AR虛擬交互技術(shù)應(yīng)用于青少年氣象科普的優(yōu)勢(shì)研究

摘 要：氣象事業(yè)是科技型、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的公益事業(yè)，而氣象科普是推動(dòng)氣象事業(yè)發(fā)展的重要力量。青少年是氣象科普的重點(diǎn)人群，應(yīng)精準(zhǔn)定位，設(shè)計(jì)出符合青少年需求的氣象科普產(chǎn)品。分析氣象科普?qǐng)龅睾突顒?dòng)對(duì)產(chǎn)品的需求、現(xiàn)階段氣象科普產(chǎn)品存在的問題，以及AR虛擬交互技術(shù)在氣象科普工作中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出符合青少年需求的氣象科普交互產(chǎn)品并加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氣象科普；青少年科普；科普產(chǎn)品；AR虛擬交互技術(shù)；交互設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P4-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

在國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》中指出，要激發(fā)青少年的好奇心和想象力，增強(qiáng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，為加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)夯實(shí)人才基礎(chǔ)。近年來(lái)，中國(guó)氣象局以國(guó)家教育改革需求為導(dǎo)向，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、科技部、教育部不斷推進(jìn)中小學(xué)“校園氣象科技教育”工作，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。當(dāng)前，青少年對(duì)氣象科普知識(shí)的學(xué)習(xí)多來(lái)自傳統(tǒng)宣傳冊(cè)或科普知識(shí)講座等，存在對(duì)氣象知識(shí)的普及率不高，傳播效果不佳等問題。

1 氣象科普產(chǎn)品的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 氣象科普產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景

1.1.1 氣象部門場(chǎng)所

隨著社會(huì)對(duì)青少年科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的重視和中小學(xué)校對(duì)氣象科普需求的提升。近年來(lái)，氣象部門加強(qiáng)對(duì)氣象觀測(cè)場(chǎng)、氣象臺(tái)站、氣象演播室等場(chǎng)所建設(shè)，并新建氣象科普基地、氣象科普館等專業(yè)場(chǎng)所，但相對(duì)應(yīng)的氣象科技能力現(xiàn)代化的最新成果還未得到普及。在世界氣象日、全國(guó)防災(zāi)減災(zāi)日等重大活動(dòng)中的應(yīng)用不充分。因此，發(fā)揮場(chǎng)所優(yōu)勢(shì)，開發(fā)符合場(chǎng)景空間的科普產(chǎn)品是亟須解決的問題。

1.1.2 社會(huì)場(chǎng)所

氣象部門除利用自身場(chǎng)地設(shè)備優(yōu)勢(shì)外，常見開展氣象科普活動(dòng)的場(chǎng)所還有社區(qū)、學(xué)校、文化類公益場(chǎng)所等?；趫?chǎng)地中沒有特定的氣象元素，因此，氣象科普講座是主要的科普形式，可青少年的注意力集中時(shí)間有限，導(dǎo)致科普效果不佳。如何通過技術(shù)手段讓氣象科普知識(shí)“走出去”，具象化地展現(xiàn)，讓青少年沉浸式地感受、了解氣象防災(zāi)減災(zāi)科普知識(shí)，激發(fā)廣大青少年探索科學(xué)的興趣，是氣象科普工作的思考重點(diǎn)。

1.2 氣象科普產(chǎn)品的類型

1.2.1 實(shí)物科普產(chǎn)品

因氣象科普對(duì)象多為中小學(xué)生，常見的科普產(chǎn)品如科普繪本、科普游戲棋[1]。其中，不乏氣象裝備等拼搭模型。近年來(lái)，結(jié)合《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》提出的“引導(dǎo)學(xué)生從日常學(xué)習(xí)生活中提出具有教育意義的活動(dòng)主題，使學(xué)生獲得關(guān)于自我的真實(shí)體驗(yàn)，建立學(xué)習(xí)與生活的有機(jī)聯(lián)系”，研發(fā)出“小小氣象站”等氣象科普實(shí)驗(yàn)套裝。隨著產(chǎn)品逐漸多元化，設(shè)計(jì)產(chǎn)品更多考慮了傳播對(duì)象的實(shí)際需求。但實(shí)物產(chǎn)品有著體驗(yàn)周期長(zhǎng)、難以現(xiàn)場(chǎng)反饋等缺點(diǎn)，導(dǎo)致在科普活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)收獲知識(shí)和體驗(yàn)的效果不佳。

