一、PLC控制技术翻转课堂概述

可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller )控制技术是电气类专业的一门理论与实践结合非常紧密的主干课程，旨在培养学生运用PLC对工业控制过程进行开发和设计的能力，在教学过程中更侧重于学生实践能力的培养。PLC翻转课堂的基本思路是：把传统的学习过程翻转过来，让学习者在课外时间完成对知识点和概念的自主学习，课堂则变成教师与学生互动的场所，主要用于解答疑惑、汇报讨论，从而收到更好的教学效果[1]。

翻转课堂起源于美国科罗拉多州落基山的林地公园高中，该校教师乔纳森·伯尔曼(Jon Bergmann)和亚伦·萨姆斯(Aaron Sams)为解决学生由于各种原因导致缺课而跟不上学习进度的困扰，首次尝试使用录屏软件制作PowerPoint演示文稿进行播放和讲解，他们把视频上传到网络，以此为缺课的学生补课。由于这种教学方式效果显著，两位教师逐渐让大部分学生在家看视频听讲解，节省出课堂时间来帮助在完成作业或做实验过程中遇到困难的学生解惑[2]。值得注意的是，乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯指出，翻转课堂和在线视频是有区别的，翻转课堂不仅有教学视频，还提供了互动环节，从而使学生和教师能够一起进行有意义的学习活动。教学视频不能替代教师，也不能简单的视为在线课堂，学生并不是孤立、无序地学习。他们强调，翻转课堂作为一种教学模式，其主旨在于增加师生间的互动和学生的个性化学习，教师要由以前讲台上的“主演”转变为学生的“导演”[3]。

他记得河遥县跑火船的民俗。每年这个时候，家家户户都用竹竿扎成筏子，上面堆满稻草，然后将木筏浮在江面上，点燃木筏上的稻草，让燃烧的木筏顺流而下，一眼望去，江上仿佛燃起了无数火团，天地江水都被染得红彤彤的，甚是壮观。

国内外学者从不同的视角对翻转课堂进行了不同的定义和应用研究。Marco Ronchetti探索了“在线视频替代传统模式的教学实践”所应采取的方法、策略以及产生的效果，探讨了教学视频在学生的知识构建中的作用，分析了基于在线视频的翻转课堂对学习者自主学习、发现学习的价值，为翻转课堂的开展提供了一定的方法和实践经验[4]。张金磊、王颖、张宝辉等在Robert Talbert翻转课堂模型的基础上，构建了更加完善的翻转课堂模型，该教学模型主要由课前学习和课堂学习两部分组成，在这两个过程中，信息技术和活动学习是翻转课堂学习环境创设的有力杠杆，信息技术的支持和学习活动的顺利开展保证了个性化协作式学习环境的构建与生成[5]。钟晓流、宋述强、焦丽珍等从学习资源、信息技术等应用角度入手，认为翻转课堂是在信息化环境中，教师提供以教学视频为主要形式的学习资源，课前学生观看和学习教学视频等资源，课中师生共同完成作业答疑和互动交流的一种教学模式[6]。2011年，重庆市和广州市珠海区部分中学相继应用翻转课堂的教学模式并取得了成功，成为国内基础教育领域“翻转课堂”教学实践的一面旗帜。2014年，长沙市长郡双语实验中学将翻转课堂教学模式应用到数学课堂教学中，取得了良好的教学效果。翻转课堂在中小学课堂教学中的研究、应用逐渐增多，但在高校课程教学中，尤其是在电气控制类课程中的研究和应用成果较少。

悬浮间隙传感器非线性校正模型为单输入单输出系统，因此其输入层和输出层均只有一个神经元。RBF神经网络的结构主要取决于隐含层神经元节点的个数，隐含层神经元的个数越多，网络的逼近能力越强，但网络也越复杂；神经元个数越少，网络越简单，但同时网络逼近能力亦随之降低。本文通过仿真试验最终选择5个隐含层神经元的网络结构。RBF网络隐含层神经元的中心值、阈值和输出权值参数的训练，采用粒子群优化算法，具体按式(6)将各优化参数用各粒子进行编码。

3.课后阶段。师生进行教学总结与反馈。对翻转课堂教学模式的实施效果及待改进的问题进行辩证分析。教师应对教学内容的设置、学生课前自主学习情况及课堂参与讨论、发言等情况进行反思和总结，而学生则可对课前教师提供的学习资料存在的不足、学习过程中遇到的问题及课堂讨论的收获等方面进行总结，提出建议。师生共同参与这一过程，既有利于教师汲取经验、提升教学质量和教学水平，更有利于提升学生的自主学习能力及发现问题、解决问题的综合能力。

