基于5G时代人机交互技术的科学传播模型建构

李佳柔

（中国科学技术大学人文与社会科学学院，安徽 合肥 230026）

一、引言

人机交互技术属于一种前沿科学技术，在5G、云计算、大数据、边缘计算、物联网等越来越成熟的信息通信技术（Information and Communication Technology，ICT）支持下，趋向重视感官与直觉的多模态交互、自然交互方向发展，凸显智慧化、人性化的技术优势。5G时代，新一代智能人机交互、自然人机交互技术向科学传播领域融合渗透，用户通过多感官、多模态的智能人机界面方案参与科学、感悟科学、体验科学，助力科学传播解放人力，降低成本，提高传播效率，因而成为科学传播演进发展的重要动力。根据自然人机交互技术和体系的发展趋势，及其在科学传播领域中日益广泛的应用态势，文章认为，新一代人机交互传播有望成为未来科学传播的重要模式。因此，以简化模型建构的方法来阐释人机交互传播的结构、过程和关系。研究旨在对传播者开发5G信息环境下科学传播的新服务、新产品、新场景、新模式的决策和行为提供参考价值。

二、5G时代的新型人机交互技术

（一）人机交互技术概说

人机交互技术（Human-Computer Interaction，HCI）就是通过计算机输入输出设备，以语音、动作、情绪等有效方式实现人与计算机之间信息交换的技术。人机交互技术是人机界面设计中的重要内容，包括交互的输入设备和输出设备的硬件技术，对人机界面进行分析、描述、设计和评估的软件工程技术，以及数据库技术、多媒体技术等等。人机界面（也称为用户界面）作为计算机系统的重要组成部分，是人与计算机之间双向信息交互的媒介和对话接口。通过人机界面，人对计算机系统的状态和运行过程进行理解和操作。从实质上看，人机交互技术的应用减轻了人的记忆能力、理解能力和认知能力，增强了人的感官能力和动作能力。

人机交互的发展始终与计算机发展紧密相连，经历了以机器为中心到以人为中心的人机交互转变过程。从最早的命令语言用户界面到图形用户界面、直接操纵用户界面、多媒体用户界面，到现阶段计算机科学家追求的多通道多媒体用户界面，数字界面强势取代人机硬件界面，成为信息智能系统人机交互的主要载体。

（二）5G时代人机交互技术的发展趋向

5G时代的到来使社会生产中有形产品与数字产品之间的边界越来越消弭，产品创新的重点从技术向用户体验和人机交互迁移。5G与云计算、大数据、人工智能、物联网等协同构建的新技术格局和万物互联新环境，为新一代人机交互技术的跨越式提升提供了重要保障和动力，使产品和服务创新的重点落实在个性化人机交互和自然、智能、高效的人机交互技术之上。

智能空间和智能人机界面是计算机科学家和工程师的关注焦点和研究热点。智能空间是一个嵌入了计算、信息设备和多通道传感器的工作空间，如智能教室、智能影院、智能汽车座舱等。在这些智能空间，人们可以自然地访问所需信息和获得计算机的各种服务。智能人机界面的核心是智能技术，“运用多感官、多模态的界面方案来理解周围环境和相互交流，让用户获得自然、本真和沉浸式的互动体验是人机交互发展的最终目标”。

随着相关技术稳定性、准确性的提升，研究者普遍看好利用人体多种感知通道（视觉、听觉、肢体及手势等）的融合技术或多模态交互技术（不同形式的输入组合）。有研究者开展多模态触觉再现系统的实验证明，“相比单一视觉再现模式，视觉和触觉再现融合模式完成相同任务的时间能节省47．7%”。空间增强现实环境中的许多应用都使用了多模态交互技术，“以并行的方式与计算机系统进行交互，发挥了各个模态独特的优势，利用模态之间的互补，带来了交互的自然性和高效性”。自然多模态交互技术建立的人机界面具有优化用户体验、提高沉浸感的优势，“一方面，智能多模态人机界面融合了语音、手势、注视、触摸屏等多种交互输入接口，结合行为（表情、眼动、姿态）和生理信号等意图信息实现多模态交互输入；另一方面，通过触觉、听觉、嗅觉、平衡感和温度等建立多模态交互反馈”。计算机专家指出：“未来的人机交互将更重视用户的直觉与感官，产品将允许用户利用自身固有的认知习惯及其所熟知的生活化行为方式进行的交互动作，旨在提高交互的自然性和高效性”，并断言“未来人机交互的四个发展趋势：自然交互、多模态显示、虚拟身份和云数据”。

三、新一代人机交互技术对科学传播的促进作用

现阶段，语音、动作、表情、脑控、眼控、体感等多种高效、自然、智能的交互方式成为信息产业竞争的焦点，并对5G通信、智能机器人、航空航天装备、智能汽车、电力装备等行业产业起到革命性变革作用，为实体经济赋能。同样，新一代人机交互技术在科学传播领域的融合渗透，也能够对其产生积极的影响。最近几年，AI和VR／AR技术在科学传播场馆中的应用实践越来越多，对促进科学传播走向多元化和情境化发挥了重要作用。当科学传播类专属的人机交互系统设计能够落地应用时，这种促进作用将更加凸显。

