虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)在科普教育中的應(yīng)用

郭羽豐

近年來，科普教育展示技術(shù)日益多樣化，既有機(jī)電互動(dòng)、實(shí)物陳列等實(shí)體類展示技術(shù)，又有多媒體、VR、AR 等虛擬類展示技術(shù)。然而，基于單一展示技術(shù)開發(fā)的科普展品，其綜合表現(xiàn)力不夠，如基于實(shí)體類展示技術(shù)的展品其表達(dá)信息量不夠，而基于虛擬類展示技術(shù)的展品其真實(shí)體驗(yàn)性欠缺。顯然，若把“實(shí)體”和“虛擬”兩類展示技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，將會(huì)獲得更好的展示表現(xiàn)力和科普教育效果。那么，如何將“實(shí)體”和“虛擬”展示技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以及如何利用融合的展示技術(shù)來開發(fā)科普展品和提升科普教育效果，這些問題值得深入探討。

1 虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的主要技術(shù)形式和技術(shù)優(yōu)勢

所謂虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)，就是將實(shí)體的互動(dòng)裝置、場景、道具等與多媒體技術(shù)衍生的各類技術(shù)手段相結(jié)合，為展示內(nèi)容提供“真實(shí)”融合“虛擬”的演示和體驗(yàn)效果的綜合展示技術(shù)。該類展示技術(shù)在“虛”、“實(shí)”技術(shù)的結(jié)合上表現(xiàn)出多種形式，與其它展示技術(shù)相比較，在多方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。

1.1 虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的主要技術(shù)形式

1.1.1 實(shí)體互動(dòng)裝置+顯示屏/投影

該類技術(shù)形式是將實(shí)體互動(dòng)裝置作為操作體驗(yàn)端，顯示屏/投影作為操作體驗(yàn)產(chǎn)生虛擬結(jié)果的信息顯示端，兩者組合成一個(gè)完整的互動(dòng)展品來實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的演示和體驗(yàn)功能。如展品“飲料生產(chǎn)線”（圖1），將待清洗的玻璃空瓶沿著傳輸帶輸送屏幕區(qū)時(shí)，體驗(yàn)者用水槍裝具、操控桿、按壓裝置作出相應(yīng)動(dòng)作，顯示屏中的動(dòng)畫同步演示水柱清洗瓶子、飲料灌注瓶，瓶蓋封住瓶口的虛擬結(jié)果。

圖1 展品“飲料生產(chǎn)線”效果圖

1.1.2 異型實(shí)體模型（白模）+3D投影（3DMAPPING）

該類技術(shù)形式是在白色實(shí)體模型的異型表面，利用3DMAPPING 技術(shù)投射畫面和影像，形成一種現(xiàn)實(shí)思維與夢幻視覺相融合的演示效果。如展品“虛擬化妝”（圖2），在一個(gè)巨大的白色人體面部模型上投射不同化妝體驗(yàn)的妝容效果。

圖2 展品“虛擬化妝”效果圖

圖3 展品“城市交通規(guī)劃”效果圖

1.1.3 實(shí)體場景+投影

該類技術(shù)形式是利用沙盤、模型、實(shí)物、圖文等實(shí)體道具來營造展示的場景，并利用投影投射畫面和影像到該場景中，共同表現(xiàn)在該場景中展示的內(nèi)容。如展示城市交通和規(guī)劃內(nèi)容的展項(xiàng)常用到該種形式（圖3）。

1.1.4 實(shí)體道具+透明屏

該類技術(shù)形式是借助透明屏，讓觀眾既能看到屏幕畫面和影像，又能透過屏幕看到屏幕后的實(shí)體物品，從而豐富了視覺信息的層次感和表現(xiàn)力，增加了許多趣味。如展品“互動(dòng)花園”（圖4），在透明屏背后布置一個(gè)實(shí)體小花園場景，體驗(yàn)者點(diǎn)選屏幕上的花朵和小鳥，可以與其互動(dòng)，有身臨其境進(jìn)行體驗(yàn)的感覺。

圖4 展品“互動(dòng)花園”效果圖

圖5 展品“汽車透視”效果圖

1.1.5 實(shí)景造型+幻影成像/全息投影

該類技術(shù)形式是基于“實(shí)景造型”和“幻影”的光學(xué)成像結(jié)合，將所拍攝的影像（人、物）投射到布景箱中的主體模型景觀中，演繹故事的發(fā)展過程。如展品“汽車透視”（圖5）中利用真實(shí)汽車的骨架和幻影成像技術(shù)，組合成一個(gè)實(shí)際汽車與汽車圖像相結(jié)合的系統(tǒng)，演示說明汽車的基本構(gòu)造、工作原理、安全及節(jié)能技術(shù)。

