于文文， 杨 勇
（中国矿业大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）
人类历史延续至今，回顾那些漫长悠久的岁月，没有任何一个时代， 让人们看到科学技术的发展对艺术带来如此巨大的影响；
也没有任何一个时代，让如此丰富多彩的插画、广告、动画、电视、电影等数字化艺术作品，充斥着人们的视知觉。
在这样的背景下，艺术与科技沉浸地、完美地融合在了一起。
随着互联网的日益盛行和多媒体技术的兴起， 沉浸式理论与交互式体验被广泛应用于科普活动中；
使用多媒体设备，如投影机，LED 显示屏和环行屏幕以及计算机多媒体技术，如全息投影技术、体感交互技术、虚拟现实技术、多点触控技术等，来达到沉浸式互动的观展效果和体验模式。
把科普知识巧妙自然地融合进丰富的感官体验中，从而使参观者获得更好的体验感受，实现寓教于乐的科普目的。
因此，文章尝试探讨沉浸式互动设计在科普展示活动中的应用，梳理出其应用的理论基础、应用形式与技术以及发展趋势，以期提升观众的参与意识以及获取信息量的能力，使科普展示信息的限制逐渐从二维空间中消释，让科普知识真正融入人们的生活。
沉浸理论最早是在1975 年被美国社会心理学家米哈里·齐克森米哈里博士提出来的。
理论阐明在日常生活中，人们会将个人注意力完全投入到某些情景当中，过滤掉外界的干扰从而进入到一种沉浸的状态，这种专注于特定活动所呈现的状态也被称之为“心流”。
“沉浸式互动”最早出现在加拿大的语言教学模式中， 因其在教学中的效果显著，随后被应用到娱乐场所、活动展览、软件开发等多个领域。
在展示活动中，设计师利用多媒体设备和多媒体技术给参观者带来丰富的感官体验以此实现沉浸式互动的设计和应用目的[1]。
沉浸式互动设计给参观者带来身临其境、别出心裁的感知体验和认知体验，逐渐得到大众的认可与喜爱，成为一种喜闻乐见的新型展示设计方式。
《体验经济》 的作者约瑟夫·派恩在书中提到：“体验是人通过感觉器官对人、事、物进行了解与感知，是个人心智状态与特定事件之间互动作用的产物；
强调重视消费行为发生时人的心理体验。”美国教育心理学家布鲁纳提出的“发现学习法”表明学习过程不是将知识单向传递给人，而是人通过一系列发现行为（如转换、组合、领悟等）主动获取知识的认知过程[2]；
表明学习过程中体验的重要性。
两位理论家分别从经济学和心理学的角度阐释互动体验的重要性，为沉浸式互动设计提供了理论依据。
随着我国经济社会的快速发展和文化生活的日益丰富，民众对科教活动有了新的需求与期待，人们走进博物馆、科技馆、天文馆、美术馆等场所不仅限于获取展品本身所呈现的信息，更期望获得与众不同的互动体验。在当今的科普展示活动中， 沉浸式互动作为一种新兴展示设计模式仍处在初步发展阶段，有着很大的发展前景；
展示设计师尽可能地将“体验主体”与“体验客体”之间的平衡关系发挥到最大化，以达到互动体验和寓教于乐的目的。沉浸式互动设计不仅为科普展示活动增添了互动性、趣味性和科学性，还为参观者带来独出心裁的感官体验和认知体验。综上，沉浸式互动设计在科普展示活动中的应用，对于广大社会民众来说具有积极影响和划时代意义。
3.1 行为主义学习理论
行为主义学习理论又被称为“刺激-反应”理论，是由美国心理学流派提出的一种研究学习的理论和方法。
行为主义学习理论认为：学习的过程是刺激与反应之间联结的过程，理论家把外界环境看作是“刺激”，把学习者的行为看作是“反应”，强调人所有的行为都是学习所得。
