数字技术赋能科普场馆高质量发展

刘进军 徐晓红 吉亚妮 吴晓雷 陈近

(上海科技馆 上海 200127)

数字技术指借助一定的设备将文字、图片、语音及视频等各种信息转化为计算机可识别的二进制数字并进行运算、加工、存储、传送、传播和还原的技术。数字技术的核心是信息的数字转化，以及数据的处理、传输和存储。现实生活中产生大量数据，而在当下信息化、智能化迅速发展的背景下，这些数据就是资源。通过数字化手段将现实活动产生的海量数据通过算力和人工智能等算法进行运算处理，分析和挖掘数据中蕴含的价值，可以为社会生活发展提供强大动力。

数字技术与线下各类社会生产生活活动的深度融合，一方面可以挖掘和充分释放实体大数据所蕴含的巨大价值，另一方面也将培育线下实体活动新优势和增长点，推动传统生产、生活方式的转型和升级。作为数字技术与传统行业深度融合的场景之一，科普场馆的数字化成为世界范围内行业发展的趋势和必然选择[1]也正逐步成为我国文化产业发展的新增长点。深化科普领域的数实融合，形成虚实互嵌的复合性教育和传播体系，使教育、传播更加生动可感，推动科普事业高质量发展将起到至关重要的作用。

对于科普场馆而言，展品展项、教育活动、藏品、影视作品、文创产品、场馆建设及运维等都是可以进行数字化或与数字技术结合的资源和对象，与数字技术结合，可以更好地挖掘和传递其价值。随着信息通信领域的快速发展，各种新兴数字技术层出不穷。在场馆科普和文化传播方面当前可用的数字技术有人工智能、物联网、大数据采集及应用、云计算、区块链、NFT、Web3D、数字孪生、元宇宙（VR/AR/MR/XR）、5G/6G、数字多媒体技术、全息成像、视频融合、虚拟数字人等。这些技术在展区的展览展示和建筑机电系统建设中均可以运用，具体采用哪些技术手段，需要根据展示内容、理念以及场馆运维需求而定。

1 科普场馆展览展示常用数字技术

数实融合的本质是数字赋能，就科普场馆而言是以数字化转型实现场馆的数字化、网络化、智能化、高端化、绿色化发展。说到底数字技术只是技术手段，场馆应立足自身资源禀赋，响应国家推动数字中国建设、加强国家科普能力建设的战略发展规划，准确研判可以执行的方向，这是数实融合语境下场馆科学普及和文化传播能力建设的关键所在。以下是科普场馆展览展示方面常用的一些主要数字技术。

1.1 线上科技馆/博物馆

线下观展受制于标识标牌布置位置及其可识别性、物理空间距离、参观者体力等现实因素的影响，而线上展览有其自身优势，如观展更加便捷高效[2]、知识获取更加系统等。线上展馆部分替代实体场馆的作用，为不方便到馆的公众提供高质量的科普服务。数字技术打破了现实世界与虚拟世界的壁垒，使公众获取科普资源、参与科普活动便利化。

依托数字化技术手段，公众参观科普展览、获取科技知识的方式正变得更加多元化、智能化。打开虚拟展厅链接，轻拖鼠标即可云端观展，漫游场馆；借助VR或AR眼镜，可以“触摸”实体装置，实现模拟实验操作，充分激发公众学习参与的积极性和主动性。

将Web3D技术与虚拟现实技术相融合，可以打造沉浸式数字化平台[3]。通过展项3D 模型+BIM3D 建筑空间+虚拟数字人塑造元宇宙线上展厅，从而将现实展览以线上3D 的方式呈现在移动端或PC 端，用心为公众打造所见即所得的沉浸式观展体验[4]，并可在线与其他用户互动，比如同科学家交流对话。

从传播媒介而言，线上科普的搭载平台众多，包括电视广播等传统媒体，以及门户网站、头条、知乎、微博、公众号、小程序、快手、抖音、B 站等层出不穷的新媒体手段。场馆应积极拥抱新媒体，不断提升科普传播力、影响力和辐射力。

