科普類展陳中的實體交互設計初探

羅亦鳴 肖星宇 胡珊

摘要：從科普展陳的角度出發，探索實體交互設計的未來發展方向。基于科普展陳設計和實體交互設計的理論，通過用戶調查以及對傳統和現代科普展陳進行對比與分析，挖掘用戶需求和科普展陳的特點，總結其中的實體交互設計方法，對科普展陳提出切實可行的支持和借鑒。并基于此，為未來科普展陳中的實體交互設計提供思路。

關鍵詞：科普展陳;實體交互;交互設計

中圖分類號：J525

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）02-0043-04

科普展陳作為科技館向外傳播科普知識的重要方式，其肩負著對觀眾普及科學文化知識、提高科學文化素養的重擔。在科普展陳中，我們需要運用多種展陳方式來豐富展示內容。實體交互的出現，使得科普展陳在終端上的體現方式更加多彩。實體交互既體現了三維世界中自然直觀、易于認知的交互特性，又充分調用了數字世界信息處理和計算的能力，在虛擬世界和現實世界之間架起了一座橋梁。

1科普展陳設計

1.1科普展陳概述

科普展品簡而言之就是展示科學文化、普及科學文化知識的產品。而科普展陳不僅包括產品展示，亦涵蓋產品的表現及陳列形式。科普展陳具有科學性與生動性，能把傳統刻板的文字圖像生動化、形象化地展示出來，用以普及科學文化知識。

《中華人民共和國科學技術普及法》規定，“各省、自治區和直轄市人民政府和其它有條件的地方人民政府，應當將科普場館、設施建設納入城鄉建設規劃和基本建設計劃;對現有科普場館、設施應當加強利用、維修和改造。”通過政策我們可以看出國家對科普展陳的關注與重視。科普展陳中地域文化主要體現在呈現方式中，無論是文字、圖片還是多媒體應用都要符合地域文化的主流思想，甚至實體交互的方式也要符合地域文化中的表達方式。這樣能夠使得冰冷的科技產品更加具有人性化、情感化[2]。

1.2科普展陳現狀分析

在當代博物館展示陳列設計中，信息技術的使用越來越普及，交互展項越來越多，它們在展示陳列中發揮著越來越重要的作用[3]。科普類展陳也是如此，隨著信息化時代的到來，人們對于利用交互圖像、展品模型和視頻影像等進行科普的方式越來越有興趣。傳統的科普展陳設計主要側重于陳列展項的展柜設計形式，而忽略了人和科普內容的互動感、沉浸感。當設計者以沉浸式的方式設計科普展陳內容時，參觀者更容易對展品展項進行深入思考和共鳴。例如，中國科學技術館太空行走的展項（如圖1），展品太空行走利用虛擬現實技術，配有操作桿的電動座椅、虛擬現實眼鏡、投影儀、操作臺等硬件。通過完成維修遭受太空垃圾撞擊的空間站任務，讓用戶以第一視角體驗航天員離開太空艙，進入太空完成艙外工作的過程，并認識空間站各組成部分。該展項吸引了大波參觀者前來體驗感受，從中探索太空知識。

如今，科普展陳類展館的作用不再局限于普及科學知識，它可以是學習中心、娛樂中心甚至是人們思考和交流的場所。科普展陳類展館逐漸開始突破原有的單一以物為主的展示方法，并成為透過物本身去體驗、想象的場所，各類展館開始傾向于用更多的交互方式來使參觀者感受科技魅力。例如，上海科技館地震歷險的展項（如圖2），每隔一小時，有工作人員現場演示地震預測原理并模擬地震。人們在展臺中通過感受地震能夠更加了解自然世界，這種實體交互方式使得參觀者更容易投身其中并產生積極的感受。實體交互在科普類展館的應用不僅體現在國內展館中，國外許多科普類展館亦是采用了多種實體交互的方式。例如，芝加哥科學與工業博物館中煤礦展項（如圖3），此展項是是博物館的首個展覽，自1933年首次開放以來參觀者絡繹不絕，在這里，參觀者可以將礦井下降到一個煤礦工人的世界，從而了解多年來機械和采礦方法發生的變化。倫敦科學博物館超級滑梯展項（如圖4）也是通過采用實體交互的方式讓參觀者體驗在不同材質滑梯中的滑行感受，通過娛樂的方式來理解摩擦系數。用實體交互的方式增加參觀者體驗感更將成為未來科普展陳的發展趨勢。

