霍爾沃茲墻氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)在科普館的應(yīng)用

潘淑杰 劉琳

（1.天津市氣象服務(wù)中心，天津 300074； 2.北京鼎力合眾科技有限公司，北京 102600）

1 項(xiàng)目背景及必要性

1.1 項(xiàng)目介紹

霍爾沃茲墻系統(tǒng)，通過手指觸碰墻面上影像就會(huì)魔法般地出現(xiàn)神奇動(dòng)畫影像。該系統(tǒng)屬首次在氣象科普領(lǐng)域應(yīng)用。本項(xiàng)目是天津市氣象服務(wù)中心與北京鼎力合眾科技有限公司聯(lián)合開發(fā)，依托天津市氣象科普教育基地，氣象科學(xué)專業(yè)人才與北京鼎力合眾科技有限公司在計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件開發(fā)、氣象科普展品研發(fā)方面的優(yōu)秀技術(shù)能力，于2019年聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)完成“ 霍爾沃茲墻氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)”，并在多家氣象科普館應(yīng)用，該項(xiàng)目做到受眾面廣的互動(dòng)體驗(yàn)產(chǎn)品，將氣象觀測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)流程展現(xiàn)，可觸摸點(diǎn)擊，具有身臨其境效果。在一定程度上提升氣象科普館的現(xiàn)代化水平，增加能夠反映多媒體、動(dòng)畫、聲、光、電相結(jié)合的高科技?xì)庀笱b備設(shè)施投入，通過公眾動(dòng)手實(shí)地進(jìn)行演示，提高展覽的“可參與性”“可實(shí)驗(yàn)性”和“可思考性”，激發(fā)公眾的科普實(shí)踐精神和興趣，讓公眾掌握氣象科普知識(shí)和技能[1]。

1.2 項(xiàng)目的背景

1.2.1 發(fā)揮氣象科普教育基地作用，提高全民科學(xué)素質(zhì)

科普是提高全民科學(xué)素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是基礎(chǔ)性工作，更是一項(xiàng)戰(zhàn)略性任務(wù)。2016年5月，習(xí)近平總書記在“科技三會(huì)”上提出:“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。沒有全民科學(xué)素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實(shí)現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化”。氣象作為公眾生活不可或缺的服務(wù)，從古至今人們都在利用氣象服務(wù)于生產(chǎn)生活，同時(shí)也在面對(duì)不同氣象災(zāi)害帶來的影響，而氣象科普與氣象服務(wù)工作也一直在開展，但傳統(tǒng)的方式不能提高公眾對(duì)氣象科學(xué)知識(shí)的興趣和關(guān)注，加快氣象科學(xué)知識(shí)的傳播，發(fā)揮氣象科普教育基地的科普宣傳作用是當(dāng)前氣象科普的重要工作內(nèi)容，做好氣象科普關(guān)系到公眾對(duì)氣象災(zāi)害的認(rèn)知和防御能力的提升[2]。所以，需要將科學(xué)知識(shí)以互動(dòng)展品形式讓公眾來體驗(yàn)，成為傳播氣象科普的重要手段?；诨魻栁制潐π问綒庀缶C合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)展品是依托氣象科普基地可以給公眾以及氣象從業(yè)者更全面了解氣象業(yè)務(wù)提供一個(gè)更直觀、便捷的可視化展品。

1.2.2 從小培養(yǎng)，提高學(xué)生對(duì)氣象的興趣

當(dāng)前全國(guó)氣象災(zāi)害越來越多，也越來越重，公眾防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)能力也在不斷加強(qiáng)，但因?yàn)榭破招麄魍緩絾我?、效果不好，氣象科普知識(shí)又比較深?yuàn)W難懂，所以對(duì)大眾普及程度不高。國(guó)家要求將素質(zhì)教育培訓(xùn)納入中小學(xué)教學(xué)，從小培養(yǎng)孩子了解氣象知識(shí)，掌握氣象知識(shí)，提升防災(zāi)自救能力，氣象部門承擔(dān)著重要的氣象科普教育工作?！吨腥A人民共和國(guó)科普法》第十四條要求各類學(xué)校及其他教育機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)把科普作為素質(zhì)教育的重要內(nèi)容，組織學(xué)生開展多種形式的科普活動(dòng)。而氣象部門利用現(xiàn)有的科普教育基地，既可以降低成本、實(shí)現(xiàn)高效，資源共享、合理利用，為科普標(biāo)準(zhǔn)化提供指導(dǎo)，又可以將氣象知識(shí)、氣象災(zāi)害知識(shí)及災(zāi)害防御能力知識(shí)，霍爾沃茲墻系統(tǒng)通過互動(dòng)體驗(yàn)式教學(xué)，讓孩子們更直觀地理解氣象知識(shí)、用好氣象信息、掌握正確方法，提高自己救助和救助他人的能力，同時(shí)對(duì)知識(shí)產(chǎn)生興趣，從而掌握知識(shí)，提高防災(zāi)減災(zāi)和抗災(zāi)能力[3]。

