沉浸式互動設(shè)計在科普展示活動中的應(yīng)用研究

于文文， 楊 勇

（中國礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

人類歷史延續(xù)至今，回顧那些漫長悠久的歲月，沒有任何一個時代， 讓人們看到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對藝術(shù)帶來如此巨大的影響；也沒有任何一個時代，讓如此豐富多彩的插畫、廣告、動畫、電視、電影等數(shù)字化藝術(shù)作品，充斥著人們的視知覺。 在這樣的背景下，藝術(shù)與科技沉浸地、完美地融合在了一起。 隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益盛行和多媒體技術(shù)的興起， 沉浸式理論與交互式體驗被廣泛應(yīng)用于科普活動中；使用多媒體設(shè)備，如投影機，LED 顯示屏和環(huán)行屏幕以及計算機多媒體技術(shù)，如全息投影技術(shù)、體感交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多點觸控技術(shù)等，來達到沉浸式互動的觀展效果和體驗?zāi)Ｊ健?把科普知識巧妙自然地融合進豐富的感官體驗中，從而使參觀者獲得更好的體驗感受，實現(xiàn)寓教于樂的科普目的。 因此，文章嘗試探討沉浸式互動設(shè)計在科普展示活動中的應(yīng)用，梳理出其應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用形式與技術(shù)以及發(fā)展趨勢，以期提升觀眾的參與意識以及獲取信息量的能力，使科普展示信息的限制逐漸從二維空間中消釋，讓科普知識真正融入人們的生活。

1 沉浸式互動設(shè)計概述

沉浸理論最早是在1975 年被美國社會心理學(xué)家米哈里·齊克森米哈里博士提出來的。 理論闡明在日常生活中，人們會將個人注意力完全投入到某些情景當(dāng)中，過濾掉外界的干擾從而進入到一種沉浸的狀態(tài)，這種專注于特定活動所呈現(xiàn)的狀態(tài)也被稱之為“心流”。 “沉浸式互動”最早出現(xiàn)在加拿大的語言教學(xué)模式中， 因其在教學(xué)中的效果顯著，隨后被應(yīng)用到娛樂場所、活動展覽、軟件開發(fā)等多個領(lǐng)域。 在展示活動中，設(shè)計師利用多媒體設(shè)備和多媒體技術(shù)給參觀者帶來豐富的感官體驗以此實現(xiàn)沉浸式互動的設(shè)計和應(yīng)用目的[1]。 沉浸式互動設(shè)計給參觀者帶來身臨其境、別出心裁的感知體驗和認(rèn)知體驗，逐漸得到大眾的認(rèn)可與喜愛，成為一種喜聞樂見的新型展示設(shè)計方式。

2 沉浸式互動設(shè)計在科普展示活動中的應(yīng)用現(xiàn)狀

《體驗經(jīng)濟》 的作者約瑟夫·派恩在書中提到：“體驗是人通過感覺器官對人、事、物進行了解與感知，是個人心智狀態(tài)與特定事件之間互動作用的產(chǎn)物； 強調(diào)重視消費行為發(fā)生時人的心理體驗?！泵绹逃睦韺W(xué)家布魯納提出的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法”表明學(xué)習(xí)過程不是將知識單向傳遞給人，而是人通過一系列發(fā)現(xiàn)行為（如轉(zhuǎn)換、組合、領(lǐng)悟等）主動獲取知識的認(rèn)知過程[2]；表明學(xué)習(xí)過程中體驗的重要性。 兩位理論家分別從經(jīng)濟學(xué)和心理學(xué)的角度闡釋互動體驗的重要性，為沉浸式互動設(shè)計提供了理論依據(jù)。

