郭羽豐

近年來，科普教育展示技術日益多樣化，既有機電互動、實物陳列等實體類展示技術，又有多媒體、VR、AR 等虛擬類展示技術。然而，基于單一展示技術開發(fā)的科普展品，其綜合表現(xiàn)力不夠，如基于實體類展示技術的展品其表達信息量不夠，而基于虛擬類展示技術的展品其真實體驗性欠缺。顯然，若把“實體”和“虛擬”兩類展示技術有機結合起來，將會獲得更好的展示表現(xiàn)力和科普教育效果。那么，如何將“實體”和“虛擬”展示技術進行有機結合，以及如何利用融合的展示技術來開發(fā)科普展品和提升科普教育效果，這些問題值得深入探討。

1 虛實結合類展示技術的主要技術形式和技術優(yōu)勢

所謂虛實結合類展示技術，就是將實體的互動裝置、場景、道具等與多媒體技術衍生的各類技術手段相結合，為展示內容提供“真實”融合“虛擬”的演示和體驗效果的綜合展示技術。該類展示技術在“虛”、“實”技術的結合上表現(xiàn)出多種形式，與其它展示技術相比較，在多方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。

1.1 虛實結合類展示技術的主要技術形式

1.1.1 實體互動裝置+顯示屏/投影

該類技術形式是將實體互動裝置作為操作體驗端，顯示屏/投影作為操作體驗產(chǎn)生虛擬結果的信息顯示端，兩者組合成一個完整的互動展品來實現(xiàn)虛實融合的演示和體驗功能。如展品“飲料生產(chǎn)線”（圖1），將待清洗的玻璃空瓶沿著傳輸帶輸送屏幕區(qū)時，體驗者用水槍裝具、操控桿、按壓裝置作出相應動作，顯示屏中的動畫同步演示水柱清洗瓶子、飲料灌注瓶，瓶蓋封住瓶口的虛擬結果。

圖1 展品“飲料生產(chǎn)線”效果圖

1.1.2 異型實體模型（白模）+3D投影（3DMAPPING）

該類技術形式是在白色實體模型的異型表面，利用3DMAPPING 技術投射畫面和影像，形成一種現(xiàn)實思維與夢幻視覺相融合的演示效果。如展品“虛擬化妝”（圖2），在一個巨大的白色人體面部模型上投射不同化妝體驗的妝容效果。

圖2 展品“虛擬化妝”效果圖

圖3 展品“城市交通規(guī)劃”效果圖

1.1.3 實體場景+投影

該類技術形式是利用沙盤、模型、實物、圖文等實體道具來營造展示的場景，并利用投影投射畫面和影像到該場景中，共同表現(xiàn)在該場景中展示的內容。如展示城市交通和規(guī)劃內容的展項常用到該種形式（圖3）。

1.1.4 實體道具+透明屏

該類技術形式是借助透明屏，讓觀眾既能看到屏幕畫面和影像，又能透過屏幕看到屏幕后的實體物品，從而豐富了視覺信息的層次感和表現(xiàn)力，增加了許多趣味。如展品“互動花園”（圖4），在透明屏背后布置一個實體小花園場景，體驗者點選屏幕上的花朵和小鳥，可以與其互動，有身臨其境進行體驗的感覺。

圖4 展品“互動花園”效果圖

圖5 展品“汽車透視”效果圖

1.1.5 實景造型+幻影成像/全息投影

該類技術形式是基于“實景造型”和“幻影”的光學成像結合，將所拍攝的影像（人、物）投射到布景箱中的主體模型景觀中，演繹故事的發(fā)展過程。如展品“汽車透視”（圖5）中利用真實汽車的骨架和幻影成像技術，組合成一個實際汽車與汽車圖像相結合的系統(tǒng)，演示說明汽車的基本構造、工作原理、安全及節(jié)能技術。

1.1.6 體感互動(KITNECT)、手勢識別（LEAP MOTION）

該類技術形式是利用KITNECT、LEAP MOTION等技術設備，讓體驗者直接地利用人體肢體動作或手勢動作，身臨其境地與影視畫面中的虛擬內容進行互動[1-2]。如展品“虛擬穿衣”（圖6），體驗者凌空動動手指選擇喜歡的服飾即可馬上穿戴在身上。

圖6 展品“虛擬穿衣”效果圖

圖7 展品“恐龍喂食”效果圖

表1 主要展示技術類別及特點比較

1.1.7 虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）/混和現(xiàn)實（MR）

該類技術形式是利用計算機技術模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界（VR）[3]，或將虛擬的信息應用到真實世界中（AR）[4]，或合并現(xiàn)實和虛擬世界而產(chǎn)生新的可視化環(huán)境（MR），讓體驗者身臨其境地與虛擬世界進行互動。如展項“恐龍喂食”（圖7），利用AR 技術，體驗者可以與虛擬的恐龍進行喂食互動。

