沉浸式互動設計在科普展示活動中的應用研究

于文文， 楊 勇

（中國礦業大學 建筑與設計學院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

人類歷史延續至今，回顧那些漫長悠久的歲月，沒有任何一個時代， 讓人們看到科學技術的發展對藝術帶來如此巨大的影響；也沒有任何一個時代，讓如此豐富多彩的插畫、廣告、動畫、電視、電影等數字化藝術作品，充斥著人們的視知覺。 在這樣的背景下，藝術與科技沉浸地、完美地融合在了一起。 隨著互聯網的日益盛行和多媒體技術的興起， 沉浸式理論與交互式體驗被廣泛應用于科普活動中；使用多媒體設備，如投影機，LED 顯示屏和環行屏幕以及計算機多媒體技術，如全息投影技術、體感交互技術、虛擬現實技術、多點觸控技術等，來達到沉浸式互動的觀展效果和體驗模式。 把科普知識巧妙自然地融合進豐富的感官體驗中，從而使參觀者獲得更好的體驗感受，實現寓教于樂的科普目的。 因此，文章嘗試探討沉浸式互動設計在科普展示活動中的應用，梳理出其應用的理論基礎、應用形式與技術以及發展趨勢，以期提升觀眾的參與意識以及獲取信息量的能力，使科普展示信息的限制逐漸從二維空間中消釋，讓科普知識真正融入人們的生活。

1 沉浸式互動設計概述

沉浸理論最早是在1975 年被美國社會心理學家米哈里·齊克森米哈里博士提出來的。 理論闡明在日常生活中，人們會將個人注意力完全投入到某些情景當中，過濾掉外界的干擾從而進入到一種沉浸的狀態，這種專注于特定活動所呈現的狀態也被稱之為“心流”。 “沉浸式互動”最早出現在加拿大的語言教學模式中， 因其在教學中的效果顯著，隨后被應用到娛樂場所、活動展覽、軟件開發等多個領域。 在展示活動中，設計師利用多媒體設備和多媒體技術給參觀者帶來豐富的感官體驗以此實現沉浸式互動的設計和應用目的[1]。 沉浸式互動設計給參觀者帶來身臨其境、別出心裁的感知體驗和認知體驗，逐漸得到大眾的認可與喜愛，成為一種喜聞樂見的新型展示設計方式。

2 沉浸式互動設計在科普展示活動中的應用現狀

《體驗經濟》 的作者約瑟夫·派恩在書中提到：“體驗是人通過感覺器官對人、事、物進行了解與感知，是個人心智狀態與特定事件之間互動作用的產物； 強調重視消費行為發生時人的心理體驗。”美國教育心理學家布魯納提出的“發現學習法”表明學習過程不是將知識單向傳遞給人，而是人通過一系列發現行為（如轉換、組合、領悟等）主動獲取知識的認知過程[2]；表明學習過程中體驗的重要性。 兩位理論家分別從經濟學和心理學的角度闡釋互動體驗的重要性，為沉浸式互動設計提供了理論依據。

隨著我國經濟社會的快速發展和文化生活的日益豐富，民眾對科教活動有了新的需求與期待，人們走進博物館、科技館、天文館、美術館等場所不僅限于獲取展品本身所呈現的信息，更期望獲得與眾不同的互動體驗。在當今的科普展示活動中， 沉浸式互動作為一種新興展示設計模式仍處在初步發展階段，有著很大的發展前景；展示設計師盡可能地將“體驗主體”與“體驗客體”之間的平衡關系發揮到最大化，以達到互動體驗和寓教于樂的目的。沉浸式互動設計不僅為科普展示活動增添了互動性、趣味性和科學性，還為參觀者帶來獨出心裁的感官體驗和認知體驗。綜上，沉浸式互動設計在科普展示活動中的應用，對于廣大社會民眾來說具有積極影響和劃時代意義。

