虚实结合类展示技术在科普教育中的应用

郭羽丰

近年来，科普教育展示技术日益多样化，既有机电互动、实物陈列等实体类展示技术，又有多媒体、VR、AR 等虚拟类展示技术。然而，基于单一展示技术开发的科普展品，其综合表现力不够，如基于实体类展示技术的展品其表达信息量不够，而基于虚拟类展示技术的展品其真实体验性欠缺。显然，若把“实体”和“虚拟”两类展示技术有机结合起来，将会获得更好的展示表现力和科普教育效果。那么，如何将“实体”和“虚拟”展示技术进行有机结合，以及如何利用融合的展示技术来开发科普展品和提升科普教育效果，这些问题值得深入探讨。

1 虚实结合类展示技术的主要技术形式和技术优势

所谓虚实结合类展示技术，就是将实体的互动装置、场景、道具等与多媒体技术衍生的各类技术手段相结合，为展示内容提供“真实”融合“虚拟”的演示和体验效果的综合展示技术。该类展示技术在“虚”、“实”技术的结合上表现出多种形式，与其它展示技术相比较，在多方面表现出较大优势。

1.1 虚实结合类展示技术的主要技术形式

1.1.1 实体互动装置+显示屏/投影

该类技术形式是将实体互动装置作为操作体验端，显示屏/投影作为操作体验产生虚拟结果的信息显示端，两者组合成一个完整的互动展品来实现虚实融合的演示和体验功能。如展品“饮料生产线”（图1），将待清洗的玻璃空瓶沿着传输带输送屏幕区时，体验者用水枪装具、操控杆、按压装置作出相应动作，显示屏中的动画同步演示水柱清洗瓶子、饮料灌注瓶，瓶盖封住瓶口的虚拟结果。

图1 展品“饮料生产线”效果图

1.1.2 异型实体模型（白模）+3D投影（3DMAPPING）

该类技术形式是在白色实体模型的异型表面，利用3DMAPPING 技术投射画面和影像，形成一种现实思维与梦幻视觉相融合的演示效果。如展品“虚拟化妆”（图2），在一个巨大的白色人体面部模型上投射不同化妆体验的妆容效果。

图2 展品“虚拟化妆”效果图

图3 展品“城市交通规划”效果图

1.1.3 实体场景+投影

该类技术形式是利用沙盘、模型、实物、图文等实体道具来营造展示的场景，并利用投影投射画面和影像到该场景中，共同表现在该场景中展示的内容。如展示城市交通和规划内容的展项常用到该种形式（图3）。

1.1.4 实体道具+透明屏

该类技术形式是借助透明屏，让观众既能看到屏幕画面和影像，又能透过屏幕看到屏幕后的实体物品，从而丰富了视觉信息的层次感和表现力，增加了许多趣味。如展品“互动花园”（图4），在透明屏背后布置一个实体小花园场景，体验者点选屏幕上的花朵和小鸟，可以与其互动，有身临其境进行体验的感觉。

图4 展品“互动花园”效果图

图5 展品“汽车透视”效果图

1.1.5 实景造型+幻影成像/全息投影

该类技术形式是基于“实景造型”和“幻影”的光学成像结合，将所拍摄的影像（人、物）投射到布景箱中的主体模型景观中，演绎故事的发展过程。如展品“汽车透视”（图5）中利用真实汽车的骨架和幻影成像技术，组合成一个实际汽车与汽车图像相结合的系统，演示说明汽车的基本构造、工作原理、安全及节能技术。

1.1.6 体感互动(KITNECT)、手势识别（LEAP MOTION）

该类技术形式是利用KITNECT、LEAP MOTION等技术设备，让体验者直接地利用人体肢体动作或手势动作，身临其境地与影视画面中的虚拟内容进行互动[1-2]。如展品“虚拟穿衣”（图6），体验者凌空动动手指选择喜欢的服饰即可马上穿戴在身上。

图6 展品“虚拟穿衣”效果图

图7 展品“恐龙喂食”效果图

表1 主要展示技术类别及特点比较

1.1.7 虚拟现实（VR）/增强现实（AR）/混和现实（MR）

该类技术形式是利用计算机技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界（VR）[3]，或将虚拟的信息应用到真实世界中（AR）[4]，或合并现实和虚拟世界而产生新的可视化环境（MR），让体验者身临其境地与虚拟世界进行互动。如展项“恐龙喂食”（图7），利用AR 技术，体验者可以与虚拟的恐龙进行喂食互动。

