基于Cult3D與LabVIEW整合技術的物理高效課堂

■撒鳳杰 王慶 付國權

基于Cult3D與LabVIEW整合技術的物理高效課堂

■撒鳳杰 王慶 付國權

隨著課程改革的不斷推進，“高效課堂”逐漸成為當今教育界最熱門的話題。本文以活動課程論和建構主義教學理論為依據，探討三維虛擬與LabVIEW整合技術在創建物理高效課堂中應用的技術路線，并對該項技術在物理教學中的應用優勢做了初步總結。

高效課堂；三維虛擬；LabVIEW；整合技術

概述

“高效課堂”概述

傳統物理課堂更多關注的是教師的教，因此常出現學生聽了就懂，獨立面對就沒了思路，或者培養出的學生解題能力很強，應試能力也不遜色，但走向實踐卻發現自己是一個只會解題的“物理盲”。隨著社會對“人才”定義的刷新，素質教育的呼聲不斷高漲，在“減負”與“升學率”兩個概念的驅動下，“高效課堂”成為當今教育界最熱門的話題。新課標和素質教育雙重標準下的“高效課堂”應該是讓學生充分經歷、體驗學習過程，通過經歷和體驗獨立構建物理模型、形成基本知識和基本技能，進而培養高尚的情感、積極的態度和科學的價值觀。簡單地說，就是以學生為主體，通過動態生成，讓學生獲得全維度發展的課堂才是真正意義上的高效課堂。為了真正實現課堂的“高效”，各種現代教育技術紛紛走進物理課堂，但目前課堂常用的多媒體技術多數局限于憑借一些華麗的圖片和程序化的動畫沖擊學習者的視覺，學習者難以沉浸于其中，無法親身體驗知識的形成過程，更無法發揮其想象能力，一定程度上也削弱了學生的動手能力。因此，在國際競爭與日俱增的社會大形勢下，先進的教育理念、高超的教學技藝、科學的輔助手段是“高效課堂”的必備要素，缺一不可。本文針對當前現代教育技術存在的缺陷，探討基于三維虛擬與LabVIEW整合技術的自主、合作、探究型高效課堂的構建[1]。

三維虛擬與LabVIEW整合技術概述

以Cult3D為核心的三維虛擬現實技術是由瑞典的 Cy-core公司推出的一種嶄新的網絡三維技術，這一技術是通過計算機生成一種逼真的三維虛擬環境，實現用戶與該環境直接、自然的交互；LabVIEW是由美國國家儀器公司設計的一種基于圖形開發、調試和運行的集成化程序開發環境，能夠完成仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等任務。而且LabVIEW軟件支持對ActiveX控件的調用，利用這一接口與三維虛擬技術進行有機融合，建立一個集聲、像、動態功能于一體的三維空間環境，使人們以自然的方式與虛擬環境中的情境進行真實的體驗和交互，用戶即可以親身體驗，又可以反復操練；既克服了以往LabVIEW技術形象性差的弊端，同時又可以彌補Cult3D技術疏于精確的不足，為學習者建立一個感性認識和理性分析相統一的學習環境。

三維虛擬與LabVIEW整合技術構建物理高效課堂的理論基礎

教育學依據

以美國實用主義教育家杜威（J.Dewey，1859—1952）為代表的“活動課程論”主張“從做中學”，他說：“學校課程中相關的真正中心，不是科學，不是文學，不是歷史，不是地理，而是兒童本身的社會活動。”[2]他們反對把教材視為“固定的和現成的”，特別強調注意游戲、活動作業。盡管這種課程理論片面夸大了學習者的個人經驗，忽視了知識本身的邏輯結構，但帶給物理教學啟示也不置可否。

物理要求的基本知識多數是從日常生活抽象出來的，要求的最基本能力是動手操作能力。實踐表明，只有親自動手體驗所獲得的記憶是最深刻的，而且由此培養的興趣可以進一步激發更深入探究的動機，從而形成一種良性循環。簡而言之，物理離不開體驗，即離不開“活動”。

