科普展品中的自然交互限定与拓展

殷超 陈洋

关键词：自然人机交互 具身认知 数字科普展品 Maslow需求层次理论 和逸性

引言

科普学习伴随交互技术的发展，呈现出以用户为中心的体验维度拓宽需求表现，由此带来时代性的核心用户需求更替。数字科普展品引入自然人机交互技术，能够快速满足用户认知需求与实现需求，激发体验兴趣。但在实际应用中，自然人机交互技术的引入设计缺少符合特征特性的指导方法，多借用传统社交、游戏等交互平台设计规则，忽略了交互环境不同所带来的需求改变，体验和逸性难以产生。基于此，本文探究数字科普展品特性，依托Maslow需求层次理论联系具身认知理论，分析自然人机科普展品核心用户需求，研究交互技术特性优势在科普环境限定下的体现，提供针对性设计应用方法，优化科普体验。

一、自然人机交互科普展品特性

数字科普教育体验流程可视为基于人机交互的认知学习过程，如图1。科普体验是以青少年为核心群体的主动式学习，设计核心也基于此展开，即构建认知环境帮助用户建立“短时、高效学习感受”的同时维持“主动性”体验兴趣[1] 。

科普发展具有聚焦性，其核心群体为青少年。基于图形界面交互的传统数字科普展品在早期取得了极佳的效果，随着PC及移动设施普及，触摸式、键鼠式交互已融入青少年日常生活，数字科普教育呈现与移动端相似的体验并逐渐被其取代[2] ，同质化问题凸显。因而交互技术的时代性更新引入成为数字科普展品设计的必然趋势[3] 。特定人群、特定年龄、特定时代与被时代所特定的技术相组合，都会激发出各种诉求边界上的满足与失落，投入与摒弃，而新技术转向舒适自然的体验应用之间尚存一定距离。

区别于移动端、PC端产品设计所强调与追求的用户黏性，科普体验时间、内容基于本质功能需要有所收敛和限制，而这一要点在自然人机交互技术融入后体现得更为明显。多通道信息传递能够对体验环境解构与重构，便于用户通过肢体行为对信息进行感知、表达、反馈。一方面，环境的塑造是科普体验的成本和技术优势，是明显区别于线上教育与传统教育的设计体现;另一方面，短时需求所带来的体验时间流限制要求了体验内容需要以多种方式进行信息交换、传递。

因而，在明确自然人机交互的必要性、短时性、多通道属性及设计主体的特征属性后，对核心用户的需求进行分析进而实现满足，才能得到有效的设计结果。

二、自然人机交互科普展品的核心用户需求与设计原则

本文基于Maslow需求层次理论，联系具身认知理论，针对用户分析，明确科普展项的设计原则，提出设计方法模型实现需求满足，见图2。

（一）基于自然人机交互的数字科普展品用户体验需求

1.基础需求：生理需求、安全需求、归属感及尊重需求是科普体验的基础需求，对四者针对性进行针对性满足可维持基本的体验可行性。

2.认知与审美需求：认知与审美需求是科普体验的核心层次，是用户的跃升探索。现实世界源于效率、成本、安全、平等、技术等因素将认知信息与过程抽象化的情形不应全面延伸至此，反而需要明确确立用户对信息理解、过程实践、感知与表达的多种科普需求。

3.实现需求：实现需求是用户满足感、成就感与高度自我肯定的建立层面。科普展品当下的发展困境多由实现需求的设计忽视而产生。将交互行为视为用户能力彰显，体验完成度视为挑战，内容变化视为反馈，三者统一，即用户依靠高水平能力完成高难度任务得到超出心理预期的反馈时，实现需求得到满足。

4.和逸需求：和逸性产生是科普体验的最终目标。作为非正式教育，科普教育“主动性”更多是由和逸体验带来长期的主动意愿构成，是设计者与用户共同盼望的。

（二）基于自然人机交互的数字科普展品设计原则：自然人機交互复杂程度较高，因而需遵循以下四点设计原则，明确设计目的，维持技术应用的克制性，以满足认知与实现需求，构建和逸性。

1.认知具身性原则：传统图形交互界面在认知具身构造中是通过视觉与潜意识的代换建立“片面的具身性”，而自然交互科普展品的设计意义一方面在于面对具有较高实践意义、成本或危险情景的认知环境时，以技术方式帮助用户建立基于身体属性与反应的直观具身体验，完成快速有效的信息掌握与自我情感表达，亦规避了负面信息内容的不良体验;另一方面，多系统建立的交互通感如触-视记忆、听-视-语言记忆，具有极强的辅助记忆功能，当某一单通道与已知信息联通时，可以唤醒其他通道的记忆感受。

2.环境具象性原则：认知过程并非单纯是由神经系统承载的信息指令交换构成，而包涵有环境，环境以“无意识”的方式导入用户对空间、质地、色彩的多维感受，呈现时间在空间范围的流程序列，使认知过程更加友好。在信息被储存、提取、感受的阶段变化中，具象的环境也糅合于信息其中参与整个过程辅并被自然接受。科普体验环境具象化影响了认知的难易程度，由于个体体验时间较短，环境体现程度越高，用户所代入的情感与所直面的认知内容就越丰富，所需理解的抽象化程度内容就越简单。

