谈展教融合情景下的虚拟现实与增强现实技术

梁兆正

摘要虚拟现实与增强现实对于科技馆来说，既是一种具体技术又是一种展示手段。其中，虚拟现实的最大特点在于可视化，它使不可及变为可触及；增强现实的最大特点在于虚实结合，它使实景与虚景叠加，实现真实且动态的过程可视化。科技馆的展教融合关键在于“借题发挥”，“题”就是展厅里的展品展项，“发挥”就是基于虚拟现实与增强现实技术开发的拓展型教育活动。展品展项与教育活动的结合将增添科技馆的趣味性，而信息技术与教育活动的联姻则增强了科学原理的表现力。

关键词虚拟现实 增强现实 可视化 展教融合

引言

2015年全国科技馆工作会议提出了创建中国特色现代科技馆体系的新思想，突出信息化、时代化、体验化、标准化、体系化、普惠化、社会化七大目标。要求科技馆加强虚拟现实技术、增强现实技术的应用和线上线下活动的开展；加强前沿科技的展示，不断更新展览内容；注重寓教于乐，增强公众体验和兴趣；把现代技术作为展示教育的重要手段，以“超现实体验、多感知互动、跨时空创想”为核心理念，有效促进高新科技成果的传播和转化；直观展示常态下难以直接观察到的科学现象和技术过程，充分激发公众的创造力和想象力。这无疑是当前和今后一段时间科技馆行业思考与实践的出发点和着力点。

1虚拟现实与增强现实之我见

虚拟现实和增强现实是数据可视化的一种表现形式，伴随着计算机技术的诞生与发展而逐渐成熟。简单来说，虚拟现实是使虚拟事物可视化、实体事物图像化的一种技术，它可以使幻想世界变得栩栩如生，使微观世界变得活灵活现，使望尘莫及的宏观世界变得触手可及。而增强现实则是虚拟现实的衍生品，它是“虚拟”与“实体”结合的产物，完成了虚拟事物可视化与实体事物图像化的叠加。

有一种说法：2016年是虚拟现实技术的元年。其实准确地说，应该是各路资本或市场概念炒作的开始。虚拟现实并非新生事物，之所以被热炒，是由于智能终端拥有率的大幅提高和移动互联网技术的广泛应用，将往日需要依托高性能图形工作站方能运行且被专业机构独享的虚拟现实技术推向了消费电子市场，使操作者和体验者由过去的科研人员变成了现在的普罗大众。

目前，虚拟现实与增强现实的图形化、可视化技术已经非常成熟，关键在于如何解决经济成本、可靠性、位置感应和数据处理等技术问题。

2展教融合的技术路径

当代科技馆的展示设计有三种模式：一是科技史类科技博物馆，它的展品展项是真实的、静态的，展示内容缺乏对基本原理的诠释，展示形式缺乏趣味和活力；二是学科类科学中心，它的展品展项具有互动性，然而展示内容缺乏与生产生活的关联；三是主题类综合性科技馆，它的展品展项具有体验性，但是展示内容缺乏深度、略显浮浅。

这三种科技馆模式的不足，或源于展教手段的局限性，或源于技术手段的局限性。随着数字化技术的平民化和移动互联网的普及化，为基于科技馆资源开发的拓展型教育活动提供了技术路径，为展教融合的新载体搭建了“借题发挥”的桥梁，真正实现线上线下的互动与馆内馆外的互通。

3基于虚拟现实与增强现实的科普实例

对于科技馆而言，虚拟现实与增强现实既是一种具体技术又是一种基本手段，要把它们视为诠释基本原理和拓展基本应用的可视化工具，其成功运用的要义在于精准地表达展品展项的科学内涵（见图1）。

3.1蒸汽机工作原理的诠释

蒸汽机是科技史类科技博物馆中的保留项目，但大多是静态陈列并辅以文字说明，即便有少数的动态演示，也只能看其外观动作，而无法观其内部形态。

我们可以通过静态陈列实物、透视解析动画和虚拟漫游游戏三个部分，来诠释蒸汽机的工作原理：首先，将装有增强现实驱动软件的移动终端摄像头对准静态陈列的内燃机实物。接着，移动终端的屏幕上便会显示内燃机的透视图，动态再现蒸汽机的内部情况，让观众可以看到高压蒸汽进气、做功、排气等整个动态过程，使内燃机的工作过程一目了然。当然，还可以借助安装于展台上的平板电脑逐一观看采用虚拟现实技术制作的内燃机结构解剖动画，了解不同类型内燃机的基本构造。除此之外，在条件允许的情况下，还可以通过头盔式虚拟现实终端漫游内燃机的“内部世界”。

3.2电磁感应基本原理的诠释

“磁变电”、“电生磁”展项是学科类科学中心中的必有之物，通常的展示手段不外乎是依托互动展品“发电机”和“电动机”来阐述电磁感应现象。但对于普通公众而言，恐怕仍然很难理解电磁感应的内在机制。

我们可以通过互动演示展品、透视解析动画和应用实例示范三个环节，来诠释电磁感应的基本原理，尤其是借助于增强现实与虚拟现实的可视化手段使之变得更加简单易行：（1）通过一组发电机和电动机的实物，演示“磁变电”、“电生磁”的现象。（2）首先，将装有增强现实驱动软件的移动终端摄像头对准发电机和电动機实物。接着，移动终端的屏幕上便会显示发电机和电动机的透视图，再现发电机和电动机的内部结构，让观众可以看到发电机内部磁路的分布和电动机内部线圈的绕法。然后，借助可视化解析动画，介绍“磁一电”和“电一磁”的耦合过程，说明发电机转子转动定子线圈切割磁力线，以及电动机定子线圈内电流流动产生交变磁场。（3）采用日常生活中手机无线充电的案例，讲述“电一磁”和“磁一电”的耦合过程。

3.3风力发电功效原理的诠释

“清洁能源”是主题类综合性科技馆中经常涉及的展示内容，其中风力发电装置是不可或缺的展项。此类展项通常采用对比的手法，即同一类型的风力发电装置在不同的风速下发电效能各异，或不同类型的风力发电装置在相同风速下发电效能各异，让公众生动形象地了解风速大小及叶片形态对风力发电装置功效的影响。但美中不足的是，气流与叶片的耦合机制无法准确地予以呈现，而这恰恰是提高风力发电装置功效的重点。

我们可以借助增强现实、虚拟现实技术，通过互动演示展品与透视解析动画相结合的方式，从宏观和微观两个角度来阐释气流与叶片耦合的机制。首先，将装有增强现实驱动软件的移动终端摄像头对准风力发电装置实物。接着，移动终端的屏幕上便会显示发电装置内部传动结构的透视图。其可以将空气流动的流线叠加在叶片的周围，从而再现不同风速下气流与叶片的耦合过程或相同风速下气流与不同形态叶片的耦合过程，同时全面反映气流耦合叶片转动来驱动增速装置和发电装置的整个过程。若要进一步延伸，还可以表现在同一种叶片表面喷涂不同材料对气流与叶片耦合效能的影响作用，以及气流与不同形态叶片耦合的效能情况。

4结语

当下，中国的科技馆历经数十年的发展现已初具规模，各地都建成开放了各类科技馆。随着时代变迁和科技进步，已建成运营的科技馆即将步入更新改造时期。未来，业内将从展示与教育的关系、自主互动与群体参与的模式、线上与线下的融合、馆内与馆外的合作等层面，对虚拟现实与增强现实技术的应用前景开展进一步的探索。