1.2 数字多媒体技术

数字媒体是把数字化的内容作品，以现代网络为主要的传播载体，通过完善的服务体系，分发到终端用户进行消费的全过程。相对于传统的静态展陈，最新数字多媒体技术与场馆的融合，既可以丰富展陈手段，又可以提升展示的表现力和趣味性，具有打破空间限制、突出表达、互动性强等特点[5]，更能够充分调动公众的积极性和主动性。通过引导公众主动参与、主动选择，多媒体技术可以让公众更好地理解消化和吸收相关科学知识。例如：日本未来科学馆的数字地球展项，利用直径6 m的OLED球形屏以多媒体形式呈现天气、地震、生态等大数据信息，具有直观化、互动性强等特点。数百种数据源于实际的科学观测并定期更新，背后由超级计算机完成数据处理。公众可以观看来自人造卫星拍摄的气象云图，使用AR眼镜动态地体验地球的运动，还可以在触摸屏上自由访问各种地球观测科学信息，自行探索发现地球运行现象和规律等。目前，我国已建成的超算支撑数字地球装置通过线上平台将中国科学院资源、环境、生物、生态等领域基础数据和科研成果向公众开放，线下设有装置展厅“地球模拟实验室”。类似装置在完成科研任务的同时可以结合数字多媒体技术进一步挖掘科普潜力、释放科普效益，使公众更好地了解、利用和发展相关科技。

1.3 虚拟数字人/人工智能技术

虚拟数字人，是运用数字技术创造出来的，与人类形象接近的虚拟人物形象，具有人的外观、行为和思想特征。虚拟数字人的运用可以增强场馆的科技感和趣味性，并适度降低工作人员的讲解负担。在虚拟3D展馆中虚拟数字人可以充当导游的角色，为公众介绍关于展品展项或者教育活动的有关知识和规则，提高线上场馆的观展效率。

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。类似GPT AI 的通用人工智能多模态大模型的开发和进化，使得人工智能的发展水平开始从专业化的特定领域向综合的通用智能方向快速提升。将来，类似模型的进化版本与虚拟数字人甚至实体机器人结合，可以进一步提升场馆的科技感并完成场馆内原本由员工承担的多种角色。这些角色除了讲解和导览，还可能有辅助展览或活动策划、展示设计效果评估、收藏和研究、在线教育、智慧运维、宣传推广、在线客服、更高水平辅助决策等。随着人工智能技术的不断发展，不管是在线智能还是实体智能都将提供更多智慧功能[6]，辅助工作人员完成多种科普目标。

1.4 数字化导览技术

数字导览是指采用智能显示技术与触摸互动技术，以音频、视频、动画、图片、文字等为主要呈现方式，将建筑或展览信息快速展示给游客，以解决客流引导、路线指引、通知公告等问题的导览系统。相对于传统的图文版标识标牌，数字导览屏在提高导览信息的覆盖面、加快信息更新的及时性等方面具有明显优势，但对于一些相对固定的信息，如洗手间、影院位置指示等，传统的标识牌已经足够。因此，数字导览更适合于变动频繁或者内容复杂的导览信息，如排片信息、教育活动信息、客流信息、临展信息等适合由数字导览屏负责，特别是数字导览屏可以通过触屏或对话方式互动查询所需信息[7]。因此，数字化导览是传统导览方式的有益补充，且对于线上展览等虚拟环境而言，数字导览则成为唯一的导览方式。

数字导览的另一项优势在于利用大数据进行具有针对性的游客个性化推送，可以根据游客兴趣点及知识层面智能规划观展线路。

将展项解说与展示空间的照片相结合，在清晰定位视点位置的前提下对各展项信息通过终端设备进行解说可以大大减轻馆内展教工作人员的解说负担并确保解说品质的稳定性。例如：井堰絵里佳、伏見清香、籔本美孝等人开发了某些场馆的展示解说网页，通过终端打开后在场馆内移动使用[8]，方便公众详细地了解展项信息，提高观展的兴趣和效率。其实，类似功能也可以通过AR更好地实现，通过“扫一扫”把智慧导览和智能讲解进行融合，在现场背景中呈现真人讲解的生动效果。

