談展教融合情景下的虛擬現實與增強現實技術

梁兆正

摘要虛擬現實與增強現實對于科技館來說，既是一種具體技術又是一種展示手段。其中，虛擬現實的最大特點在于可視化，它使不可及變為可觸及；增強現實的最大特點在于虛實結合，它使實景與虛景疊加，實現真實且動態的過程可視化。科技館的展教融合關鍵在于“借題發揮”，“題”就是展廳里的展品展項，“發揮”就是基于虛擬現實與增強現實技術開發的拓展型教育活動。展品展項與教育活動的結合將增添科技館的趣味性，而信息技術與教育活動的聯姻則增強了科學原理的表現力。

關鍵詞虛擬現實 增強現實 可視化 展教融合

引言

2015年全國科技館工作會議提出了創建中國特色現代科技館體系的新思想，突出信息化、時代化、體驗化、標準化、體系化、普惠化、社會化七大目標。要求科技館加強虛擬現實技術、增強現實技術的應用和線上線下活動的開展；加強前沿科技的展示，不斷更新展覽內容；注重寓教于樂，增強公眾體驗和興趣；把現代技術作為展示教育的重要手段，以“超現實體驗、多感知互動、跨時空創想”為核心理念，有效促進高新科技成果的傳播和轉化；直觀展示常態下難以直接觀察到的科學現象和技術過程，充分激發公眾的創造力和想象力。這無疑是當前和今后一段時間科技館行業思考與實踐的出發點和著力點。

1虛擬現實與增強現實之我見

虛擬現實和增強現實是數據可視化的一種表現形式，伴隨著計算機技術的誕生與發展而逐漸成熟。簡單來說，虛擬現實是使虛擬事物可視化、實體事物圖像化的一種技術，它可以使幻想世界變得栩栩如生，使微觀世界變得活靈活現，使望塵莫及的宏觀世界變得觸手可及。而增強現實則是虛擬現實的衍生品，它是“虛擬”與“實體”結合的產物，完成了虛擬事物可視化與實體事物圖像化的疊加。

有一種說法：2016年是虛擬現實技術的元年。其實準確地說，應該是各路資本或市場概念炒作的開始。虛擬現實并非新生事物，之所以被熱炒，是由于智能終端擁有率的大幅提高和移動互聯網技術的廣泛應用，將往日需要依托高性能圖形工作站方能運行且被專業機構獨享的虛擬現實技術推向了消費電子市場，使操作者和體驗者由過去的科研人員變成了現在的普羅大眾。

目前，虛擬現實與增強現實的圖形化、可視化技術已經非常成熟，關鍵在于如何解決經濟成本、可靠性、位置感應和數據處理等技術問題。

2展教融合的技術路徑

當代科技館的展示設計有三種模式：一是科技史類科技博物館，它的展品展項是真實的、靜態的，展示內容缺乏對基本原理的詮釋，展示形式缺乏趣味和活力；二是學科類科學中心，它的展品展項具有互動性，然而展示內容缺乏與生產生活的關聯；三是主題類綜合性科技館，它的展品展項具有體驗性，但是展示內容缺乏深度、略顯浮淺。

這三種科技館模式的不足，或源于展教手段的局限性，或源于技術手段的局限性。隨著數字化技術的平民化和移動互聯網的普及化，為基于科技館資源開發的拓展型教育活動提供了技術路徑，為展教融合的新載體搭建了“借題發揮”的橋梁，真正實現線上線下的互動與館內館外的互通。

3基于虛擬現實與增強現實的科普實例

對于科技館而言，虛擬現實與增強現實既是一種具體技術又是一種基本手段，要把它們視為詮釋基本原理和拓展基本應用的可視化工具，其成功運用的要義在于精準地表達展品展項的科學內涵（見圖1）。