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和文化生活的日益豐富，民眾對科教活動有了新的需求與期待，人們走進博物館、科技館、天文館、美術(shù)館等場所不僅限于獲取展品本身所呈現(xiàn)的信息，更期望獲得與眾不同的互動體驗。在當(dāng)今的科普展示活動中， 沉浸式互動作為一種新興展示設(shè)計模式仍處在初步發(fā)展階段，有著很大的發(fā)展前景；展示設(shè)計師盡可能地將“體驗主體”與“體驗客體”之間的平衡關(guān)系發(fā)揮到最大化，以達到互動體驗和寓教于樂的目的。沉浸式互動設(shè)計不僅為科普展示活動增添了互動性、趣味性和科學(xué)性，還為參觀者帶來獨出心裁的感官體驗和認(rèn)知體驗。綜上，沉浸式互動設(shè)計在科普展示活動中的應(yīng)用，對于廣大社會民眾來說具有積極影響和劃時代意義。

3 沉浸式互動設(shè)計在科普展示活動中的應(yīng)用理論基礎(chǔ)

3.1 行為主義學(xué)習(xí)理論

行為主義學(xué)習(xí)理論又被稱為“刺激-反應(yīng)”理論，是由美國心理學(xué)流派提出的一種研究學(xué)習(xí)的理論和方法。 行為主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)的過程是刺激與反應(yīng)之間聯(lián)結(jié)的過程，理論家把外界環(huán)境看作是“刺激”，把學(xué)習(xí)者的行為看作是“反應(yīng)”，強調(diào)人所有的行為都是學(xué)習(xí)所得。 因此，在設(shè)計科普展示活動時，設(shè)計師要重視情景的再現(xiàn)，將科學(xué)知識融入到真實自然的情景之中，充分發(fā)揮多媒體設(shè)備和信息技術(shù)的優(yōu)勢，呈現(xiàn)出具有沉浸感的展示空間，結(jié)合場景的“刺激”作用，引導(dǎo)參觀者獲得正確的反應(yīng)。科普活動盡可能具備讓參觀者沉浸其中的能力，為參觀者創(chuàng)造良好的環(huán)境，在交互過程中放大其感受，消除不適當(dāng)?shù)那榫w和行為。

3.2 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論表示學(xué)習(xí)不是老師向?qū)W生傳輸知識的簡單過程，而是學(xué)生以個人經(jīng)驗為基礎(chǔ)，主動獲取并建構(gòu)知識的過程。 簡而言之，學(xué)習(xí)不是被動地接收，而是主動地獲取和建構(gòu)。在科普展示活動中，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用原則：第一，強調(diào)以參觀主體為中心；第二，強調(diào)展示環(huán)境對知識建構(gòu)的影響；第三，強調(diào)運用各種新興媒介和多媒體技術(shù)來引導(dǎo)“學(xué)”；第四，強調(diào)交互過程的最終意義是達成知識的建構(gòu)[3]。 因此，科普展示設(shè)計師在選取展示內(nèi)容時，先要了解參觀者的認(rèn)知特征，不能超過參觀者的經(jīng)驗水平， 建立參觀者已有經(jīng)驗和將要學(xué)習(xí)知識之間的關(guān)系，同時也要增添展示活動的科學(xué)性和趣味性。對于專業(yè)性、科學(xué)性均較高的展示活動，設(shè)計師要給參觀者創(chuàng)造一個循序漸進的學(xué)習(xí)過程，知識難度層層遞增，從而達到更好的科普教育效果。

3.3 交互設(shè)計理論

交互設(shè)計以 “在復(fù)雜的物質(zhì)世界中嵌入信息技術(shù)和多媒體技術(shù)”為中心，著力于去創(chuàng)建“交互主體”與“交互客體”之間的平衡關(guān)系。 在科普展示活動中，展示設(shè)計師充分考慮參觀者與展示空間的聯(lián)系， 將交互行為和交互客體作為設(shè)計對象；運用空間形態(tài)、材料肌理、色彩、動畫、燈光、聲音的變化來傳遞展品信息；應(yīng)用多媒體設(shè)備和多媒體技術(shù)，營造具有沉浸感的情景，為參觀者帶來與眾不同的觀展體驗，使科普展示的效果最大化。

