數字技術賦能科普場館高質量發展

劉進軍 徐曉紅 吉亞妮 吳曉雷 陳近

(上海科技館 上海 200127)

數字技術指借助一定的設備將文字、圖片、語音及視頻等各種信息轉化為計算機可識別的二進制數字并進行運算、加工、存儲、傳送、傳播和還原的技術。數字技術的核心是信息的數字轉化，以及數據的處理、傳輸和存儲。現實生活中產生大量數據，而在當下信息化、智能化迅速發展的背景下，這些數據就是資源。通過數字化手段將現實活動產生的海量數據通過算力和人工智能等算法進行運算處理，分析和挖掘數據中蘊含的價值，可以為社會生活發展提供強大動力。

數字技術與線下各類社會生產生活活動的深度融合，一方面可以挖掘和充分釋放實體大數據所蘊含的巨大價值，另一方面也將培育線下實體活動新優勢和增長點，推動傳統生產、生活方式的轉型和升級。作為數字技術與傳統行業深度融合的場景之一，科普場館的數字化成為世界范圍內行業發展的趨勢和必然選擇[1]也正逐步成為我國文化產業發展的新增長點。深化科普領域的數實融合，形成虛實互嵌的復合性教育和傳播體系，使教育、傳播更加生動可感，推動科普事業高質量發展將起到至關重要的作用。

對于科普場館而言，展品展項、教育活動、藏品、影視作品、文創產品、場館建設及運維等都是可以進行數字化或與數字技術結合的資源和對象，與數字技術結合，可以更好地挖掘和傳遞其價值。隨著信息通信領域的快速發展，各種新興數字技術層出不窮。在場館科普和文化傳播方面當前可用的數字技術有人工智能、物聯網、大數據采集及應用、云計算、區塊鏈、NFT、Web3D、數字孿生、元宇宙（VR/AR/MR/XR）、5G/6G、數字多媒體技術、全息成像、視頻融合、虛擬數字人等。這些技術在展區的展覽展示和建筑機電系統建設中均可以運用，具體采用哪些技術手段，需要根據展示內容、理念以及場館運維需求而定。

1 科普場館展覽展示常用數字技術

數實融合的本質是數字賦能，就科普場館而言是以數字化轉型實現場館的數字化、網絡化、智能化、高端化、綠色化發展。說到底數字技術只是技術手段，場館應立足自身資源稟賦，響應國家推動數字中國建設、加強國家科普能力建設的戰略發展規劃，準確研判可以執行的方向，這是數實融合語境下場館科學普及和文化傳播能力建設的關鍵所在。以下是科普場館展覽展示方面常用的一些主要數字技術。

1.1 線上科技館/博物館

線下觀展受制于標識標牌布置位置及其可識別性、物理空間距離、參觀者體力等現實因素的影響，而線上展覽有其自身優勢，如觀展更加便捷高效[2]、知識獲取更加系統等。線上展館部分替代實體場館的作用，為不方便到館的公眾提供高質量的科普服務。數字技術打破了現實世界與虛擬世界的壁壘，使公眾獲取科普資源、參與科普活動便利化。

依托數字化技術手段，公眾參觀科普展覽、獲取科技知識的方式正變得更加多元化、智能化。打開虛擬展廳鏈接，輕拖鼠標即可云端觀展，漫游場館；借助VR或AR眼鏡，可以“觸摸”實體裝置，實現模擬實驗操作，充分激發公眾學習參與的積極性和主動性。

將Web3D技術與虛擬現實技術相融合，可以打造沉浸式數字化平臺[3]。通過展項3D 模型+BIM3D 建筑空間+虛擬數字人塑造元宇宙線上展廳，從而將現實展覽以線上3D 的方式呈現在移動端或PC 端，用心為公眾打造所見即所得的沉浸式觀展體驗[4]，并可在線與其他用戶互動，比如同科學家交流對話。

從傳播媒介而言，線上科普的搭載平臺眾多，包括電視廣播等傳統媒體，以及門戶網站、頭條、知乎、微博、公眾號、小程序、快手、抖音、B 站等層出不窮的新媒體手段。場館應積極擁抱新媒體，不斷提升科普傳播力、影響力和輻射力。