1.3科普展陳的特點

隨著國家對科普工作的日益重視，科普事業正闊步前行。一個綜合性的科技館，對培養青少年的科學文化素養起著決定性的作用[4]。科普展陳的展示方式多種多樣，展示方式研究從對物與形式的研究，轉向了對展示思維、空間、物、人等多種因素相互交織融合為一個整體的研究[8]。在科普展示形式上，應多借助燈光、材料、塑形、視頻、音頻、裝置等手法，在渲染空間氛圍

交織融合為一個整體的研究。在科普展示形式上，應多借助的同時將故事情節融入其中，使空間更加直觀、清晰地傳遞展示信息[6]。這種展示方式的更迭在設計實踐種得到了充分的發展，從中我們總結了科普展陳具有以下特點：

1）具有對外科普的意義。科普展陳作為科技館向外傳播科普知識的重要方式，肩負著對觀眾提高科學素養的重擔。隨著多媒體技術以及人機交互的快速發展，科普展陳逐漸擺脫了以往傳統展陳的表現方式，采用更加信息化的方式進行傳播，既吸引更多的受眾，同時增強了用戶粘性，達到了科普教育的目的。中華民族傳承五千年的文化歷史是我們民族的精髓，也是我們民族的瑰寶。我們應該利用科技館展陳科普的方法，運用新的媒體方式和數字技術，使得中華文化能夠借助最新的數字媒體手段得到最有效的保存和傳播[7]。例如，圖5的科普展示設計是以針灸出發，進而科普有關人體穴位知識。這種民族特有的文化典故賦予了科普展陳獨有的文化魅力和中國特色，體驗者在文學、歷史和視覺感受之間的線索中可以自由轉換，增強了體驗的豐富性和節奏感[8]。這一形式的展陳不僅能夠科普相關的力學知識，還能夠傳播中華民族豐富的文化內涵。

2）唯一性。全國各地科技館受地理環境的影響，需要結合當地人文風俗、歷史文化的特點來進行設計。科普展陳也因此更能體現當地科技水平、材料應用及教育思想的特點。

3）簡單易懂。由于科普展品是展示科學魅力、普及科學知識的產品，因此其更需要具備直觀簡單、生動形象地傳播特點。只有當受眾理解了展陳內容，科普展陳才能達到普及知識的目的。

4）多種交互方式相結合。良好的交互體驗可以讓觀眾很好地融入到展陳之中，更好地了解相關科學知識、科學方法、科學思想和科學精神，從而達到探索式學習的目的。

2實體交互設計

2.1實體交互的定義

實體交互是人通過與物理環境的互動，來實現與數字化信息發生數據的交換，此定義由MIT媒體實驗室的Hiroshi?Ishi提出【9】。而實體交互界面是用戶通過物理實體和物理環境，與數字信息進行交流互動的界面。通過把計算機系統中數字化的信息轉變為實體化的載體，人機交互得以良好地進行。在各種信息通訊技術以及新能源、新材料等技術支持條件下，交互界面實現了物理空間與虛擬空間深度融合共生，以此催生實體交互界面的誕生【10】。

2.2實體交互的特征

1）實體性。與傳統的交互模型相比，通過實物操作，交互方式會更加自然直觀地展現。對于一些數字化載體內容，在用戶使用的過程中，實體交互實現了界面視覺信息的簡單化，突破了圖像圖形扁平化的局限。

2）可用性。在Steve?Krug的書中介紹到，現在人們通常管可用性設計叫用戶體驗設計（User?Experience?Design，UXD）。可用性是關于人們對如何理解并使用產品的期望值。而交互的實體化使用戶對于產品的信息處理更加成功。傳統的圖形用戶界面主要通過手部、眼睛和聲音輸入信息。交互依托于有形實體，信息的輸入和輸出將更加自然全面[11]。人們具有的視覺通道、嗅覺通道以及動覺通道均是為實體交互種的可用性提供了設計思路。

