基于實(shí)體交互的工藝科普裝置開發(fā)應(yīng)用研究

摘" 要：該文通過(guò)研究一種基于實(shí)體交互技術(shù)的工藝演示裝置，探討工藝技術(shù)及科普的創(chuàng)新體驗(yàn)。該文研究實(shí)體交互理念在制造技術(shù)科普展示的應(yīng)用前景，對(duì)科普展覽展示中的交互形式進(jìn)行分類，并結(jié)合實(shí)例對(duì)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。以注塑成型工藝科普裝置的開發(fā)應(yīng)用為例，著重闡述基于Arduino技術(shù)的實(shí)體交互系統(tǒng)在制造工藝科普展示中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為公眾和學(xué)者提供一種全新的交互體驗(yàn)形式，為后續(xù)的實(shí)體交互技術(shù)和工藝技術(shù)教育提供一種新的發(fā)展思路和思維方向。

關(guān)鍵詞：實(shí)體交互；科普教育；注塑成型；工藝體驗(yàn)；演示裝置

中圖分類號(hào)：TP311.56" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）21-0133-04

Abstract： This article explores the innovative experience of process technology and science popularization by studying a process demonstration device based on entity interaction technology. This article studies the application prospects of the concept of entity interaction in manufacturing technology popular science exhibitions， classifies the interaction forms in popular science exhibitions， and analyzes the design and implementation process of the interaction system in detail with examples. Taking the development and application of injection molding technology popularization device as an example， this article focuses on the design and implementation of an entity interaction system based on Arduino technology in the display of manufacturing technology popularization. Provide a new form of interactive experience for the public and scholars， and provide a new development direction and thinking direction for the subsequent education of physical interaction technology and process technology.

Keywords： tangible interaction; popular science education; injection molding; process experience; demonstration device

相較于傳統(tǒng)的科普教學(xué)交互模式，通過(guò)實(shí)物進(jìn)行手動(dòng)操作的交互模式更加直觀簡(jiǎn)潔。使用者可以親身經(jīng)歷模擬工藝流程的交互操作，與二維平面的數(shù)字化界面相比更加具有視覺的簡(jiǎn)單化、通俗化效果。將實(shí)體交互技術(shù)合理地應(yīng)用于工藝技術(shù)科普中，極大地拓寬了工藝技術(shù)實(shí)踐的受眾，提高了工藝加工實(shí)際操作的安全性，但在目前的科普教育大環(huán)境下，實(shí)體交互工藝技術(shù)加工的形式少之又少，因此，如何利用實(shí)體交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)更好的加工體驗(yàn)成為急需解決的問(wèn)題。

1" 實(shí)體交互科普裝置研究的目的和意義

1.1" 科普教育目的

科普展示作為科學(xué)普及的重要平臺(tái)與手段之一， 其自身的展示效度將會(huì)直接影響著作為信息要素的科學(xué)知識(shí)的傳播效能[1]。基于實(shí)體交互技術(shù)的科普展示裝置在設(shè)計(jì)之初就有明確的教育與科普的目的，以參觀者的體驗(yàn)為中心，將實(shí)體交互技術(shù)作為注塑成型工藝科普的重要呈現(xiàn)方式。裝置將較為復(fù)雜的塑料注塑成型過(guò)程劃分出3個(gè)交互的部分，通過(guò)現(xiàn)代的交互手段與工藝過(guò)程中關(guān)鍵的部分展示相結(jié)合，利用參觀者和裝置進(jìn)行互動(dòng)，輔助動(dòng)畫演示，從視覺、觸覺、聽覺等各個(gè)感官方面，使得參觀者在感官的調(diào)度下清楚理解塑料的成型過(guò)程的同時(shí)，獲得互動(dòng)樂(lè)趣，提升了參觀者的“心流體驗(yàn)”[2]。

1.2" 研究意義

對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，通過(guò)根據(jù)指示進(jìn)行實(shí)體交互的學(xué)習(xí)操作，減輕了實(shí)體操作的危險(xiǎn)性，且能在非實(shí)操的學(xué)習(xí)中獲得不亞于實(shí)操的體驗(yàn)感、參與感，并能獲得一定學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于教學(xué)者而言，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)展示板的控制操作，使科普展陳更加靈活有趣的同時(shí)降低教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的成本和危險(xiǎn)性。

