科普类展陈中的实体交互设计初探

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　　摘要：从科普展陈的角度出发，探索实体交互设计的未来发展方向。基于科普展陈设计和实体交互设计的理论，通过用户调查以及对传统和现代科普展陈进行对比与分析，挖掘用户需求和科普展陈的特点，总结其中的实体交互设计方法，对科普展陈提出切实可行的支持和借鉴。并基于此，为未来科普展陈中的实体交互设计提供思路。
　　关键词：科普展陈;实体交互;交互设计
　　中图分类号：J525
　　文献标识码：A
　　文章编码：1672-7053（2020）02-0043-04
　　科普展陈作为科技馆向外传播科普知识的重要方式，其肩负着对观众普及科学文化知识、提高科学文化素养的重担。在科普展陈中，我们需要运用多种展陈方式来丰富展示内容。实体交互的出现，使得科普展陈在终端上的体现方式更加多彩。实体交互既体现了三维世界中自然直观、易于认知的交互特性，又充分調用了数字世界信息处理和计算的能力，在虚拟世界和现实世界之间架起了一座桥梁。
　　1科普展陈设计
　　1.1科普展陈概述
　　科普展品简而言之就是展示科学文化、普及科学文化知识的产品。而科普展陈不仅包括产品展示，亦涵盖产品的表现及陈列形式。科普展陈具有科学性与生动性，能把传统刻板的文字图像生动化、形象化地展示出来，用以普及科学文化知识。
　　《中华人民共和国科学技术普及法》规定，“各省、自治区和直辖市人民政府和其它有条件的地方人民政府，应当将科普场馆、设施建设纳入城乡建设规划和基本建设计划;对现有科普场馆、设施应当加强利用、维修和改造。”通过政策我们可以看出国家对科普展陈的关注与重视。科普展陈中地域文化主要体现在呈现方式中，无论是文字、图片还是多媒体应用都要符合地域文化的主流思想，甚至实体交互的方式也要符合地域文化中的表达方式。这样能够使得冰冷的科技产品更加具有人性化、情感化[2]。
　　1.2科普展陈现状分析
　　在当代博物馆展示陈列设计中，信息技术的使用越来越普及，交互展项越来越多，它们在展示陈列中发挥着越来越重要的作用[3]。科普类展陈也是如此，随着信息化时代的到来，人们对于利用交互图像、展品模型和视频影像等进行科普的方式越来越有兴趣。传统的科普展陈设计主要侧重于陈列展项的展柜设计形式，而忽略了人和科普内容的互动感、沉浸感。当设计者以沉浸式的方式设计科普展陈内容时，参观者更容易对展品展项进行深入思考和共鸣。例如，中国科学技术馆太空行走的展项（如图1），展品太空行走利用虚拟现实技术，配有操作杆的电动座椅、虚拟现实眼镜、投影仪、操作台等硬件。通过完成维修遭受太空垃圾撞击的空间站任务，让用户以第一视角体验航天员离开太空舱，进入太空完成舱外工作的过程，并认识空间站各组成部分。该展项吸引了大波参观者前来体验感受，从中探索太空知识。
　　如今，科普展陈类展馆的作用不再局限于普及科学知识，它可以是学习中心、娱乐中心甚至是人们思考和交流的场所。科普展陈类展馆逐渐开始突破原有的单一以物为主的展示方法，并成为透过物本身去体验、想象的场所，各类展馆开始倾向于用更多的交互方式来使参观者感受科技魅力。例如，上海科技馆地震历险的展项（如图2），每隔一小时，有工作人员现场演示地震预测原理并模拟地震。人们在展台中通过感受地震能够更加了解自然世界，这种实体交互方式使得参观者更容易投身其中并产生积极的感受。实体交互在科普类展馆的应用不仅体现在国内展馆中，国外许多科普类展馆亦是采用了多种实体交互的方式。例如，芝加哥科学与工业博物馆中煤矿展项（如图3），此展项是是博物馆的首个展览，自1933年首次开放以来参观者络绎不绝，在这里，参观者可以将矿井下降到一个煤矿工人的世界，从而了解多年来机械和采矿方法发生的变化。伦敦科学博物馆超级滑梯展项（如图4）也是通过采用实体交互的方式让参观者体验在不同材质滑梯中的滑行感受，通过娱乐的方式来理解摩擦系数。用实体交互的方式增加参观者体验感更将成为未来科普展陈的发展趋势。