3）更能突出“以用戶為中心”的設計原則。在實體交互的整個系統中，設計者需要通過特定的情境去分析用戶，伴隨著用戶使用產品時對操作的行為反饋，不斷進行調整。傳統產品設計的造型確定和功能實現方式僅僅建立在用戶互動體驗之上，而實體交互增加的交互方式則使“以用戶為中心”的設計原則更為突出。在科普展陳中，根據“以用戶為中心”的設計原則，通過讓用戶真正參與到展陳中，感受到實體交互的樂趣，更好地了解相關科學知識、科學方法、科學思想和科學精神，從而達到探索式學習的目的。例如，廣東科學中心交通世界館展項（如圖7），通過在體驗臺上的操縱來感受未來交通的暢快與刺激，體驗者并未存在于實體交通工具中，僅僅是依靠實體交互帶來的視覺、觸覺以及動覺的影響來體驗未來交通。

4）融合了多個領域。在實體交互產品設計中，心理學、社會學、哲學、醫學及工程學等研究方法需要應用。同時，傳感器、swift編程、感應器、機械制造等技術也是實體交互的基礎。隨著數字化物聯網時代的迅速發展，在語音交互、手勢交互、自然交互等交互方式出現之后實體交互應運而生。信息技術的發展，極大地改變了我們的生活、工作和學習方式。網絡、圖像識別、語言識別、虛擬現實、計算機仿真等技術將慢慢成為我們生活中不可缺少的部分。如上海科技館信息時代展館虛擬訓狗展項（如圖8），通過語音識別技術和虛擬現實來使體驗者感受到訓狗的樂趣。當參觀者對著話筒說向左向右跑停等指令時，屏幕上的小狗就會做出相應的動作，進而進行虛擬訓狗。

3科普展陳中的實體交互設計分析

“19世紀的‘文化由小說定義，20世紀的‘文化由電影定義，而21世紀的‘文化將會由交互界面定義。”Aaron?Koblin曾在他的TED2011演講中引用了Lev?Manovich的這段話【12】。隨著生活環境、消費心理的不斷提升與改善，人們對生活質量提出了更高的要求，同時對獲取信息的互聯網交互技術產生了更大的需求。交互設計致力于通過簡約化、情感化、生活化、智能化的方式來提高用戶的生活質量。科技展品這類特殊的交互式產品，它的用戶群體相對廣泛，幾乎包含各年齡階段的人。因此，在營造適合用戶情感的氛圍、使用戶產生積極的情緒等問題中更需要斟酌考量。

實體交互的出現使科普展陳在終端上的體現方式更加豐富。實體交互既體現了三維世界自然直觀、易于認知的交互特性，又充分調用了數字世界信息處理和計算的能力，為虛擬世界和現實世界架起一座橋梁。而科技館作為青少年的“第二課堂”，意味著科普展陳肩負著重大使命[4]。它通過豐富的展陳方式吸引了大量用戶，在其中發揮了重要作用。在面對藝術與設計正朝著數字化時代需求快速變化、適應和發展的同時，擁抱數字技術將會是必然的選擇。基于實體交互技術的科普展陳也必將在這樣的時代背景下發展壯大。

雖然目前我國科技館建設如火如荼地進行，但作為科技館的基礎――科普展陳裝置卻一直沒有相應的標準規范。在科技展陳的設計中，人機安全一直是人們最關心的問題。尤其是實體交互的展陳，更需要考慮到環境、展陳方式等各方面因素的影響。在滿足安全原則的基礎之上，對造型、功能、交互三者進行平衡設計。在無人指導的情況下，過度操作在所難免。這就對科普展陳裝置的使用壽命提出了考驗，因此，在材料的選擇以及制作工藝的考量上需要考慮到這一點，避免增加維修成本及時間。

