基于虛擬現實技術的兒童科普空間交互設計研究

易欣玥 祝冰謙 吳青霞 江 波

（1.廣西藝術學院,廣西南寧 530000;2.中南大學,湖南長沙 410000;3.廈門大學,福建廈門 361000）

一、引言

在現代教育改革的大背景下，人們對于兒童教育環境更加重視。出于對兒童教育環境發展的關注，根據現有可搜集數據文獻，了解到目前國內外幼兒教育發展出現了以下問題：一是過度保護。根據研究發現把握好設施尺度與私密空間之間的平衡可引導兒童安全活動，才有利于促進兒童行為習慣的發展。二是缺少感官引導。多數幼兒室內空間依賴人工照明和人工展具，缺少對室內外感官的流通感探索。三是忽視心理教育引導。展示空間中環境賦予的變化能夠激發幼兒通過身體和心理探知環境，但是如今幼兒科普空間在心理認知培養方面不夠重視[1]。

二、虛擬現實技術發展現狀研究

虛擬現實技術（簡稱：VR)是近年來應用較為廣泛的一種技術，它將計算機技術、圖形圖像技術、人機交互技術等技術結合起來，在計算機中構建虛擬場景，模擬真實的現實世界，并進行各種模擬，從而給人以環境沉浸感，實現生活在另一個世界的場景，逐漸在游戲、教育、醫療等領域得到應用。高科技的發展為人們開拓了新型展示方式——創造實物虛化、虛物實化的方法。相較于一般的展示空間設計的展示方式不同，可以更好的提升空間的交互性、沉浸性和多樣化的體驗感受?；谝陨蟽瀯?，本文將虛擬現實技術與兒童科普空間相結合，滿足以兒童為本的基礎上，從兒童的身體體驗和心理需要出發來考慮科普展示空間的設計研究，旨在發展教育活動的同時促進兒童科普與展示空間的和諧發展，為未來教育空間的發展提供參考[2]。

三、虛擬現實技術針對兒童需求的融合

虛擬現實技術可以模擬現實生活中難以接觸或具有一定危險性的場景，不僅節省了虛擬真實場景的成本，而且可以使兒童在低風險情境下完成一系列實驗，不受時空、材料的限制。在現實空間教學中，一些兒童實驗器材與材料由于價格昂貴而無法得以向孩子們展示科普，甚至有些兒童科學實驗因時間較長而無法切實展開。隨著虛擬現實技術融入實驗室，虛擬實驗教學則可以很好地克服這些限制，不僅節約了實驗教學成本，打破了傳統陳舊的教學觀念，而且得以進一步培養學生的探索精神和創造能力。可見，虛擬仿真實驗教學對傳統的教學模式、教學方法和教學手段帶來了新的教育思路[3]。

交互式教育擴展了已存教育方式的界限。虛擬現實技術的出現把展示空間內的教學變成一種可利用率極高的互動教學過程。交互式教育幾乎完全改變了傳統的教育空間模式，兒童們根據環境的變化產生不同的選擇。在互動式教學中，空間展示可以通過語言，甚至通過展品和多媒體設備，營造一種教學環境，讓學生結合自身感官去感受科學知識，進一步激發學生的興趣，提高科普教學效果。科普展示空間中，利用空間的虛擬場景引導兒童們做出自己的選擇，自發性的去融入空間環境，感受環境帶來的教育體驗，并在其中通過觸覺、感覺、聽覺、嗅覺等方式探索周圍世界，從而構成智力提升的途徑。通過兒童在虛擬環境中的主動性嘗試與操控，使孩子們更直觀地觀察認知活動的過程，加速認知過程，從而有效地提高孩子們的認知能力。

（一）全面交互設計與虛擬實驗室

交互式教育擴展了已存教育方式的界限，虛擬現實技術的出現把展示空間內的教學變成一種可利用率極高的互動教學過程。例如兒童接觸到虛擬空間中的物體，那么體驗的兒童也能夠感受到虛擬空間中的物體，通過特定的儀器設備與虛擬環境中的對象進行互動，從而產生與真實環境相對應的感受和體驗。此技術中的交互性體驗的原理主要是為兒童們創造相對與現實生活中較真實的場景，從而提高學生對抽象知識的理解[4]。展示空間設計能夠運用虛擬現實技術創造設計專屬的虛擬工作室，是目前空間設計達到教育目的的常見方式。然而利用虛擬的空間技術，兒童可以進一步利用虛擬的儀器或者技術進行間接操作學習，從而達到從虛擬中實現現實教育的同等效果，并且還可以避免不必要的空間危險。