1.5 NFT数字文创

NFT是基于区块链技术创造的数字资产和虚拟艺术，是非同质化代币，因具有不可复制、不可更改、不可分割和不可损毁等优良特性而受到广泛关注。

科技馆、博物馆拥有大量独特的宝贵科技、教育或藏品资源，可以充分利用这一优势打造IP数字藏品和数字文创产品，在元宇宙背景下通过第三方或者自有NFT 平台发行[9]。利用场馆特有资源的稀缺性开发NFT 数字文创产品，可以在Web3D 上完成确权和交易，既可以适应元宇宙发展趋势扩大科技和优秀文化的传播力，又能提升场馆或景区自身的品牌影响力。

2 科普场馆建筑机电系统数字化建设和运维

数字技术在场馆建筑机电系统建设和既有场馆改造中均可以应用，可以有效提升工程建设效率和质量，并降低建设和后期运维成本。以下是部分常用的相关数字技术。

2.1 数字化三维测绘技术

三维测绘就是测量目标物的三维空间坐标，确定目标物的几何形状、空间位置和姿态，对目标物进行三维重构从而尽可能真实地再现目标物的技术。特别是对于既有场馆而言，往往由于部分区域年久失修、图纸不全、后期改造等原因导致现场情况与竣工图纸多有不符。大修改造中需要对现场进行全面精细排摸测绘，由于建筑面积大、部分空间难以进入等原因，需要借助数字化三维扫描技术手段如激光扫描仪、无人机、机器人等辅助测绘。把绘制的3D 点云模型与已有的BIM模型进行融合，可以修正模型中的错漏部分，保证建筑机电BIM 模型的完整性和准确性，从而为下一步构建施工BIM模型打下良好的基础。

2.2 数字孪生

数字孪生，也称为数字映射、数字镜像。是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。用BIM构建数字孪生体，全过程指导设计、施工和运维。在设计和施工过程中，BIM 模型可用于检查和优化专业设计图纸的建筑结构、机电设备管线之间的位置关系、校准图纸基准点、测算工程量、模拟和优化施工方案和工艺、合理安排和监督施工进度计划、对比检测施工偏差等。后期运维阶段，轻量化BIM 模型可与实体间双向映射，构成数字孪生体，做到虚实共生。三维可视化状态下实现机电设备和重点空间部位的实时监测，尤其是AR的运用可实现异常部位的虚实无缝显示切换，使场馆运维工作更加直观高效。

2.3 数字化运维技术

数字化运维是借助物联网等数字化技术将建筑物与设备的运营、维护、管理放到数字化平台上进行远程管理，大大提高管理效率和水平，实现降本增效的目的。

建筑设备管理系统（BMS）对建筑体内设备进行集成管理和监控联动，集成了楼宇自控系统（BAS）、火灾报警系统（FAS）和安防自动化系统（SAS）等。该系统可与轻量化BIM 模型相结合，利用建筑结构和机电设备模型及属性，实现楼宇自控、能源管理、机房监控和环境监测等相关子系统的数字化3D 远程集中管理。通过增加通信自动化和办公自动化子系统，则可以构建完整的智能建筑集成管理系统（IBMS），进一步通过引入人工智能技术和数字孪生可实现人机物的深度融合，智能建筑升级到智慧建筑，在公众体验、绿色节能、环境友好等方面具有更加卓越的表现。