目前，科技館的科普展陳還存在一些局限性。因此，在未來科普展陳中，有科普教育意義的展品才是發展的終極方向。而科普展陳中的交互設計需要簡明直觀地直接操作，所謂直接操作就是指通過取代訊息或移動訊息等直接動作來進行交互，并且不需要明確的命令修改訊息，如一般文書處理或屏幕編輯器等。例如，筆者所參與的科普展陳中“零和無窮大”的項目（如圖9），當游客進入通道后，可以通過墻壁上的投影了解到零和無窮大之間的關系與數學發展歷程。因此，當實體展品簡單易學、并能及時給出相應反饋時，用戶不僅能感到愉悅，更能直接地了解一些復雜的科學原理和高新科技。如圖10為筆者參與的科普展陳中“會排隊的鐵屑”展項，該展項通過展示小鐵屑在磁場作用下的排列情況，模擬磁場磁力線的分布，闡釋磁場的存在和影響。啟發了我們磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的，具有科普教育意義。

相對與其他空間來說，科技館具有的空間和技術優勢使得展品的特點都可以體現出來。我們在豐富科普內容、優化科普形式的同時也要增強趣味性。如圖11的“牛頓第三定律”展項，向大家展示作用力與反作用力的特性及其使用環境，演示過程直觀，趣味性滿滿。該展項中的火箭在使用時，由底座向氣球充氣，持續充氣的力會使火箭掙脫磁鐵的吸附作用，氣球向下噴氣所造成的反作用力會使火箭升空，從而在科普教育的同時也實現了趣味性。

4科普展陳中的實體交互設計方案

4.1項目介紹

1）項目名稱：滑輪的藝術

2）展示形式：實體互動體驗

3）展示內容：通過“滑輪的藝術”展項，表現了滑輪組既能省力又能改變用力方向的特點，該展項以典型應用范例進行說明，在實際使用中，有幾組動滑輪拉動弓箭時使用的力是沒有動滑輪拉動時的幾分之一。“滑輪的藝術”展項綜合展示了滑輪和滑輪組的特性，并為參觀者提供了若干互動滑輪組小游戲，演示情景直觀易懂，富有趣味性和知識性。

4.2設計定位

1）產品定義：滑輪是用來提升重物并能省力的簡單機械。滑輪是一個周邊有槽，能夠繞軸轉動的小輪。由可繞中心軸轉動有溝槽的圓盤和跨過圓盤的柔索（繩、膠帶、鋼索、鏈條等）所組成的可以繞著中心軸旋轉的簡單機械叫做滑輪。通過智能引導，使用者感受到有幾組動滑輪拉動弓箭時實際使用的力是沒有動滑輪拉動時的幾分之一，達到展示滑輪和滑輪組既省力又能改變用力方向特性的目的。

2）使用人群定位：參觀科技館及科普場所的人群。該設計的使用人群大多為青少年，對于青少年來說，科技館是科普教育傳播基地，是青少年解惑授業的啟蒙之地，肩負著對青少年樹立正確人生觀、價值觀培養的重擔[4]。對于成年人來說，該設計亦能達到了解滑輪原理的目的。

3）使用環境定位：科技館及科普場所。

4.3設計創新點

傳統科技館展陳有關滑輪科普的形式大多數為“自己拉自己”，即通過改變滑輪組中動滑輪和定滑輪的數量來體驗用不同的力量將自己拉起來。操作方式為用戶坐在椅子上，雙手分別用力拉面前的繩子，將自己拉起來。使用的原理便是利用定滑輪和動滑輪組成滑輪組的省力優勢來提升物體。這對黃金搭檔組合在一起，既可以改變力的方向，還可以省力。所以，我們只需要稍微用力就可以把自己拉起來。

考慮到現有有關滑輪的科普展陳過于單調，筆者決定設計一款，符合科普滑輪原理的實體交互產品。

主要創新點如下：

1）使用弓箭造型。改變了原有的使用動作，通過有幾組動滑輪拉動弓箭時實際使用的力是沒有動滑輪拉動時的幾分之一的原理，來表現滑輪組既能省力又能改變用力方向的優點。既能達到科普教育的目的，又具有一定的創新發展性。

