梁兆正

摘要虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)于科技館來(lái)說(shuō)，既是一種具體技術(shù)又是一種展示手段。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)在于可視化，它使不可及變?yōu)榭捎|及；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)在于虛實(shí)結(jié)合，它使實(shí)景與虛景疊加，實(shí)現(xiàn)真實(shí)且動(dòng)態(tài)的過(guò)程可視化?？萍拣^的展教融合關(guān)鍵在于“借題發(fā)揮”，“題”就是展廳里的展品展項(xiàng)，“發(fā)揮”就是基于虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的拓展型教育活動(dòng)。展品展項(xiàng)與教育活動(dòng)的結(jié)合將增添科技館的趣味性，而信息技術(shù)與教育活動(dòng)的聯(lián)姻則增強(qiáng)了科學(xué)原理的表現(xiàn)力。

關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實(shí) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 可視化 展教融合

引言

2015年全國(guó)科技館工作會(huì)議提出了創(chuàng)建中國(guó)特色現(xiàn)代科技館體系的新思想，突出信息化、時(shí)代化、體驗(yàn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、體系化、普惠化、社會(huì)化七大目標(biāo)。要求科技館加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用和線(xiàn)上線(xiàn)下活動(dòng)的開(kāi)展；加強(qiáng)前沿科技的展示，不斷更新展覽內(nèi)容；注重寓教于樂(lè)，增強(qiáng)公眾體驗(yàn)和興趣；把現(xiàn)代技術(shù)作為展示教育的重要手段，以“超現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、多感知互動(dòng)、跨時(shí)空創(chuàng)想”為核心理念，有效促進(jìn)高新科技成果的傳播和轉(zhuǎn)化；直觀(guān)展示常態(tài)下難以直接觀(guān)察到的科學(xué)現(xiàn)象和技術(shù)過(guò)程，充分激發(fā)公眾的創(chuàng)造力和想象力。這無(wú)疑是當(dāng)前和今后一段時(shí)間科技館行業(yè)思考與實(shí)踐的出發(fā)點(diǎn)和著力點(diǎn)。

1虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之我見(jiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是數(shù)據(jù)可視化的一種表現(xiàn)形式，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生與發(fā)展而逐漸成熟。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)是使虛擬事物可視化、實(shí)體事物圖像化的一種技術(shù)，它可以使幻想世界變得栩栩如生，使微觀(guān)世界變得活靈活現(xiàn)，使望塵莫及的宏觀(guān)世界變得觸手可及。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是虛擬現(xiàn)實(shí)的衍生品，它是“虛擬”與“實(shí)體”結(jié)合的產(chǎn)物，完成了虛擬事物可視化與實(shí)體事物圖像化的疊加。

有一種說(shuō)法：2016年是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的元年。其實(shí)準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)該是各路資本或市場(chǎng)概念炒作的開(kāi)始。虛擬現(xiàn)實(shí)并非新生事物，之所以被熱炒，是由于智能終端擁有率的大幅提高和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將往日需要依托高性能圖形工作站方能運(yùn)行且被專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)獨(dú)享的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推向了消費(fèi)電子市場(chǎng)，使操作者和體驗(yàn)者由過(guò)去的科研人員變成了現(xiàn)在的普羅大眾。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖形化、可視化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，關(guān)鍵在于如何解決經(jīng)濟(jì)成本、可靠性、位置感應(yīng)和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)問(wèn)題。

2展教融合的技術(shù)路徑

當(dāng)代科技館的展示設(shè)計(jì)有三種模式：一是科技史類(lèi)科技博物館，它的展品展項(xiàng)是真實(shí)的、靜態(tài)的，展示內(nèi)容缺乏對(duì)基本原理的詮釋?zhuān)故拘问饺狈θの逗突盍?；二是學(xué)科類(lèi)科學(xué)中心，它的展品展項(xiàng)具有互動(dòng)性，然而展示內(nèi)容缺乏與生產(chǎn)生活的關(guān)聯(lián)；三是主題類(lèi)綜合性科技館，它的展品展項(xiàng)具有體驗(yàn)性，但是展示內(nèi)容缺乏深度、略顯浮淺。

這三種科技館模式的不足，或源于展教手段的局限性，或源于技術(shù)手段的局限性。隨著數(shù)字化技術(shù)的平民化和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及化，為基于科技館資源開(kāi)發(fā)的拓展型教育活動(dòng)提供了技術(shù)路徑，為展教融合的新載體搭建了“借題發(fā)揮”的橋梁，真正實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上線(xiàn)下的互動(dòng)與館內(nèi)館外的互通。

3基于虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的科普實(shí)例

對(duì)于科技館而言，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)既是一種具體技術(shù)又是一種基本手段，要把它們視為詮釋基本原理和拓展基本應(yīng)用的可視化工具，其成功運(yùn)用的要義在于精準(zhǔn)地表達(dá)展品展項(xiàng)的科學(xué)內(nèi)涵（見(jiàn)圖1）。

3.1蒸汽機(jī)工作原理的詮釋

蒸汽機(jī)是科技史類(lèi)科技博物館中的保留項(xiàng)目，但大多是靜態(tài)陳列并輔以文字說(shuō)明，即便有少數(shù)的動(dòng)態(tài)演示，也只能看其外觀(guān)動(dòng)作，而無(wú)法觀(guān)其內(nèi)部形態(tài)。