1.2.2 音視頻科普作品

氣象部門圍繞天氣現(xiàn)象等主題推出一系列的氣象科普音視頻短片。類型包括氣象首席講科普知識(shí)，科普動(dòng)畫、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科普短劇等。這些作品多通過中國(guó)氣象科普網(wǎng)站、各省市的氣象新媒體賬號(hào)對(duì)外發(fā)布，時(shí)長(zhǎng)多為3～5分鐘。但從第51次《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，青少年在課余時(shí)間接觸電子設(shè)備更傾向收看短視頻，長(zhǎng)視頻難以吸引青少年，且科普內(nèi)容偏成人化，難以激發(fā)青少年的興趣。

1.2.3 在線互動(dòng)型科普產(chǎn)品

相較上述2種科普產(chǎn)品，在線互動(dòng)型的科普產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)間較短，形式較為新穎。丁書萍[2]在其搭建的宣傳氣象科普知識(shí)的學(xué)習(xí)平臺(tái)中，介紹了平臺(tái)通過在線答題、積分排名等形式吸引用戶參與，提升了氣象科普宣傳的主動(dòng)性、互動(dòng)性和娛樂性。陳曉穎[3]則結(jié)合了廣東天氣多風(fēng)的特點(diǎn)，搭建了“特征風(fēng)”的初步框架，對(duì)氣象要素進(jìn)行了擬人化設(shè)計(jì)，讓青少年更直觀地理解氣象科普知識(shí)。江西省氣象局也設(shè)計(jì)了氣象百葉箱的微信表情包，除日常問候外，加入了如“雨雪風(fēng)霜 有我陪你”等氣象術(shù)語(yǔ)，讓用戶在日常對(duì)話中了解氣象科普知識(shí)。

2 氣象科普產(chǎn)品應(yīng)用存在的問題

2.1 過度依賴科普?qǐng)龅?/p>

氣象行業(yè)的科技性較強(qiáng)，氣象科普?qǐng)鲳^、科普研學(xué)基地等場(chǎng)地容納空間有限，且無(wú)法達(dá)到專業(yè)科技館、博物館等維護(hù)檢修頻次，也未配備專業(yè)的管理講解人員。這使得氣象科普教育在提高公眾對(duì)氣象知識(shí)的認(rèn)知和興趣方面面臨挑戰(zhàn)。

2.2 傳播形式單一，缺乏趣味性

在科普音視頻作品中，雖然在信息技術(shù)的輔助下，音視頻畫質(zhì)更清晰，特效更精致。但核心的氣象知識(shí)依然存在難以理解的問題。如何將枯燥、難懂的氣象知識(shí)講得通俗易懂，是當(dāng)前氣象科普工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.3 缺乏現(xiàn)場(chǎng)反饋的產(chǎn)品體驗(yàn)

現(xiàn)階段，科普產(chǎn)品相較以往的宣傳冊(cè)更加豐富，但實(shí)物產(chǎn)品更多作為現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)后的紀(jì)念品，難以激發(fā)青少年興趣。因此，如何開發(fā)更具吸引力和互動(dòng)性的科普產(chǎn)品成為亟待解決的問題。

2.4 忽視青少年的情感需求

傳統(tǒng)的氣象科普更多關(guān)注數(shù)據(jù)的精確性和對(duì)科學(xué)原理的講解，缺少與青少年情感共鳴的元素。這使得很多年輕人在接觸氣象知識(shí)時(shí)，不能夠真正產(chǎn)生興趣，進(jìn)而影響他們的學(xué)習(xí)積極性。

3 AR虛擬交互技術(shù)在氣象中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1.1 科普?qǐng)龅?/p>

根據(jù)中國(guó)氣象科普網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，當(dāng)前我國(guó)已建立了461個(gè)國(guó)家級(jí)氣象科普教育基地。遍布全國(guó)各省市縣，成為氣象知識(shí)傳播的重要陣地。其中，一些創(chuàng)新先驅(qū)已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬交互技術(shù)融入展覽。例如，南寧市氣象部門的賴雨薇[4]設(shè)計(jì)了一面基于雷達(dá)投影技術(shù)的AR觸控氣象科普展示墻。參觀者通過輕觸墻面來(lái)激活音頻和動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)身臨其境的互動(dòng)體驗(yàn)。這一創(chuàng)意為數(shù)字化科普?qǐng)鏊慕ㄔO(shè)提供了新的思路。

3.1.2 輔助演繹

通過AR虛擬交互技術(shù)可以模擬降雨、積水環(huán)境及氣象災(zāi)害等場(chǎng)景。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入氣象科普領(lǐng)域，能夠突破傳統(tǒng)二維界面，融合聲、電、形等三維立體展示場(chǎng)景，青少年能通過動(dòng)畫演繹形象地觀摩氣象景觀，更深入地理解氣象科普知識(shí)。