因此，在设计科普展示活动时，设计师要重视情景的再现，将科学知识融入到真实自然的情景之中，充分发挥多媒体设备和信息技术的优势，呈现出具有沉浸感的展示空间，结合场景的“刺激”作用，引导参观者获得正确的反应。科普活动尽可能具备让参观者沉浸其中的能力，为参观者创造良好的环境，在交互过程中放大其感受，消除不适当的情绪和行为。
3.2 建构主义学习理论
建构主义学习理论表示学习不是老师向学生传输知识的简单过程，而是学生以个人经验为基础，主动获取并建构知识的过程。
简而言之，学习不是被动地接收，而是主动地获取和建构。在科普展示活动中，建构主义学习理论的应用原则：第一，强调以参观主体为中心；
第二，强调展示环境对知识建构的影响；
第三，强调运用各种新兴媒介和多媒体技术来引导“学”；
第四，强调交互过程的最终意义是达成知识的建构[3]。
因此，科普展示设计师在选取展示内容时，先要了解参观者的认知特征，不能超过参观者的经验水平， 建立参观者已有经验和将要学习知识之间的关系，同时也要增添展示活动的科学性和趣味性。对于专业性、科学性均较高的展示活动，设计师要给参观者创造一个循序渐进的学习过程，知识难度层层递增，从而达到更好的科普教育效果。
3.3 交互设计理论
交互设计以 “在复杂的物质世界中嵌入信息技术和多媒体技术”为中心，着力于去创建“交互主体”与“交互客体”之间的平衡关系。
在科普展示活动中，展示设计师充分考虑参观者与展示空间的联系， 将交互行为和交互客体作为设计对象；
运用空间形态、材料肌理、色彩、动画、灯光、声音的变化来传递展品信息；
应用多媒体设备和多媒体技术，营造具有沉浸感的情景，为参观者带来与众不同的观展体验，使科普展示的效果最大化。
综上，在设计科普展示活动的过程中，应该以理论为指导基础。
行为主义理论阐明展览本身要尽可能利用新兴技术与设备，为参观者创造良好的、可被欣赏的展示空间；
建构主义理论强调参观者要具备主动性、积极性，要有意识地与展品进行互动；
交互设计理论是展馆与参观者之间沟通的桥梁，只有将体验主客体“优势”放大，才能达到科普教育的最好效果。
4.1 全息投影技术
全息投影技术是一种无需佩戴专业设备， 裸眼即可看到立体影像的的三维技术， 指利用干涉原理记录并重现物体或情景的真实图像。
展示过程中观者站在不同的方位通过裸眼观察，就可以多角度、全范围地看到物体的三维立体图像。目前，全息投影技术有360°全息显示屏技术、空气投影技术、激光束投影技术和伪全息投影技术这四种。
由于科技创新与科学普及的协同发展均具有十分重要的意义，全息投影的形式从文化馆、博物馆、美术馆应用到科普馆、研学基地、科普教育基地等展馆。
全息投影技术打破了科普展示空间中单一、静态的展示形式，用多维、动态的虚拟影像将科普内容展示出来，使观者参与其中，获得沉浸式的体验，达到寓教于乐的目的。
2021 年11 月厦门环卫科普馆正式开馆，作为厦门首个市级综合性大型环卫科普馆，摆脱了传统枯燥的“填鸭式”宣传方式，采用沉浸式互动体验，使参观者了解垃圾分类的方式和意义。馆内拥有一台360°全息投影设备，见图1，将人们日常生活中常见的垃圾收运车、厨余垃圾收运车，以及不常见的隧道清洗车等环卫车辆，三维立体地呈现在参观者眼前， 全面直观地展现出车辆各部分的功能。
全息投影技术不仅让参观者沉浸式体验到垃圾分类的整个流程，也有效地推动了科普教育的开展。
图1 全息投影技术（厦门环卫科普馆）
4.2 体感交互技术
体感交互技术是指计算机通过识别体验者的肢体动作和手势等信息来获取命令， 通过算法和相应设备进行数据传输与转换， 给予体验者可视化反馈的新型人机交互方式。