綜上，在設(shè)計科普展示活動的過程中，應(yīng)該以理論為指導(dǎo)基礎(chǔ)。 行為主義理論闡明展覽本身要盡可能利用新興技術(shù)與設(shè)備，為參觀者創(chuàng)造良好的、可被欣賞的展示空間；建構(gòu)主義理論強調(diào)參觀者要具備主動性、積極性，要有意識地與展品進行互動； 交互設(shè)計理論是展館與參觀者之間溝通的橋梁，只有將體驗主客體“優(yōu)勢”放大，才能達到科普教育的最好效果。

4 沉浸式互動設(shè)計在科普活動中的應(yīng)用技術(shù)

4.1 全息投影技術(shù)

全息投影技術(shù)是一種無需佩戴專業(yè)設(shè)備， 裸眼即可看到立體影像的的三維技術(shù)， 指利用干涉原理記錄并重現(xiàn)物體或情景的真實圖像。 展示過程中觀者站在不同的方位通過裸眼觀察，就可以多角度、全范圍地看到物體的三維立體圖像。目前，全息投影技術(shù)有360°全息顯示屏技術(shù)、空氣投影技術(shù)、激光束投影技術(shù)和偽全息投影技術(shù)這四種。 由于科技創(chuàng)新與科學(xué)普及的協(xié)同發(fā)展均具有十分重要的意義，全息投影的形式從文化館、博物館、美術(shù)館應(yīng)用到科普館、研學(xué)基地、科普教育基地等展館。 全息投影技術(shù)打破了科普展示空間中單一、靜態(tài)的展示形式，用多維、動態(tài)的虛擬影像將科普內(nèi)容展示出來，使觀者參與其中，獲得沉浸式的體驗，達到寓教于樂的目的。

2021 年11 月廈門環(huán)衛(wèi)科普館正式開館，作為廈門首個市級綜合性大型環(huán)衛(wèi)科普館，擺脫了傳統(tǒng)枯燥的“填鴨式”宣傳方式，采用沉浸式互動體驗，使參觀者了解垃圾分類的方式和意義。館內(nèi)擁有一臺360°全息投影設(shè)備，見圖1，將人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷睦者\車、廚余垃圾收運車，以及不常見的隧道清洗車等環(huán)衛(wèi)車輛，三維立體地呈現(xiàn)在參觀者眼前， 全面直觀地展現(xiàn)出車輛各部分的功能。 全息投影技術(shù)不僅讓參觀者沉浸式體驗到垃圾分類的整個流程，也有效地推動了科普教育的開展。

圖1 全息投影技術(shù)（廈門環(huán)衛(wèi)科普館）

4.2 體感交互技術(shù)

體感交互技術(shù)是指計算機通過識別體驗者的肢體動作和手勢等信息來獲取命令， 通過算法和相應(yīng)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換， 給予體驗者可視化反饋的新型人機交互方式。 隨著國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)的應(yīng)用， 體感交互因沉浸式和趣味性的交互特征， 成為科普展示活動中最受體驗者歡迎的交互技術(shù)之一，根據(jù)互動形式可以劃分為觸控型、體驗型、沉浸型三種模式。在科普展示設(shè)計中，設(shè)計師應(yīng)遵循適用性、互動性的設(shè)計原則，根據(jù)空間環(huán)境的特點選擇適宜的互動形式，充分考慮到外界因素對交互的影響；同時也應(yīng)考慮交互動作的難易程度，不宜使用太過復(fù)雜的動作，最大程度上方便參觀者與展項進行互動。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院設(shè)計的量子科普館，是以普及量子知識為主題的科普研學(xué)基地，是量子科技發(fā)展的展示平臺。館內(nèi)新穎的科學(xué)互動裝置，讓參觀者有一種沉浸式的體驗， 在互動過程中參觀者不僅可以獲取量子科學(xué)知識，也可以了解量子領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)。量子科普館中的多人體感交互裝置，見圖2，以巨幕量子墻為背景，以“光量子點”為元素，展現(xiàn)“波粒二象性”、“量子糾纏”、“量子隱形傳態(tài)”等現(xiàn)象，通過多樣的色彩和多變的粒子碰撞效果，讓參觀者置身于奇妙的量子世界。