3.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.2.1 場(chǎng)景應(yīng)用靈活

與傳統(tǒng)的實(shí)物科普產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)氣象科普音視頻作品在場(chǎng)地和傳播載體上的局限性相比，AR虛擬交互技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景更為靈活。作為一種信息技術(shù)，它可以在氣象科普?qǐng)鲳^中利用識(shí)別圖文觸發(fā)生動(dòng)的交互動(dòng)畫。此外，觸發(fā)圖文還能夠被印刷在科普宣傳冊(cè)和紀(jì)念品上，甚至可以融入網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的科普音視頻作品。配備AR功能的氣象繪本、卡片和教具等實(shí)物媒介，也能有效減少氣象科普傳播對(duì)專業(yè)場(chǎng)地的依賴，從而顯著增強(qiáng)科普傳播效果。

3.2.2 傳播形式富有趣味性

研究表明，在教學(xué)中應(yīng)用AR虛擬交互技術(shù)展示所學(xué)知識(shí)比傳統(tǒng)板書的教學(xué)效果更好[5]。因?yàn)锳R虛擬交互技術(shù)不受場(chǎng)景、載體的限制，表現(xiàn)形式更為靈活。將AR虛擬交互技術(shù)與實(shí)際場(chǎng)景生動(dòng)結(jié)合，能大幅提升知識(shí)傳播的趣味性，增強(qiáng)青少年的體驗(yàn)感，增強(qiáng)氣象科普的傳播效果。

3.2.3 學(xué)習(xí)體驗(yàn)反饋及時(shí)

應(yīng)用AR虛擬交互技術(shù)的科普活動(dòng)通過視覺、聽覺、觸覺等感官激發(fā)青少年的興趣，讓展示的動(dòng)畫更加真實(shí)，有效增強(qiáng)青少年的參與性。通過人機(jī)交互，青少年可以主動(dòng)探索，同時(shí)滿足多位青少年根據(jù)交互效果進(jìn)行體驗(yàn)交流。這種反饋體驗(yàn)的及時(shí)性是傳統(tǒng)科普模式所不具備的。

3.2.4 關(guān)注情感需求

一方面，AR虛擬交互技術(shù)可在真實(shí)空間，立體化、動(dòng)態(tài)化、形象化地展示專業(yè)枯燥的氣象原理，對(duì)認(rèn)知水平尚處發(fā)育階段的青少年具有較好的引導(dǎo)和教育作用；另一方面，AR虛擬交互技術(shù)構(gòu)建的人機(jī)交互體驗(yàn)體現(xiàn)了對(duì)青少年情感需求的關(guān)懷，青少年可以通過自身需求與動(dòng)畫產(chǎn)生不同的交互，做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)或操作。通過增進(jìn)與產(chǎn)品之間的相互交流，達(dá)到寓教于樂的效果，增強(qiáng)用戶黏性。

4 氣象科普交互產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

4.1 總體構(gòu)架

結(jié)合所在工作場(chǎng)景對(duì)氣象科普工作的實(shí)際需求，發(fā)揮將AR虛擬交互技術(shù)應(yīng)用于氣象科普產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)制作了氣象科普交互產(chǎn)品。青少年用戶可以在移動(dòng)設(shè)備裝載交互應(yīng)用軟件，通過掃描識(shí)別圖，學(xué)習(xí)觀察云團(tuán)降水的過程，掌握降水氣象科普原理。

4.2 功能設(shè)計(jì)

使用移動(dòng)設(shè)備打開交互氣象科普軟件進(jìn)入相機(jī)界面，移動(dòng)至識(shí)別物料圖卡正上方進(jìn)行掃描，觸發(fā)識(shí)別物料圖卡動(dòng)畫感應(yīng)，在移動(dòng)設(shè)備端可見云團(tuán)形成、集云成雨等三維交互動(dòng)畫效果（圖1）。

隨著動(dòng)畫演繹，伴有下雨和打雷的音效，從視覺、聽覺、觸覺感官刺激青少年的主動(dòng)學(xué)習(xí)。為更好地展示AR虛擬交互動(dòng)畫，共設(shè)計(jì)了4種手勢(shì)觸發(fā)動(dòng)畫的不同演繹（圖2）。

第一，單手指引拖拽。將識(shí)別物料置于水平桌面，用手機(jī)掃描桌面上的識(shí)別物料，可在掃描識(shí)別物料的移動(dòng)設(shè)備上生成動(dòng)畫，用單一手指長(zhǎng)觸三維模型進(jìn)行拖拽，可見交互動(dòng)畫模型位移。