1.1.6 體感互動(dòng)(KITNECT)、手勢識別（LEAP MOTION）

該類技術(shù)形式是利用KITNECT、LEAP MOTION等技術(shù)設(shè)備，讓體驗(yàn)者直接地利用人體肢體動(dòng)作或手勢動(dòng)作，身臨其境地與影視畫面中的虛擬內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)[1-2]。如展品“虛擬穿衣”（圖6），體驗(yàn)者凌空動(dòng)動(dòng)手指選擇喜歡的服飾即可馬上穿戴在身上。

圖6 展品“虛擬穿衣”效果圖

圖7 展品“恐龍喂食”效果圖

表1 主要展示技術(shù)類別及特點(diǎn)比較

1.1.7 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/混和現(xiàn)實(shí)（MR）

該類技術(shù)形式是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界（VR）[3]，或?qū)⑻摂M的信息應(yīng)用到真實(shí)世界中（AR）[4]，或合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生新的可視化環(huán)境（MR），讓體驗(yàn)者身臨其境地與虛擬世界進(jìn)行互動(dòng)。如展項(xiàng)“恐龍喂食”（圖7），利用AR 技術(shù)，體驗(yàn)者可以與虛擬的恐龍進(jìn)行喂食互動(dòng)。

1.2 虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢

科普教育中往往運(yùn)用各種展示技術(shù)，主要有：虛實(shí)結(jié)合類、陳列類（實(shí)物、模型、場景、圖板）、簡單機(jī)械互動(dòng)設(shè)施類、機(jī)電一體化互動(dòng)設(shè)施類、影視、劇場、多媒體類等類別，不同的展示技術(shù)有著各自的特點(diǎn)及優(yōu)勢。我們不妨對上述展示技術(shù)在展示的易表現(xiàn)性、信息量、可修改及拓展性、交互性幾個(gè)方面做個(gè)比較（表1）。

通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)，較之其它類別的展示技術(shù)，具有易于表現(xiàn)展示內(nèi)容、豐富的信息表達(dá)量、便于編輯及拓展、強(qiáng)大的交互性等方面的優(yōu)勢：

1.2.1 易表現(xiàn)性

該類展示技術(shù)可以通過提供實(shí)體展示，實(shí)現(xiàn)讓參與者獲得實(shí)際的操作體驗(yàn)，同時(shí)，對于不能實(shí)際操作或無法直接獲得實(shí)際結(jié)果的內(nèi)容，則可以通過虛擬表現(xiàn)手法的強(qiáng)大表現(xiàn)力，讓參與者進(jìn)行虛擬體驗(yàn)或獲得虛擬結(jié)果。

1.2.2 高復(fù)合性

該類展示技術(shù)往往運(yùn)用多媒體技術(shù)把傳遞信息的文字、圖形、聲音、影像等媒體與實(shí)體展示進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并將各種媒體通過計(jì)算機(jī)的整合、處理，為展示內(nèi)容提供有形、有聲、有色，且有趣、生動(dòng)、直觀形象的形式，極大地豐富了表達(dá)的信息量，讓參與者獲得全方位的互動(dòng)體驗(yàn)。

1.2.3 可編輯性

該類展示技術(shù)較之其它實(shí)體類展示技術(shù)，其所應(yīng)用的數(shù)字化信息易于復(fù)制，便于修改，包括文字、聲音、圖像、數(shù)據(jù)等都可以靈活地進(jìn)行編輯，而且信息組合是自由的、可變的。在日后的使用中，還可以根據(jù)內(nèi)容的變化，及時(shí)對其展示的信息內(nèi)容進(jìn)行更新和拓展。

1.2.4 強(qiáng)交互性

傳統(tǒng)展示技術(shù)的交互性一般較差，或是只能單向地、被動(dòng)地傳播信息，或是只有單純的操作體驗(yàn)，不能對學(xué)習(xí)和體驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效反饋，而虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)可以通過“人機(jī)對話”實(shí)現(xiàn)人對信息的主動(dòng)選擇和控制，以及人機(jī)交互結(jié)果的雙向反饋。

2 基于虛實(shí)結(jié)合技術(shù)類科普展品的創(chuàng)意開發(fā)

