基于知識可視化的移動端全景虛擬博物館交互設計研究

檀鵬，紀毅

（廣東工業大學，廣州 510000）

博物館作為一種大眾教育情景對區域歷史文化與科學藝術的傳承與推廣起到了重要的媒介作用。隨著移動互聯網的日漸發展，基于Web 端的移動博物館因其輕量、易傳播等特質，打破了傳統線下博物館時間與空間上的參觀限制，讓廣大民眾足不出戶便可參觀與學習知名博物館的展示內容[1]。移動博物館作為一種在線博物館教育通道，近年來已日漸受到大眾的關注與參與。從呈現的方式來看，當下的移動博物館可分為3 類：第1 類，基于移動端應用的博物館手機軟件，如《掌上故宮》《胤禛美人圖》等應用，大眾通過預設的圖片、文本和視頻等素材供大眾學習相應的展品內容；第2 類，基于增強現實技術（Augmented Reality, AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）的博物館移動設備，如《純凈之地：敦煌莫高窟》AR 展覽、佛山國家級非遺項目AR 明信片等，大眾使用AR 應用識別線下的預設識別物進而通過手機屏幕獲得展示內容；第3 類，基于Web 端的博物館在線漫游平臺，如故宮、敦煌莫高窟等博物館的“云看展”形式，大眾通過二維碼識別進入全景虛擬的網頁瀏覽博物館的空間與展品內容。研究發現，目前移動全景虛擬博物館已成為一種大眾認知與學習文化遺產的重要手段，如故宮、敦煌莫高窟等上百家博物館均已開發了移動平臺。基于Web 端的全景虛擬博物館因其輕量化、情景化、全景式等特質，在大眾傳播和在線學習層面備受博物館和大眾的喜愛[2]。新興的數字技術在數字博物館應用中也凸現出人-交互設備-展品-環境之間的交互問題，如何實現人與客觀對象的自然交互、共協共生是目前博物館數字化交互的重要研究趨勢。此外，盡管目前多數的博物館均開始使用不同的技術與設備在線展示與傳播展品等內容，但移動博物館仍需要加強展品內涵的深入研究和合理解釋，以及整合大眾的認知與體驗心理，通過適用的互動與可視化方式增強大眾的參與和學習效果。然而，目前移動全景虛擬博物館的交互設計主要是對展示空間的單一還原，且缺乏對展示對象有效的可視化，導致大眾在線參觀對博物館展示內容的認知仍是知之甚少[3]。知識可視化是如何實現知識轉化的方法，在移動互聯網時代已被廣泛應用于不同領域的在線學習平臺，幫助用戶有效的認知與學習[4]。因此本研究以知識可視化理論為指導，提出面向移動端全景虛擬博物館的交互設計方法，增強用戶交互體驗與學習的高效性。

1 知識可視化理論概述

移動互聯網時代人們每天會在線接觸到大量的信息，合理高效地獲取和組織知識對大眾尤為重要。知識可視化是指促進群體間知識傳播和創新（如重構、圖式化與管理）知識創造與傳播的方法，用于輔助和增強用戶在互動過程中的知識獲取、內化與轉化，在實踐應用中具有直觀化、結構化、高效化、深度化等特點[5]。從應用的結構而言，知識可視化包含了數據、信息、知識3 層依次遞進的關系，它代表著大眾認知的轉化過程。近年來，知識可視化這一理論常被應用于教育教學、知識管理和智慧圖書館領域[4]，通過有效的工具設計、交互式環境建構（在線學習）和系統的評估與決策等方式，從多維度幫助大眾在移動互聯網語境下提高信息理解、分析的效率，減少認知的負荷，在工作與學習中有效的獲取、管理和應用知識。在移動博物館日漸受到重視和在線學習的日益普遍化背景下，通過數字技術實現博物館展品的知識傳達和與人的深度參與交互的問題亟待解決[6]，而知識可視化的相關理論在大眾參與移動端全景虛擬博物館在線學習的知識交互語境中不失為一種有效的探索路徑、方法與視角。