1.3 項(xiàng)目的必要性

具有互動(dòng)功能的科普產(chǎn)品是氣象科普館的重要組成部分，科學(xué)普及是對(duì)青少年進(jìn)行社會(huì)教育的重要內(nèi)容，如何將枯燥、難懂、深?yuàn)W的科學(xué)知識(shí)通過具體、形象、有趣的科普產(chǎn)品展示給受眾，并能通過互動(dòng)體驗(yàn)來認(rèn)識(shí)知識(shí)，是科普從業(yè)工作者應(yīng)當(dāng)研究的課題之一。

氣象知識(shí)內(nèi)容豐富，但專業(yè)性強(qiáng)，枯燥難懂，面向社會(huì)公眾普及比較困難，以往通過畫冊(cè)、展板、宣傳冊(cè)進(jìn)行的傳播，多是被動(dòng)傳播，很難引起公眾的興趣，而面對(duì)頻繁發(fā)生的氣象災(zāi)害，又不能通過現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)來了解災(zāi)害，所以迫切需要將知識(shí)通過互動(dòng)展品方式和體驗(yàn)方式傳播。基于霍爾沃茲墻的氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)展品，將工程技術(shù)、藝術(shù)、文化知識(shí)、科學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)有效融合在一起，進(jìn)一步擴(kuò)充了知識(shí)性和科學(xué)性，從而為公眾系統(tǒng)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[4]。

2 項(xiàng)目研究的技術(shù)路線和方法

2.1 研究的技術(shù)路線

“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)”采用墻面觸摸技術(shù)，是利用投影機(jī)進(jìn)行交互展示的一體化設(shè)計(jì)，是一種可以直接在墻面實(shí)現(xiàn)交互的技術(shù)，即通過投影互動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。不同于常規(guī)氣象展品的是，霍爾沃茲墻是一款實(shí)景造型與多媒體內(nèi)容相結(jié)合的互動(dòng)產(chǎn)品。參與者用手指觸摸墻面上的圖形，通過磁線圈感應(yīng)，靜面的造型墻就會(huì)呈現(xiàn)出夢(mèng)幻的效果。令人感覺手有魔法一般，觸摸墻面的文字圖標(biāo)，自動(dòng)氣象站就開始工作記錄風(fēng)、雨、溫度濕度等的數(shù)據(jù)；手一揮“衛(wèi)星”發(fā)射了，預(yù)報(bào)員便通過衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)制作每日預(yù)報(bào)；再輕輕一點(diǎn)，氣象服務(wù)部開始忙碌播報(bào)天氣預(yù)報(bào)影視微信、廣播節(jié)目等，在光影交錯(cuò)中，令使用者穿越時(shí)空體驗(yàn)了氣象觀測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)過程。項(xiàng)目研究的技術(shù)路線包含以下五個(gè)方面：（1）項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)：體驗(yàn)流程調(diào)研、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、資料采集分類；（2）軟件系統(tǒng)開發(fā)：交互體系開發(fā)、體驗(yàn)?zāi)Ｊ介_發(fā)、科技效果實(shí)現(xiàn)；（3）系統(tǒng)集成開發(fā)：設(shè)備采購(gòu)、系統(tǒng)部署測(cè)試、系統(tǒng)集成開發(fā)；（4）系統(tǒng)內(nèi)測(cè)優(yōu)化：內(nèi)測(cè)版發(fā)布；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試；系統(tǒng)完善優(yōu)化；（5）系統(tǒng)發(fā)布：正式版發(fā)布；應(yīng)用推廣。

2.2 研究的實(shí)現(xiàn)途徑

該系統(tǒng)核心研發(fā)主要分為以下三大體驗(yàn)?zāi)K：

一是氣象觀測(cè)交互板塊設(shè)計(jì)。多功能自動(dòng)氣象觀測(cè)站模型含風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度、雨量等天氣要素，自動(dòng)氣象觀測(cè)站展示通過移動(dòng)通信將全天候自動(dòng)記錄并自動(dòng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的過程，讓公眾了解天氣信息獲取的渠道過程。（1）視角表現(xiàn)：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對(duì)應(yīng)的紅外磁線圈；（2）內(nèi)容包含：氣象要素里溫度、風(fēng)向風(fēng)速、濕度、氣壓、雨量等；（3）交互內(nèi)容：開始體驗(yàn)觸發(fā)，觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取、意義、預(yù)報(bào)知識(shí)點(diǎn)、系統(tǒng)體驗(yàn)菜單。

