霍爾沃茲墻氣象綜合觀測預報服務教育系統在科普館的應用

潘淑杰 劉琳

（1.天津市氣象服務中心，天津 300074； 2.北京鼎力合眾科技有限公司，北京 102600）

1 項目背景及必要性

1.1 項目介紹

霍爾沃茲墻系統，通過手指觸碰墻面上影像就會魔法般地出現神奇動畫影像。該系統屬首次在氣象科普領域應用。本項目是天津市氣象服務中心與北京鼎力合眾科技有限公司聯合開發，依托天津市氣象科普教育基地，氣象科學專業人才與北京鼎力合眾科技有限公司在計算機及應用軟件開發、氣象科普展品研發方面的優秀技術能力，于2019年聯合設計開發完成“ 霍爾沃茲墻氣象綜合觀測預報服務教育系統”，并在多家氣象科普館應用，該項目做到受眾面廣的互動體驗產品，將氣象觀測、氣象預報、氣象服務流程展現，可觸摸點擊，具有身臨其境效果。在一定程度上提升氣象科普館的現代化水平，增加能夠反映多媒體、動畫、聲、光、電相結合的高科技氣象裝備設施投入，通過公眾動手實地進行演示，提高展覽的“可參與性”“可實驗性”和“可思考性”，激發公眾的科普實踐精神和興趣，讓公眾掌握氣象科普知識和技能[1]。

1.2 項目的背景

1.2.1 發揮氣象科普教育基地作用，提高全民科學素質

科普是提高全民科學素質的關鍵環節，是基礎性工作，更是一項戰略性任務。2016年5月，習近平總書記在“科技三會”上提出:“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置。沒有全民科學素質普遍提高，就難以建立起宏大的高素質創新大軍，難以實現科技成果快速轉化”。氣象作為公眾生活不可或缺的服務，從古至今人們都在利用氣象服務于生產生活，同時也在面對不同氣象災害帶來的影響，而氣象科普與氣象服務工作也一直在開展，但傳統的方式不能提高公眾對氣象科學知識的興趣和關注，加快氣象科學知識的傳播，發揮氣象科普教育基地的科普宣傳作用是當前氣象科普的重要工作內容，做好氣象科普關系到公眾對氣象災害的認知和防御能力的提升[2]。所以，需要將科學知識以互動展品形式讓公眾來體驗，成為傳播氣象科普的重要手段。基于霍爾沃茲墻形式氣象綜合觀測預報服務教育系統展品是依托氣象科普基地可以給公眾以及氣象從業者更全面了解氣象業務提供一個更直觀、便捷的可視化展品。

1.2.2 從小培養，提高學生對氣象的興趣

當前全國氣象災害越來越多，也越來越重，公眾防災減災意識能力也在不斷加強，但因為科普宣傳途徑單一、效果不好，氣象科普知識又比較深奧難懂，所以對大眾普及程度不高。國家要求將素質教育培訓納入中小學教學，從小培養孩子了解氣象知識，掌握氣象知識，提升防災自救能力，氣象部門承擔著重要的氣象科普教育工作。《中華人民共和國科普法》第十四條要求各類學校及其他教育機構，應當把科普作為素質教育的重要內容，組織學生開展多種形式的科普活動。而氣象部門利用現有的科普教育基地，既可以降低成本、實現高效，資源共享、合理利用，為科普標準化提供指導，又可以將氣象知識、氣象災害知識及災害防御能力知識，霍爾沃茲墻系統通過互動體驗式教學，讓孩子們更直觀地理解氣象知識、用好氣象信息、掌握正確方法，提高自己救助和救助他人的能力，同時對知識產生興趣，從而掌握知識，提高防災減災和抗災能力[3]。

1.3 項目的必要性

具有互動功能的科普產品是氣象科普館的重要組成部分，科學普及是對青少年進行社會教育的重要內容，如何將枯燥、難懂、深奧的科學知識通過具體、形象、有趣的科普產品展示給受眾，并能通過互動體驗來認識知識，是科普從業工作者應當研究的課題之一。

氣象知識內容豐富，但專業性強，枯燥難懂，面向社會公眾普及比較困難，以往通過畫冊、展板、宣傳冊進行的傳播，多是被動傳播，很難引起公眾的興趣，而面對頻繁發生的氣象災害，又不能通過現場體驗來了解災害，所以迫切需要將知識通過互動展品方式和體驗方式傳播。基于霍爾沃茲墻的氣象綜合觀測預報服務教育系統展品，將工程技術、藝術、文化知識、科學原理和經濟有效融合在一起，進一步擴充了知識性和科學性，從而為公眾系統提供更優質的服務[4]。