在科普教育中，什么內(nèi)容最適合于運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合類技術(shù)來表現(xiàn)，怎樣更好地運(yùn)用該類技術(shù)來開發(fā)科普展品，必須在充分研究展示內(nèi)容，并深入分析觀眾學(xué)習(xí)特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方式的基礎(chǔ)上，有針對性、有目的性地運(yùn)用，才能開發(fā)出優(yōu)秀的科普展品。

2.1 虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的適用表現(xiàn)內(nèi)容

一般來說，虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)能表現(xiàn)絕大多數(shù)的科普知識內(nèi)容，尤其是以下幾類知識內(nèi)容更適合于運(yùn)用該類展示技術(shù)來表現(xiàn)（表2）。

2.2 虛實(shí)結(jié)合類科普展品的創(chuàng)意開發(fā)流程

展品的創(chuàng)意開發(fā)是展品開發(fā)整個(gè)過程的核心環(huán)節(jié)，直接影響展品的展示形式和教育效果。我們將展品創(chuàng)意開發(fā)完整流程的其它非關(guān)鍵步驟略去，較關(guān)鍵的步驟有4 個(gè)環(huán)節(jié)（圖8）。下面結(jié)合展品“白酒的工藝”（圖9）的創(chuàng)意開發(fā)的實(shí)例予以說明。

一是設(shè)置目標(biāo)，即根據(jù)展示內(nèi)容，提出展品要達(dá)到的預(yù)期展示目標(biāo)。如展品“白酒的工藝”的展示目標(biāo)是通過互動(dòng)操作，讓觀眾了解中華傳統(tǒng)白酒釀造的工藝流程。

二是提煉知識，即從展示的知識內(nèi)容中精選重要的知識點(diǎn)（有重要科普意義，或本身在其所屬學(xué)科領(lǐng)域重要），將其作為展品的展示點(diǎn)。如上述展品中，我們從傳統(tǒng)白酒釀造技術(shù)的工藝流程：粉碎、配料、潤料和拌料、踩曲、蒸煮糊化、冷散、加曲加水堆積、入池發(fā)酵、出池蒸酒等多個(gè)工序中，精選出其中的粉碎、踩曲、加曲加水堆積、出池蒸酒這幾個(gè)重要的知識點(diǎn)作為展示點(diǎn)。

三是虛實(shí)切入，即將展示點(diǎn)具體化，并逐一剖析，找準(zhǔn)實(shí)體展示和虛擬展示的切入點(diǎn)。如上述展品中，我們分析踩曲環(huán)節(jié)，因踩曲的動(dòng)作易于用實(shí)體裝置表現(xiàn)，可作為實(shí)體項(xiàng)。而踩曲制曲的重要性，以及酒曲中微生物發(fā)酵的科學(xué)知識不易用實(shí)體手段表現(xiàn)，但可用虛擬手段表現(xiàn)，將其作為虛擬項(xiàng)。其它環(huán)節(jié)可類似處理。

表2 虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的適用表現(xiàn)內(nèi)容

四是選用技術(shù)，即針對虛實(shí)結(jié)合展示的實(shí)際需要，選用與其相匹配的展示技術(shù)。如上述展品中，踩曲的動(dòng)作可采用機(jī)械互動(dòng)裝置表現(xiàn)，通過參與者上下按動(dòng)拉桿，啟動(dòng)人偶模型運(yùn)動(dòng)，觀看人偶在木盒子上踩曲的情景。而虛擬項(xiàng)的內(nèi)容則可以通過多媒體來表現(xiàn)。

圖8 虛實(shí)結(jié)合技術(shù)類科普展品創(chuàng)意開發(fā)流程的關(guān)鍵步驟

圖9 展品“白酒的工藝”效果圖

3 利用虛實(shí)結(jié)合技術(shù)類展品提升科普教育效果

在運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)進(jìn)行科普展示時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，科學(xué)、合理、有效地運(yùn)用該類技術(shù)來達(dá)到優(yōu)化教育過程和提升教育效果的目的。

3.1 利用其交互性，激發(fā)自主學(xué)習(xí)

虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)的運(yùn)用使得人機(jī)對話、交互操作易于反掌，使學(xué)習(xí)者由被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)的主人。利用該類技術(shù)開發(fā)的展品就象“學(xué)習(xí)伙伴”一樣和學(xué)習(xí)者進(jìn)行“討論、交流”，如它可以向?qū)W習(xí)者提問，學(xué)習(xí)者可以作答，它還能根據(jù)學(xué)習(xí)者作答的情況給予不同的信息反饋等。例如，展品“膳食寶塔”（圖10）利用多媒體手法讓學(xué)習(xí)者選擇一天的食物搭配，并通過一個(gè)實(shí)體的陀螺保持平衡或傾斜來判斷該食物搭配是否健康合理，以及是否達(dá)到膳食平衡狀態(tài)。學(xué)習(xí)者在這樣的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中改變了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中被動(dòng)接受和灌輸知識的方式，通過主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，真正領(lǐng)會(huì)所學(xué)知識。