3 沉浸式互動設計在科普展示活動中的應用理論基礎

3.1 行為主義學習理論

行為主義學習理論又被稱為“刺激-反應”理論，是由美國心理學流派提出的一種研究學習的理論和方法。 行為主義學習理論認為：學習的過程是刺激與反應之間聯結的過程，理論家把外界環境看作是“刺激”，把學習者的行為看作是“反應”，強調人所有的行為都是學習所得。 因此，在設計科普展示活動時，設計師要重視情景的再現，將科學知識融入到真實自然的情景之中，充分發揮多媒體設備和信息技術的優勢，呈現出具有沉浸感的展示空間，結合場景的“刺激”作用，引導參觀者獲得正確的反應。科普活動盡可能具備讓參觀者沉浸其中的能力，為參觀者創造良好的環境，在交互過程中放大其感受，消除不適當的情緒和行為。

3.2 建構主義學習理論

建構主義學習理論表示學習不是老師向學生傳輸知識的簡單過程，而是學生以個人經驗為基礎，主動獲取并建構知識的過程。 簡而言之，學習不是被動地接收，而是主動地獲取和建構。在科普展示活動中，建構主義學習理論的應用原則：第一，強調以參觀主體為中心；第二，強調展示環境對知識建構的影響；第三，強調運用各種新興媒介和多媒體技術來引導“學”；第四，強調交互過程的最終意義是達成知識的建構[3]。 因此，科普展示設計師在選取展示內容時，先要了解參觀者的認知特征，不能超過參觀者的經驗水平， 建立參觀者已有經驗和將要學習知識之間的關系，同時也要增添展示活動的科學性和趣味性。對于專業性、科學性均較高的展示活動，設計師要給參觀者創造一個循序漸進的學習過程，知識難度層層遞增，從而達到更好的科普教育效果。

3.3 交互設計理論

交互設計以 “在復雜的物質世界中嵌入信息技術和多媒體技術”為中心，著力于去創建“交互主體”與“交互客體”之間的平衡關系。 在科普展示活動中，展示設計師充分考慮參觀者與展示空間的聯系， 將交互行為和交互客體作為設計對象；運用空間形態、材料肌理、色彩、動畫、燈光、聲音的變化來傳遞展品信息；應用多媒體設備和多媒體技術，營造具有沉浸感的情景，為參觀者帶來與眾不同的觀展體驗，使科普展示的效果最大化。

綜上，在設計科普展示活動的過程中，應該以理論為指導基礎。 行為主義理論闡明展覽本身要盡可能利用新興技術與設備，為參觀者創造良好的、可被欣賞的展示空間；建構主義理論強調參觀者要具備主動性、積極性，要有意識地與展品進行互動； 交互設計理論是展館與參觀者之間溝通的橋梁，只有將體驗主客體“優勢”放大，才能達到科普教育的最好效果。

4 沉浸式互動設計在科普活動中的應用技術

4.1 全息投影技術

全息投影技術是一種無需佩戴專業設備， 裸眼即可看到立體影像的的三維技術， 指利用干涉原理記錄并重現物體或情景的真實圖像。 展示過程中觀者站在不同的方位通過裸眼觀察，就可以多角度、全范圍地看到物體的三維立體圖像。目前，全息投影技術有360°全息顯示屏技術、空氣投影技術、激光束投影技術和偽全息投影技術這四種。 由于科技創新與科學普及的協同發展均具有十分重要的意義，全息投影的形式從文化館、博物館、美術館應用到科普館、研學基地、科普教育基地等展館。 全息投影技術打破了科普展示空間中單一、靜態的展示形式，用多維、動態的虛擬影像將科普內容展示出來，使觀者參與其中，獲得沉浸式的體驗，達到寓教于樂的目的。

2021 年11 月廈門環衛科普館正式開館，作為廈門首個市級綜合性大型環衛科普館，擺脫了傳統枯燥的“填鴨式”宣傳方式，采用沉浸式互動體驗，使參觀者了解垃圾分類的方式和意義。館內擁有一臺360°全息投影設備，見圖1，將人們日常生活中常見的垃圾收運車、廚余垃圾收運車，以及不常見的隧道清洗車等環衛車輛，三維立體地呈現在參觀者眼前， 全面直觀地展現出車輛各部分的功能。 全息投影技術不僅讓參觀者沉浸式體驗到垃圾分類的整個流程，也有效地推動了科普教育的開展。