1.2 數字多媒體技術

數字媒體是把數字化的內容作品，以現代網絡為主要的傳播載體，通過完善的服務體系，分發到終端用戶進行消費的全過程。相對于傳統的靜態展陳，最新數字多媒體技術與場館的融合，既可以豐富展陳手段，又可以提升展示的表現力和趣味性，具有打破空間限制、突出表達、互動性強等特點[5]，更能夠充分調動公眾的積極性和主動性。通過引導公眾主動參與、主動選擇，多媒體技術可以讓公眾更好地理解消化和吸收相關科學知識。例如：日本未來科學館的數字地球展項，利用直徑6 m的OLED球形屏以多媒體形式呈現天氣、地震、生態等大數據信息，具有直觀化、互動性強等特點。數百種數據源于實際的科學觀測并定期更新，背后由超級計算機完成數據處理。公眾可以觀看來自人造衛星拍攝的氣象云圖，使用AR眼鏡動態地體驗地球的運動，還可以在觸摸屏上自由訪問各種地球觀測科學信息，自行探索發現地球運行現象和規律等。目前，我國已建成的超算支撐數字地球裝置通過線上平臺將中國科學院資源、環境、生物、生態等領域基礎數據和科研成果向公眾開放，線下設有裝置展廳“地球模擬實驗室”。類似裝置在完成科研任務的同時可以結合數字多媒體技術進一步挖掘科普潛力、釋放科普效益，使公眾更好地了解、利用和發展相關科技。

1.3 虛擬數字人/人工智能技術

虛擬數字人，是運用數字技術創造出來的，與人類形象接近的虛擬人物形象，具有人的外觀、行為和思想特征。虛擬數字人的運用可以增強場館的科技感和趣味性，并適度降低工作人員的講解負擔。在虛擬3D展館中虛擬數字人可以充當導游的角色，為公眾介紹關于展品展項或者教育活動的有關知識和規則，提高線上場館的觀展效率。

人工智能是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。類似GPT AI 的通用人工智能多模態大模型的開發和進化，使得人工智能的發展水平開始從專業化的特定領域向綜合的通用智能方向快速提升。將來，類似模型的進化版本與虛擬數字人甚至實體機器人結合，可以進一步提升場館的科技感并完成場館內原本由員工承擔的多種角色。這些角色除了講解和導覽，還可能有輔助展覽或活動策劃、展示設計效果評估、收藏和研究、在線教育、智慧運維、宣傳推廣、在線客服、更高水平輔助決策等。隨著人工智能技術的不斷發展，不管是在線智能還是實體智能都將提供更多智慧功能[6]，輔助工作人員完成多種科普目標。

1.4 數字化導覽技術

數字導覽是指采用智能顯示技術與觸摸互動技術，以音頻、視頻、動畫、圖片、文字等為主要呈現方式，將建筑或展覽信息快速展示給游客，以解決客流引導、路線指引、通知公告等問題的導覽系統。相對于傳統的圖文版標識標牌，數字導覽屏在提高導覽信息的覆蓋面、加快信息更新的及時性等方面具有明顯優勢，但對于一些相對固定的信息，如洗手間、影院位置指示等，傳統的標識牌已經足夠。因此，數字導覽更適合于變動頻繁或者內容復雜的導覽信息，如排片信息、教育活動信息、客流信息、臨展信息等適合由數字導覽屏負責，特別是數字導覽屏可以通過觸屏或對話方式互動查詢所需信息[7]。因此，數字化導覽是傳統導覽方式的有益補充，且對于線上展覽等虛擬環境而言，數字導覽則成為唯一的導覽方式。

數字導覽的另一項優勢在于利用大數據進行具有針對性的游客個性化推送，可以根據游客興趣點及知識層面智能規劃觀展線路。

將展項解說與展示空間的照片相結合，在清晰定位視點位置的前提下對各展項信息通過終端設備進行解說可以大大減輕館內展教工作人員的解說負擔并確保解說品質的穩定性。例如：井堰絵里佳、伏見清香、籔本美孝等人開發了某些場館的展示解說網頁，通過終端打開后在場館內移動使用[8]，方便公眾詳細地了解展項信息，提高觀展的興趣和效率。其實，類似功能也可以通過AR更好地實現，通過“掃一掃”把智慧導覽和智能講解進行融合，在現場背景中呈現真人講解的生動效果。