2 移動端全景虛擬博物館的交互設計分析

移動端全景虛擬博物館是基于全景圖像的真實場景虛擬現實交互博物館，它通過計算機技術實現全方位互動式觀看真實場景的還原展示內容[7]。相較于傳統的移動博物館交互體驗而言，其具備較強的真實感、沉浸感和交互性，但在交互體驗和視覺表征等方面仍待提升。研究基于各大博物館的在線平臺和移動端應用商店調研了近100 個全景虛擬的移動博物館平臺，從全景虛擬、知識管理、視覺表征、交互體驗等維度分析其優點與不足。研究發現除展示內容與主題各不相同外，目前移動端全景虛擬博物館從人機交互方式出發可分為指示類（箭頭）、點擊類（觸屏）和聚焦類（視點）3 種形式，筆者基于人機交互設計和知識可視化理論，挑選3 個案例分別對3 類全景虛擬博物館進行分析，分析結果概述見表1。

表1 傳統手工藝類APP 競品分析Tab.1 Competitive products analysis of traditional handicraft type APP

從競品的主要類別、交互方式、視覺表征和交互設計的優劣勢等方面，研究分析了指示類、點擊類和聚焦類移動全景虛擬博物館的特征。通過調研發現，目前指示類移動全景虛擬博物館是案例最多且應用性較強的類別，多應用于空間大和展廳數量多的博物館，具備清晰的視覺導航，對用戶的界面交互具有較強的易用性；但對知識的呈現層級較淺，全景漫游時的空間定位自由度較低，且視角不易觀看。聚焦類移動全景虛擬博物館則由于技術與設備的限制已開發的案例相對較少，多針對保護價值高、情景感和在地性強的博物館，用戶基于虛擬現實眼鏡進行沉浸式的交互體驗；但交互體驗上缺乏對用戶認知的考量，界面控制與交互方式較少，全景虛擬體驗時視點不易聚焦。點擊類移動全景虛擬博物館案例應用的數量居中，主題類、科普類博物館的案例開發較多，交互界面具有豐富的預設點擊圖標，用戶可以在該空間選擇自己感興趣和當面在看的內容，幫助其快速獲得相應的學習內容，但界面觸點過于密集且知識可視化程度較低。

探索數字技術在不同競品的應用上，技術在增強博物館展品的展示和人機交互體驗層面具有較強的優勢，特別是在非物質的（intangible）知識轉化（如制作工藝）和空間的沉浸式交互層面；但也存在有待發展的方向和開放性問題，數字技術（AR 技術、VR技術等）作為博物館展品數字化的重要手段與平臺，面向不同展示內容的知識形態如何實現合理轉化[6]？新的交互設備如何協調與不同背景用戶（如老年人、文盲等）的包容性參與？設計師如何研發數字技術語境下博物館數字化的交互設備？此外，通過相關競品分析發現，目前的移動全景虛擬博物館在交互體驗的界面可視化和展示內容的知識可視化都具有一定提升空間，以便達到更好的用戶認知與體驗。例如，在交互界面上多數的案例都存在較差的視覺表征，對用戶認知心理的考量也缺乏適用的應用體現。認知學習的專家們認為合理的知識呈現與互動方式將有助于提升人的學習能力[8]，結合知識可視化理論發現，當下移動全景虛擬博物館的交互設計應該具備知識可視化視角的視覺表征和交互流程，更好適應目前用戶對移動博物館在線學習的交互體驗。

3 面向移動端全景虛擬博物館的交互設計架構

基于上述分析，研究認為在進行移動端全景虛擬博物館的交互設計和體驗設計時，有必要從知識可視化與管理的視角出發，提出新的交互設計架構，即基于知識可視化的移動端全景虛擬博物館交互設計架構，從4 個層次進行架構設計，見圖1。

圖1 基于知識可視化的移動端全景虛擬博物館交互設計架構Fig.1 Interaction design structure of mobile panoramic virtual museum based on knowledge visualization