　　1.3科普展陈的特点
　　随着国家对科普工作的日益重视，科普事业正阔步前行。一个综合性的科技馆，对培养青少年的科学文化素养起着决定性的作用[4]。科普展陈的展示方式多种多样，展示方式研究从对物与形式的研究，转向了对展示思维、空间、物、人等多种因素相互交织融合为一个整体的研究[8]。在科普展示形式上，应多借助灯光、材料、塑形、视频、音频、装置等手法，在渲染空间氛围
　　交织融合为一个整体的研究。在科普展示形式上，应多借助的同时将故事情节融入其中，使空间更加直观、清晰地传递展示信息[6]。这种展示方式的更迭在设计实践种得到了充分的发展，从中我们总结了科普展陈具有以下特点：
　　1）具有对外科普的意义。科普展陈作为科技馆向外传播科普知识的重要方式，肩负着对观众提高科学素养的重担。随着多媒体技术以及人机交互的快速发展，科普展陈逐渐摆脱了以往传统展陈的表现方式，采用更加信息化的方式进行传播，既吸引更多的受众，同时增强了用户粘性，达到了科普教育的目的。中华民族传承五千年的文化历史是我们民族的精髓，也是我们民族的瑰宝。我们应该利用科技馆展陈科普的方法，运用新的媒体方式和数字技术，使得中华文化能够借助最新的数字媒体手段得到最有效的保存和传播[7]。例如，图5的科普展示设计是以针灸出发，进而科普有关人体穴位知识。这种民族特有的文化典故赋予了科普展陈独有的文化魅力和中国特色，体验者在文学、历史和视觉感受之间的线索中可以自由转换，增强了体验的丰富性和节奏感[8]。这一形式的展陈不仅能够科普相关的力学知识，还能够传播中华民族丰富的文化内涵。
　　2）唯一性。全国各地科技馆受地理环境的影响，需要结合当地人文风俗、历史文化的特点来进行设计。科普展陈也因此更能体现当地科技水平、材料应用及教育思想的特点。
　　3）简单易懂。由于科普展品是展示科学魅力、普及科学知识的产品，因此其更需要具备直观简单、生动形象地传播特点。只有当受众理解了展陈内容，科普展陈才能达到普及知识的目的。 　　4）多种交互方式相结合。良好的交互体验可以让观众很好地融入到展陈之中，更好地了解相关科学知识、科学方法、科学思想和科学精神，从而达到探索式学习的目的。
　　2实体交互设计
　　2.1实体交互的定义
　　实体交互是人通过与物理环境的互动，来实现与数字化信息发生数据的交换，此定义由MIT媒体实验室的Hiroshi Ishi提出【9】。而实体交互界面是用户通过物理实体和物理环境，与数字信息进行交流互动的界面。通过把计算机系统中数字化的信息转变为实体化的载体，人机交互得以良好地进行。在各种信息通讯技术以及新能源、新材料等技术支持条件下，交互界面实现了物理空间与虚拟空间深度融合共生，以此催生实体交互界面的诞生【10】。
　　2.2实体交互的特征
　　1）实体性。与传统的交互模型相比，通过实物操作，交互方式会更加自然直观地展现。对于一些数字化载体内容，在用户使用的过程中，实体交互实现了界面视觉信息的简单化，突破了图像图形扁平化的局限。
