基于翻轉課堂的機械專業留學生實踐化教學
——以“機械設備電氣控制”為例

李 沖，鐘 偉，方記文，王 佳，趙 忠

（江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮江212100）

近年來，在國家“一帶一路”政策的支持下，中國越來越受到國際社會的認可，成為國際學生流動的目標國家，由此造成來華留學生的規模逐年增加[1-3]。根據教育部統計，2018年共有196個國家的492 185名留學生在全國31個省的1 004所高校學習，人數比2017年增加了0.62%[4]。

雖然來華留學生的數量每年劇增，但也要清醒地認識到，中國的留學生教育與歐美國家相比，還有很大的差距，還算不上留學生教育強國[5-6]。通過數據可知，目前大多數來華留學生來自亞洲和非洲的發展中國家，占來華留學生的76.52%。生源質量成為制約中國留學生教育發展的瓶頸之一，尤其是在地方高校中該問題更加突出。

1 機械專業留學生教學特點

筆者以所在單位地方高校江蘇科技大學為例，本單位每年招收機械專業留學生35名左右，其中2/3來自非洲國家，1/3來自中亞及東南亞一帶。目前機械專業留學生教學存在以下突出問題[7-10]：①學生基礎薄弱。來華留學生基礎薄弱是眾多地方高校共同面臨的問題。筆者在教學過程中發現，大多留學生對于數學、物理知識缺乏，對于簡單的高中數學計算以及物理受力模型概念模糊不清，嚴重影響了正常的教學進度。②對實踐教學要求高。與國內學生不同，大多數留學生不愿意被動接受純理論的知識，他們更偏好與工程實例相結合的實例化教學方式，對實踐教學提出了更高的要求。③留學生選課渠道和內容有限。目前留學生可供選擇的課程偏少，講授內容也有限，這與地方高校的教學資源以及師資配備密不可分。④教學參考資料匱乏。目前教學過程中缺乏純英文教材，在專業課中尤其突出，教學中往往都是任課教師查找參考資料然后發給學生學習，同時也缺少專業課的課后輔導資料。

以上特點決定了留學生的教學工作不能完全照搬國內本科生的教學方法和策略，而需要根據留學生自身的條件來尋找一種適合留學生的教學方法。

本文以筆者講授的“機械設備電氣控制”[11-13]為例，借鑒翻轉課堂教學原理，提出一種實踐化教學方法，此方法利用中達優控LM30型PLC學習機為輔助教學工具，以學生動手實踐教學為主，輔之以教師的理論講解，實現機械專業留學生的“理論+實踐”結合的教學。通過過去一年的實踐化教學，取得了較好的教學效果，留學生在實踐中不僅掌握了理論知識，而且增加他們學習的樂趣，即使基礎非常差的學生都可以較輕松地掌握知識。

2 實踐化教學原理

在“機械設備電氣控制”教學過程中，筆者采用如圖1所示的“理論+實踐”結合的實踐化教學方法進行課程教學。教學實施時，主講教師首先利用PLC學習機首先向學生展示一段課前設計好的控制實例，讓學生親自操作，觀測程序的運行結果，以此來引起學生的學習興趣；然后向學生展示相關的理論知識，讓學生帶著疑問并結合前面的實際操作案例理解控制系統的電氣原理圖，并指導學生親自操作仿真軟件進行編程，將電氣原理圖轉化為PLC梯形圖；最后學生利用PLC學習機對控制程序進行仿真，在仿真軟件中設計梯形圖，將程序下載到PLC學習機，根據學習機運行結果驗證理論程序的正確性。

在理論原理分析階段，首先要向學生介紹系統的控制原理，其中包括控制系統的硬件和軟件構成；然后讓學生親自動手參與通過原理分析設計出系統的電氣原理圖，對于一個對象的控制可設計出幾個或若干個電氣原理圖，這里應向學生著重強調如何優中選優，指導他們設計出最佳控制方案；同時在PLC控制系統設計時，則需根據控制對象的輸入和輸出點確定PLC的類型，并確定控制對象與PLC輸入輸出點的對應關系。

圖1 實驗化教學工作機制圖

在實驗仿真階段，首先是利用仿真軟件GX Developer進行梯形圖設計，這里可以讓學生在計算機上動手編寫梯形圖，然后指導學生將設計的程序通過USB數據線下載到PLC學習機中，最后讓學生運行PLC學習機，驗證程序設計的正確性，同時針對運行過程中出現的問題，指導學生修改程序最終實現正確輸出。

教學中采用的PLC學習機如圖2所示，該學習機集輸入、輸出、USB計算機通訊、狀態指示、運行、232通訊和脈沖輸出于一體，使用USB接口即可對其供電，方便教學和學習。