三維虛擬與LabVIEW整合技術因其逼真性、交互性和開放性與“活動課程理論”有著不謀而合的默契，學生在整合技術所創設的“活動”環境中體驗、探究、合作，獲得知識與技能，進而形成情感、態度與價值觀的提升，最終獲得全維度的發展，讓物理課堂的“高效”真正得以實現。

心理學依據

三維虛擬與LabVIEW整合技術應用于物理教學的一個重要心理學依據是以瑞士心理學家皮亞杰(Jean Piaget，1896—1980)為代表的建構主義學習理論。作為當代歐美興起的一種龐雜的社會科學理論，建構主義思想來源駁雜，流派紛呈，其內容涵蓋了知識觀、學習觀、教學觀、課程觀、師生觀等幾個方面，但其核心可以概括為：以學生為中心，在整個教學過程中由教師起組織者、指導者、幫助者和促進者的作用，利用情境、協作、會話等學習環境要素充分發揮學生的主動性、積極性和首創精神，最終達到使學生有效地實現對當前所學知識的意義建構的目的[3]。這也正是我國新課程改革的核心理念。

之所以說建構主義是整合技術的理論基礎，是因為整合技術為建構主義學習觀所強調的“情境”“協作”“對話”和“意義建構”搭建了一個很好的平臺，營造一個開放的、交互的、個性化的、研究性的學習環境，提供一個最佳的自主學習、合作學習和研究性學習的條件，為最終實現知識建構提供了保障。這個平臺強調“教師為主導，學生為主體”，注重課堂的動態生成，倡導學生的整體發展，實現了學習理論、課改理念、學科教學和計算機技術的協調統一。

技術實現

隨著多媒體技術在課堂教學中應用的日益廣泛，人們逐漸認識到計算機輔助教學涉及學科教學、教育教學理論、計算機軟硬件技術及美學等多方面能力。本文將三維虛擬技術、LabVIEW技術與物理高效課堂建設相融合，涵蓋以Cult3D為核心的三維虛擬技術、以LabVIEW軟件為平臺的軟硬件技術以及二者的接口技術。

以Cult3D為核心的三維虛擬技術路線

1）首先用3Ds max軟件根據教學需要設計三維模型或物理場景，將建好的三維模型輸出為*.C3D格式文件。

2）將3Ds max中輸出的*.C3D格式文件導入Cult3D軟件，為模型或物理場景設置交互動作，設置完成后將文件保存為Cult3D Project文件，文件格式選擇為*.c3p，以便于以后修改。

3）最后利用Cult3D軟件中File菜單下的Save Interment file菜單將3D模型以*.CO格式導出[4]。

（注：模型在3Ds max軟件和Cult3D軟件之間導出導入過程及模型使用和操作時需注意的事項和外掛插件詳見本文參考文獻[4]。）

LabVIEW軟件技術路線

LabVIEW軟件開發的應用程序由前面板、后面板（或稱流程圖）以及圖標/連結器3部分組成。前面板是應用程序的界面，即人機交互的窗口，該窗口主要由控制量和顯示量構成，其控制量是數據輸入端，用于提供輸入數據和控制信號，而顯示量則是顯示窗口，用于顯示經分析、處理后的數據；后面板是應用程序的代碼部分，即流程圖，也是核心，開發者在后面板上進行編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能；圖標是子程序在其他程序框圖中被調用的節點表現形式，而連接器則表示節點數據的輸入/輸出口，就像函數的參數。此外，LabVIEW軟件里提供的選項卡控件可以方便、快捷的對教學內容及教學目標、重難點突破等環節進行整合[5]。