我們可以通過(guò)靜態(tài)陳列實(shí)物、透視解析動(dòng)畫(huà)和虛擬漫游游戲三個(gè)部分，來(lái)詮釋蒸汽機(jī)的工作原理：首先，將裝有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)軟件的移動(dòng)終端攝像頭對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)陳列的內(nèi)燃機(jī)實(shí)物。接著，移動(dòng)終端的屏幕上便會(huì)顯示內(nèi)燃機(jī)的透視圖，動(dòng)態(tài)再現(xiàn)蒸汽機(jī)的內(nèi)部情況，讓觀(guān)眾可以看到高壓蒸汽進(jìn)氣、做功、排氣等整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，使內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程一目了然。當(dāng)然，還可以借助安裝于展臺(tái)上的平板電腦逐一觀(guān)看采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)解剖動(dòng)畫(huà)，了解不同類(lèi)型內(nèi)燃機(jī)的基本構(gòu)造。除此之外，在條件允許的情況下，還可以通過(guò)頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)終端漫游內(nèi)燃機(jī)的“內(nèi)部世界”。

3.2電磁感應(yīng)基本原理的詮釋

“磁變電”、“電生磁”展項(xiàng)是學(xué)科類(lèi)科學(xué)中心中的必有之物，通常的展示手段不外乎是依托互動(dòng)展品“發(fā)電機(jī)”和“電動(dòng)機(jī)”來(lái)闡述電磁感應(yīng)現(xiàn)象。但對(duì)于普通公眾而言，恐怕仍然很難理解電磁感應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制。

我們可以通過(guò)互動(dòng)演示展品、透視解析動(dòng)畫(huà)和應(yīng)用實(shí)例示范三個(gè)環(huán)節(jié)，來(lái)詮釋電磁感應(yīng)的基本原理，尤其是借助于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化手段使之變得更加簡(jiǎn)單易行：（1）通過(guò)一組發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的實(shí)物，演示“磁變電”、“電生磁”的現(xiàn)象。（2）首先，將裝有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)軟件的移動(dòng)終端攝像頭對(duì)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)實(shí)物。接著，移動(dòng)終端的屏幕上便會(huì)顯示發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的透視圖，再現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓觀(guān)眾可以看到發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁路的分布和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部線(xiàn)圈的繞法。然后，借助可視化解析動(dòng)畫(huà)，介紹“磁一電”和“電一磁”的耦合過(guò)程，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)定子線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)，以及電動(dòng)機(jī)定子線(xiàn)圈內(nèi)電流流動(dòng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。（3）采用日常生活中手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電的案例，講述“電一磁”和“磁一電”的耦合過(guò)程。

3.3風(fēng)力發(fā)電功效原理的詮釋

“清潔能源”是主題類(lèi)綜合性科技館中經(jīng)常涉及的展示內(nèi)容，其中風(fēng)力發(fā)電裝置是不可或缺的展項(xiàng)。此類(lèi)展項(xiàng)通常采用對(duì)比的手法，即同一類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電裝置在不同的風(fēng)速下發(fā)電效能各異，或不同類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電裝置在相同風(fēng)速下發(fā)電效能各異，讓公眾生動(dòng)形象地了解風(fēng)速大小及葉片形態(tài)對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置功效的影響。但美中不足的是，氣流與葉片的耦合機(jī)制無(wú)法準(zhǔn)確地予以呈現(xiàn)，而這恰恰是提高風(fēng)力發(fā)電裝置功效的重點(diǎn)。

我們可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)互動(dòng)演示展品與透視解析動(dòng)畫(huà)相結(jié)合的方式，從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)角度來(lái)闡釋氣流與葉片耦合的機(jī)制。首先，將裝有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)軟件的移動(dòng)終端攝像頭對(duì)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電裝置實(shí)物。接著，移動(dòng)終端的屏幕上便會(huì)顯示發(fā)電裝置內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的透視圖。其可以將空氣流動(dòng)的流線(xiàn)疊加在葉片的周?chē)瑥亩佻F(xiàn)不同風(fēng)速下氣流與葉片的耦合過(guò)程或相同風(fēng)速下氣流與不同形態(tài)葉片的耦合過(guò)程，同時(shí)全面反映氣流耦合葉片轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)增速裝置和發(fā)電裝置的整個(gè)過(guò)程。若要進(jìn)一步延伸，還可以表現(xiàn)在同一種葉片表面噴涂不同材料對(duì)氣流與葉片耦合效能的影響作用，以及氣流與不同形態(tài)葉片耦合的效能情況。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下，中國(guó)的科技館歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展現(xiàn)已初具規(guī)模，各地都建成開(kāi)放了各類(lèi)科技館。隨著時(shí)代變遷和科技進(jìn)步，已建成運(yùn)營(yíng)的科技館即將步入更新改造時(shí)期。未來(lái)，業(yè)內(nèi)將從展示與教育的關(guān)系、自主互動(dòng)與群體參與的模式、線(xiàn)上與線(xiàn)下的融合、館內(nèi)與館外的合作等層面，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景開(kāi)展進(jìn)一步的探索。