圖2 PLC學習機外部功能圖

PLC學習機輸入點共有4個，分別是X0～X3；輸出點共16個，分別是Y0～Y7以及Y10～Y15。工作時，當程序下載到學習機后，掰動運行開關按鈕至RUN位置后，狀態指示燈RUN亮起，此時當手指觸摸到X輸入觸摸鍵時，輸入點Xi輸入燈亮，同時對應的輸出指示燈Yi亮起，實現程序的仿真。

在整個教學過程中，始終堅持學生為主體的教學方式，體現了翻轉課堂的教學特點，同時將實踐化教學引入到翻轉課堂中，真正讓學生體驗到在實踐中學習的樂趣。通過在理論教學課堂上引入此實踐化教學方法，增強了留學生的學習興趣，減少了課程的枯燥性，尤其是對基礎薄弱的留學生來說是非常有益的。

3 不同指令應用案例設計分析

在進行MPS/MPP指令學習時，授課教師會給出一個單輸入雙輸出系統典型案例，如圖3所示，以此來實現不同指令下的相同輸出結果。

在圖3中，圖3（a）程序一和圖3（b）程序二結構上非常相似，輸出結果也是相同的，但是他們的程序卻差別比較大。為了說明他們程序間差別以及輸出結果，授課時利用PLC學習機對兩個梯形圖進行實驗仿真。

圖3 單輸入雙輸出系統梯形圖

首先在GX Developer軟件里面進行梯形圖繪制，可以得到兩個梯形圖對應的程序指令表，如圖4所示。由圖4可知，兩個程序差別較大，程序一由6行構成，采用了MPS和MPP指令，而程序二則較簡單，由4行構成，且只包含AND和OUT指令。

圖4 指令表截圖

將編輯好的兩段程序分別下載至PLC學習機中，然后分別演示兩段程序，首先打開RUN按鈕，RUN指示燈亮，同時利用手指觸摸X0輸入鍵，可見輸出燈Y0和Y1均亮起。兩段程序的運行結果一致。

由案例分析可知，兩個相似的梯形圖，輸出結果相同，但是指令表行數和使用的指令差別較大。通過以上實驗化教學，留學生輕松地掌握了MPS和MPP指令的用法，且能夠和相似的程序進行區分，同時通過實驗演示加深了對理論知識點的理解。

4 交通燈綜合實例教學設計

交通燈[14-15]是“機械設備電氣控制”這門課程中必講授的綜合性典型案例，其工作時序如圖5所示。其中南北和東西方向各有兩套交通燈，南北方向綠燈對應的PLC輸出點為Y2和Y10，黃燈輸出點為Y1和Y7，紅輸出點為Y0和Y6；東西方向綠燈對應的PLC輸出點為Y5和Y13，黃燈輸出點為Y4和Y12，紅輸出點為Y3和Y11。

作為綜合性案例，交通燈編程相對于留學生來說較難，采用傳統的理論教學很難使學生完全理解編程過程。這里筆者采用本文提出的翻轉課堂實踐化教學方法，借助PLC學習機，通過使學生隨時實踐演示編程結果來檢驗程序的正確性。

圖5 交通燈時序圖

交通燈控制程序的運行結果如圖6所示，由圖6可知，各交通信號燈的亮/滅與時序圖顯示的順序是一致的，驗證了程序的正確性。

因此，通過本文提出的基于翻轉課堂的實踐化教學方法可以使學生更加直觀地學習PLC的編程技巧，更好地理解理論教學，真正使基礎薄弱的留學生喜歡上專業課程。本文提出的基于翻轉課堂的實踐化教學方法雖然只是以“機械設備電氣控制”為例進行教學研究分析，但是對于其他機械類專業課同樣適用，對于其他專業課可采取計算機仿真或者模型演示的方法進行實踐化教學，其效果會遠優于傳統教學方法。

5 結語

對于機械專業留學生而言，專業課相對枯燥且難度較大，很難通過傳統理論課程激發學生的學習興趣。本文提出基于翻轉課堂的實踐化教學方法，以學生的動手實踐為主體，使較難理解的理論課程在實踐中變得通俗易懂。給出兩個具有不同代表性的典型案例，分別對應指令的學習和綜合案例分析，通過學生對兩個相似梯形圖的對比，使其對于不同指令的用法清晰明了，同時根據綜合實例的運行結果使較難理解的程序含義一目了然，在不斷修改理論程序過程中掌握編程技巧。本文的教學研究方法在留學生教學中具有重要的參考價值。