（一）智能终端设备成为传播过程的重要组成部分

强大的5G网络覆盖之下，万物互联环境使智能手机、智能电视、VR眼镜、触摸屏等各种传感设备和通信设备都具有自动生成信息、自主传播信息的服务功能。信息生产和传播的整个运作流程中，智能终端设备和自然人性化的人机界面将承担科学家、科技传播工作者等传播主体的部分工作，在控制传播内容和终止信息传递等方面发挥主动作用。因此，“人—机”信息交换技术颠覆了传统的人际传播和大众传播的“人—人”科学传播模式，为用户提供自助式、点单式科学传播服务，既能解放人力——科学传播工作者的劳动付出，又能打破传统科学传播的时空壁垒，以远程、多方协作的方式解决科学传播内容资源和设施资源在地区、人群上的不均衡问题。这些效用凸显了智能、自然人机交互技术作为人体的延伸在科学传播中的使用价值。

（二）新一代人机交互使科学信息触达用户的能力更强

智能人机交互、自然人机交互通过触摸、手势、表情、姿势等指令识别和多模态交互输入，以及触觉、听觉、嗅觉等多模态交互反馈，共同打造出人机一体的智慧传播环境和智慧学习环境，从而使科学信息触达用户的能力更强，科学传播的广度、深度和时效性都将得到极大提高。

1．实现科学信息的全覆盖式传播。在科学传播过程中，智能人机界面就是“自然流动的科普设施”，辅助科普场馆发挥科学宣传和教育的功能，通过多模态技术实现科学教育的超时空覆盖，提供泛在式的学习环境和学习场景。如智能网联汽车产出和使用之后，汽车内部空间的信息系统、车载应用和软件功能更加强大，人与各种设备和应用程序构建“人—车—路—云”协同的智能出行场景和智慧传播场景。高精地图、感知算法以及全场景数据计算、分析和反馈技术，把行驶中自然风景和天气信息实时更新上传，同时又自动生成为地理环境、气候成因等自然奥秘的相关知识，以音频、视频、语音、动作、表情等多模态交互方式即时触达乘车人员，使其感知超时空信息传递。这样，伴随一场极具科技感和舒适感的智能交通体验，同时收获一种自然、沉浸式的科学传播体验。新一代人机交互实现信息传播的全覆盖，为用户的非正式学习、移动式学习或泛在式学习提供了强大的技术支持和环境再造。

2．以情景式、沉浸式学习方式，提升用户的具身认知能力。技术现象学的代表人物唐·伊德在 《技术中的身体》一书中提出了“技术具身”的观点。他认为，技术与人融为一体，人的知觉和身体经验通过技术中介而发生改变。根据心理学研究中的具身认知理论，认知来自于身体对客观世界的体验，在感官、身体和所处环境三个层面影响人的认知。体验式、沉浸式传播就是对技术具身的一种展示，是对具身认知理论的实践。比如，目前大型科学传播博物馆、科技馆中已经应用具有具身性的VR设备进行科学传播，游览者戴上头显、3D眼镜或虚拟耳机，便可以体验VR技术建立的虚拟世界。未来，AR、MR技术的发展和普遍应用，还可以给用户带来更为直观的视觉感受和更强的感官体验，比如，双手和双眼之外的触觉、嗅觉等体感回馈，以更强的临场感和沉浸感收获更客观真实的科学知识。Google Expeditions（谷歌探险）是一款利用VR技术带领学生环球旅行的教学工具。依托三维模型，利用360度照片、声音和视频，学生想去哪里就去哪里，信息知识活灵活现地呈现，既生动有趣，又能提升学生的知觉、记忆、注意、思维和想象能力。新一代人机交互创造了具身的科学传播环境，增强了科学信息触达用户的能力，并通过拓展用户的感知范围和感知层次，提升了用户的具身认知能力。

3．实现“人—机”之间信息的双向精准传达。以用户为中心的人机交互，通过人和计算机之间的多模态输入和输出，人的意图信息、需求信息被准确捕捉、识别、同步记录，并利用计算机超强的计算能力，为用户自动过滤、筛选、生成、传输更具精准性、逻辑性的信息。同时，又通过用户的感知、认知和反馈对界面设计方案进行实时验证、优化。人机互动交互提升了数字生活场景中信息传递的可靠性和精准性。

（三）以多模态交互技术打造探究式学习过程

新一代数字交互形式多样化、智能化、人性化，带给用户自然、沉浸式的传播过程。利用360度全息显示屏技术、空气投影技术营造三维图形用户界面，使用户在现实世界中与计算机所建立的三维模型进行交互操作，便可以360度观看立体影像的不同方位，获得难以在真实世界中实现的观察方式、观察角度和观察效果。通过多感官体验形成对外部世界直观、具体的认知，能够加深对科学信息知识的多元化、多层次理解。比如以互动视频为传播媒介的传播活动，用户在与互动视频播放系统的互动操作中拥有自主选择权，能够决定视频内容的走向。如果多路视频流同时传输，还能够支持多视角灵活组合，促进视频内容的深度和表现力。另外，在互动操作中还可以灵活加入知识问答、问卷调查之类的互动选项，使用户目标信息的呈现更具场景化，知识理解更深入透彻。