2 項目研究的技術路線和方法

2.1 研究的技術路線

“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測預報服務教育系統”采用墻面觸摸技術，是利用投影機進行交互展示的一體化設計，是一種可以直接在墻面實現交互的技術，即通過投影互動技術來實現。不同于常規氣象展品的是，霍爾沃茲墻是一款實景造型與多媒體內容相結合的互動產品。參與者用手指觸摸墻面上的圖形，通過磁線圈感應，靜面的造型墻就會呈現出夢幻的效果。令人感覺手有魔法一般，觸摸墻面的文字圖標，自動氣象站就開始工作記錄風、雨、溫度濕度等的數據；手一揮“衛星”發射了，預報員便通過衛星收集數據制作每日預報；再輕輕一點，氣象服務部開始忙碌播報天氣預報影視微信、廣播節目等，在光影交錯中，令使用者穿越時空體驗了氣象觀測、預報、服務系統的整個過程。項目研究的技術路線包含以下五個方面：（1）項目深化設計：體驗流程調研、軟件系統設計、資料采集分類；（2）軟件系統開發：交互體系開發、體驗模式開發、科技效果實現；（3）系統集成開發：設備采購、系統部署測試、系統集成開發；（4）系統內測優化：內測版發布；系統聯調測試；系統完善優化；（5）系統發布：正式版發布；應用推廣。

2.2 研究的實現途徑

該系統核心研發主要分為以下三大體驗模塊：

一是氣象觀測交互板塊設計。多功能自動氣象觀測站模型含風向風速、溫度、濕度、雨量等天氣要素，自動氣象觀測站展示通過移動通信將全天候自動記錄并自動存儲在計算機的過程，讓公眾了解天氣信息獲取的渠道過程。（1）視角表現：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對應的紅外磁線圈；（2）內容包含：氣象要素里溫度、風向風速、濕度、氣壓、雨量等；（3）交互內容：開始體驗觸發，觀測數據獲取、意義、預報知識點、系統體驗菜單。

二是氣象預報交互板塊設計。氣象預報系統展示從衛星及觀測數據獲取的云圖、氣象預報數據軟件、氣象要素，通過預報員制作出每日天氣預報的過程。（1）視角表現：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對應的紅外磁線圈；（2）預報數據包含：風云衛星獲取的數據、雷達獲取的數據、MICAPS系統、Wrf數據等；（3）交互內容：手動成功獲得數據、氣象預報分析、預報結論生成、系統體驗菜單。

三是氣象服務交互板塊設計。氣象服務部分展示氣象部門將氣象數據如何轉化成給行業需求的服務手段，如制作天氣預報影視節目、短信、微信、廣播節目等。（1）視角表現：第一人稱視角，身處墻邊，觸摸對應的紅外磁線圈；（2）服務手段：影視節目、短信、微信、廣播節目等；（3）交互內容：體驗天氣預報產品發布、接收等過程。

參觀者站在墻面互動投影系統內容，通過采集人體的動作，可以直接通過雙手或觸摸體感動作與投影幕上的虛擬場景進行之間交互，互動效果就會隨著你的身體動作產生相應的畫面變化，比如觸摸觀測場，投影就會在觀測場位置投放地面觀測的視頻介紹，包括要素構成、百葉箱、量雨桶的使用及溫度濕度的觀測等。展品在科學性的基礎上，引起公眾的興趣，通過公眾在觀看體驗過展品之后，增強公眾對氣象基礎知識以及工作內容和過程的理解，使公眾在輕松、愉悅的氛圍下對氣象科技有所了解，最終實現公眾科學素質的提升[5]。

3 研究內容和取得的成果

3.1 項目執行情況

“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測預報服務教育系統”項目，建設3m*2m霍爾沃茲墻，8個紅外磁線圈，從氣象觀測、氣象預報、氣象服務三方面展現氣象工作各環節的科技內涵。該展品包括多功能自動氣象觀測站模型含風向風速、溫度、濕度、雨量等天氣要素，自動氣象觀測站展示通過移動通信將全天候自動記錄并自動存儲在計算機過程，讓公眾了解天氣信息獲取的渠道過程；氣象預報系統展示從衛星及觀測數據獲取的云圖、氣象要素再通過預報員制作出每日預報的過程；氣象服務部分展示氣象部門將氣象數據如何轉化成給行業需求的服務手段，如制作天氣預報影視節目、短信、微信、廣播節目等。該展品可以查閱全年、全月、全天任何時間的氣象資料，同時可以批量接納學生群體的學習和研究，能定期對學生群體進行氣象科普教育。