1.2 虚实结合类展示技术的主要技术优势

科普教育中往往运用各种展示技术，主要有：虚实结合类、陈列类（实物、模型、场景、图板）、简单机械互动设施类、机电一体化互动设施类、影视、剧场、多媒体类等类别，不同的展示技术有着各自的特点及优势。我们不妨对上述展示技术在展示的易表现性、信息量、可修改及拓展性、交互性几个方面做个比较（表1）。

通过比较，我们不难发现虚实结合类展示技术，较之其它类别的展示技术，具有易于表现展示内容、丰富的信息表达量、便于编辑及拓展、强大的交互性等方面的优势：

1.2.1 易表现性

该类展示技术可以通过提供实体展示，实现让参与者获得实际的操作体验，同时，对于不能实际操作或无法直接获得实际结果的内容，则可以通过虚拟表现手法的强大表现力，让参与者进行虚拟体验或获得虚拟结果。

1.2.2 高复合性

该类展示技术往往运用多媒体技术把传递信息的文字、图形、声音、影像等媒体与实体展示进行有机结合，并将各种媒体通过计算机的整合、处理，为展示内容提供有形、有声、有色，且有趣、生动、直观形象的形式，极大地丰富了表达的信息量，让参与者获得全方位的互动体验。

1.2.3 可编辑性

该类展示技术较之其它实体类展示技术，其所应用的数字化信息易于复制，便于修改，包括文字、声音、图像、数据等都可以灵活地进行编辑，而且信息组合是自由的、可变的。在日后的使用中，还可以根据内容的变化，及时对其展示的信息内容进行更新和拓展。

1.2.4 强交互性

传统展示技术的交互性一般较差，或是只能单向地、被动地传播信息，或是只有单纯的操作体验，不能对学习和体验结果进行有效反馈，而虚实结合类展示技术可以通过“人机对话”实现人对信息的主动选择和控制，以及人机交互结果的双向反馈。

2 基于虚实结合技术类科普展品的创意开发

在科普教育中，什么内容最适合于运用虚实结合类技术来表现，怎样更好地运用该类技术来开发科普展品，必须在充分研究展示内容，并深入分析观众学习特点和学习方式的基础上，有针对性、有目的性地运用，才能开发出优秀的科普展品。

2.1 虚实结合类展示技术的适用表现内容

一般来说，虚实结合类展示技术能表现绝大多数的科普知识内容，尤其是以下几类知识内容更适合于运用该类展示技术来表现（表2）。

2.2 虚实结合类科普展品的创意开发流程

展品的创意开发是展品开发整个过程的核心环节，直接影响展品的展示形式和教育效果。我们将展品创意开发完整流程的其它非关键步骤略去，较关键的步骤有4 个环节（图8）。下面结合展品“白酒的工艺”（图9）的创意开发的实例予以说明。

一是设置目标，即根据展示内容，提出展品要达到的预期展示目标。如展品“白酒的工艺”的展示目标是通过互动操作，让观众了解中华传统白酒酿造的工艺流程。

二是提炼知识，即从展示的知识内容中精选重要的知识点（有重要科普意义，或本身在其所属学科领域重要），将其作为展品的展示点。如上述展品中，我们从传统白酒酿造技术的工艺流程：粉碎、配料、润料和拌料、踩曲、蒸煮糊化、冷散、加曲加水堆积、入池发酵、出池蒸酒等多个工序中，精选出其中的粉碎、踩曲、加曲加水堆积、出池蒸酒这几个重要的知识点作为展示点。

三是虚实切入，即将展示点具体化，并逐一剖析，找准实体展示和虚拟展示的切入点。如上述展品中，我们分析踩曲环节，因踩曲的动作易于用实体装置表现，可作为实体项。而踩曲制曲的重要性，以及酒曲中微生物发酵的科学知识不易用实体手段表现，但可用虚拟手段表现，将其作为虚拟项。其它环节可类似处理。