　　2）可用性。在Steve Krug的书中介绍到，现在人们通常管可用性设计叫用户体验设计（User Experience Design，UXD）。可用性是关于人们对如何理解并使用产品的期望值。而交互的实体化使用户对于产品的信息处理更加成功。传统的图形用户界面主要通过手部、眼睛和声音输入信息。交互依托于有形实体，信息的输入和输出将更加自然全面[11]。人们具有的视觉通道、嗅觉通道以及动觉通道均是为实体交互种的可用性提供了设计思路。
　　3）更能突出“以用户为中心”的设计原则。在实体交互的整个系统中，设计者需要通过特定的情境去分析用户，伴随着用户使用产品时对操作的行为反馈，不断进行调整。传统产品设计的造型确定和功能实现方式仅仅建立在用户互动体验之上，而实体交互增加的交互方式则使“以用户为中心”的设计原则更为突出。在科普展陈中，根据“以用户为中心”的设计原则，通过让用户真正参与到展陈中，感受到实体交互的乐趣，更好地了解相关科学知识、科学方法、科学思想和科学精神，从而达到探索式学习的目的。例如，广东科学中心交通世界馆展项（如图7），通过在体验台上的操纵来感受未来交通的畅快与刺激，体验者并未存在于实体交通工具中，仅仅是依靠实体交互带来的视觉、触觉以及动觉的影响来体验未来交通。
　　4）融合了多个领域。在实体交互产品设计中，心理学、社会学、哲学、医学及工程学等研究方法需要应用。同时，传感器、swift编程、感应器、机械制造等技术也是实体交互的基础。随着数字化物联网时代的迅速发展，在语音交互、手势交互、自然交互等交互方式出现之后实体交互应运而生。信息技术的发展，极大地改变了我们的生活、工作和学习方式。网络、图像识别、语言识别、虚拟现实、计算机仿真等技术将慢慢成为我们生活中不可缺少的部分。如上海科技馆信息时代展馆虚拟训狗展项（如图8），通过语音识别技术和虚拟现实来使体验者感受到训狗的乐趣。当参观者对着话筒说向左向右跑停等指令时，屏幕上的小狗就会做出相应的动作，进而进行虚拟训狗。
　　3科普展陈中的实体交互设计分析
　　“19世纪的‘文化’由小说定义，20世纪的‘文化’由电影定义，而21世纪的‘文化’将会由交互界面定义。”Aaron Koblin曾在他的TED2011演讲中引用了Lev Manovich的这段话【12】。随着生活环境、消费心理的不断提升与改善，人们对生活质量提出了更高的要求，同时对获取信息的互联网交互技术产生了更大的需求。交互设计致力于通过简约化、情感化、生活化、智能化的方式来提高用户的生活质量。科技展品这类特殊的交互式产品，它的用户群体相对广泛，几乎包含各年龄阶段的人。因此，在营造适合用户情感的氛围、使用户产生积极的情绪等问题中更需要斟酌考量。
　　实体交互的出现使科普展陈在终端上的体现方式更加丰富。实体交互既体现了三维世界自然直观、易于认知的交互特性，又充分调用了数字世界信息处理和计算的能力，为虚拟世界和现实世界架起一座桥梁。而科技馆作为青少年的“第二课堂”，意味着科普展陈肩负着重大使命[4]。它通过丰富的展陈方式吸引了大量用户，在其中发挥了重要作用。在面对艺术与设计正朝着数字化时代需求快速变化、适应和发展的同时，拥抱数字技术将会是必然的选择。基于实体交互技术的科普展陈也必将在这样的时代背景下发展壮大。
　　虽然目前我国科技馆建设如火如荼地进行，但作为科技馆的基础――科普展陈装置却一直没有相应的标准规范。在科技展陈的设计中，人机安全一直是人们最关心的问题。尤其是实体交互的展陈，更需要考慮到环境、展陈方式等各方面因素的影响。在满足安全原则的基础之上，对造型、功能、交互三者进行平衡设计。在无人指导的情况下，过度操作在所难免。这就对科普展陈装置的使用寿命提出了考验，因此，在材料的选择以及制作工艺的考量上需要考虑到这一点，避免增加维修成本及时间。