2）采用實體交互模式。當用戶使用的力量一定時，由于滑輪組的差異導致不同的弓箭在實際上需要使用的力大小是不同的，反饋信息通過電子顯示屏上靶的晃動頻率以及數字變化得以展現。這種交互模式明顯提升了產品的趣味性和吸引力，改善了智能產品的用戶體驗。同時這種互動屬于輕質互動，通過簡單的、直接的映射反饋來進行交互溝通，符合人的潛意識溝通方式。

3）增加趣味性。以拉弓箭的形式進行滑輪原理的科普，并為參觀者提供若干互動滑輪組小游戲，使演示情景直觀易懂，富于趣味性和知識性。

4.4草圖與效果圖設計

根據以上的產品分析與調研，本產品展示了滑輪和滑輪組的特性，表現了滑輪組既能省力又能改變用力方向的特點。

根據上述分析，得出方案（如圖12）：該產品主要包括智能化終端和交互實體。

智能化終端：在弓箭中內置數據收集模塊及傳感器，可記錄力的使用大小并檢測滑輪組的差異，與交互實體鏈接，充分調用數字世界的信息存儲、交換和計算能力，使信息在電子屏幕上得以呈現。

交互實體：通過對弓箭的造型、功能、交互三者平衡設計分析，設計出具有不同滑輪組的弓箭。

4.5設計分析

1）人機設計分析。在人機系統中，按人接受信息的感覺通道不同，可將顯示裝置分為視覺顯示、聽覺顯示和觸覺顯示三個部分[13]。而對于力的體現方式來說，視覺顯示無疑是最為直觀的展示手段。

2）尺寸設計分析。不同年齡段、不同性別的用戶使用弓箭的尺寸大小都不一樣。

3）材料設計分析。科技館是面向公眾開放的場所，其展品大多為實體交互類的互動型裝置，在無人指導的情況下，過度操作在所難免。因此，在設計中要著重考慮材料的選擇以及制作工藝的考量，對于科普展陳的材料必須選用高標準耐使用的材料，避免增加維修成本及時間。

4.6交互流程

三組滑輪由于動滑輪和定滑輪數目的不同在使用時會產生不同的效果。通過動滑輪數目的增多，拉力的大小分別變為原先的1/2，1/3以及1/6。

當體驗者走到該科普展陳的展區，拿起弓箭的時候，電子屏幕便會顯示“體驗開始”。當體驗者使用第一把弓箭的時候，根據有幾組動滑輪拉動弓箭時實際使用的力是沒有動滑輪拉動時的幾分之一，電子顯示屏上將會展示動態劍靶受到力作用的晃動頻率，以及靜態實際用力大小的數值和省力數值（圖13）。

當體驗者使用接下來的幾把弓箭時，同理也會出現上述情況，經過對比分析，可以使體驗者了解到滑輪組省力和改變運動方向的特點，達到科普教學的目的。

5結語

現今，科技館作為一個傳播知識和啟蒙教育的重要載體正蓬勃發展，實體交互面臨著從人機交互單通道虛實分離關系向多通道虛實結合關系的趨勢發展，而這種趨勢順應了如今易用性以及用戶體驗評價的需求。在科技展陳中，通過實物載體的操作與二維數字信息及多媒體媒介相結合，未來科普展陳的方式必定會煥然一新。只有不斷地改革創新，探索新的展陳方式和交互技術，并且秉持著“以人為本”的用戶體驗原則，實體交互設計才能順應時代的浪潮，穩步前行。

在未來科普展陳終端中，運用實體交互設計是有意義的探索，為交互方式的設計提供了一種新的可能。本文基于科普展陳，嘗試探索了實體交互設計的研究方向，設計的“滑輪的藝術”展項，表現了滑輪組既能省力又能改變用力方向的特點。該展項以典型應用范例進行說明，有幾組動滑輪拉動弓箭時實際使用的力是沒有動滑輪拉動時的幾分之一。以上研究結論將作為筆者進一步研究實體交互在未來科普展陳終端應用的重要依據，也期望本次研究能為有關設計探索帶來新的方向與思考。

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