二、PLC控制技术课程教学的现状分析

1.课前阶段。教师提供教学PPT或微视频，学生进行自主学习。课前的微视频或PPT的学习是基础知识准备阶段，其学习效果的好坏对课堂训练内化有着直接影响。对于课前的学习资料，教师可根据PLC课程的教学目的、项目控制要求、项目实施等，设计每一堂课的基础理论知识和训练题目，制作教学PPT或微视频，发布到学习网站，布置学生观看学习资料并完成练习。课前学生需认真学习微视频或PPT中要求的内容，并完成相应练习。

PLC控制技术课程教学适合采用模块化项目教学的教学方式，通过分析设计不同的工程项目和实例，引导学生由实践到理论再到实践，将理论知识应用到每一个实践操作中。整个教学过程由项目任务来驱动，以一个小而完整的工程项目贯穿于整个PLC课程教学的始终，理论基础知识的传授围绕项目控制要求来组织和开展。PLC控制技术课程翻转课堂主要由课前、课中、课后三个相互关联的过程构成。

三、PLC控制技术课程翻转课堂的教学设计

目前，我国高校PLC控制技术课程的教学存在以下问题：一是教学模式单一。目前，大部分高校的PLC控制技术教学是教师利用课上的大量时间讲解PLC指令的应用和编程软件的基本操作，再编写一段简短程序运行演示，学生一直处于被动接受知识的状态，留给学生的练习时间少，学习中遇到的疑难问题得不到及时的交流和指导。二是教学方式以讲授为主。“传道、授业、解惑”是教师的基本职责，在讲解知识、教授技能后应着力解决学生的困惑，然而在以讲授为主的教学方式中，通常是教师对先前预设的学生可能会有的典型问题在课堂上作统一讲解，这不利于学生个性化问题的解决。三是缺乏实践锻炼机会。PLC应用技术作为一门实践性较强的课程，要想真正熟练运用PLC解决实际问题，除了理论课程和实验课程外，更应将重点放在实践上。但由于学校没有专业的实训基地，学生只能在实验室机房中进行基础性实验，因此学生还是不能形成对PLC应用技术的全面认知。四是学习评价匮乏。在传统的PLC控制技术教学中，大部分时间是由教师讲授知识，没有预留充足时间对学生的程序设计和编程情况进行及时评价。利用翻转课堂教学理念优化课程设计，可以在一定程度上解决PLC控制技术课程中存在的问题，从而改善教学效果。

随着科学技术的发展，电气控制技术已广泛应用于许多自动化系统、智能化设备的终端能量流控制等领域。作为现代工业自动化的三大支柱之一，PLC是自动化控制领域中一种非常重要的控制设备，因此，PLC控制技术是电气、自动化、机电一体化及其他信息类专业的核心课程，也是高校相关专业课程体系中与社会、企业需求结合最为紧密的应用类课程之一[9]。该课程最大的特点是应用性、实践性强，理论和实践结合非常紧密。

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与中小学相比，高校课程更有利于翻转课堂的开展和实施。一方面，从高校本身的特点及教育资源来看，高校拥有更大的办学自主权，课程设置、课程安排等方面的灵活性更大；高校的基础设施建设投入较多，图书资源、网络设施、电脑、多媒体等教学硬件设施比较齐全；更重要的是，近年来，我国高校开展了各个学科的精品课程、视频公开课、MOOC等优质的教育资源建设，大量优质的教育资源涌现出来，为翻转课堂的实施提供了资源支持[7]。另一方面，从高校学生的学习特点来看，学习环境相对宽松，除了完成正常的学习任务外，他们有足够的课余时间供自己支配，具有在课前学习教师发布的视频或PPT的时间条件。相关研究表明，大部分高校学生具有独立的学习能力，自学能力较强，且具有一定的创新精神和意识，具备一定的发现问题和提出问题的能力。由此看来，高校的办学特点、课程设置、教育信息资源建设以及高校学生的学习特点等为高等学校引入翻转课堂提供了可行性基础。特别是在应用型专业的课程教学中，引入翻转课堂可以让学生利用课余时间充分完成理论知识的学习，在课堂上则有更多的时间完成实际操作或巩固练习，这既有利于学生领会理论和实践结合的重要性，更有利于培养学生的发现问题、分析问题、解决问题的实践能力[8]。