2" 實(shí)體交互理論概述

2.1" 實(shí)體交互概述

人通過(guò)與物理環(huán)境的互動(dòng)而實(shí)現(xiàn)與數(shù)字化信息發(fā)生數(shù)據(jù)交換，此定義由麻省理工學(xué)院MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的Ishii教授等[3]提出，實(shí)體交互技術(shù)的研究旨在將真實(shí)的物理對(duì)象和環(huán)境應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域中，其核心思想是實(shí)體交互。該方法通過(guò)將抽象數(shù)據(jù)實(shí)體化，充分利用人類的觸覺等感官優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)了物理實(shí)體與人的交互。其強(qiáng)調(diào)物理對(duì)象與空間構(gòu)成之間的相互作用，以及對(duì)科普教育主體行為的指導(dǎo)，其目標(biāo)是通過(guò)實(shí)體系統(tǒng)來(lái)約束用戶的行為，以指導(dǎo)他們的合作。該概念處于多個(gè)學(xué)科交叉區(qū)域，尤其受到計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互和產(chǎn)品設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科的影響。近年來(lái)，普適計(jì)算、感應(yīng)器、執(zhí)行器、機(jī)器人與機(jī)械制造等新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展為高自由度的實(shí)體交互界面提供了實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2" 實(shí)體交互的應(yīng)用背景

近年來(lái)，利用語(yǔ)音、手勢(shì)、人臉信息識(shí)別等技術(shù)獲取多方位交互意圖和行為習(xí)慣已成為自然人機(jī)交互的常規(guī)方法。與此同時(shí)，實(shí)體交互作為一種新興的自然交互技術(shù)，用戶可以通過(guò)實(shí)體交互界面與數(shù)字信息進(jìn)行交互，如圖1所示。實(shí)體交互的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)用自然直覺的方式，將交互界面的交互方式與用戶日常生活經(jīng)驗(yàn)相匹配。這使得用戶在使用交互界面時(shí)可以根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行交互，無(wú)需專門的訓(xùn)練和說(shuō)明，從而避免了額外的學(xué)習(xí)和適應(yīng)成本。

3" 基于實(shí)體交互技術(shù)的科普展示形式研究

實(shí)體交互融合了多方面的領(lǐng)域和技術(shù)，并將其進(jìn)行綜合運(yùn)用。傳感器、編程、投影展示及機(jī)械制作技術(shù)等都是實(shí)體交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)體交互也將心理學(xué)、社會(huì)學(xué)及人機(jī)工程學(xué)等研究方法的應(yīng)用集于一體。通過(guò)搭建實(shí)體交互和機(jī)械制作技術(shù)融合的橋梁，可以將現(xiàn)代化的加工制造方法、先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)理念等進(jìn)行推廣，讓更多人了解加工制造、機(jī)械設(shè)計(jì)等，從而激發(fā)被科普者的學(xué)習(xí)興趣。借助實(shí)體交互技術(shù)可以更加清晰地展示先進(jìn)制造工藝流程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，如圖2所示進(jìn)行相關(guān)展示墻圖形動(dòng)畫交互設(shè)計(jì)。同時(shí)以多元化的方式在多種場(chǎng)合，如學(xué)校、研究所、科技館等場(chǎng)合進(jìn)行科普教育，喚起更多人關(guān)注先進(jìn)制造技術(shù)及工藝流程。

實(shí)體交互以觸摸和操作墻為主要方式進(jìn)行科普展示，在用戶通過(guò)實(shí)物進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，被控對(duì)象同時(shí)具有觸覺接點(diǎn)、觸覺反饋和物質(zhì)性等特點(diǎn)，其通過(guò)吸引人們的觸覺以此鼓勵(lì)互動(dòng)，提供給用戶其他感官上的吸引和趣味性，同時(shí)互動(dòng)墻面可以發(fā)出即時(shí)的信息反饋，給用戶直接積極的使用體驗(yàn)，以此吸引更多的受眾，最終達(dá)到科普的目的。實(shí)體交互裝置的外部功能提升了科普用戶的體驗(yàn)感，且與其工藝流程相聯(lián)系。在實(shí)體交互過(guò)程中所有用戶都能看見并理解正在進(jìn)行的工藝流程，并且在交互過(guò)程中能及時(shí)反饋加工工藝流程的學(xué)習(xí)效果，為用戶理解和認(rèn)知加工工藝類型提供全新且良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4" 基于實(shí)體交互的工藝科普裝置的開發(fā)應(yīng)用研究