随着国内科学技术的发展和信息技术的应用， 体感交互因沉浸式和趣味性的交互特征， 成为科普展示活动中最受体验者欢迎的交互技术之一，根据互动形式可以划分为触控型、体验型、沉浸型三种模式。在科普展示设计中，设计师应遵循适用性、互动性的设计原则，根据空间环境的特点选择适宜的互动形式，充分考虑到外界因素对交互的影响；
同时也应考虑交互动作的难易程度，不宜使用太过复杂的动作，最大程度上方便参观者与展项进行互动。
中国科学技术大学先进技术研究院设计的量子科普馆，是以普及量子知识为主题的科普研学基地，是量子科技发展的展示平台。馆内新颖的科学互动装置，让参观者有一种沉浸式的体验， 在互动过程中参观者不仅可以获取量子科学知识，也可以了解量子领域的前沿发展动态。量子科普馆中的多人体感交互装置，见图2，以巨幕量子墙为背景，以“光量子点”为元素，展现“波粒二象性”、“量子纠缠”、“量子隐形传态”等现象，通过多样的色彩和多变的粒子碰撞效果，让参观者置身于奇妙的量子世界。
图2 体感交互技术（量子科普馆）
4.3 虚拟现实技术
虚拟现实技术又被称为VR，是指利用计算机科学技术创建一个仿真的三维立体空间，为参观者提供视觉、听觉、触觉等感官的模仿，使参观者沉浸到互动的虚拟场景之中，让参观者在虚拟世界中获得最真实的体验和感受[4]。虚拟现实技术包含沉浸式虚拟现实技术、非沉浸式虚拟现实技术、分布式虚拟现实技术和增强现实技术这四种类型，具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性的特征。
在科普展示活动中，VR 是最容易激发参与者兴趣、实现沉浸状态的技术之一。
目前虚拟现实技术在科普活动中的应用多为两种形式，其一是裸眼沉浸，通过立体视觉显示设备（三维展示系统、大型投影系统等）再现真实情景，展示过程中参观者不需佩戴显示器、追踪器等设备，仅凭肉眼就可以看到真实的人文场景或自然景观， 从而获得身临其境的感官体验；
其二是参观者通过佩戴VR 眼镜、VR 一体机等设备进入虚拟的三维立体空间， 沉浸式互动不仅让参观者产生愉悦的体验感， 也激发了人们学习的欲望以及自主参与性，从而更好的实现科普教育的目的。
2021 年4 月海洋主题沉浸式科普馆入驻厦门， 全国首个鲸探海洋科普研学基地正式启动。
科普基地采用虚拟现实技术再现壮阔的海底景象，见图3，带参观者一秒穿进海底世界，为参观者打造一场沉浸的深海之旅。2020年6 月广东省禁毒科普馆正式开放， 这是一所集禁毒知识教育、宣传教育、警示教育于一体的现代化科普教育基地，展厅运用多媒体展示、虚拟现实体验、沉浸式互动体验等方式，向市民普及禁毒知识。
科普馆的第二层是VR虚拟体验区，见图4，参观者戴上VR 眼镜后，选择“吸食海洛因模式”，设备开始模拟人在吸食毒品后所产生的视觉刺激以及听觉刺激，通过光线给人的眩晕感，让参观者体会到毒品的危害性。
在毒驾的VR 体验中，“吸食大麻”的参观者视线开始模糊，眼前道路开始倾斜，驾驶的车辆难以走直线；
模拟驾驶一分钟就能明显的感受到眩晕感，使参观者在沉浸式的体验中感受到毒驾的危害性。
图3 情景再现（鲸探海洋科普研学基地）
图4 VR 眼镜（广东省禁毒科普馆）
4.4 多点触控技术
多点触控技术又被称为多重触控、多点感应技术，是指在没有传统的输入设备下（鼠标、键盘等），通过触摸屏（屏幕、桌面、墙壁等）或触控板等进行多点或多用户的人机交互操作模式[5]。多点触控技术摒弃了单点触控的操作模式，参观者可以用手指进行触摸，也可以用双击、平移、拖拽、滚动、旋转等手势触摸屏幕，触发对图文和动作的指令，从而更全面、丰富、立体地了解展品的特征与信息。