1）數據層的知識分類。數據指的是未經加工的原始素材，有效的知識分類將有助于數據的價值化。博物館擁有豐富且復雜的展示內容數據，從線下轉向線上的內容展示需要合理的分類數據(Categorical Data)，按照特定展示內容的某些屬性對其進行分類或分組從而使原始數據得到有效整理[9]。知識分類（Knowledge Classification）的方式一方面基于博物館藏品分類、定名和定級，如按藏品質地、用途、年代、來源和國別等分類，保證數據采集與分類的科學性與實用性；另一方面數據的數字化特性分類，可分為文本、聲音、視頻、圖片、三維模型等形式，不同博物館藏品與內容同時需要考慮對應不同數據呈現方式，如陶瓷類藏品更適合三維模型的數據知識呈現，確保博物館藏品內容最優地適應大眾的在線學習[7]。科學的知識分類將有助于全景虛擬博物館在線數據庫的評估，同時對用戶知識創造的經驗過程有一個整體的了解。

2）結構層的知識建構。結構層結合了數據層的知識分類，將交互學習的藏品內容按層級、優先級和權重整理組合呈現給用戶。它定義了界面交互的信息架構，對移動平臺的功能和內容有了進一步的框架設計[1]。該層次是基于設計師模型與用戶模型共同創建概念模型，建構知識語義網絡，讓用戶降低學習成本并使其能夠更快理解界面交互的使用[10]。此外，概念模型的建構是培養用戶行為習慣、優化交互結構和增強用戶認知的重要框架。在這一層知識建構（Knowledge Building）是奠定培養用戶知識創造能力的基石，傳統形式的移動端全景虛擬博物館在結構層多關注預知識的呈現而缺乏有意義的知識建構，反之將有助于用戶對自己學過的知識進行梳理和歸納總結，達成一套體系。

3）交互層的知識傳達。交互層的知識傳達（Knowledge Communication）是移動界面的視覺表征與行為邏輯的綜合。用戶交互界面視覺表征它包含版式風格、導航的語義符號與色彩搭配，以及用戶的感知方式等，它影響用戶感知顯性層面的知識傳達；而行為邏輯則是影響用戶感知隱性層面的知識傳達，基于用戶訪問、導航、選擇等行為設計交互層的頁面布局與體驗流程[11]。交互層的界面本身是可觸的物理模型，基于用戶行為邏輯的參與豐富了人機交互的交互方式和應用情境的變化，進而增強多模態的用戶感知，界面的知識傳達伴隨著用戶體驗的深入而逐步可視化，動態的用戶行為也影響著交互信息的可視化[4]。而目前移動端全景虛擬博物館的交互界面可視化層面，對用戶行為邏輯、動態體驗及多模態感知均較少涉及并研究。

4）用戶層的知識管理。用戶層的知識管理（Knowledge Management）是個體在交互體驗過程中收集、處理、分享一個組織的全部知識信息，這是一種由自我內化向外化的學習過程。移動端全景虛擬博物館在用戶層的設計包含了生理、心理、社會與情感4 個層面的考慮[12]。首先，生理層面（物理的），要考慮用戶在實時移動交互的物理機能，例如運動控制、手勢按壓；其次是智力層面，主要考量界面呈現的內容與用戶智力之間的平衡關系，例如人的記憶力、認知負荷、邏輯思維與解決問題的方法；再次是社會層面，則是強調用戶作為個體對移動式在線學習的內容與社會交互的基本倫理，例如社交過程中的信任、同理心與道德；最后是情感層面，偏重用戶交互體驗過程中的反思與交互界面的動態響應，例如用戶的直覺、自我控制與正念等。面向移動端全景虛擬博物館用戶層的知識管理需要對這4 個層次的設計逐步理解、增強和激活，綜合用戶內在的反饋模型與交互界面響應式設計去增強用戶對博物館內容的知識管理。

4 面向移動端全景虛擬博物館的可視化交互設計原則

作為面向大眾認知與學習的工具，移動端全景虛擬博物館相關設備在進行交互設計時，知識可視化的相關理論將有助于指導相應的設計實踐。本研究基于對知識可視化理論和移動端全景虛擬博物館交互設計的研究分析，提出移動端全景虛擬博物館的可視化交互設計原則可分為知識類型的可視化、認知過程的可視化和圖形性質的可視化。基于知識可視化的移動端全景虛擬博物館交互設計原則見圖2。