表2 虚实结合类展示技术的适用表现内容

四是选用技术，即针对虚实结合展示的实际需要，选用与其相匹配的展示技术。如上述展品中，踩曲的动作可采用机械互动装置表现，通过参与者上下按动拉杆，启动人偶模型运动，观看人偶在木盒子上踩曲的情景。而虚拟项的内容则可以通过多媒体来表现。

图8 虚实结合技术类科普展品创意开发流程的关键步骤

图9 展品“白酒的工艺”效果图

3 利用虚实结合技术类展品提升科普教育效果

在运用虚实结合类展示技术进行科普展示时，应充分发挥其技术优势，科学、合理、有效地运用该类技术来达到优化教育过程和提升教育效果的目的。

3.1 利用其交互性，激发自主学习

虚实结合类展示技术的运用使得人机对话、交互操作易于反掌，使学习者由被动学习者变为自主学习的主人。利用该类技术开发的展品就象“学习伙伴”一样和学习者进行“讨论、交流”，如它可以向学习者提问，学习者可以作答，它还能根据学习者作答的情况给予不同的信息反馈等。例如，展品“膳食宝塔”（图10）利用多媒体手法让学习者选择一天的食物搭配，并通过一个实体的陀螺保持平衡或倾斜来判断该食物搭配是否健康合理，以及是否达到膳食平衡状态。学习者在这样的交互式学习环境中改变了传统学习中被动接受和灌输知识的方式，通过主动参与学习，真正领会所学知识。

图10 展品“膳食宝塔”效果图

图11 展品“台风体验”效果图

3.2 利用其表现力，创设学习情境

情景体验就是运用虚实结合类展示技术，创设一个生动、逼真的情景，引导学习者用角色扮演（模仿性学习）的方式参与体验，用全部的心智去感受、关注、理解展示中的角色、事件、现象。例如，展品“台风体验”（图11）中，利用场景模拟和多媒体技术营造一个雷雨交加、台风肆虐的环境，并让学习者体验模拟十级台风的威力，让学习者感受灾害带来的严重后果，从而深刻认识和了解自然灾害现象。通过情景体验，激发学习者探究展示内容的兴趣，让他们在体验中探究，在探究中学习，从而达到形成概念、构建知识的目的。

3.3 利用其生动性，突破学习难点

有的展示内容抽象难懂，我们可以借助虚实结合类展示技术对展示内容易于表现，展示效果形象、生动的特点，把本来非常抽象的知识具体化，本来较难想象的知识简单化，本来枯燥无味的知识生动化，让学习者更好地学习和理解，从而有效地突破了学习重点。例如，展品“心脏支架”（图12）通过虚实结合的影像与操作，体验心脏支架治疗的作用原理。学习者通过推动导管内的纤维丝模拟植入心脏支架的动作，多媒体动画则同步虚拟演示导丝进入血管、球囊充气、释放支架、扩张血管等一系列动作结果。展品以其生动性和吸引力，充分调动学习者的积极性，让其形成正确、清晰的概念，从而有效地掌握知识。

图12 展品“心脏支架”效果图

图13 展品“从餐桌到农田”效果图

3.4 利用其开放性，丰富学习内容

虚实结合类展示技术能为科普展示提供丰富的信息内容，让学习者接触到了学校教育所无法容纳或无法表达的学习素材，能满足个体化的学习要求。例如，展品“从餐桌到农田”（图13）通过机电互动装置、模型、场景和多媒体等多种虚实结合的手法，让学习者通过参与食品从消费终端到生产源头（餐桌→超市→配送中心→工厂→生产基地）的一个质量和安全追溯过程，自主开展探究式学习，来了解食物生产、运输、配送过程中涉及到的安全监管方面的知识。学习者在这样的环境中处于极为兴奋和好奇的精神状态，思想变得异常敏锐，思维变得异常活跃。我们应利用这种开放式的学习方式，为学习者进行探究，质疑解惑开辟广阔的天地，为丰富学习者知识面和培养其创造能力发挥积极作用。

4 结语

在科普教育中，通过科学、合理、有效运用虚实结合类展示技术开发科普展品，并利用其独特的技术优势，可使科普展示教育更具生动性和体验性，从而达到预定的展示表现力和科普教育效果，这对推动科普展品的创新研发和科普展示水平的大力提升将起到着重要的作用。