四、PLC控制技术课程翻转课堂的教学实施

2.课中阶段。教师在课堂上要协助学生完成对知识的内化和吸收。翻转课堂成功的关键在于通过组织相应的课堂活动来完成知识内化。对于PLC课程的课堂教学，教师要围绕项目任务的引入、相关指令的学习、任务的实施、控制程序的编写、上机验证、修改、通过等全过程设计课堂活动。学生根据自己在课前学习视频或PPT及练习中存在的疑点提出问题，教师组织学生分组进行交流、讨论，各组都不能解决的共性问题统一汇总提交给教师，教师在学生讨论过后，将问题集中、分类予以解答。对于个别问题，教师进行一对一的指导，以帮助学生更好地消化、吸收所学的知识。

  

翻转课堂教学模型

基于翻转课堂的PLC控制技术教学实施应做实课前、课中、课后三个阶段的教学活动。

1.课前教学活动。课前教学活动主要是学生根据教师提供的教学资源进行自主学习和必要的练习，主要的教学活动包括：一是确定协作学习小组。协作学习首先要解决学生的分组问题，这是协作学习能否取得成功的重要保障。其次，每个小组都有高、中、低层次的学生，人数控制在3～5人，这样有利于每个学生都有交流、展示的机会，便于小组成员的共同发展。二是发布学习资源。教师将提前准备好的教学资源发布到学生QQ群里或上传到如世界大学城空间等网络学习平台，学习资源包括PPT、微视频、材质素材等。以电动机正反转控制仿真实验为例，需要提供的教学文本资源包含任务描述、任务目标、任务分析、任务实施、任务总结等内容。任务实施环节分为五个步骤，即阅读系统原理图、认识实验器材、实验分析、实验操作、观察实验结果。对于实验操作提供了硬件的连线操作相关视频，并给出了操作提示。三是学生根据发布的资源开展自主学习。要合理安排好学生自主学习的时间。本课程的教学对象为湖南网络工程职业学院机电一体化专业大二学生，为了不占用学生过多的课余时间，本课程采取四节课连上的方式，前两节课为学生自主学习时间，完成理论知识的学习。

本文通过在标准的平方根UKF算法上，首先改用了球型不敏变换对权系数以及sigma点进行选取，其次改进了平方根UKF中平方根矩阵的分解方法，以及在预测误差协方差矩阵中引入了自适应衰减因子，设计了自适应平方根球型无迹卡尔曼滤波算法(ASRS-UKF)。最后，通过将该算法同SR-UKF算法以及STSR-UKF算法进行仿真对比，仿真结果表明，ASRS-UKF算法在减少计算量加快计算速度的同时还提高了滤波精度、收敛速度以及稳定性，而且对于目标机动性强、系统模型匹配不佳的情况下，仍具有良好的跟踪性能。

2.课中教学活动。课中教学阶段主要是教师提出综合性任务，学生小组协作完成任务，教师根据学生课前反馈的问题及在实际接线操作中遇到的各种情况有针对性的进行讲解，释难答疑，切实解决自主学习过程中遇到的各种问题。

3.课后教学反思。课后反思是教学过程的重要环节，教师完成每次授课后，要针对教学过程中各个环节进行反思总结，课上讨论是否帮助学生完成了知识的内化，个性化辅导是否兼顾到了每个小组，整体的教学设计是否体现了翻转课堂的教学特点，总结经验教训，优化教学设计，进一步提高教育教学水平。

参考文献：

[1]马秀麟,赵国庆,邬彤.大学信息技术公共课翻转课堂教学的实证研究[J].远程教育杂志,2013,(1).

[2]董黎明,焦宝聪.基于翻转课堂理念的教学应用模型研究[J].电化教育研究,2014,(7).

[3]郭媛媛.翻转课堂在高校课堂教学中的应用研究——以《三维动画制作》课程为例[D]，河北师范大学,2014.

[4]Marco Renchetti. The VOLARE Methodology: Using Technology to Help Change the Traditional Lecture Model[J]. Tech-Education,2010,(13).

[5]张金磊,王颖,张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012,(12).

[6]钟晓流,宋述强,焦丽珍.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究,2013,(4).

[7]凡妙然.基于MOOC的翻转课堂在高校教学中的应用[J].软件导刊,2014,(13).

[8]崔木花,候永轶.基于MOOC的翻转课堂在高校教学中的应用研究[J].2016,31(1).

[9]翁国庆,张有兵.“电气控制及PLC技术”课程实践教学的改革与优化[J].中国电力教育,2010,(6).