3.交互选择准确性原则：交互设计应用需具有准确性原则，以减轻学习成本，提高实现需求层次的心理预期，为和逸性的产生进行铺垫，同时，伴随着认知学习渴望与交互实现过程所呈现的反馈渴望亦需要准确掌控，预留潜在期待，给予正面回馈的同时适时添加科普知识信息。规避为展示技术特性而设立的非必要性交互，避免交互疲劳，明确技术的发展始终以更好地服务用户为目的。

自然人机系统在提升体验舒适度、调动人类多种感官器官进行高效信息学习与传达方面具有独特应用优势，但技术的表达在应用中存在常态优势与劣势[4] ，由国内外学者的大量研究提供的准确证明，具体表现为：肢体交互的操控感与生理风险[5] ，语音交互的统领性、快捷性与信息暴露风险[6] [7] ，手势交互的快捷性与经验积累[8] ，面部识别的反馈收集与交互性缺失，环境塑造的真实引导能力与成本等[9] ，见表1。

4.体验统一性原则：体验统一性为和逸感的涌现提供条件。依靠用户群体的具身尺度为标准，透过其审美水平构建具象环境，评测交互准确性，确保用户在感官信息交换中形成极为和谐统一的科普体验，是自然人机交互数字科普展品的设计趋向。

三、自然人机交互在科普展品应用中的限定与拓展

在展品特性、用户需求及设计原则分析确立后，本文提出自然人机交互在数字科普展品应用中的限定与拓展设计方法。限定的目的在于确保以具身和具象性满足用户认知需求、以交互准确性满足用户实现需求的可能性，维持科普展品的特征属性表达，限定是为了更好地拓展。拓展的目标则在于结合人-机-环境构建体验一致性进而产生科普体验和逸性。见图3。

（一）自然人机交互的应用限定

1.体验用户限定：确定核心体验用户的年龄、智力、教育背景、生理成熟情况等区间，结合信息确立信息输出与输入有效可能、体验难度与能力平衡可能提供标准，后续交互方式、环境的确立也都以用户限定情况为基准。

2.交互方式限定：科普内容信息可分为行为、文本、控制与无关性四部分信息，结合用户能力对自然人机系统多种交互方式的选择限定。行为信息是用户在行为表达中获取的知识体系内容，以肢体、手势交互表达为主要体验方式;文本信息是科普内容中由肢体语言表述较为困难的抽象内容，借助视觉语言等方式进行投射、领导;控制信息是科普体验中满足感、趣味性的体验核心，本身并无学习性，目的在于开启交互、认知转折点，改变控制物状态，凝聚用户注意力，可配合调动多方式交互;无关内容为维护抽象信息合理性的功能，需联系环境决定是否保留。

3.体验环境限定：自然人机交互数字科普展品体验环境即情境，二者高度融合，对其限定有助于塑造稳定的体验环境，给予用户心理安全需求，塑造氛围，加强情绪沉浸的感知体验，并可在此时已确立的交互方式、体量、硬件设备进行环境适宜性评估，确实可应用或对其进行转换。

4.时间流限定：用户体验时间与流程需要相对克制。结合长期设计实践得出，以具体单个展品所面向群体的年龄为基础，以7岁用户180秒体验时间为设计起点，每增长一个自然年年龄段可适当增加30秒体验时长，体验总阈值为180秒-510秒，并结合体验场馆的人群基数与流动性进行合理的增长或减持平衡。

（二）自然人机交互的应用拓展：拓展设计的重点在于多通道信息传递构建的合理性与科普、交互环境的重建。多通道信息传递构建从心智模型与经验模型为基础进行体验拓展，建立不同侧重，满足用户心理预期与高度自我实现，达成高效科普学习与满足感;科普、交互环境的重建帮助用户由潜意识层面增加体验接受度，增强体验愉悦感[10] 。

1.经验模型：对用户所处真实生活中具有明确映射的科普内容，要求交互方式、环境符合用户长期建立的经验，避免迷惑感。其自我实现以掌握性为主要方向，引导进行相对准确、规范的标准尺度练习，表达体现用户训练转换应用能力，即“我能够通过训练达到完美要求”。人-机-环境的体验和逸性构建需要通过低基础层次与中层次的需求拓展满足来维持。具体表现为：拓展肢体舒适度、语言控制感。经验模型所对应的科普内容具有标准化特点，交互普遍具有正确性、标准性指标，添加Siemens Jack[11] 等软件进行舒适度验证，可避免体验过程中回应标准动作时产生不适感从而放弃科普学习。

增加交互节点动效。保证对事物特征认知不变的情况下，对其他内容进行多感官交互刺激。在关键交互完成后信息的输入与输出显示给予非现实、符合预期的动效，能够降低用户“实用主义”心理，回归认知、感受本身。