广东省佛山市禁毒教育基地是国内首家沉浸体验式禁毒科普基地，基地引进沉浸式动画、墙面互动投影、多点触控等现代化新媒体技术， 将禁毒知识与互动体验充分融合。在“毒品销毁”这个展项中，设计师运用了多点触控技术，设计了扔球销毁毒品的游戏互动环节，参观者进入互动区域，用特质小球扔向屏幕中的毒品，将其销毁并赢得分数，见图5。
此游戏支持多人多屏同时进行，提升了场地的使用效率。
此外，多点触摸技术还应用于博物馆之中，见图6，展示设计师将馆内的展品收藏进多点触控屏幕，参观者可以通过触摸屏来选择和欣赏个人感兴趣的展品，使展览更具人性化和个性化。
多点触控技术在科普展示中的应用，不仅提高了场地的利用率，还加强了参观者的记忆，激发了民众的学习兴趣，达到寓教于乐的效果。
图5 多点触控游戏（佛山市禁毒教育基地）
图6 多点触控屏幕
5.1 以交互手段代替线性手段
在科普活动中，交互性是展览最重要的特征之一，展品信息不仅限于被展示媒介所承载， 而是与参观者互动过程中感知并获得。在传统的科普展示活动中，参观者与传播者有着明显的界定， 而交互设计的出现模糊了两者的界限， 在互动过程中参观者不仅可以主动选择自己感兴趣的展示信息，还参与介入信息的二次生产与传播。这与利用实物模型、图片、文字等载体进行单向线性传播的传统模式有着本质的区别。
沉浸式互动设计可以充分展现出自然界中变幻莫测的现象， 也可以预知城市未来的发展规划，还可以带领观者探索宇宙的奥秘；
观者借助多媒体投影、全息投影、数字屏幕以及VR 眼镜等设备进行互动体验[6]。目前，越来越多的科普展馆（博物馆、科技馆、天文馆）应用到沉浸式互动设计的展示方式，设立了沉浸式剧场；
因参观者从视觉、听觉、触觉、嗅觉等方面得到了更高级别的体验以及更加身临其境的互动， 从而获得了观众的高度认可，使科普信息的传播更加有效。
5.2 以体验为核心的互动设计
在传统的展示模式中， 空间的展示陈列方式基本是以静态形式来设计的，空间立面、展示线条、造型都是一些图片、文字、固定造型、艺术陈设等静态元素。新媒体技术的发展和应用使传统展示设计突破了以往的静态模式，向互动体验的观念前进。
杜尚曾说过：“总而言之，创造的过程不是艺术家一个人完成的。”这说明无论什么作品什么展览都需要观众的参与，需要观众从自身的角度出发去理解、诠释信息，强调了观众的互动参与和体验性[7]。这也是当今的大势所需，人们都在追求独特美好、不可复制的参与感与体验感， 以体验为核心的互动设计可以充分满足观者的感知需求和情感需求。
体验的目的是为了给予观者独特的互动，加深人们对信息的理解。
科普展示作为当今普及科学知识、 推广科学技术，传播科学思想的重要途径，已从单一的展示形式朝多样化发展，为科学与艺术的融合提供了舞台。
现阶段新媒体技术在科普展示活动中的应用逐渐增多，在这个过程中，展示设计师需要充分考虑到受众的参与感与体验感。通过沉浸式设计营造出生动情景，增强受众的交互体验感，使受众获得全身心、全过程、全情感、全方位的沉浸互动，满足受众的感官体验以及多元情感的需求，使受众更全面深刻地掌握科学信息。
未来的科普展示活动将更加具有沉浸感，向个性化、人性化发展，与数字网络的关系也将越来越紧密，这不仅是对展示形式的创新，也使科学普及更有效，因此沉浸式互动设计对科普展示的未来发展具有重要意义。
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