圖2 體感交互技術(shù)（量子科普館）

4.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又被稱為VR，是指利用計算機科學(xué)技術(shù)創(chuàng)建一個仿真的三維立體空間，為參觀者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模仿，使參觀者沉浸到互動的虛擬場景之中，讓參觀者在虛擬世界中獲得最真實的體驗和感受[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包含沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)這四種類型，具有多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性的特征。 在科普展示活動中，VR 是最容易激發(fā)參與者興趣、實現(xiàn)沉浸狀態(tài)的技術(shù)之一。

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科普活動中的應(yīng)用多為兩種形式，其一是裸眼沉浸，通過立體視覺顯示設(shè)備（三維展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)等）再現(xiàn)真實情景，展示過程中參觀者不需佩戴顯示器、追蹤器等設(shè)備，僅憑肉眼就可以看到真實的人文場景或自然景觀， 從而獲得身臨其境的感官體驗； 其二是參觀者通過佩戴VR 眼鏡、VR 一體機等設(shè)備進入虛擬的三維立體空間， 沉浸式互動不僅讓參觀者產(chǎn)生愉悅的體驗感， 也激發(fā)了人們學(xué)習(xí)的欲望以及自主參與性，從而更好的實現(xiàn)科普教育的目的。

2021 年4 月海洋主題沉浸式科普館入駐廈門， 全國首個鯨探海洋科普研學(xué)基地正式啟動。 科普基地采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)壯闊的海底景象，見圖3，帶參觀者一秒穿進海底世界，為參觀者打造一場沉浸的深海之旅。2020年6 月廣東省禁毒科普館正式開放， 這是一所集禁毒知識教育、宣傳教育、警示教育于一體的現(xiàn)代化科普教育基地，展廳運用多媒體展示、虛擬現(xiàn)實體驗、沉浸式互動體驗等方式，向市民普及禁毒知識。 科普館的第二層是VR虛擬體驗區(qū)，見圖4，參觀者戴上VR 眼鏡后，選擇“吸食海洛因模式”，設(shè)備開始模擬人在吸食毒品后所產(chǎn)生的視覺刺激以及聽覺刺激，通過光線給人的眩暈感，讓參觀者體會到毒品的危害性。 在毒駕的VR 體驗中，“吸食大麻”的參觀者視線開始模糊，眼前道路開始傾斜，駕駛的車輛難以走直線；模擬駕駛一分鐘就能明顯的感受到眩暈感，使參觀者在沉浸式的體驗中感受到毒駕的危害性。

圖3 情景再現(xiàn)（鯨探海洋科普研學(xué)基地）

圖4 VR 眼鏡（廣東省禁毒科普館）

4.4 多點觸控技術(shù)

多點觸控技術(shù)又被稱為多重觸控、多點感應(yīng)技術(shù)，是指在沒有傳統(tǒng)的輸入設(shè)備下（鼠標(biāo)、鍵盤等），通過觸摸屏（屏幕、桌面、墻壁等）或觸控板等進行多點或多用戶的人機交互操作模式[5]。多點觸控技術(shù)摒棄了單點觸控的操作模式，參觀者可以用手指進行觸摸，也可以用雙擊、平移、拖拽、滾動、旋轉(zhuǎn)等手勢觸摸屏幕，觸發(fā)對圖文和動作的指令，從而更全面、豐富、立體地了解展品的特征與信息。

廣東省佛山市禁毒教育基地是國內(nèi)首家沉浸體驗式禁毒科普基地，基地引進沉浸式動畫、墻面互動投影、多點觸控等現(xiàn)代化新媒體技術(shù)， 將禁毒知識與互動體驗充分融合。在“毒品銷毀”這個展項中，設(shè)計師運用了多點觸控技術(shù)，設(shè)計了扔球銷毀毒品的游戲互動環(huán)節(jié)，參觀者進入互動區(qū)域，用特質(zhì)小球扔向屏幕中的毒品，將其銷毀并贏得分?jǐn)?shù)，見圖5。 此游戲支持多人多屏同時進行，提升了場地的使用效率。 此外，多點觸摸技術(shù)還應(yīng)用于博物館之中，見圖6，展示設(shè)計師將館內(nèi)的展品收藏進多點觸控屏幕，參觀者可以通過觸摸屏來選擇和欣賞個人感興趣的展品，使展覽更具人性化和個性化。 多點觸控技術(shù)在科普展示中的應(yīng)用，不僅提高了場地的利用率，還加強了參觀者的記憶，激發(fā)了民眾的學(xué)習(xí)興趣，達到寓教于樂的效果。

