shù)超越到行業(yè)引領(lǐng)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(diào)，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，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(yè)經(jīng)過幾代人的共同努力，取得了重大成就，已經(jīng)成為我國一張亮麗的名片。但是，其發(fā)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(fù)興號具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)并且出口海外，形成中國標準，我國軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)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(shè)成就的自豪感和主動擔當?shù)氖姑?，激發(fā)對軌道交通行業(yè)特別是牽引供電專業(yè)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(jié)合課程思政把握方向的要求，課程思政要點總結(jié)見表1。從表1中可以看出，軌道交通“牽引供電”課程思政設(shè)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(nèi)容力求做到無縫結(jié)合，實現(xiàn)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(huán)節(jié)

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(tǒng)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(yè)設(shè)計乃至后續(xù)研究生階段的學習打下基礎(chǔ)。尤其是在新工科背景下，強調(diào)對課程知識的融會貫通，注重應(yīng)用實踐環(huán)節(jié)、實際操作和對學生能力的培養(yǎng)。因此，本課程要有針對性地提升課程教學實踐環(huán)節(jié)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(shè)備平臺共享系統(tǒng)，加強科研教學的一體化建設(shè)，保障學生學習實踐內(nèi)容與行業(yè)技能要求相結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設(shè)計思維，改變被動式培養(yǎng)方式，加強學生知識理論、科研素養(yǎng)培育及實踐能力多元融合式培養(yǎng)。根據(jù)軌道交通“牽引供電”課程教學內(nèi)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(jié)分為《基本原理》《工程問題》《新技術(shù)》3個部分。在《基本原理》部分，在牽引供電系統(tǒng)組成的相關(guān)章節(jié)教學中，采用理論學習+實物課堂+虛擬課堂講授的聯(lián)合教學模式，變抽象概念為具體的構(gòu)造，快速建立對牽引供電系統(tǒng)的直觀感受和印象，本課程建設(shè)的設(shè)備設(shè)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(tǒng)、高壓電氣設(shè)備操作實驗臺、架空接觸網(wǎng)和地面接觸軌展示架、電力機車司機操作模擬臺等4個設(shè)備設(shè)施實物教學平臺，使學生能夠在校內(nèi)對鐵路牽引、供電現(xiàn)場設(shè)備有直接接觸。依托高速鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，掌握牽引變電所、接觸網(wǎng)、電力配電系統(tǒng)的組成。

（二）工程問題部分實踐

軌道交通牽引供電系統(tǒng)是為高速動車組、城市軌道交通車輛提供電力供應(yīng)的系統(tǒng)，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(chǎn)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(diào)研，依托產(chǎn)學研聯(lián)系培養(yǎng)基地，結(jié)合科研項目，總結(jié)凝練行業(yè)工程實際問題并融入教學。例如，軌道交通牽引供電領(lǐng)域的電能質(zhì)量問題是一個重點問題，在不同場景下，問題的表現(xiàn)和性質(zhì)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(guān)注的是高次諧波諧振問題等。依托電能質(zhì)量測試系統(tǒng)、變電所在線監(jiān)測系統(tǒng)、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(guān)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(zhuǎn)課堂教學的方法，再次將學生分為幾個小組，通過調(diào)研、總結(jié)、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(fā)現(xiàn)、分析、解決全流程的概念。

（三）新技術(shù)部分實踐

為了應(yīng)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(yè)技術(shù)發(fā)展以智能化和低碳化兩條并行路線為主。尤其是國內(nèi)外針對光伏接入交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的“網(wǎng)—源—儲—車”和接入地鐵中的“光—儲—柔—直”新型牽引供電系統(tǒng)的研究，正在重構(gòu)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)的理論體系。這些新技術(shù)的內(nèi)容和應(yīng)用應(yīng)在教學中體現(xiàn)，并添加相關(guān)實踐環(huán)節(jié)。本課程在軌道交通踐行“雙碳”戰(zhàn)略過程中的新技術(shù)方面，依托在環(huán)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(jīng)搭建好的幾個新型牽引供電系統(tǒng)的模型進行詳細講解，重點為功能設(shè)計思路、系統(tǒng)運行模式，而后讓學生通過調(diào)整參數(shù)、變化拓撲等方式，建立對新技術(shù)的直觀理解，為開展畢業(yè)設(shè)計、解決工作問題、讀研深造打下良好的基礎(chǔ)。

三、遵循以學生為中心的培養(yǎng)理念，改革課程考評體系

傳統(tǒng)的以出勤、提問為依據(jù)的平時成績+期末考試成績相結(jié)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(guān)的理論知識點，生搬硬套，即“知其然”，不重視對專業(yè)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(nèi)容，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，配以研究生助教，協(xié)助培養(yǎng)學生。針對本課程每個章節(jié)的重點知識，設(shè)計相應(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(shè)計專題，保證了項目專題的靈活性和內(nèi)容的不重復(fù)性。例如，在電能質(zhì)量問題項目專題的學習中，學生對比國內(nèi)外不同的標準規(guī)范對電能質(zhì)量指標規(guī)定的差異性，加深對軌道交通牽引供電領(lǐng)域電能質(zhì)量問題的理解。為了充分調(diào)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(guān)的項目題目參加各類學科競賽，學生可以把學科競賽的經(jīng)歷和成果寫成報告，作為課程平時表現(xiàn)成績的依據(jù)。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(zhì)和科創(chuàng)能力，實現(xiàn)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(huán)節(jié)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(jié)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(huán)節(jié)、實踐教學環(huán)節(jié)、項目式專題學習環(huán)節(jié)、學科競賽環(huán)節(jié)的內(nèi)容，把學生自己總結(jié)梳理的內(nèi)容納入考試出題范圍，讓學生作為主體直接參與考試設(shè)計，真正做到檢驗自己的學習效果，而不是以應(yīng)試為目的獲得高分數(shù)。

結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，行業(yè)特色院校應(yīng)緊跟時代發(fā)展，對自身特色專業(yè)課程進行相應(yīng)改革，北京交通大學軌道交通“牽引供電”課程組順應(yīng)高等教育的改革方向要求，結(jié)合當前軌道交通處于高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段的實際情況，注重對學生適應(yīng)當前行業(yè)及未來發(fā)展趨勢的綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)。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(huán)節(jié)、考評環(huán)節(jié)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(xù)學習能力得到了提高，符合我國軌道交通牽引供電行業(yè)發(fā)展對人才培養(yǎng)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(chuàng)新與發(fā)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(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)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