圖2 基于知識可視化的移動端全景虛擬博物館交互設計原則Fig.2 Interaction design principle of mobile panoramic virtual museum based on knowledge visualization

4.1 知識類型的可視化交互設計原則

1）顯性知識。從知識的認知與管理的角度，知識的類型可分為顯性知識和隱性知識[13]。顯性知識多指文字、符號、圖表、圖標等易于識別與掌握的約定俗成的知識。與博物館交互的過程中，顯性知識的可視化主要涉及展品與展示空間的顏色、造型、圖案、工具等。相較于隱性知識，它更容易被學習者接受，但博物館存在著大量不同類型的信息，移動端的界面空間有限，通過圖式、語義網絡、圖形等方式使博物館展示對象可以以層級的知識擴展方式有效的傳遞給學習者[14]。這些方式與人的認知結構模型關系緊密，用戶學習過程的所得便是反映在大腦中的認知圖式，交互內容的圖式化與圖形化既有助于交互界面的清晰易懂、降低用戶的認知負荷，同時，也有助于用戶有條理地、循序漸進地學習移動端不同全景虛擬博物館的文化內容。

2）隱性知識。隱性知識多指無法用語言表述的在行動中掌握的知識。相較于顯性知識，博物館藏品承載著豐富且復雜的文化內容，如制作的工藝、口述的歷史、利益相關者的經驗傳遞，對展示內容的在線學習需要對交互內容進行合理的隱性知識顯性化[13]。通過整理、歸納和可視復雜信息的重要方式，如用標準化圖形（箭頭、圓、錐、矩陣等）概要描述抽象或復雜的知識點，以便構造信息、闡明知識點之間的關系，有助于減輕學習者的認知負荷，將多余的知識點剔除更專注經驗性知識的有效傳遞[15]。在交互設計方面，要更加注重對隱性知識的模擬，通過交互行為的具身化（Embodiment）方式演繹與再造那些凝結于經驗的隱性內涵。

4.2 認知過程的可視化交互設計原則

從信息加工的角度，用戶對學習對象是一個自上而下與自下而上的認知過程，而這一過程是伴隨著知識交互的過程共同螺旋式上升[14]。一般來說，移動端全景虛擬博物館的認知與交互過程包含交互的前期、中期與后期，不同的時期對應用戶認知與學習的不同層次。學習者基于過程的知識交互加工和應用將經歷知識導入、知識理解和知識鞏固的階段，也對應不同的博物館學習內容，參與者在知識交互過程中也將逐步形成對學習內容的感官、行為和演繹的過程，用皮亞杰的理論便是由初級圖式向高級圖式的轉變[12]。但這并不意味著對博物館知識內容的學習過程必然是線性發展的，研究者需要將用戶的個體差異作為考量指標，其中包括了用戶的知識背景、偏好與認知能力。在不同的認知過程中，用戶對知識交互的內容也有不同的掌握層級和能力水平。

1）認知交互前期。側重學習者對傳統手工藝的色彩、造型、圖案、歷史等內容的理解。由于知識交互前期學習者的認知主要集中其感官知覺，從視覺、觸覺、聽覺等感官形式認知博物館的內容，如對不同色彩的認知、歷史脈絡的了解及不同圖案和造型的基本常識輸入。這一過程在認知結構層是將大量基礎的、適合感官層認知的博物館學習內容以圖式、圖形化的方式導入到學習者的認知中，讓學習者有一個初步的印象。

2）認知交互中期。側重于對學習對象的工具、材料、原料等內容的理解。學習者通過行為（肢體交互）層面的互動加深對學習內容的理解，如通過不同的交互手勢（點擊、觸控、上下左右的移動等）、眼動、面部表情和語音交互等形式，從行為層表征對不同工具、材料、原料和技法的綜合運用，以及對前期的色彩、圖案和造型等內容的理解，這是一個通過交互行為方式在學習者認知結構的表征層深化學習[8]。因為博物館展品知識分類的特殊性，在材料、技藝等方面，單一的感官層感知形式的導入難以促進對其全面理解，學習者需要通過線下親身與實物實踐的形式或是線上通過交互設備模擬技藝的流程，促進對藏品不分類別的理解。