　　目前，科技馆的科普展陈还存在一些局限性。因此，在未来科普展陈中，有科普教育意义的展品才是发展的终极方向。而科普展陈中的交互设计需要简明直观地直接操作，所谓直接操作就是指通过取代讯息或移动讯息等直接动作来进行交互，并且不需要明确的命令修改讯息，如一般文书处理或屏幕编辑器等。例如，笔者所参与的科普展陈中“零和无穷大”的项目（如图9），当游客进入通道后，可以通过墙壁上的投影了解到零和无穷大之间的关系与数学发展历程。因此，当实体展品简单易学、并能及时给出相应反馈时，用户不仅能感到愉悦，更能直接地了解一些复杂的科学原理和高新科技。如图10为笔者参与的科普展陈中“会排队的铁屑”展项，该展项通过展示小铁屑在磁场作用下的排列情况，模拟磁场磁力线的分布，阐释磁场的存在和影响。启发了我们磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的，具有科普教育意义。 　　相对与其他空间来说，科技馆具有的空间和技术优势使得展品的特点都可以体现出来。我们在丰富科普内容、优化科普形式的同时也要增强趣味性。如图11的“牛顿第三定律”展项，向大家展示作用力与反作用力的特性及其使用环境，演示过程直观，趣味性满满。该展项中的火箭在使用时，由底座向气球充气，持续充气的力会使火箭挣脱磁铁的吸附作用，气球向下喷气所造成的反作用力会使火箭升空，从而在科普教育的同时也实现了趣味性。
　　4科普展陈中的实体交互设计方案
　　4.1项目介绍
　　1）项目名称：滑轮的艺术
　　2）展示形式：实体互动体验
　　3）展示内容：通过“滑轮的艺术”展项，表现了滑轮组既能省力又能改变用力方向的特点，该展项以典型应用范例进行说明，在实际使用中，有几组动滑轮拉动弓箭时使用的力是没有动滑轮拉动时的几分之一。“滑轮的艺术”展项综合展示了滑轮和滑轮组的特性，并为参观者提供了若干互动滑轮组小游戏，演示情景直观易懂，富有趣味性和知识性。
　　4.2设计定位
　　1）产品定义：滑轮是用来提升重物并能省力的简单机械。滑轮是一个周边有槽，能够绕轴转动的小轮。由可绕中心轴转动有沟槽的圆盘和跨过圆盘的柔索（绳、胶带、钢索、链条等）所组成的可以绕着中心轴旋转的简单机械叫做滑轮。通过智能引导，使用者感受到有几组动滑轮拉动弓箭时实际使用的力是没有动滑轮拉动时的几分之一，达到展示滑轮和滑轮组既省力又能改变用力方向特性的目的。
　　2）使用人群定位：参观科技馆及科普场所的人群。该设计的使用人群大多为青少年，对于青少年来说，科技馆是科普教育传播基地，是青少年解惑授业的启蒙之地，肩负着对青少年树立正确人生观、价值观培养的重担[4]。对于成年人来说，该设计亦能达到了解滑轮原理的目的。
　　3）使用环境定位：科技馆及科普场所。
　　4.3设计创新点
　　传统科技馆展陈有关滑轮科普的形式大多数为“自己拉自己”，即通过改变滑轮组中动滑轮和定滑轮的数量来体验用不同的力量将自己拉起来。操作方式为用户坐在椅子上，双手分别用力拉面前的绳子，将自己拉起来。使用的原理便是利用定滑轮和动滑轮组成滑轮组的省力优势来提升物体。这对黄金搭档组合在一起，既可以改变力的方向，还可以省力。所以，我们只需要稍微用力就可以把自己拉起来。
　　考虑到现有有关滑轮的科普展陈过于单调，笔者决定设计一款，符合科普滑轮原理的实体交互产品。
　　主要创新点如下：
　　1）使用弓箭造型。改变了原有的使用动作，通過有几组动滑轮拉动弓箭时实际使用的力是没有动滑轮拉动时的几分之一的原理，来表现滑轮组既能省力又能改变用力方向的优点。既能达到科普教育的目的，又具有一定的创新发展性。