圖10 展品“膳食寶塔”效果圖

圖11 展品“臺(tái)風(fēng)體驗(yàn)”效果圖

3.2 利用其表現(xiàn)力，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境

情景體驗(yàn)就是運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)生動(dòng)、逼真的情景，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者用角色扮演（模仿性學(xué)習(xí)）的方式參與體驗(yàn)，用全部的心智去感受、關(guān)注、理解展示中的角色、事件、現(xiàn)象。例如，展品“臺(tái)風(fēng)體驗(yàn)”（圖11）中，利用場景模擬和多媒體技術(shù)營造一個(gè)雷雨交加、臺(tái)風(fēng)肆虐的環(huán)境，并讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)?zāi)M十級臺(tái)風(fēng)的威力，讓學(xué)習(xí)者感受災(zāi)害帶來的嚴(yán)重后果，從而深刻認(rèn)識和了解自然災(zāi)害現(xiàn)象。通過情景體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)者探究展示內(nèi)容的興趣，讓他們在體驗(yàn)中探究，在探究中學(xué)習(xí)，從而達(dá)到形成概念、構(gòu)建知識的目的。

3.3 利用其生動(dòng)性，突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)

有的展示內(nèi)容抽象難懂，我們可以借助虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)對展示內(nèi)容易于表現(xiàn)，展示效果形象、生動(dòng)的特點(diǎn)，把本來非常抽象的知識具體化，本來較難想象的知識簡單化，本來枯燥無味的知識生動(dòng)化，讓學(xué)習(xí)者更好地學(xué)習(xí)和理解，從而有效地突破了學(xué)習(xí)重點(diǎn)。例如，展品“心臟支架”（圖12）通過虛實(shí)結(jié)合的影像與操作，體驗(yàn)心臟支架治療的作用原理。學(xué)習(xí)者通過推動(dòng)導(dǎo)管內(nèi)的纖維絲模擬植入心臟支架的動(dòng)作，多媒體動(dòng)畫則同步虛擬演示導(dǎo)絲進(jìn)入血管、球囊充氣、釋放支架、擴(kuò)張血管等一系列動(dòng)作結(jié)果。展品以其生動(dòng)性和吸引力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的積極性，讓其形成正確、清晰的概念，從而有效地掌握知識。

圖12 展品“心臟支架”效果圖

圖13 展品“從餐桌到農(nóng)田”效果圖

3.4 利用其開放性，豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容

虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)能為科普展示提供豐富的信息內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者接觸到了學(xué)校教育所無法容納或無法表達(dá)的學(xué)習(xí)素材，能滿足個(gè)體化的學(xué)習(xí)要求。例如，展品“從餐桌到農(nóng)田”（圖13）通過機(jī)電互動(dòng)裝置、模型、場景和多媒體等多種虛實(shí)結(jié)合的手法，讓學(xué)習(xí)者通過參與食品從消費(fèi)終端到生產(chǎn)源頭（餐桌→超市→配送中心→工廠→生產(chǎn)基地）的一個(gè)質(zhì)量和安全追溯過程，自主開展探究式學(xué)習(xí)，來了解食物生產(chǎn)、運(yùn)輸、配送過程中涉及到的安全監(jiān)管方面的知識。學(xué)習(xí)者在這樣的環(huán)境中處于極為興奮和好奇的精神狀態(tài)，思想變得異常敏銳，思維變得異常活躍。我們應(yīng)利用這種開放式的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)習(xí)者進(jìn)行探究，質(zhì)疑解惑開辟廣闊的天地，為豐富學(xué)習(xí)者知識面和培養(yǎng)其創(chuàng)造能力發(fā)揮積極作用。

4 結(jié)語

在科普教育中，通過科學(xué)、合理、有效運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合類展示技術(shù)開發(fā)科普展品，并利用其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，可使科普展示教育更具生動(dòng)性和體驗(yàn)性，從而達(dá)到預(yù)定的展示表現(xiàn)力和科普教育效果，這對推動(dòng)科普展品的創(chuàng)新研發(fā)和科普展示水平的大力提升將起到著重要的作用。