圖1 全息投影技術（廈門環衛科普館）

4.2 體感交互技術

體感交互技術是指計算機通過識別體驗者的肢體動作和手勢等信息來獲取命令， 通過算法和相應設備進行數據傳輸與轉換， 給予體驗者可視化反饋的新型人機交互方式。 隨著國內科學技術的發展和信息技術的應用， 體感交互因沉浸式和趣味性的交互特征， 成為科普展示活動中最受體驗者歡迎的交互技術之一，根據互動形式可以劃分為觸控型、體驗型、沉浸型三種模式。在科普展示設計中，設計師應遵循適用性、互動性的設計原則，根據空間環境的特點選擇適宜的互動形式，充分考慮到外界因素對交互的影響；同時也應考慮交互動作的難易程度，不宜使用太過復雜的動作，最大程度上方便參觀者與展項進行互動。

中國科學技術大學先進技術研究院設計的量子科普館，是以普及量子知識為主題的科普研學基地，是量子科技發展的展示平臺。館內新穎的科學互動裝置，讓參觀者有一種沉浸式的體驗， 在互動過程中參觀者不僅可以獲取量子科學知識，也可以了解量子領域的前沿發展動態。量子科普館中的多人體感交互裝置，見圖2，以巨幕量子墻為背景，以“光量子點”為元素，展現“波粒二象性”、“量子糾纏”、“量子隱形傳態”等現象，通過多樣的色彩和多變的粒子碰撞效果，讓參觀者置身于奇妙的量子世界。

圖2 體感交互技術（量子科普館）

4.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術又被稱為VR，是指利用計算機科學技術創建一個仿真的三維立體空間，為參觀者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模仿，使參觀者沉浸到互動的虛擬場景之中，讓參觀者在虛擬世界中獲得最真實的體驗和感受[4]。虛擬現實技術包含沉浸式虛擬現實技術、非沉浸式虛擬現實技術、分布式虛擬現實技術和增強現實技術這四種類型，具有多感知性、沉浸性、交互性、構想性的特征。 在科普展示活動中，VR 是最容易激發參與者興趣、實現沉浸狀態的技術之一。

目前虛擬現實技術在科普活動中的應用多為兩種形式，其一是裸眼沉浸，通過立體視覺顯示設備（三維展示系統、大型投影系統等）再現真實情景，展示過程中參觀者不需佩戴顯示器、追蹤器等設備，僅憑肉眼就可以看到真實的人文場景或自然景觀， 從而獲得身臨其境的感官體驗； 其二是參觀者通過佩戴VR 眼鏡、VR 一體機等設備進入虛擬的三維立體空間， 沉浸式互動不僅讓參觀者產生愉悅的體驗感， 也激發了人們學習的欲望以及自主參與性，從而更好的實現科普教育的目的。

2021 年4 月海洋主題沉浸式科普館入駐廈門， 全國首個鯨探海洋科普研學基地正式啟動。 科普基地采用虛擬現實技術再現壯闊的海底景象，見圖3，帶參觀者一秒穿進海底世界，為參觀者打造一場沉浸的深海之旅。2020年6 月廣東省禁毒科普館正式開放， 這是一所集禁毒知識教育、宣傳教育、警示教育于一體的現代化科普教育基地，展廳運用多媒體展示、虛擬現實體驗、沉浸式互動體驗等方式，向市民普及禁毒知識。 科普館的第二層是VR虛擬體驗區，見圖4，參觀者戴上VR 眼鏡后，選擇“吸食海洛因模式”，設備開始模擬人在吸食毒品后所產生的視覺刺激以及聽覺刺激，通過光線給人的眩暈感，讓參觀者體會到毒品的危害性。 在毒駕的VR 體驗中，“吸食大麻”的參觀者視線開始模糊，眼前道路開始傾斜，駕駛的車輛難以走直線；模擬駕駛一分鐘就能明顯的感受到眩暈感，使參觀者在沉浸式的體驗中感受到毒駕的危害性。

圖3 情景再現（鯨探海洋科普研學基地）

圖4 VR 眼鏡（廣東省禁毒科普館）

4.4 多點觸控技術

多點觸控技術又被稱為多重觸控、多點感應技術，是指在沒有傳統的輸入設備下（鼠標、鍵盤等），通過觸摸屏（屏幕、桌面、墻壁等）或觸控板等進行多點或多用戶的人機交互操作模式[5]。多點觸控技術摒棄了單點觸控的操作模式，參觀者可以用手指進行觸摸，也可以用雙擊、平移、拖拽、滾動、旋轉等手勢觸摸屏幕，觸發對圖文和動作的指令，從而更全面、豐富、立體地了解展品的特征與信息。