二是氣象預(yù)報(bào)交互板塊設(shè)計(jì)。氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)展示從衛(wèi)星及觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的云圖、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)軟件、氣象要素，通過預(yù)報(bào)員制作出每日天氣預(yù)報(bào)的過程。（1）視角表現(xiàn)：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對(duì)應(yīng)的紅外磁線圈；（2）預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)包含：風(fēng)云衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)、雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)、MICAPS系統(tǒng)、Wrf數(shù)據(jù)等；（3）交互內(nèi)容：手動(dòng)成功獲得數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)分析、預(yù)報(bào)結(jié)論生成、系統(tǒng)體驗(yàn)菜單。

三是氣象服務(wù)交互板塊設(shè)計(jì)。氣象服務(wù)部分展示氣象部門將氣象數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化成給行業(yè)需求的服務(wù)手段，如制作天氣預(yù)報(bào)影視節(jié)目、短信、微信、廣播節(jié)目等。（1）視角表現(xiàn)：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對(duì)應(yīng)的紅外磁線圈；（2）服務(wù)手段：影視節(jié)目、短信、微信、廣播節(jié)目等；（3）交互內(nèi)容：體驗(yàn)天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布、接收等過程。

參觀者站在墻面互動(dòng)投影系統(tǒng)內(nèi)容，通過采集人體的動(dòng)作，可以直接通過雙手或觸摸體感動(dòng)作與投影幕上的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行之間交互，互動(dòng)效果就會(huì)隨著你的身體動(dòng)作產(chǎn)生相應(yīng)的畫面變化，比如觸摸觀測(cè)場(chǎng)，投影就會(huì)在觀測(cè)場(chǎng)位置投放地面觀測(cè)的視頻介紹，包括要素構(gòu)成、百葉箱、量雨桶的使用及溫度濕度的觀測(cè)等。展品在科學(xué)性的基礎(chǔ)上，引起公眾的興趣，通過公眾在觀看體驗(yàn)過展品之后，增強(qiáng)公眾對(duì)氣象基礎(chǔ)知識(shí)以及工作內(nèi)容和過程的理解，使公眾在輕松、愉悅的氛圍下對(duì)氣象科技有所了解，最終實(shí)現(xiàn)公眾科學(xué)素質(zhì)的提升[5]。

3 研究?jī)?nèi)容和取得的成果

3.1 項(xiàng)目執(zhí)行情況

“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)”項(xiàng)目，建設(shè)3m*2m霍爾沃茲墻，8個(gè)紅外磁線圈，從氣象觀測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)三方面展現(xiàn)氣象工作各環(huán)節(jié)的科技內(nèi)涵。該展品包括多功能自動(dòng)氣象觀測(cè)站模型含風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度、雨量等天氣要素，自動(dòng)氣象觀測(cè)站展示通過移動(dòng)通信將全天候自動(dòng)記錄并自動(dòng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)過程，讓公眾了解天氣信息獲取的渠道過程；氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)展示從衛(wèi)星及觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的云圖、氣象要素再通過預(yù)報(bào)員制作出每日預(yù)報(bào)的過程；氣象服務(wù)部分展示氣象部門將氣象數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化成給行業(yè)需求的服務(wù)手段，如制作天氣預(yù)報(bào)影視節(jié)目、短信、微信、廣播節(jié)目等。該展品可以查閱全年、全月、全天任何時(shí)間的氣象資料，同時(shí)可以批量接納學(xué)生群體的學(xué)習(xí)和研究，能定期對(duì)學(xué)生群體進(jìn)行氣象科普教育。

3.2 活動(dòng)創(chuàng)新點(diǎn)

霍爾沃茲墻特點(diǎn)是：多媒體展示、雙向互動(dòng)；令人驚奇的動(dòng)態(tài)影像交互實(shí)現(xiàn)；交互性、趣味性、娛樂性、實(shí)用性，多種效果表現(xiàn)形式；操作簡(jiǎn)單，人人都可以零距離參與。

霍爾沃茲墻可以展示豐富的內(nèi)容，文字、影音等。公眾可以用肢體與投影畫面中的內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)，帶來一種不同尋常的特技和娛樂交相輝映的效果，猶如魔法一樣，讓墻上的畫面動(dòng)起來，摒棄氣象預(yù)報(bào)整個(gè)制作流程的枯燥，有很好的寓教于樂宣傳效果。無論是氣象要素的獲取還是氣象預(yù)報(bào)的制作，或是氣象服務(wù)的發(fā)送都可以隨意地選擇。奇幻的視覺效果和美妙的動(dòng)感和互動(dòng)觀看，通過互動(dòng)畫面和聲音給學(xué)生或公眾提供又一個(gè)全新的氣象科技體驗(yàn)。