1.5 NFT數字文創

NFT是基于區塊鏈技術創造的數字資產和虛擬藝術，是非同質化代幣，因具有不可復制、不可更改、不可分割和不可損毀等優良特性而受到廣泛關注。

科技館、博物館擁有大量獨特的寶貴科技、教育或藏品資源，可以充分利用這一優勢打造IP數字藏品和數字文創產品，在元宇宙背景下通過第三方或者自有NFT 平臺發行[9]。利用場館特有資源的稀缺性開發NFT 數字文創產品，可以在Web3D 上完成確權和交易，既可以適應元宇宙發展趨勢擴大科技和優秀文化的傳播力，又能提升場館或景區自身的品牌影響力。

2 科普場館建筑機電系統數字化建設和運維

數字技術在場館建筑機電系統建設和既有場館改造中均可以應用，可以有效提升工程建設效率和質量，并降低建設和后期運維成本。以下是部分常用的相關數字技術。

2.1 數字化三維測繪技術

三維測繪就是測量目標物的三維空間坐標，確定目標物的幾何形狀、空間位置和姿態，對目標物進行三維重構從而盡可能真實地再現目標物的技術。特別是對于既有場館而言，往往由于部分區域年久失修、圖紙不全、后期改造等原因導致現場情況與竣工圖紙多有不符。大修改造中需要對現場進行全面精細排摸測繪，由于建筑面積大、部分空間難以進入等原因，需要借助數字化三維掃描技術手段如激光掃描儀、無人機、機器人等輔助測繪。把繪制的3D 點云模型與已有的BIM模型進行融合，可以修正模型中的錯漏部分，保證建筑機電BIM 模型的完整性和準確性，從而為下一步構建施工BIM模型打下良好的基礎。

2.2 數字孿生

數字孿生，也稱為數字映射、數字鏡像。是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。用BIM構建數字孿生體，全過程指導設計、施工和運維。在設計和施工過程中，BIM 模型可用于檢查和優化專業設計圖紙的建筑結構、機電設備管線之間的位置關系、校準圖紙基準點、測算工程量、模擬和優化施工方案和工藝、合理安排和監督施工進度計劃、對比檢測施工偏差等。后期運維階段，輕量化BIM 模型可與實體間雙向映射，構成數字孿生體，做到虛實共生。三維可視化狀態下實現機電設備和重點空間部位的實時監測，尤其是AR的運用可實現異常部位的虛實無縫顯示切換，使場館運維工作更加直觀高效。

2.3 數字化運維技術

數字化運維是借助物聯網等數字化技術將建筑物與設備的運營、維護、管理放到數字化平臺上進行遠程管理，大大提高管理效率和水平，實現降本增效的目的。

建筑設備管理系統（BMS）對建筑體內設備進行集成管理和監控聯動，集成了樓宇自控系統（BAS）、火災報警系統（FAS）和安防自動化系統（SAS）等。該系統可與輕量化BIM 模型相結合，利用建筑結構和機電設備模型及屬性，實現樓宇自控、能源管理、機房監控和環境監測等相關子系統的數字化3D 遠程集中管理。通過增加通信自動化和辦公自動化子系統，則可以構建完整的智能建筑集成管理系統（IBMS），進一步通過引入人工智能技術和數字孿生可實現人機物的深度融合，智能建筑升級到智慧建筑，在公眾體驗、綠色節能、環境友好等方面具有更加卓越的表現。

