基于Cult3D与LabVIEW整合技术的物理高效课堂

■撒凤杰 王庆 付国权

基于Cult3D与LabVIEW整合技术的物理高效课堂

■撒凤杰 王庆 付国权

随着课程改革的不断推进，“高效课堂”逐渐成为当今教育界最热门的话题。本文以活动课程论和建构主义教学理论为依据，探讨三维虚拟与LabVIEW整合技术在创建物理高效课堂中应用的技术路线，并对该项技术在物理教学中的应用优势做了初步总结。

高效课堂；三维虚拟；LabVIEW；整合技术

概述

“高效课堂”概述

传统物理课堂更多关注的是教师的教，因此常出现学生听了就懂，独立面对就没了思路，或者培养出的学生解题能力很强，应试能力也不逊色，但走向实践却发现自己是一个只会解题的“物理盲”。随着社会对“人才”定义的刷新，素质教育的呼声不断高涨，在“减负”与“升学率”两个概念的驱动下，“高效课堂”成为当今教育界最热门的话题。新课标和素质教育双重标准下的“高效课堂”应该是让学生充分经历、体验学习过程，通过经历和体验独立构建物理模型、形成基本知识和基本技能，进而培养高尚的情感、积极的态度和科学的价值观。简单地说，就是以学生为主体，通过动态生成，让学生获得全维度发展的课堂才是真正意义上的高效课堂。为了真正实现课堂的“高效”，各种现代教育技术纷纷走进物理课堂，但目前课堂常用的多媒体技术多数局限于凭借一些华丽的图片和程序化的动画冲击学习者的视觉，学习者难以沉浸于其中，无法亲身体验知识的形成过程，更无法发挥其想象能力，一定程度上也削弱了学生的动手能力。因此，在国际竞争与日俱增的社会大形势下，先进的教育理念、高超的教学技艺、科学的辅助手段是“高效课堂”的必备要素，缺一不可。本文针对当前现代教育技术存在的缺陷，探讨基于三维虚拟与LabVIEW整合技术的自主、合作、探究型高效课堂的构建[1]。

三维虚拟与LabVIEW整合技术概述

以Cult3D为核心的三维虚拟现实技术是由瑞典的 Cy-core公司推出的一种崭新的网络三维技术，这一技术是通过计算机生成一种逼真的三维虚拟环境，实现用户与该环境直接、自然的交互；LabVIEW是由美国国家仪器公司设计的一种基于图形开发、调试和运行的集成化程序开发环境，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。而且LabVIEW软件支持对ActiveX控件的调用，利用这一接口与三维虚拟技术进行有机融合，建立一个集声、像、动态功能于一体的三维空间环境，使人们以自然的方式与虚拟环境中的情境进行真实的体验和交互，用户即可以亲身体验，又可以反复操练；既克服了以往LabVIEW技术形象性差的弊端，同时又可以弥补Cult3D技术疏于精确的不足，为学习者建立一个感性认识和理性分析相统一的学习环境。

三维虚拟与LabVIEW整合技术构建物理高效课堂的理论基础

教育学依据

以美国实用主义教育家杜威（J.Dewey，1859—1952）为代表的“活动课程论”主张“从做中学”，他说：“学校课程中相关的真正中心，不是科学，不是文学，不是历史，不是地理，而是儿童本身的社会活动。”[2]他们反对把教材视为“固定的和现成的”，特别强调注意游戏、活动作业。尽管这种课程理论片面夸大了学习者的个人经验，忽视了知识本身的逻辑结构，但带给物理教学启示也不置可否。

物理要求的基本知识多数是从日常生活抽象出来的，要求的最基本能力是动手操作能力。实践表明，只有亲自动手体验所获得的记忆是最深刻的，而且由此培养的兴趣可以进一步激发更深入探究的动机，从而形成一种良性循环。简而言之，物理离不开体验，即离不开“活动”。

三维虚拟与LabVIEW整合技术因其逼真性、交互性和开放性与“活动课程理论”有着不谋而合的默契，学生在整合技术所创设的“活动”环境中体验、探究、合作，获得知识与技能，进而形成情感、态度与价值观的提升，最终获得全维度的发展，让物理课堂的“高效”真正得以实现。

心理学依据

三维虚拟与LabVIEW整合技术应用于物理教学的一个重要心理学依据是以瑞士心理学家皮亚杰(Jean Piaget，1896—1980)为代表的建构主义学习理论。作为当代欧美兴起的一种庞杂的社会科学理论，建构主义思想来源驳杂，流派纷呈，其内容涵盖了知识观、学习观、教学观、课程观、师生观等几个方面，但其核心可以概括为：以学生为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的[3]。这也正是我国新课程改革的核心理念。

之所以说建构主义是整合技术的理论基础，是因为整合技术为建构主义学习观所强调的“情境”“协作”“对话”和“意义建构”搭建了一个很好的平台，营造一个开放的、交互的、个性化的、研究性的学习环境，提供一个最佳的自主学习、合作学习和研究性学习的条件，为最终实现知识建构提供了保障。这个平台强调“教师为主导，学生为主体”，注重课堂的动态生成，倡导学生的整体发展，实现了学习理论、课改理念、学科教学和计算机技术的协调统一。

技术实现

随着多媒体技术在课堂教学中应用的日益广泛，人们逐渐认识到计算机辅助教学涉及学科教学、教育教学理论、计算机软硬件技术及美学等多方面能力。本文将三维虚拟技术、LabVIEW技术与物理高效课堂建设相融合，涵盖以Cult3D为核心的三维虚拟技术、以LabVIEW软件为平台的软硬件技术以及二者的接口技术。