3.2 活動創新點

霍爾沃茲墻特點是：多媒體展示、雙向互動；令人驚奇的動態影像交互實現；交互性、趣味性、娛樂性、實用性，多種效果表現形式；操作簡單，人人都可以零距離參與。

霍爾沃茲墻可以展示豐富的內容，文字、影音等。公眾可以用肢體與投影畫面中的內容進行互動，帶來一種不同尋常的特技和娛樂交相輝映的效果，猶如魔法一樣，讓墻上的畫面動起來，摒棄氣象預報整個制作流程的枯燥，有很好的寓教于樂宣傳效果。無論是氣象要素的獲取還是氣象預報的制作，或是氣象服務的發送都可以隨意地選擇。奇幻的視覺效果和美妙的動感和互動觀看，通過互動畫面和聲音給學生或公眾提供又一個全新的氣象科技體驗。

4 成果市場推廣應用情況分析

4.1 成果市場推廣情況

該項目完成后首先在天津市氣象局使用，后陸續在天津市津南區氣象局、內蒙古巴林左旗氣象科普館、江蘇睢寧縣氣象科普館使用，是場館中比較受歡迎的展項。2020年由中國氣象學會推薦參加中國科學技術協會主辦的“典贊·2020科普中國宣傳系列活動”中獲得優秀展覽展品獎。

4.2 成果市場推廣應用分析

1.提升公眾對氣象的了解度，發揮群眾氣象災害防御積極性。通過該項目建設，可以使社會公眾通過簡單的接觸就能近距離感受氣象預報的制作流程，切實感受到自己身處其中，公眾可以及時、準確、客觀、全面地了解氣象預報、氣象災害相關知識信息的權威、客觀、暢通、可信的渠道，輕松探索氣象的奧秘、感受氣象萬千，學到書本中所沒有的知識。不僅加速了公眾對氣象知識的好奇，提高公眾的氣象防災減災能力，使廣大公眾能熟悉天氣預報基本知識，預報方法、服務手段，加強氣象災害的防御能力，同時，也有利于消除公眾疑慮或事先掌握災害預測信息，避免不必要的損失或把災害造成的損失降低到最小的程度，能最大限度地發揮人民群眾在氣象災害防御中的積極主動性，增強全社會防災減災能力，提高廣大人民群眾的氣象防災減災意識，促進經濟社會和諧發展。

2.依托全國各地科普教育基地，結合重要時間點，提高全民科學素質。通過在氣象部門已有的氣象科普教育基地的基礎上設計開發“霍爾沃茲墻氣象綜合觀測預報服務教育系統”，使其能將各類氣象數據觀測原理、天氣預報制作使用的各類模式、軟件和氣象產品采用何種手段服務等一系列科普知識集成，在“3.23世界氣象日”“防災減災日”“航天日”“科技周”和“全國科普日”等重要時間節點，組織開展科普宣傳教育活動，面向不同人群開展分層次、寬領域、多手段的科普宣傳、教育、人員培訓等，積極推進氣象科技知識的社會化傳播與普及、增強公眾應用氣象信息的能力、引導公眾關心氣象、理解氣象和應用氣象，提升公眾科學素養，促進公眾主動參與氣象科普活動，發揮氣象科普教育基地的科普宣傳活動。

5 存在的問題、建議及下一步研究工作設想

5.1 存在的問題

一是氣象觀測環節繁多，氣象科普的范圍有待于進一步擴大，每個單一的展品與相關的展品又要有連貫性，在一個展品中無法全部體現。

二是進一步豐富各種渠道，貼合不同職業、不同年齡段的受眾科普。做到全域科普，使得霍爾沃茲墻系統成為信息化、數字化、新時代下衍生的新興宣傳教育平臺。

5.2 下一步工作設想

本項目具有很強的延展性，可根據不同空間開發一系列內容。今后可繼續開發各環節，如高空探測、地面觀測、氣象預報、氣象公共服務等的氣象科普內容，以其極強的新鮮感和互動感來吸引體驗者。