　　2）采用实体交互模式。当用户使用的力量一定时，由于滑轮组的差异导致不同的弓箭在实际上需要使用的力大小是不同的，反馈信息通过电子显示屏上靶的晃动频率以及数字变化得以展现。这种交互模式明显提升了产品的趣味性和吸引力，改善了智能产品的用户体验。同时这种互动属于轻质互动，通过简单的、直接的映射反馈来进行交互沟通，符合人的潜意识沟通方式。
　　3）增加趣味性。以拉弓箭的形式进行滑轮原理的科普，并为参观者提供若干互动滑轮组小游戏，使演示情景直观易懂，富于趣味性和知识性。
　　4.4草图与效果图设计
　　根据以上的产品分析与调研，本产品展示了滑轮和滑轮组的特性，表现了滑轮组既能省力又能改变用力方向的特点。
　　根据上述分析，得出方案（如图12）：该产品主要包括智能化终端和交互实体。
　　智能化终端：在弓箭中内置数据收集模块及传感器，可记录力的使用大小并检测滑轮组的差异，与交互实体链接，充分调用数字世界的信息存储、交换和计算能力，使信息在电子屏幕上得以呈现。
　　交互实体：通过对弓箭的造型、功能、交互三者平衡设计分析，设计出具有不同滑轮组的弓箭。
　　4.5设计分析
　　1）人机设计分析。在人机系统中，按人接受信息的感觉通道不同，可将显示装置分为视觉显示、听觉显示和触觉显示三个部分[13]。而对于力的体现方式来说，视觉显示无疑是最为直观的展示手段。
　　2）尺寸设计分析。不同年龄段、不同性别的用户使用弓箭的尺寸大小都不一样。
　　3）材料设计分析。科技馆是面向公众开放的场所，其展品大多为实体交互类的互动型装置，在无人指导的情况下，过度操作在所难免。因此，在设计中要着重考虑材料的选择以及制作工艺的考量，对于科普展陈的材料必须选用高标准耐使用的材料，避免增加维修成本及时间。
　　4.6交互流程
　　三组滑轮由于动滑轮和定滑轮数目的不同在使用时会产生不同的效果。通过动滑轮数目的增多，拉力的大小分别变为原先的1/2，1/3以及1/6。
　　当体验者走到该科普展陈的展区，拿起弓箭的时候，电子屏幕便会显示“体验开始”。当体验者使用第一把弓箭的时候，根据有几组动滑轮拉动弓箭时实际使用的力是没有动滑轮拉动时的几分之一，电子显示屏上将会展示动态剑靶受到力作用的晃动频率，以及静态实际用力大小的数值和省力数值（图13）。
　　当体验者使用接下来的几把弓箭时，同理也会出现上述情况，经过对比分析，可以使体验者了解到滑轮组省力和改变运动方向的特点，达到科普教学的目的。
　　5结语
　　现今，科技馆作为一个传播知识和启蒙教育的重要载体正蓬勃发展，实体交互面临着从人机交互单通道虚实分离关系向多通道虚实结合关系的趋势发展，而这种趋势顺应了如今易用性以及用户体验评价的需求。在科技展陈中，通过实物载体的操作与二维数字信息及多媒体媒介相结合，未来科普展陈的方式必定会焕然一新。只有不断地改革创新，探索新的展陈方式和交互技术，并且秉持着“以人为本”的用户体验原则，实体交互设计才能顺应时代的浪潮，稳步前行。 　　在未来科普展陈终端中，运用实体交互设计是有意义的探索，为交互方式的设计提供了一种新的可能。本文基于科普展陈，尝试探索了实体交互设计的研究方向，设计的“滑轮的艺术”展项，表现了滑轮组既能省力又能改变用力方向的特点。该展项以典型应用范例进行说明，有几组动滑轮拉动弓箭时实际使用的力是没有动滑轮拉动时的几分之一。以上研究结论将作为笔者进一步研究实体交互在未来科普展陈终端应用的重要依据，也期望本次研究能为有关设计探索带来新的方向与思考。
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