（二）敘事設計

敘事設計方法講求以兒童為本，讓孩子作為空間的主角，通過VR技術以情景游戲的方式實現對兒童們更好的發展成長。嘗試利用視聽體驗和交互多媒體裝置營造敘事環境，孩子們可以利用自己的行為舉動，包括姿勢、行為、動作和音量高低來控制虛擬場景的光線和畫面變化，從而創造屬于兒童自己的畫面作品，以此也可以作為參數化和視覺化體系的創造。為了讓孩子們有更多的體驗，還可以和孩子一起創作兒童劇，讓他們扮演不同的角色，通過對角色的理解和演繹，將科普知識通過故事的形式內化到孩子的心里[5]。VR游戲不僅能激發兒童的興趣，還能提高兒童的空間想象力，建立空間思維，達到手、眼、腦協調的目的。

（三）多感官設計

設計多感官體驗空間，增加科普空間中可感知的因素，如不同材質、顏色的材料；搭配光的明暗度、增加異形界面形式、設置私密空間如凹槽、凹室、神秘屋等，從而增加幼兒的多感官體驗。同時，在空間內設置植物、水體、沙土等元素，運用現代電子虛擬技術展現，使得兒童可以通過對植物的認知、栽培、種植來達到學習的作用，植物等自然元素可以通過多種方式刺激兒童，包括視覺、嗅覺和觸覺。這些設計細節從根本上滿足了在展示科普空間中，兒童內心的心理需求和游戲過程中的創造力。通過對空間的組織變化，營造和諧的室內環境，達到視覺功能和心理功能的協調。

四、基于虛擬現實技術的兒童科普交互設計實踐研究

（一）兒童科普交互設計策略

服務系統由線上小程序和線下場館服務組成，線上小程序包括活動預約、記錄、科普咨詢推廣，社群服務及安全保障服務。線下場館服務包括VR科普體驗服務，參觀游覽服務，親子主題活動、積分兌換服務及VR體驗館。為了進一步明確參與兒童科普服務的整個流程，對用戶的整個游覽旅程進行梳理如圖4所示。以兒童為中心的敘事設計方法，通過虛擬現實技術，讓兒童在空間中發揮主導作用，實現兒童在情境游戲中更好的發展和成長。嘗試通過視聽體驗和互動多媒體設備創造一個敘事環境，讓孩子們可以使用他們的行為動作，包括姿勢、行為、動作和音量，來控制虛擬場景中光線和圖像的變化，創造自己的圖像。它還可以用于創建參數化和可視化系統。具體來說，用戶首先在線上小程序進行活動預約，并且選擇自駕前往或者預約接送服務，在指定時間到達場館并進行身份驗證后進入場館。隨后參與到相應活動中，包括簽到、領取勛章，進行游覽和參與對應活動的小講堂，最后進行獎勵兌換和形成個性化的活動記錄，并形成相應的社群。

基于以上設計思考，對兒童科普服務體驗館進行設計，以自然知識科普為例，在設計過程中遵循以下幾種設計策略：

1.多媒體自然交互

設計中考慮運用身臨其境的環境，去詮釋一個自然生態系統，邀請兒童通過創建自己的視聽節目來參與體驗。利用虛擬現實技術創建一個智能的數據環境空間，可以動態地表達不同形式的信息，將觀眾帶入虛擬現實空間中，提高兒童對物理空間的感知，在環境中提供不同程度的沉浸感。所有的內容都被實時設計，就像在自然的展示空間中創造出一個系列的互動隨機變化的過程。帶領觀眾到環境的中心去感受微妙的變幻。

2.多樣化展教方式

多樣化展教方式能夠同整個展示空間或者其中某個互動項目進行交流互動，即在展出示意的時候或者前期邀請受眾兒童加入創作，利用將展示空間與孩子們之間的互動溝通作為橋梁，進行展示空間的策劃、展品挑選、展覽細節等前期工作，在整個互動過程中進行設計，從而完成更好的空間展示設計。