3）認知交互后期。是學習者經過前期導入、中期理解系統性學習后，進一步通過學習內容的持續性反饋。學習者通過交流反饋、經驗總結、學習測試和啟發式創意延伸等交互形式，對前期兩個認知層次階段的學習內容進行鞏固，并構建起學習者對學習內容的自我演繹[8]。對這一層次的學習，不再是單純的信息感知到知識理解的過程，而是上升至對知識學習的運用與管理階段，也稱之為反饋階段。當然，反饋也不局限于認知的后期，而是貫穿學習過程的每個時期，它是學習者在學習過程中對學習對象的主觀映像。在應用層面，設計者應當重點關注這一層次的交互設計，如在博物館中如何高效增強參觀者與展示空間及藏品之間的互動反饋設計和交互式的知識學習評價設計，以及在新媒體環境下學習者與不同交互設備之間交互與反饋設計等。

4.3 圖形性質的可視化交互設計原則

1）靜態圖形。從知識可視化角度，界面交互的信息圖形是一個解釋數據故事的工具[15]。全景虛擬博物館的圖形性質的交互原則可從靜態與動態的視角著手，其中靜態圖形的可視化主要以圖片、文本和標簽等，交互性較弱，呈現的形式多為預先生成的圖形并不能被數據動態地驅動[16]。因此在對相應交互內容進行設計時，應當更多地考慮直觀視覺表征所帶來的用戶感知。在信息與界面可視化的一般性原則中，顏色、大小、形狀、材質是重要的設計要素，包括了二維圖形、三維圖形和多維圖形[15]。在面向博物館的交互式學習中，為了更好地讓用戶可以高效感知靜態圖形而獲取知識，還應從知識管理和知識交互的視角出發。從知識管理的角度出發是指基于博物館藏品內容對其進行知識的分類，并通過圖形、圖式的方式展示提升用戶的認知與知識獲取；而從知識交互的視角出發是指從移動交互設備的界面原則出發，考慮用戶的認知結構與認知負荷，且符合視覺思維與心智模型，易于理解，通過對信息的線性與縱向層級的設計，引導用戶逐步對靜態圖形進行感知與記憶[16]。

2）動態圖形。廣義上指伴隨時間流動而發生形態改變的圖形，也可理解為介于平面與動畫之間[17]。在展開博物館的全景虛擬博物館的知識交互設計中，可以借助時間與空間的敘事，線性或非線性地將文字、圖像、聲音等多種元素整合在一起傳達，用戶則通過視覺表征對所傳達的知識進行感知與管理，在這一過程中，動態的知識交互勢必會涉及圖形顯示的速度和手機設備的性能造成的延時問題等[17]。此外，動態的圖形在展開設計時需要注重用戶的認知特性，此時更多的是關于用戶的短時記憶而非長時記憶，記憶的曲線會隨著時間的增長而降低；而用戶思維的邏輯性和有序性也是影響動態圖形設計的重要要素之一。因此，對面向移動端全景虛擬博物館的動態圖形設計，應當從多維的視角整合用于傳達博物館藏品內涵的文字、圖片和聲音，將繁瑣、無序和難以傳達的知識轉化為簡易的可視化語言，這樣既能幫助用戶過濾掉很多無用的信息，也能助其快速有效地掌握相關的知識。

5 結語

移動端全景虛擬博物館作為大眾參與和學習博物館文化內容的重要平臺，多注重內容數字化技術的介入，博物館的傳承與發展仍停留在展示本身而剝離了展品的文化語境和人的認知與行為系統，整合數字技術與數字博物館在知識可視和交互設計層面及增強在線教育意義方面仍有很大的提升空間。知識可視化理論對博物館知識傳達、人-交互設備的共協和在線教育都具有積極的指導作用，在移動學習日漸普及的語境下，本研究從知識可視化的視角提出了面向移動端全景虛擬博物館的交互設計方法，使移動端全景虛擬博物館更具可用性和教育性的，通過科學的可視化方式增強大眾的認知學習體驗。