以Cult3D为核心的三维虚拟技术路线

1）首先用3Ds max软件根据教学需要设计三维模型或物理场景，将建好的三维模型输出为*.C3D格式文件。

2）将3Ds max中输出的*.C3D格式文件导入Cult3D软件，为模型或物理场景设置交互动作，设置完成后将文件保存为Cult3D Project文件，文件格式选择为*.c3p，以便于以后修改。

3）最后利用Cult3D软件中File菜单下的Save Interment file菜单将3D模型以*.CO格式导出[4]。

（注：模型在3Ds max软件和Cult3D软件之间导出导入过程及模型使用和操作时需注意的事项和外挂插件详见本文参考文献[4]。）

LabVIEW软件技术路线

LabVIEW软件开发的应用程序由前面板、后面板（或称流程图）以及图标/连结器3部分组成。前面板是应用程序的界面，即人机交互的窗口，该窗口主要由控制量和显示量构成，其控制量是数据输入端，用于提供输入数据和控制信号，而显示量则是显示窗口，用于显示经分析、处理后的数据；后面板是应用程序的代码部分，即流程图，也是核心，开发者在后面板上进行编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能；图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现形式，而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。此外，LabVIEW软件里提供的选项卡控件可以方便、快捷的对教学内容及教学目标、重难点突破等环节进行整合[5]。

三维虚拟与LabVIEW技术的整合路线

LabVIEW软件支持对ActiveX控件的调用，因此，可以实现LabVIEW技术与三维虚拟技术的结合。整合步骤如下：

1）在前面板上创建ActiveX Container对象；

2）为ActiveX Container对象创建Cult3D ActiveX Player控制量；

3）切换到程序后面板，引入“Invoke Node”函数，连接Cult3D ActiveX Player控件的输出端口和Invoke Node函数的Reference输入数据端口，选择“LoadCult3D”方法，打开Cult3D中输出的*. Co文件；

4）为FileName创建数据输入端口创建输入控件，在输入控件中输入*. Co文件路径及文件名，加载经Cult3D加工的三维模型或物理场景；

5）点击运行按钮，即可在前面板上看到三维模型或物理场景[4,6]。

至此，以Cult3D技术为核心的三维模型或物理场景便可以在LabVIEW环境中运行，Cult3D软件中所设定的用鼠标、键盘等外设进行手动控制或自动控制的交互都可以在该环境下实现。笔者开发的LabVIEW环境下的三维虚拟示波器的用户界面及程序框图。

三维虚拟与LabVIEW技术整合的优势

提供了“学生为主体，教师为主导”的教学平台

新课程强调“学生为主体，教师为主导”的高效课堂模式，三维虚拟与LabVIEW整合技术为高效课堂实施过程中师生角色的合理分配提供了平台，教师借助平台合理地组织和加工教材，将抽象内容形象化，将繁杂的内容通俗化，将知识体系条理化；学生利用平台亲身体验过程、掌握方法，通过自主、合作、探究学习掌握基础知识和基本技能，进而内化为学习能力。就物理学科特点而言，整合技术目前是物理教学中实现“让学生获得全维度发展”的高效课堂的最佳途径。

切实提高了课堂效率

实践表明，对学生而言，学习物理的难点不是因为物理规律或公式不熟，而是难以想象完整的物理情景，以至于无法准确地判断物理过程，最终导致课堂的低效，甚至无效。三维虚拟技术侧重于创设形象的物理情境，LabVIEW技术注重精确的数据采集，这两种技术以工具的形式与教学内容有机融合，符合学生感性上升到理性的认知规律和形象到抽象的思维方式，实现了认知和思维方式的过渡和统一，为新课程实施创造了有效的教与学的方式。整合技术凭借这些优势，关注教与学的过程和方法，关注学习行为的可持续发展，关注学习者的终身发展，全维度地提高教学效率，赋予“高效课堂”真正含义。

重新诠释了计算机辅助教学的概念

传统的多媒体辅助教学技术之所以经常受到批判，主要是因为技术脱离教育理论和教学内容而导致的虚拟化和程序化，淡化了“自主”、“探究”的学习过程和方法。三维技术与LabVIEW技术的整合赋予多媒体技术新的含义，使多媒体教学不再仅限于程序化的展示，师生可以根据需要灵活地增加各种设计性内容，自行设计各种软面板，以各种形式表达输出检测结果，实时进行分析，让学生经历充分的体验和探究，还物理课堂真实、形象的本色。同时也为多媒体辅助教学技术开辟了新的发展方向。■

[1]杨兴华.全方位构建高效学习的有效途径[J].文教资料,2010(3)

[2]钟启全.现代课程论[M].上海:上海教育出版社,2003

[3]莫雷.教育心理学[M].北京:高等教育出版社,2003

[4]撒凤杰,蔡建乐,张飞刚.LabVIE和三维虚拟现实技术在物理实验中的应用研究[J].科学技术与工程,2009(22)

[5]王磊,陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京:电子工业出版社,2007

[6]潘华,李安,胡柏青.Cult3D虚拟现实在导航装备在线监测系统中的应用研究[J].科学技术与工程,2007(6)

（作者单位：湖北省宜昌市远安县电教仪器设备站）

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.11.051

作者：撒凤杰，硕士研究生，研究方向为物理课程与教学论。