3.1蒸汽機工作原理的詮釋

蒸汽機是科技史類科技博物館中的保留項目，但大多是靜態陳列并輔以文字說明，即便有少數的動態演示，也只能看其外觀動作，而無法觀其內部形態。

我們可以通過靜態陳列實物、透視解析動畫和虛擬漫游游戲三個部分，來詮釋蒸汽機的工作原理：首先，將裝有增強現實驅動軟件的移動終端攝像頭對準靜態陳列的內燃機實物。接著，移動終端的屏幕上便會顯示內燃機的透視圖，動態再現蒸汽機的內部情況，讓觀眾可以看到高壓蒸汽進氣、做功、排氣等整個動態過程，使內燃機的工作過程一目了然。當然，還可以借助安裝于展臺上的平板電腦逐一觀看采用虛擬現實技術制作的內燃機結構解剖動畫，了解不同類型內燃機的基本構造。除此之外，在條件允許的情況下，還可以通過頭盔式虛擬現實終端漫游內燃機的“內部世界”。

3.2電磁感應基本原理的詮釋

“磁變電”、“電生磁”展項是學科類科學中心中的必有之物，通常的展示手段不外乎是依托互動展品“發電機”和“電動機”來闡述電磁感應現象。但對于普通公眾而言，恐怕仍然很難理解電磁感應的內在機制。

我們可以通過互動演示展品、透視解析動畫和應用實例示范三個環節，來詮釋電磁感應的基本原理，尤其是借助于增強現實與虛擬現實的可視化手段使之變得更加簡單易行：（1）通過一組發電機和電動機的實物，演示“磁變電”、“電生磁”的現象。（2）首先，將裝有增強現實驅動軟件的移動終端攝像頭對準發電機和電動機實物。接著，移動終端的屏幕上便會顯示發電機和電動機的透視圖，再現發電機和電動機的內部結構，讓觀眾可以看到發電機內部磁路的分布和電動機內部線圈的繞法。然后，借助可視化解析動畫，介紹“磁一電”和“電一磁”的耦合過程，說明發電機轉子轉動定子線圈切割磁力線，以及電動機定子線圈內電流流動產生交變磁場。（3）采用日常生活中手機無線充電的案例，講述“電一磁”和“磁一電”的耦合過程。

3.3風力發電功效原理的詮釋

“清潔能源”是主題類綜合性科技館中經常涉及的展示內容，其中風力發電裝置是不可或缺的展項。此類展項通常采用對比的手法，即同一類型的風力發電裝置在不同的風速下發電效能各異，或不同類型的風力發電裝置在相同風速下發電效能各異，讓公眾生動形象地了解風速大小及葉片形態對風力發電裝置功效的影響。但美中不足的是，氣流與葉片的耦合機制無法準確地予以呈現，而這恰恰是提高風力發電裝置功效的重點。

我們可以借助增強現實、虛擬現實技術，通過互動演示展品與透視解析動畫相結合的方式，從宏觀和微觀兩個角度來闡釋氣流與葉片耦合的機制。首先，將裝有增強現實驅動軟件的移動終端攝像頭對準風力發電裝置實物。接著，移動終端的屏幕上便會顯示發電裝置內部傳動結構的透視圖。其可以將空氣流動的流線疊加在葉片的周圍，從而再現不同風速下氣流與葉片的耦合過程或相同風速下氣流與不同形態葉片的耦合過程，同時全面反映氣流耦合葉片轉動來驅動增速裝置和發電裝置的整個過程。若要進一步延伸，還可以表現在同一種葉片表面噴涂不同材料對氣流與葉片耦合效能的影響作用，以及氣流與不同形態葉片耦合的效能情況。

4結語

當下，中國的科技館歷經數十年的發展現已初具規模，各地都建成開放了各類科技館。隨著時代變遷和科技進步，已建成運營的科技館即將步入更新改造時期。未來，業內將從展示與教育的關系、自主互動與群體參與的模式、線上與線下的融合、館內與館外的合作等層面，對虛擬現實與增強現實技術的應用前景開展進一步的探索。