从实质上看，新一代人机交互给用户提供了一个探究式的知识学习平台。通过人机交互操作，达成用户对科学真相的感官体验式理解，并整合用户面对科学知识时的观察、想象、推理、论证、质疑和批判等各种能力，形成集体验、思考、检验于一体的探究式学习过程。

四、新一代人机交互式科学传播模型建构

在传播学领域，传播学家利用简化模型的方法来阐释传播现象的结构、过程和关系，对信息传播模式进行描述。如早期以哈德罗·拉斯韦尔和香农·韦弗为代表建立的线性传播模式。在线性传播模式中，科学传播最具有代表性的传播模型是“缺失模型”和“权威解说模型”，二者都把科学传播视为单向的、自上而下的传播过程。而现实传播中的反馈、互动行为却印证了科学传播并非单向而是双向互动的。所以，一些非线性科学传播模式的模型纷纷被建构，如布莱恩·温的内省模型、约翰·杜兰特的民主模型等。随着网络媒介技术的发展在科学传播中的地位日益突显，基于人和新媒介环境复杂关系的传播模式应运而生，如布鲁斯·赖温斯坦的网络模式。如今，迭代更新的媒介技术给传播带来机遇和挑战，引起学者们的重点关注，有学者将当下媒介融合时代科技传播的模式概括为“互动循环模式”，即结合线上和线下展开互动循环模式的全方位传播。

而在5G移动化、数字化、智能化时代，当传播实践上智能移动终端、上“云端”之后，传播现象的结构、过程和关系也随之发生变革，传统的人际传播、大众传播模式被颠覆，形成“人—机—网络—云端”的信息交互和共享系统，智能、自然的人机交互新模式有望成为未来科学传播的重要模式。因此，着眼于5G时代人机交换技术对科学传播系统的变革，本研究尝试搭建新一代人机交互科学传播模型，对人与计算机的新型互动传播行为进行设计和阐释。如下图。

新一代人机交互科学传播模型

在新一代人机交互的科学传播模型中，主要包含5G网络、科普云、人、计算机四个关键元素，协同构建“人—机—网络—云端”系统的信息交互和共享局面。

其中，具备增强移动宽带、海量机器类通信、超高可靠超低时延通信三大特征的5G网络，以及5G与云计算、边缘计算、网络切片等技术相互嵌套的信息环境，能够保障各种输入和输出设备所需要的大量数据传输、存储和高速计算。

随着终端设备更加移动化、智能化、小型化，人们对桌面主机和笔记本的使用逐渐减少，继而转移到连接云端的各种智能人机界面。人机交互产生的海量数据和科学传播资源都存储在云端数据中心，云采编、云存储、云编辑、云出版发行等传播服务也运行在云端。依托于科普资源云平台，实现人机界面的个性化定制应用，有效解决了科学知识传播中的时空障碍、资源不均衡、成本高等现实问题，赋能传播实践的全域、智能和精准等特征。

以人为中心的传播模式重视技术必须适应人的发展，同时也强调人（用户）的自主性和选择性，突出人的自由参与、具身学习、交流共享等存在价值。协调处理交互需求、交互场景、交互方式之间的关系，把握自然交互技术的具身特点，在虚拟场景中多感官并用，以自主式、探索式、合作式等学习形式寻求并获取科学知识。

计算机元素包括计算机和各种智能终端，具备优越性能的硬件和软件将为用户提供更自然、更智慧的人机界面，通过眼控、脑控、声音、身姿、表情乃至感官融合的多模态交互形式，构建“人—机”融合为一体的信息传播模式。

全新传播模式打造全新的科学传播场景。以中小学的一堂课外远程科学教育课程为案例，教师可以利用人机交互技术开展教学。如将VR／AR教学内容上云端，利用云端超强计算能力实现VR／AR应用的运行、渲染、展现和控制，并将VR／AR声音、画面高效编码成音视频流，便可通过5G网络实时传输至学生们使用的各种移动终端上，如智能手机、电子书包、交互式智能白板等，从而打造便捷、愉快的交互性学习情境和学习体验。开展VR／AR云应用，包括学生的虚拟实验课、虚拟科普课等，实现远程人机交互式学习的知识建构和意义理解。

五、结 语

研究新一代人机交互技术与科学传播的融合模式，本意是通过自然、智能的机器应用，延伸并增强人类的科学传播能力和传播效率。但是，这一切终归是建立在人机交互科学传播产品和服务的系统设计之上，包括系统和界面构架、人机界面和交互设计、科学信息内容开发、信息结构设计、视觉传达设计等一系列复杂工程。没有科学传播类人机交互系统的设计和实施，此模型只会停留在理论的抽象描述和技术的逻辑想象之上。希望在不远的将来，如同人机交互技术在制造、电力、交通、医疗等行业领域中的广泛应用一样，人机交互传播能在科学传播领域有更丰富的实践场景，也使此模型能在多样化场景应用中得到检验和优化。