廣東省佛山市禁毒教育基地是國內首家沉浸體驗式禁毒科普基地，基地引進沉浸式動畫、墻面互動投影、多點觸控等現代化新媒體技術， 將禁毒知識與互動體驗充分融合。在“毒品銷毀”這個展項中，設計師運用了多點觸控技術，設計了扔球銷毀毒品的游戲互動環節，參觀者進入互動區域，用特質小球扔向屏幕中的毒品，將其銷毀并贏得分數，見圖5。 此游戲支持多人多屏同時進行，提升了場地的使用效率。 此外，多點觸摸技術還應用于博物館之中，見圖6，展示設計師將館內的展品收藏進多點觸控屏幕，參觀者可以通過觸摸屏來選擇和欣賞個人感興趣的展品，使展覽更具人性化和個性化。 多點觸控技術在科普展示中的應用，不僅提高了場地的利用率，還加強了參觀者的記憶，激發了民眾的學習興趣，達到寓教于樂的效果。

圖5 多點觸控游戲（佛山市禁毒教育基地）

圖6 多點觸控屏幕

5 沉浸式互動設計在科普活動中的應用趨勢

5.1 以交互手段代替線性手段

在科普活動中，交互性是展覽最重要的特征之一，展品信息不僅限于被展示媒介所承載， 而是與參觀者互動過程中感知并獲得。在傳統的科普展示活動中，參觀者與傳播者有著明顯的界定， 而交互設計的出現模糊了兩者的界限， 在互動過程中參觀者不僅可以主動選擇自己感興趣的展示信息，還參與介入信息的二次生產與傳播。這與利用實物模型、圖片、文字等載體進行單向線性傳播的傳統模式有著本質的區別。 沉浸式互動設計可以充分展現出自然界中變幻莫測的現象， 也可以預知城市未來的發展規劃，還可以帶領觀者探索宇宙的奧秘；觀者借助多媒體投影、全息投影、數字屏幕以及VR 眼鏡等設備進行互動體驗[6]。目前，越來越多的科普展館（博物館、科技館、天文館）應用到沉浸式互動設計的展示方式，設立了沉浸式劇場；因參觀者從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等方面得到了更高級別的體驗以及更加身臨其境的互動， 從而獲得了觀眾的高度認可，使科普信息的傳播更加有效。

5.2 以體驗為核心的互動設計

在傳統的展示模式中， 空間的展示陳列方式基本是以靜態形式來設計的，空間立面、展示線條、造型都是一些圖片、文字、固定造型、藝術陳設等靜態元素。新媒體技術的發展和應用使傳統展示設計突破了以往的靜態模式，向互動體驗的觀念前進。 杜尚曾說過：“總而言之，創造的過程不是藝術家一個人完成的。”這說明無論什么作品什么展覽都需要觀眾的參與，需要觀眾從自身的角度出發去理解、詮釋信息，強調了觀眾的互動參與和體驗性[7]。這也是當今的大勢所需，人們都在追求獨特美好、不可復制的參與感與體驗感， 以體驗為核心的互動設計可以充分滿足觀者的感知需求和情感需求。 體驗的目的是為了給予觀者獨特的互動，加深人們對信息的理解。

6 結論

科普展示作為當今普及科學知識、 推廣科學技術，傳播科學思想的重要途徑，已從單一的展示形式朝多樣化發展，為科學與藝術的融合提供了舞臺。 現階段新媒體技術在科普展示活動中的應用逐漸增多，在這個過程中，展示設計師需要充分考慮到受眾的參與感與體驗感。通過沉浸式設計營造出生動情景，增強受眾的交互體驗感，使受眾獲得全身心、全過程、全情感、全方位的沉浸互動，滿足受眾的感官體驗以及多元情感的需求，使受眾更全面深刻地掌握科學信息。 未來的科普展示活動將更加具有沉浸感，向個性化、人性化發展，與數字網絡的關系也將越來越緊密，這不僅是對展示形式的創新，也使科學普及更有效，因此沉浸式互動設計對科普展示的未來發展具有重要意義。