4 成果市場(chǎng)推廣應(yīng)用情況分析

4.1 成果市場(chǎng)推廣情況

該項(xiàng)目完成后首先在天津市氣象局使用，后陸續(xù)在天津市津南區(qū)氣象局、內(nèi)蒙古巴林左旗氣象科普館、江蘇睢寧縣氣象科普館使用，是場(chǎng)館中比較受歡迎的展項(xiàng)。2020年由中國(guó)氣象學(xué)會(huì)推薦參加中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦的“典贊·2020科普中國(guó)宣傳系列活動(dòng)”中獲得優(yōu)秀展覽展品獎(jiǎng)。

4.2 成果市場(chǎng)推廣應(yīng)用分析

1.提升公眾對(duì)氣象的了解度，發(fā)揮群眾氣象災(zāi)害防御積極性。通過該項(xiàng)目建設(shè)，可以使社會(huì)公眾通過簡(jiǎn)單的接觸就能近距離感受氣象預(yù)報(bào)的制作流程，切實(shí)感受到自己身處其中，公眾可以及時(shí)、準(zhǔn)確、客觀、全面地了解氣象預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害相關(guān)知識(shí)信息的權(quán)威、客觀、暢通、可信的渠道，輕松探索氣象的奧秘、感受氣象萬千，學(xué)到書本中所沒有的知識(shí)。不僅加速了公眾對(duì)氣象知識(shí)的好奇，提高公眾的氣象防災(zāi)減災(zāi)能力，使廣大公眾能熟悉天氣預(yù)報(bào)基本知識(shí)，預(yù)報(bào)方法、服務(wù)手段，加強(qiáng)氣象災(zāi)害的防御能力，同時(shí)，也有利于消除公眾疑慮或事先掌握災(zāi)害預(yù)測(cè)信息，避免不必要的損失或把災(zāi)害造成的損失降低到最小的程度，能最大限度地發(fā)揮人民群眾在氣象災(zāi)害防御中的積極主動(dòng)性，增強(qiáng)全社會(huì)防災(zāi)減災(zāi)能力，提高廣大人民群眾的氣象防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展。

2.依托全國(guó)各地科普教育基地，結(jié)合重要時(shí)間點(diǎn)，提高全民科學(xué)素質(zhì)。通過在氣象部門已有的氣象科普教育基地的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)教育系統(tǒng)”，使其能將各類氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)原理、天氣預(yù)報(bào)制作使用的各類模式、軟件和氣象產(chǎn)品采用何種手段服務(wù)等一系列科普知識(shí)集成，在“3.23世界氣象日”“防災(zāi)減災(zāi)日”“航天日”“科技周”和“全國(guó)科普日”等重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，組織開展科普宣傳教育活動(dòng)，面向不同人群開展分層次、寬領(lǐng)域、多手段的科普宣傳、教育、人員培訓(xùn)等，積極推進(jìn)氣象科技知識(shí)的社會(huì)化傳播與普及、增強(qiáng)公眾應(yīng)用氣象信息的能力、引導(dǎo)公眾關(guān)心氣象、理解氣象和應(yīng)用氣象，提升公眾科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)公眾主動(dòng)參與氣象科普活動(dòng)，發(fā)揮氣象科普教育基地的科普宣傳活動(dòng)。

5 存在的問題、建議及下一步研究工作設(shè)想

5.1 存在的問題

一是氣象觀測(cè)環(huán)節(jié)繁多，氣象科普的范圍有待于進(jìn)一步擴(kuò)大，每個(gè)單一的展品與相關(guān)的展品又要有連貫性，在一個(gè)展品中無法全部體現(xiàn)。

二是進(jìn)一步豐富各種渠道，貼合不同職業(yè)、不同年齡段的受眾科普。做到全域科普，使得霍爾沃茲墻系統(tǒng)成為信息化、數(shù)字化、新時(shí)代下衍生的新興宣傳教育平臺(tái)。

5.2 下一步工作設(shè)想

本項(xiàng)目具有很強(qiáng)的延展性，可根據(jù)不同空間開發(fā)一系列內(nèi)容。今后可繼續(xù)開發(fā)各環(huán)節(jié)，如高空探測(cè)、地面觀測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、氣象公共服務(wù)等的氣象科普內(nèi)容，以其極強(qiáng)的新鮮感和互動(dòng)感來吸引體驗(yàn)者。