1.2 虛實結合類展示技術的主要技術優(yōu)勢

科普教育中往往運用各種展示技術，主要有：虛實結合類、陳列類（實物、模型、場景、圖板）、簡單機械互動設施類、機電一體化互動設施類、影視、劇場、多媒體類等類別，不同的展示技術有著各自的特點及優(yōu)勢。我們不妨對上述展示技術在展示的易表現(xiàn)性、信息量、可修改及拓展性、交互性幾個方面做個比較（表1）。

通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)虛實結合類展示技術，較之其它類別的展示技術，具有易于表現(xiàn)展示內容、豐富的信息表達量、便于編輯及拓展、強大的交互性等方面的優(yōu)勢：

1.2.1 易表現(xiàn)性

該類展示技術可以通過提供實體展示，實現(xiàn)讓參與者獲得實際的操作體驗，同時，對于不能實際操作或無法直接獲得實際結果的內容，則可以通過虛擬表現(xiàn)手法的強大表現(xiàn)力，讓參與者進行虛擬體驗或獲得虛擬結果。

1.2.2 高復合性

該類展示技術往往運用多媒體技術把傳遞信息的文字、圖形、聲音、影像等媒體與實體展示進行有機結合，并將各種媒體通過計算機的整合、處理，為展示內容提供有形、有聲、有色，且有趣、生動、直觀形象的形式，極大地豐富了表達的信息量，讓參與者獲得全方位的互動體驗。

1.2.3 可編輯性

該類展示技術較之其它實體類展示技術，其所應用的數(shù)字化信息易于復制，便于修改，包括文字、聲音、圖像、數(shù)據(jù)等都可以靈活地進行編輯，而且信息組合是自由的、可變的。在日后的使用中，還可以根據(jù)內容的變化，及時對其展示的信息內容進行更新和拓展。

1.2.4 強交互性

傳統(tǒng)展示技術的交互性一般較差，或是只能單向地、被動地傳播信息，或是只有單純的操作體驗，不能對學習和體驗結果進行有效反饋，而虛實結合類展示技術可以通過“人機對話”實現(xiàn)人對信息的主動選擇和控制，以及人機交互結果的雙向反饋。

2 基于虛實結合技術類科普展品的創(chuàng)意開發(fā)

在科普教育中，什么內容最適合于運用虛實結合類技術來表現(xiàn)，怎樣更好地運用該類技術來開發(fā)科普展品，必須在充分研究展示內容，并深入分析觀眾學習特點和學習方式的基礎上，有針對性、有目的性地運用，才能開發(fā)出優(yōu)秀的科普展品。

2.1 虛實結合類展示技術的適用表現(xiàn)內容

一般來說，虛實結合類展示技術能表現(xiàn)絕大多數(shù)的科普知識內容，尤其是以下幾類知識內容更適合于運用該類展示技術來表現(xiàn)（表2）。

2.2 虛實結合類科普展品的創(chuàng)意開發(fā)流程

展品的創(chuàng)意開發(fā)是展品開發(fā)整個過程的核心環(huán)節(jié)，直接影響展品的展示形式和教育效果。我們將展品創(chuàng)意開發(fā)完整流程的其它非關鍵步驟略去，較關鍵的步驟有4 個環(huán)節(jié)（圖8）。下面結合展品“白酒的工藝”（圖9）的創(chuàng)意開發(fā)的實例予以說明。

一是設置目標，即根據(jù)展示內容，提出展品要達到的預期展示目標。如展品“白酒的工藝”的展示目標是通過互動操作，讓觀眾了解中華傳統(tǒng)白酒釀造的工藝流程。

二是提煉知識，即從展示的知識內容中精選重要的知識點（有重要科普意義，或本身在其所屬學科領域重要），將其作為展品的展示點。如上述展品中，我們從傳統(tǒng)白酒釀造技術的工藝流程：粉碎、配料、潤料和拌料、踩曲、蒸煮糊化、冷散、加曲加水堆積、入池發(fā)酵、出池蒸酒等多個工序中，精選出其中的粉碎、踩曲、加曲加水堆積、出池蒸酒這幾個重要的知識點作為展示點。

三是虛實切入，即將展示點具體化，并逐一剖析，找準實體展示和虛擬展示的切入點。如上述展品中，我們分析踩曲環(huán)節(jié)，因踩曲的動作易于用實體裝置表現(xiàn)，可作為實體項。而踩曲制曲的重要性，以及酒曲中微生物發(fā)酵的科學知識不易用實體手段表現(xiàn)，但可用虛擬手段表現(xiàn)，將其作為虛擬項。其它環(huán)節(jié)可類似處理。