2.4 建筑能源管理技術

建筑能源管理系統就是對建筑物內的暖通空調、照明、電梯、給排水等能源使用狀況實行集中監測、管理和分散控制的管理與控制系統，是實現建筑能耗在線監測和動態分析的硬件與軟件系統的統稱。建筑行業全生命周期能耗和碳排放約占全國總量的一半，既有場館改造中通過規范、行業經驗和運行實踐等設置合理的運行參數范圍，如溫度方面夏季不低于26 ℃，冬季不高于23 ℃。物聯網泛在的傳感器網絡可以敏銳感知和采集溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、PM2.5、TVOC等多種物理量，并結合場館既有的歷史數據，用AI 算法挖掘分析，尋找最優運行策略。通過建立具備可擴展的、擁有統計分析能力的建筑節能監管系統，完成建筑物綜合能耗（水、電、氣）數據采集和統計分析，給出優化運營建議。在保障人體舒適和健康的前提下，通過不斷優化運行策略降低運行能耗，即通過系統調適減少碳排放，助力國家雙碳目標的實現。

其他適用數字技術不再一一贅述。這些數字化技術的應用須立足場館實際，量身定制最佳整體解決方案，可以為公眾帶來更好的觀展體驗，為員工創造更好的辦公環境。

3 科普場館數字技術應用尚存不足與對策思考

當前國內科普場館均采用了一些數字化技術，對于提升場館的吸引力和科普傳播能力起到了重要作用[10]，但在應用方面仍存在以下的一些不足，需要采取措施進一步改善，著力打造公眾滿意的數字化、智能化的科普場館。

3.1 部分場館沉浸效果營造不佳

某些線下沉浸式劇場沉浸效果不佳，影響因素較多。投影機的流明度較高、投影面積較大、炫酷動感的光影組合、LED大屏和投影的人機便捷互動、恰當的技術組合和設備選型等都有利于沉浸式空間的打造。另外，建筑工程和展示工程從規劃設計之初就需要從沉浸式展覽展示的需求出發，做好墻地面建設的細節處理，從展示區域造型、材料、粗糙程度、大小、展項過渡、圍蔽、光照度、建聲和電聲音效等各個角度全方位做好配套設計和實施，恰當運用適配主題和建筑空間的視覺、聽覺、觸覺乃至味覺的多種感官綜合刺激，減少“出戲”，增強沉浸效果。

3.2 數字內容形式單一，交互性不足

國內多數場館停留在電子屏播放加部分觸屏的簡單互動模式，數字內容的呈現形式比較單調，缺乏吸引力，應加大互動展項的研發和配置比例，使公眾在互動參與中學習科學知識、體悟科學道理。

3.3 數字內容更新不及時，缺乏時代性

當今時代科學技術特別是信息通信技術迅猛發展，科普內容應能反映重要科技前沿和重大科技進步，但是有些科普場館數字內容的更新較慢，不能適應公眾接觸學習新知識、新技術的迫切需求。有人提出建立專門的創新科技小組加快展品展項的更新周期甚至做到實時更新[11]，但如何讓更多公眾第一時間了解場館科普資源的更新狀況仍然十分重要。

因此，科普場館應多關注和應用最新信息技術成果，加快展品展項的微更新，努力做到展項常新。另外，大型科普場館可以充分利用自己的藏品優勢、教育和科研人才優勢創作各種數字展品和影視作品，突出場館自身特色、增強科普傳播力。而且，可以通過多種新媒體形式不單將科普知識本身傳遞給公眾，也可以將場館展品展項更新信息第一時間傳遞給公眾，引導公眾到現場參與互動，從而獲得更好的科普體驗。

3.4 數字設備維保不及時，影響科普效果。

由于建成時間久或者使用頻次高等原因，部分場館的數字設備常出現亂碼、黑屏等故障或者硬件損壞，明顯影響公眾體驗和場館形象。針對這種現象，應加強展品展項的日常巡檢，對于故障狀況做到及時發現、及時維修或更換，確保展示和互動效果。

4 結語

在數字化和智能化技術迅猛發展的時代背景下，場館展覽展示和教育活動的高質量線上化、可視化成為可能，線上與線下一體化成為趨勢。通過數字技術融合應用，場館可以便捷高效地把科技文化知識與理念傳遞給公眾。如何進一步運用不斷涌現的各種新興數字技術與展覽展示和教育活動有機融合，同時規避應用方面的不足，提高科普效率和文化傳播力并使得這一過程更具科技感、未來感和趣味性，打造科普場館高質量發展新動能，是一個需要持續關注和解決的重要課題。