2.4 建筑能源管理技术

建筑能源管理系统就是对建筑物内的暖通空调、照明、电梯、给排水等能源使用状况实行集中监测、管理和分散控制的管理与控制系统，是实现建筑能耗在线监测和动态分析的硬件与软件系统的统称。建筑行业全生命周期能耗和碳排放约占全国总量的一半，既有场馆改造中通过规范、行业经验和运行实践等设置合理的运行参数范围，如温度方面夏季不低于26 ℃，冬季不高于23 ℃。物联网泛在的传感器网络可以敏锐感知和采集温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、PM2.5、TVOC等多种物理量，并结合场馆既有的历史数据，用AI 算法挖掘分析，寻找最优运行策略。通过建立具备可扩展的、拥有统计分析能力的建筑节能监管系统，完成建筑物综合能耗（水、电、气）数据采集和统计分析，给出优化运营建议。在保障人体舒适和健康的前提下，通过不断优化运行策略降低运行能耗，即通过系统调适减少碳排放，助力国家双碳目标的实现。

其他适用数字技术不再一一赘述。这些数字化技术的应用须立足场馆实际，量身定制最佳整体解决方案，可以为公众带来更好的观展体验，为员工创造更好的办公环境。

3 科普场馆数字技术应用尚存不足与对策思考

当前国内科普场馆均采用了一些数字化技术，对于提升场馆的吸引力和科普传播能力起到了重要作用[10]，但在应用方面仍存在以下的一些不足，需要采取措施进一步改善，着力打造公众满意的数字化、智能化的科普场馆。

3.1 部分场馆沉浸效果营造不佳

某些线下沉浸式剧场沉浸效果不佳，影响因素较多。投影机的流明度较高、投影面积较大、炫酷动感的光影组合、LED大屏和投影的人机便捷互动、恰当的技术组合和设备选型等都有利于沉浸式空间的打造。另外，建筑工程和展示工程从规划设计之初就需要从沉浸式展览展示的需求出发，做好墙地面建设的细节处理，从展示区域造型、材料、粗糙程度、大小、展项过渡、围蔽、光照度、建声和电声音效等各个角度全方位做好配套设计和实施，恰当运用适配主题和建筑空间的视觉、听觉、触觉乃至味觉的多种感官综合刺激，减少“出戏”，增强沉浸效果。

3.2 数字内容形式单一，交互性不足

国内多数场馆停留在电子屏播放加部分触屏的简单互动模式，数字内容的呈现形式比较单调，缺乏吸引力，应加大互动展项的研发和配置比例，使公众在互动参与中学习科学知识、体悟科学道理。

3.3 数字内容更新不及时，缺乏时代性

当今时代科学技术特别是信息通信技术迅猛发展，科普内容应能反映重要科技前沿和重大科技进步，但是有些科普场馆数字内容的更新较慢，不能适应公众接触学习新知识、新技术的迫切需求。有人提出建立专门的创新科技小组加快展品展项的更新周期甚至做到实时更新[11]，但如何让更多公众第一时间了解场馆科普资源的更新状况仍然十分重要。

因此，科普场馆应多关注和应用最新信息技术成果，加快展品展项的微更新，努力做到展项常新。另外，大型科普场馆可以充分利用自己的藏品优势、教育和科研人才优势创作各种数字展品和影视作品，突出场馆自身特色、增强科普传播力。而且，可以通过多种新媒体形式不单将科普知识本身传递给公众，也可以将场馆展品展项更新信息第一时间传递给公众，引导公众到现场参与互动，从而获得更好的科普体验。

3.4 数字设备维保不及时，影响科普效果。

由于建成时间久或者使用频次高等原因，部分场馆的数字设备常出现乱码、黑屏等故障或者硬件损坏，明显影响公众体验和场馆形象。针对这种现象，应加强展品展项的日常巡检，对于故障状况做到及时发现、及时维修或更换，确保展示和互动效果。

4 结语

在数字化和智能化技术迅猛发展的时代背景下，场馆展览展示和教育活动的高质量线上化、可视化成为可能，线上与线下一体化成为趋势。通过数字技术融合应用，场馆可以便捷高效地把科技文化知识与理念传递给公众。如何进一步运用不断涌现的各种新兴数字技术与展览展示和教育活动有机融合，同时规避应用方面的不足，提高科普效率和文化传播力并使得这一过程更具科技感、未来感和趣味性，打造科普场馆高质量发展新动能，是一个需要持续关注和解决的重要课题。