三維虛擬與LabVIEW技術的整合路線

LabVIEW軟件支持對ActiveX控件的調用，因此，可以實現LabVIEW技術與三維虛擬技術的結合。整合步驟如下：

1）在前面板上創建ActiveX Container對象；

2）為ActiveX Container對象創建Cult3D ActiveX Player控制量；

3）切換到程序后面板，引入“Invoke Node”函數，連接Cult3D ActiveX Player控件的輸出端口和Invoke Node函數的Reference輸入數據端口，選擇“LoadCult3D”方法，打開Cult3D中輸出的*. Co文件；

4）為FileName創建數據輸入端口創建輸入控件，在輸入控件中輸入*. Co文件路徑及文件名，加載經Cult3D加工的三維模型或物理場景；

5）點擊運行按鈕，即可在前面板上看到三維模型或物理場景[4,6]。

至此，以Cult3D技術為核心的三維模型或物理場景便可以在LabVIEW環境中運行，Cult3D軟件中所設定的用鼠標、鍵盤等外設進行手動控制或自動控制的交互都可以在該環境下實現。筆者開發的LabVIEW環境下的三維虛擬示波器的用戶界面及程序框圖。

三維虛擬與LabVIEW技術整合的優勢

提供了“學生為主體，教師為主導”的教學平臺

新課程強調“學生為主體，教師為主導”的高效課堂模式，三維虛擬與LabVIEW整合技術為高效課堂實施過程中師生角色的合理分配提供了平臺，教師借助平臺合理地組織和加工教材，將抽象內容形象化，將繁雜的內容通俗化，將知識體系條理化；學生利用平臺親身體驗過程、掌握方法，通過自主、合作、探究學習掌握基礎知識和基本技能，進而內化為學習能力。就物理學科特點而言，整合技術目前是物理教學中實現“讓學生獲得全維度發展”的高效課堂的最佳途徑。

切實提高了課堂效率

實踐表明，對學生而言，學習物理的難點不是因為物理規律或公式不熟，而是難以想象完整的物理情景，以至于無法準確地判斷物理過程，最終導致課堂的低效，甚至無效。三維虛擬技術側重于創設形象的物理情境，LabVIEW技術注重精確的數據采集，這兩種技術以工具的形式與教學內容有機融合，符合學生感性上升到理性的認知規律和形象到抽象的思維方式，實現了認知和思維方式的過渡和統一，為新課程實施創造了有效的教與學的方式。整合技術憑借這些優勢，關注教與學的過程和方法，關注學習行為的可持續發展，關注學習者的終身發展，全維度地提高教學效率，賦予“高效課堂”真正含義。

重新詮釋了計算機輔助教學的概念

傳統的多媒體輔助教學技術之所以經常受到批判，主要是因為技術脫離教育理論和教學內容而導致的虛擬化和程序化，淡化了“自主”、“探究”的學習過程和方法。三維技術與LabVIEW技術的整合賦予多媒體技術新的含義，使多媒體教學不再僅限于程序化的展示，師生可以根據需要靈活地增加各種設計性內容，自行設計各種軟面板，以各種形式表達輸出檢測結果，實時進行分析，讓學生經歷充分的體驗和探究，還物理課堂真實、形象的本色。同時也為多媒體輔助教學技術開辟了新的發展方向。■

[1]楊興華.全方位構建高效學習的有效途徑[J].文教資料,2010(3)

[2]鐘啟全.現代課程論[M].上海:上海教育出版社,2003

[3]莫雷.教育心理學[M].北京:高等教育出版社,2003

[4]撒鳳杰,蔡建樂,張飛剛.LabVIE和三維虛擬現實技術在物理實驗中的應用研究[J].科學技術與工程,2009(22)

[5]王磊,陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京:電子工業出版社,2007

[6]潘華,李安,胡柏青.Cult3D虛擬現實在導航裝備在線監測系統中的應用研究[J].科學技術與工程,2007(6)

（作者單位：湖北省宜昌市遠安縣電教儀器設備站）

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

作者：撒鳳杰，碩士研究生，研究方向為物理課程與教學論。