圖5 多點觸控游戲（佛山市禁毒教育基地）

圖6 多點觸控屏幕

5 沉浸式互動設(shè)計在科普活動中的應(yīng)用趨勢

5.1 以交互手段代替線性手段

在科普活動中，交互性是展覽最重要的特征之一，展品信息不僅限于被展示媒介所承載， 而是與參觀者互動過程中感知并獲得。在傳統(tǒng)的科普展示活動中，參觀者與傳播者有著明顯的界定， 而交互設(shè)計的出現(xiàn)模糊了兩者的界限， 在互動過程中參觀者不僅可以主動選擇自己感興趣的展示信息，還參與介入信息的二次生產(chǎn)與傳播。這與利用實物模型、圖片、文字等載體進行單向線性傳播的傳統(tǒng)模式有著本質(zhì)的區(qū)別。 沉浸式互動設(shè)計可以充分展現(xiàn)出自然界中變幻莫測的現(xiàn)象， 也可以預(yù)知城市未來的發(fā)展規(guī)劃，還可以帶領(lǐng)觀者探索宇宙的奧秘；觀者借助多媒體投影、全息投影、數(shù)字屏幕以及VR 眼鏡等設(shè)備進行互動體驗[6]。目前，越來越多的科普展館（博物館、科技館、天文館）應(yīng)用到沉浸式互動設(shè)計的展示方式，設(shè)立了沉浸式劇場；因參觀者從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等方面得到了更高級別的體驗以及更加身臨其境的互動， 從而獲得了觀眾的高度認(rèn)可，使科普信息的傳播更加有效。

5.2 以體驗為核心的互動設(shè)計

在傳統(tǒng)的展示模式中， 空間的展示陳列方式基本是以靜態(tài)形式來設(shè)計的，空間立面、展示線條、造型都是一些圖片、文字、固定造型、藝術(shù)陳設(shè)等靜態(tài)元素。新媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)展示設(shè)計突破了以往的靜態(tài)模式，向互動體驗的觀念前進。 杜尚曾說過：“總而言之，創(chuàng)造的過程不是藝術(shù)家一個人完成的?！边@說明無論什么作品什么展覽都需要觀眾的參與，需要觀眾從自身的角度出發(fā)去理解、詮釋信息，強調(diào)了觀眾的互動參與和體驗性[7]。這也是當(dāng)今的大勢所需，人們都在追求獨特美好、不可復(fù)制的參與感與體驗感， 以體驗為核心的互動設(shè)計可以充分滿足觀者的感知需求和情感需求。 體驗的目的是為了給予觀者獨特的互動，加深人們對信息的理解。

6 結(jié)論

科普展示作為當(dāng)今普及科學(xué)知識、 推廣科學(xué)技術(shù)，傳播科學(xué)思想的重要途徑，已從單一的展示形式朝多樣化發(fā)展，為科學(xué)與藝術(shù)的融合提供了舞臺。 現(xiàn)階段新媒體技術(shù)在科普展示活動中的應(yīng)用逐漸增多，在這個過程中，展示設(shè)計師需要充分考慮到受眾的參與感與體驗感。通過沉浸式設(shè)計營造出生動情景，增強受眾的交互體驗感，使受眾獲得全身心、全過程、全情感、全方位的沉浸互動，滿足受眾的感官體驗以及多元情感的需求，使受眾更全面深刻地掌握科學(xué)信息。 未來的科普展示活動將更加具有沉浸感，向個性化、人性化發(fā)展，與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系也將越來越緊密，這不僅是對展示形式的創(chuàng)新，也使科學(xué)普及更有效，因此沉浸式互動設(shè)計對科普展示的未來發(fā)展具有重要意義。