4.1" 實(shí)體交互裝置的設(shè)計(jì)思路

實(shí)體交互裝置主要從提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題與設(shè)計(jì)實(shí)踐4個(gè)部分展開（圖3），針對(duì)不同工藝匹配最佳的實(shí)體交互應(yīng)用形式，通過(guò)組裝和反復(fù)測(cè)試完成最終的裝置設(shè)計(jì)。在上述問(wèn)題研究和技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于實(shí)體交互技術(shù)展示塑料注塑成型工藝技術(shù)的演示方式和設(shè)計(jì)方法。從交互裝置的實(shí)體界面設(shè)計(jì)，交互技術(shù)原理，動(dòng)畫演示設(shè)計(jì)，原形制作等方面來(lái)展示工藝過(guò)程。不同于播放視頻這類一般的線性直敘式的觀看方式，使用戶處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，該實(shí)體交互裝置在使用者運(yùn)用視覺進(jìn)行觀看時(shí)同時(shí)調(diào)動(dòng)使用者的觸覺和聽覺，不僅使用戶從各個(gè)方面吸收了信息，而且使用者作為主體，通過(guò)自己操控實(shí)體交互裝置的進(jìn)程與發(fā)展，提高了使用者的體驗(yàn)感與參與感。直觀的視覺效果和相應(yīng)工藝制造過(guò)程的操作與動(dòng)作反饋，增加了使用者的視覺感受，提高了使用者對(duì)相關(guān)成型工藝的理解，并且使整個(gè)工藝過(guò)程更為有趣，提高了使用者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)興趣。

4.2" 交互裝置的實(shí)體界面設(shè)計(jì)和交互方式

4.2.1" 交互裝置的實(shí)體界面

在交互裝置系統(tǒng)中，實(shí)體界面是參觀者與交互裝置的互動(dòng)接口?；趯?shí)體交互的工藝科普裝置總共由3個(gè)部分組成。其中，有3個(gè)實(shí)體交互區(qū)域，1個(gè)動(dòng)畫演示區(qū)域和1個(gè)產(chǎn)品生成區(qū)域。受眾與交互裝置實(shí)體界面的交互過(guò)程涉及3個(gè)階段，即知覺、觸發(fā)和反饋，分別與審美體驗(yàn)的前提、起點(diǎn)及目標(biāo)相關(guān)聯(lián)[4]。裝置在界面設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮了設(shè)計(jì)的可用性，在傳統(tǒng)用戶交互界面的基礎(chǔ)上，依托于有形實(shí)體，利用符合參觀者認(rèn)知習(xí)慣和人體工學(xué)的操作方式進(jìn)行滑鈕、手搖器的設(shè)計(jì)。圖標(biāo)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用過(guò)程隱喻的圖標(biāo)指示，在每個(gè)操作過(guò)程中都增加了即時(shí)反饋，在操作成功后會(huì)有提示音和色彩變化，增強(qiáng)了裝置在使用過(guò)程中的可視性且提高用戶的操作信心和使用體驗(yàn)；同時(shí)注重了互動(dòng)的可逆性，使參觀者可以自由操作，發(fā)現(xiàn)不同的操作帶來(lái)的不同結(jié)果的可能性。