在空間設計時，可以通過娛樂等方式模擬教育時候的互動游戲和情景展現，例如讓孩子們找出展品與文化知識之間的關系連接，可以更好的提高在展示空間的互動性、參與感和趣味性，為展示空間設計增添一些不一樣的趣味。現在科技技術在戰士科普空間主要以傳播文化理念和歷史內容為主，更多以時間線為主線，讓孩子們在空間中順著時間線的空間設計隨著空間的轉換經歷深刻的變化，從而創造形成全新的展示理念。

3.可多變場景設計

可多變場景設計是現代設計領域中的一個重要概念。在這個多元化和快速變化的時代，設計師需要考慮到不同場景下的使用情況，以便創造出更加靈活和實用的設計方案?？啥嘧儓鼍霸O計可以增加幼兒探索空間，與空間互動的機會，增強幼兒對空間的感知力，同時讓幼兒之間有更多的交流互動，如游戲、交流、學習等。整體空間以少量墻體分隔空間，只要通過隔斷、高差與光線等軟裝來豐富空間層次。在設計場景時，參觀者只需要佩戴專用的虛擬現實設備，就可以看到每個展覽的詳細描述，包括圖像、文本演示、視頻等。設計師應該考慮到不同場景下的使用情況，以創造出更加靈活和實用的設計方案。通過使用響應式設計、模塊化設計和云技術，設計師可以實現這種多變性，為用戶提供更好的體驗和更高的可用性。

（二）兒童科普空間設計

見圖1，科普展示空間包含的元素主要關懷性、互動性、教育性有關。兒童科普展示空間展示了空間設計元素，結合了身體、情境、生成和動態認知的理論特征，探索了兒童對科學的需求體現在物理感知、行為、互動和意義交換三個方面。通過使用生動的視覺表達來豐富生活生活感情色彩、直覺，將抽象的科普知識轉化在特定具體的場景中，讓孩子們充分沉浸在科學的內涵中，從而實現個性化認知的增強，促進孩子們對科學的理解，獲得智力延伸。虛擬信息空間和真實物理空間的結合，在多維情境空間中創造了身臨其境的時空環境。對于科普展示空間情景性設計，光線、材料等所營造的視覺要素尤為重要。探索和提高科學內容，確?？茖W展品與情景信息相匹配，強調明亮的光線與展覽環境中的材料和顏色之間的緊密聯系，創造視覺和情感體驗?？破照故究臻g應注重兒童的身體參與和互動，讓他們享受科普展示和學習[6]。

圖1 兒童科普體驗館示例

（三）兒童科普交互界面設計

兒童科普服務小程序分為首頁、圈子和我的三個板塊。在首頁中頂部提供近期的科普活動介紹banner，可通過左右滑動查看更多信息，在兒童科普特色主題活動中羅列近期開展的活動，明確各個活動的主題，并提供詳情入口，在各主題活動的詳情頁中，有詳細的活動內容和流程介紹，并在頂部活動介紹圖片中提供“立即參與”的入口。在首頁左側懸浮提供在線客服的按鈕，確保用戶隨時有問題都能夠得到到解答。在圈子中根據參與的活動記錄提供可能感興趣的社區入口，也可以在頂部進行篩選查找符合自己預期的社群。在該頁面的下部分則提供參與的活動相冊（系統智能識別上傳），在底部則提供一些家長的話題和一些科普的資訊，可直接進行交流和溝通。在我的板塊中，主要是個人信息和設置，個人信息包括該服務系統中積分的累積，參與活動的記錄，發的帖子以及加入的圈子。在最下方則是自己上傳的孩子的成長相冊。并且在我的頁面中提供孩子信息編輯的入口。孩子信息的編輯主要包括基本信息、家庭信息、興趣愛好和個性標簽。三個板塊形成完整的線上服務，包括活動的預約，問題的解答以及相應社群的建立和溝通，以及信息的及時更新和維護，提高用戶黏性。

結語

針對兒童科普的展示空間是引導兒童擁有主動探索能力的集中學習場所，需要符合兒童發展的特點。如何合理利用現代科技中的虛擬現實技術設計出符合兒童生理、心理、行為特點的科普展示空間，是設計并發揮空間可持續教育的關鍵所在。文章從兒童角度分析，圍繞現代虛擬現實技術，提出針對兒童行為活動與心理活動兩個方面的空間設計點，并由此展開提升兒童空間學習認知的探討，提出虛擬現實技術的互動展示形式對兒童的學習進行多樣化的認知引導，給展示空間創造更多的發展可能性。