提升感官因素丰富度缓解交互压力。在交互方式及内容的还原相对真实前提下，体验环境設计可进行合理夸张，使其具有丰富的色彩、层次，缓解用户压力。

2.心智模型：对应凌驾于生活经验的抽象科普内容，用户缺乏实际应对经验，例如飞行等行为。其满足感来源于对体验内容控制感的建立与实现，即“我做了我正常情况下无法做到的事情”。由于缺乏现实对照，需要引导用户将现实世界的理解、交互、交流方式依靠逻辑思维扩展应对到抽象世界。在低层科普需求相对模糊的情况下，对认知需求与实现需求相对加强引导，建立和逸感。

增强交互认同自由度。抽象环境的科普交互行为多数并不存在于现实世界，因而多是下意识、自然舒适的，无严格的正确与错误之分，因此，交互自然度与想象力的确立相对更加重要。标准交互动作需要进行多姿势设定判断，保证不同成长环境、想象力、能力的青少年给出的多种自然交互反馈能够正确识别。

联系隐喻设计，构建交互通感。对无法直接确定的交互动作应借鉴平面交互、触摸交互、实际操作进行隐喻设计，联系想象力确保抽象世界中交互的“自然”性，缩短用户在交互本质上的学习时间，并给予用户自我实现与认同的满足感。

营造、增强交互环境高还原度。在科普体验内容相对远离真实环境条件下，需要对其借鉴客观、科学知识信息进行高还原度构建，烘托、暗示体验的未知性、神秘感、真实感，为后期体验控制感成功建立后用户心理期待满足而产生极为强烈的喜悦感提供条件。

四、设计案例

本文以自然人机交互为主要方式，结合天文学与宇航知识背景，由贵州大学DITR交互技术研究室平台进行科普展项《宇宙》案例开发。

（一）明确用户需求：人类对宇宙天体存在认知学习及科普需求，但现有技术无法帮助绝大部分人群置身于真实的天体环境进行观察、感受，因此对于天文学内容当下多选择语音、视频、文字、模型的方法进行科普实现，用户对基础、认知与审美、实现以及和逸性四方面均具有较为强烈的需求，表现为对相关信息与环境的参与、把控，对科普项目的主动性、持续性的热情维持。在整体项目的设计中，由限定与拓展设计方法进行实现四个主要的用户需求。

（二）《宇宙》的信息内容限定设计

1.用户限定：确立《宇宙》体验用户的年龄阶段为12-14岁。因为在这一年龄层中，用户对天文知识有初步认识与基础，生理与心理生熟度教好，具有应对抽象内容的能力。

2.交互方式限定：对内容信息进行行为、文本、控制与无关性信息分类，结合用户年龄、能力、惯用交互行为确定语音、肢体、手势三种交互方式的存在形式。《宇宙》的体验流程为模拟用户拥有飞行技能从而离开地球并着陆于火星，在该星球上对八大行星进行个体元素与整体结构、运转规律的探索，因而确定体验过程中存在“打开说明手册”“起飞”“降落”“询问所在位置”“复原行星元素结构”“选择行星所含物质”等多种具象自然交互方式。

3.体验环境确定：確定环境体验展馆为贵州科学技术展览馆，依据前文用户群体年龄为12-14岁人群，结合场馆人流量，对体验时间限制为360秒以内，同时对已确定的语音、肢体、手势等交互方式判别是否适用，构建环境空间、质地、色彩基础设计。

在完成限定设计后，能够基本保证《宇宙》科普展品对用户的基础、认知与审美、实现的需求满足，而和逸性需求则更依赖于拓展设计。

（三）《宇宙》的信息内容拓展设计：考虑科普环境远离现实生活，《宇宙》依靠心智模型进行拓展设计体验指导。在交互方式与体验环境有所限定后进行相应的拓展，维持体验的一致性，进而追求和逸性的产生。

1.自由度拓展设计：将标准肢体动作进行多姿势补充，如补充设定语音交互关键词为“地方”“位置”“哪儿”等;“起飞”动作对双手抬起、单手抬起、双手后仰，“落地”动作的单腿落下、双腿落下等均进行预设采集识别。

2.隐喻设计拓展：增加阅读“说明手册”时纸张摩擦声，用户“飞行”时陨石碰撞声由小至大再变小等听觉隐喻，在“起飞”与“落地”动作中配合固定的风向等感官隐喻，展开“说明手册”时的双手由内向外打开隐喻动作，维持“星球切换”中星星的闪烁及变换等环境隐喻，确保体验“自然”性、想象力维持表达并获得快速反馈。

3.环境还原拓展：依照太空环境对体验情境进行较为真实的塑造，同时在部分交互性不强的体验环节对环境进行小幅度的夸张补充，弥补由于心智模型所主导的参与感不足。

将《宇宙》设计内容整合，保持体验连贯性、自然性、和逸性，如图4。

结论

在自然人机交互技术逐渐应用于日常生活与学习的大趋势下，对自然人机交互在数字科普展品开发应用进行限制与拓展的设计方法，能够规避多种交互方式劣势，诠释自然人机交互技术在其应用时所能展现的优势，提升科普体验用户满足感、交互感、和逸性。

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