4.2.2" 交互方式

裝置以塑料注塑成型的加工工藝過(guò)程為設(shè)計(jì)的核心，交互裝置將平常難以實(shí)際接觸到的塑料加工工藝過(guò)程具體進(jìn)行呈現(xiàn)，以各種互動(dòng)方式來(lái)代表加工的各個(gè)步驟，既確保使用者安全，又能真實(shí)地體現(xiàn)塑料的加工變化，從而使使用者直觀理解并且學(xué)習(xí)系列工藝流程。同時(shí)為公眾和學(xué)者提供了一種更簡(jiǎn)單、更安全的交互體驗(yàn)技術(shù)形式，為后續(xù)的實(shí)體交互技術(shù)和工藝技術(shù)教育提供了一種新的發(fā)展思路和思維方向。交互裝置實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)操控注塑成型簡(jiǎn)易裝置模型中的觸控部件，通過(guò)Arduino編程實(shí)現(xiàn)交互過(guò)程中電腦動(dòng)畫和音效的同步關(guān)聯(lián)，在一系列工藝過(guò)程中添加了三步實(shí)體交互的觸控內(nèi)容。第一步，在填料①的過(guò)程中，參觀者可以向料口中加入可塑樹脂，模擬注塑成型過(guò)程中的填料步驟；第二步，通過(guò)動(dòng)畫模擬示范螺桿向前推動(dòng)原料的過(guò)程，其間參觀者通過(guò)手搖器②進(jìn)行搖動(dòng)，模擬裝置加熱過(guò)程，動(dòng)畫隨即做加熱演示，直到顆粒變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，注入設(shè)定的模具中；第三步，使用者推動(dòng)水平滑鈕③，模擬模腔填充的過(guò)程；最終經(jīng)過(guò)一系列實(shí)體交互的操作之后，完成最終落料動(dòng)畫展示。整體效果如圖4和圖5所示。

5" 展望與運(yùn)用前景

首先，科普展示作為當(dāng)今科學(xué)普及和人民科學(xué)素養(yǎng)提升的重要途徑之一，承擔(dān)著知識(shí)傳播和教育的重要責(zé)任[1]。但是目前的科普方式都較為單一，缺乏實(shí)踐性和互動(dòng)性，較難引起參觀者的興趣和思考。其次，伴隨著智能制造在世界范圍內(nèi)的興起，我國(guó)確定了亟需提高制造智能化、精益化這一主要發(fā)展方向。作為國(guó)內(nèi)智能制造發(fā)展、創(chuàng)新能力建設(shè)及制造業(yè)整體技術(shù)水平提升的重要載體，智能化裝置在其中起到了不可或缺的作用，同時(shí)也是加深使用者對(duì)智能制造認(rèn)識(shí)，推動(dòng)智能制造走進(jìn)大眾生活的有效形式。最后，文中提到的基于實(shí)體交互的工藝科普裝置將關(guān)鍵步驟以交互的方式呈現(xiàn)，可以使參觀者更加高效、深入、直觀地對(duì)加工工藝進(jìn)行了解與學(xué)習(xí)。該智能化裝置可以運(yùn)用在多種場(chǎng)合，比如作為博物館的展示裝置或者作為課堂上的教具使用，不僅可以通過(guò)寓教于樂(lè)的方式科普相關(guān)內(nèi)容，增加使用者的興趣，引發(fā)更深層次的思考，而且會(huì)對(duì)科學(xué)傳播與知識(shí)普及帶來(lái)真實(shí)效益，使得信息知識(shí)接收更加高效。

6" 結(jié)束語(yǔ)

如今，實(shí)體交互作為新興技術(shù)開始走進(jìn)大眾的生活，但該技術(shù)在工藝科普方面的應(yīng)用仍然較少，基于實(shí)體交互的工藝科普裝置就顯得尤為重要。目前本研究中展示的工藝展示裝置尚處于初期研發(fā)階段，仍存在較多問(wèn)題亟待解決，但研究中展示的開發(fā)與應(yīng)用模式及實(shí)例為技術(shù)創(chuàng)新與融合，為我國(guó)高等教育工藝技術(shù)、工藝科普等方面提供了創(chuàng)新思路，也為后續(xù)的實(shí)體交互研究以及工藝技術(shù)研究開拓了全新的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯博君.以實(shí)體為智識(shí)主體的科普展示“沉浸式”設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)藝術(shù)研究，2021，11（4）：157-160.

[2] 王珊.體感交互技術(shù)在科普展示中的應(yīng)用——以《萬(wàn)物有靈》體感交互裝置為例[J].設(shè)計(jì)，2020，33（7）：32-34.

[3] ISHII H， ULLMER B. Tangible Bits：towards seamless interfaces between people， bits and atoms[J].Chi Proceedings， 1998：234-241.

[4] 劉倩茹，李棟寧.基于審美體驗(yàn)的交互裝置實(shí)體界面設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2021，34（11）：25-27.