表2 虛實結合類展示技術的適用表現(xiàn)內容

四是選用技術，即針對虛實結合展示的實際需要，選用與其相匹配的展示技術。如上述展品中，踩曲的動作可采用機械互動裝置表現(xiàn)，通過參與者上下按動拉桿，啟動人偶模型運動，觀看人偶在木盒子上踩曲的情景。而虛擬項的內容則可以通過多媒體來表現(xiàn)。

圖8 虛實結合技術類科普展品創(chuàng)意開發(fā)流程的關鍵步驟

圖9 展品“白酒的工藝”效果圖

3 利用虛實結合技術類展品提升科普教育效果

在運用虛實結合類展示技術進行科普展示時，應充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢，科學、合理、有效地運用該類技術來達到優(yōu)化教育過程和提升教育效果的目的。

3.1 利用其交互性，激發(fā)自主學習

虛實結合類展示技術的運用使得人機對話、交互操作易于反掌，使學習者由被動學習者變?yōu)樽灾鲗W習的主人。利用該類技術開發(fā)的展品就象“學習伙伴”一樣和學習者進行“討論、交流”，如它可以向學習者提問，學習者可以作答，它還能根據(jù)學習者作答的情況給予不同的信息反饋等。例如，展品“膳食寶塔”（圖10）利用多媒體手法讓學習者選擇一天的食物搭配，并通過一個實體的陀螺保持平衡或傾斜來判斷該食物搭配是否健康合理，以及是否達到膳食平衡狀態(tài)。學習者在這樣的交互式學習環(huán)境中改變了傳統(tǒng)學習中被動接受和灌輸知識的方式，通過主動參與學習，真正領會所學知識。

圖10 展品“膳食寶塔”效果圖

圖11 展品“臺風體驗”效果圖

3.2 利用其表現(xiàn)力，創(chuàng)設學習情境

情景體驗就是運用虛實結合類展示技術，創(chuàng)設一個生動、逼真的情景，引導學習者用角色扮演（模仿性學習）的方式參與體驗，用全部的心智去感受、關注、理解展示中的角色、事件、現(xiàn)象。例如，展品“臺風體驗”（圖11）中，利用場景模擬和多媒體技術營造一個雷雨交加、臺風肆虐的環(huán)境，并讓學習者體驗模擬十級臺風的威力，讓學習者感受災害帶來的嚴重后果，從而深刻認識和了解自然災害現(xiàn)象。通過情景體驗，激發(fā)學習者探究展示內容的興趣，讓他們在體驗中探究，在探究中學習，從而達到形成概念、構建知識的目的。

3.3 利用其生動性，突破學習難點

有的展示內容抽象難懂，我們可以借助虛實結合類展示技術對展示內容易于表現(xiàn)，展示效果形象、生動的特點，把本來非常抽象的知識具體化，本來較難想象的知識簡單化，本來枯燥無味的知識生動化，讓學習者更好地學習和理解，從而有效地突破了學習重點。例如，展品“心臟支架”（圖12）通過虛實結合的影像與操作，體驗心臟支架治療的作用原理。學習者通過推動導管內的纖維絲模擬植入心臟支架的動作，多媒體動畫則同步虛擬演示導絲進入血管、球囊充氣、釋放支架、擴張血管等一系列動作結果。展品以其生動性和吸引力，充分調動學習者的積極性，讓其形成正確、清晰的概念，從而有效地掌握知識。

圖12 展品“心臟支架”效果圖

圖13 展品“從餐桌到農田”效果圖

3.4 利用其開放性，豐富學習內容

虛實結合類展示技術能為科普展示提供豐富的信息內容，讓學習者接觸到了學校教育所無法容納或無法表達的學習素材，能滿足個體化的學習要求。例如，展品“從餐桌到農田”（圖13）通過機電互動裝置、模型、場景和多媒體等多種虛實結合的手法，讓學習者通過參與食品從消費終端到生產(chǎn)源頭（餐桌→超市→配送中心→工廠→生產(chǎn)基地）的一個質量和安全追溯過程，自主開展探究式學習，來了解食物生產(chǎn)、運輸、配送過程中涉及到的安全監(jiān)管方面的知識。學習者在這樣的環(huán)境中處于極為興奮和好奇的精神狀態(tài)，思想變得異常敏銳，思維變得異?；钴S。我們應利用這種開放式的學習方式，為學習者進行探究，質疑解惑開辟廣闊的天地，為豐富學習者知識面和培養(yǎng)其創(chuàng)造能力發(fā)揮積極作用。

4 結語

在科普教育中，通過科學、合理、有效運用虛實結合類展示技術開發(fā)科普展品，并利用其獨特的技術優(yōu)勢，可使科普展示教育更具生動性和體驗性，從而達到預定的展示表現(xiàn)力和科普教育效果，這對推動科普展品的創(chuàng)新研發(fā)和科普展示水平的大力提升將起到著重要的作用。