第二，單手畫圈旋轉(zhuǎn)。通過單一手指點(diǎn)觸電子設(shè)備的屏幕，觸發(fā)三維模型動(dòng)畫的人機(jī)交互模式，通過順時(shí)針或逆時(shí)針的滑動(dòng)手指控制動(dòng)畫模型旋轉(zhuǎn)（圖3），360°觀察學(xué)習(xí)動(dòng)畫知識(shí)原理。

圖1" 用戶手機(jī)屏幕截圖

圖2" AR虛擬交互操作流程

圖3" 單一手指觸發(fā)動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)

第三，單手升降控制大小。將識(shí)別物料放置水平位置，單手旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)識(shí)別物料圖，觸發(fā)的三維動(dòng)畫模型會(huì)依附于此物料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，手持觀察的電子設(shè)備可見動(dòng)畫模型在軟件界面的屏幕上發(fā)生位移；單手將用于觀察的電子設(shè)備上下升降，屏幕中的三維動(dòng)畫模型會(huì)智能判斷與識(shí)別物料圖的距離進(jìn)行放大或縮小。

第四，雙手捏合縮放：兩根手指同時(shí)觸碰屏幕，做開合重復(fù)的指令，可以控制動(dòng)畫模型的縮放，在手持觀察的電子設(shè)備上可見動(dòng)畫模型的變化，從而達(dá)到人機(jī)交互效果。

5 氣象科普交互產(chǎn)品的應(yīng)用情況

該產(chǎn)品在江西省和貴州省的氣象學(xué)會(huì)科普工作中表現(xiàn)出色。通過官方微信、微博等新媒體平臺(tái)發(fā)布了交互產(chǎn)品的操作視頻，并提供了相關(guān)安裝包的獲取方式，讓青少年能夠體驗(yàn)氣象科普的樂趣。在3月23日的世界氣象開放日、5月12日全國(guó)防災(zāi)減災(zāi)日以及氣象科技周等重要活動(dòng)節(jié)點(diǎn)中，該產(chǎn)品有效提升了現(xiàn)場(chǎng)青少年的活躍度和參與度。這一產(chǎn)品成功地將氣象科普的趣味性與科學(xué)性、娛樂性與教育性相結(jié)合，為青少年的學(xué)習(xí)和探索提供了豐富的體驗(yàn)[6]。

6 結(jié)束語(yǔ)

青少年氣象科普工作的核心在于“內(nèi)容為王”，并需要堅(jiān)持需求導(dǎo)向。在未來(lái)的氣象科普活動(dòng)中，應(yīng)圍繞青少年的實(shí)際需求，精心打造優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，明確傳播對(duì)象，充分發(fā)揮氣象科普資源的聚集效應(yīng)。借助AR虛擬交互技術(shù)，設(shè)計(jì)出以青少年為中心的氣象交互科普產(chǎn)品，多維度創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)科普知識(shí)的呈現(xiàn)效果，鞏固他們對(duì)氣象科普知識(shí)的學(xué)習(xí)成效。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉浩，解文娟，張靜，等.氣象災(zāi)害防御類科普游戲的設(shè)計(jì)與思考：以游戲棋“平平安安游四季”為例[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2020，10（9）：94-95，98.

[2] 丁書萍.氣象科普宣傳學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技資訊， 2023，21（21）：245-248.

[3] 陳曉穎，孫嘯，艾文文.融媒體時(shí)代氣象科普宣傳工作的思考：以“特征風(fēng)”氣象科普產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例[J].新聞傳播， 2023（12）：112-114.

[4] 賴雨薇，黃歸蘭，唐耀航，等.基于AR觸控技術(shù)在氣象科普領(lǐng)域的應(yīng)用探索[J].科技傳播，2023，15（21）：20-23.

[5] 侍洪寧，魏謝敏，李佳佳.低學(xué)齡兒童AR美育產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2024，37（5）：136-139.

[6] 王珊.交互語(yǔ)境下兒童科普教育游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2020.

收稿日期：2024-07-11

基金項(xiàng)目：江西省氣象服務(wù)中心自籌經(jīng)費(fèi)科研項(xiàng)目“青少年氣象科普交互產(chǎn)品的設(shè)計(jì)框架研究”（FWZX202209）。

作者簡(jiǎn)介：劉禹杉（1991—），女，江西南昌人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闅庀蠓?wù)與應(yīng)用氣象、氣象科普。