基于虚拟现实技术的儿童科普空间交互设计研究

易欣玥 祝冰谦 吴青霞 江 波

（1.广西艺术学院,广西南宁 530000;2.中南大学,湖南长沙 410000;3.厦门大学,福建厦门 361000）

一、引言

在现代教育改革的大背景下，人们对于儿童教育环境更加重视。出于对儿童教育环境发展的关注，根据现有可搜集数据文献，了解到目前国内外幼儿教育发展出现了以下问题：一是过度保护。根据研究发现把握好设施尺度与私密空间之间的平衡可引导儿童安全活动，才有利于促进儿童行为习惯的发展。二是缺少感官引导。多数幼儿室内空间依赖人工照明和人工展具，缺少对室内外感官的流通感探索。三是忽视心理教育引导。展示空间中环境赋予的变化能够激发幼儿通过身体和心理探知环境，但是如今幼儿科普空间在心理认知培养方面不够重视[1]。

二、虚拟现实技术发展现状研究

虚拟现实技术（简称：VR)是近年来应用较为广泛的一种技术，它将计算机技术、图形图像技术、人机交互技术等技术结合起来，在计算机中构建虚拟场景，模拟真实的现实世界，并进行各种模拟，从而给人以环境沉浸感，实现生活在另一个世界的场景，逐渐在游戏、教育、医疗等领域得到应用。高科技的发展为人们开拓了新型展示方式——创造实物虚化、虚物实化的方法。相较于一般的展示空间设计的展示方式不同，可以更好的提升空间的交互性、沉浸性和多样化的体验感受。基于以上优势，本文将虚拟现实技术与儿童科普空间相结合，满足以儿童为本的基础上，从儿童的身体体验和心理需要出发来考虑科普展示空间的设计研究，旨在发展教育活动的同时促进儿童科普与展示空间的和谐发展，为未来教育空间的发展提供参考[2]。

三、虚拟现实技术针对儿童需求的融合

虚拟现实技术可以模拟现实生活中难以接触或具有一定危险性的场景，不仅节省了虚拟真实场景的成本，而且可以使儿童在低风险情境下完成一系列实验，不受时空、材料的限制。在现实空间教学中，一些儿童实验器材与材料由于价格昂贵而无法得以向孩子们展示科普，甚至有些儿童科学实验因时间较长而无法切实展开。随着虚拟现实技术融入实验室，虚拟实验教学则可以很好地克服这些限制，不仅节约了实验教学成本，打破了传统陈旧的教学观念，而且得以进一步培养学生的探索精神和创造能力。可见，虚拟仿真实验教学对传统的教学模式、教学方法和教学手段带来了新的教育思路[3]。

交互式教育扩展了已存教育方式的界限。虚拟现实技术的出现把展示空间内的教学变成一种可利用率极高的互动教学过程。交互式教育几乎完全改变了传统的教育空间模式，儿童们根据环境的变化产生不同的选择。在互动式教学中，空间展示可以通过语言，甚至通过展品和多媒体设备，营造一种教学环境，让学生结合自身感官去感受科学知识，进一步激发学生的兴趣，提高科普教学效果。科普展示空间中，利用空间的虚拟场景引导儿童们做出自己的选择，自发性的去融入空间环境，感受环境带来的教育体验，并在其中通过触觉、感觉、听觉、嗅觉等方式探索周围世界，从而构成智力提升的途径。通过儿童在虚拟环境中的主动性尝试与操控，使孩子们更直观地观察认知活动的过程，加速认知过程，从而有效地提高孩子们的认知能力。

（一）全面交互设计与虚拟实验室

交互式教育扩展了已存教育方式的界限，虚拟现实技术的出现把展示空间内的教学变成一种可利用率极高的互动教学过程。例如儿童接触到虚拟空间中的物体，那么体验的儿童也能够感受到虚拟空间中的物体，通过特定的仪器设备与虚拟环境中的对象进行互动，从而产生与真实环境相对应的感受和体验。此技术中的交互性体验的原理主要是为儿童们创造相对与现实生活中较真实的场景，从而提高学生对抽象知识的理解[4]。展示空间设计能够运用虚拟现实技术创造设计专属的虚拟工作室，是目前空间设计达到教育目的的常见方式。然而利用虚拟的空间技术，儿童可以进一步利用虚拟的仪器或者技术进行间接操作学习，从而达到从虚拟中实现现实教育的同等效果，并且还可以避免不必要的空间危险。

（二）叙事设计

叙事设计方法讲求以儿童为本，让孩子作为空间的主角，通过VR技术以情景游戏的方式实现对儿童们更好的发展成长。尝试利用视听体验和交互多媒体装置营造叙事环境，孩子们可以利用自己的行为举动，包括姿势、行为、动作和音量高低来控制虚拟场景的光线和画面变化，从而创造属于儿童自己的画面作品，以此也可以作为参数化和视觉化体系的创造。为了让孩子们有更多的体验，还可以和孩子一起创作儿童剧，让他们扮演不同的角色，通过对角色的理解和演绎，将科普知识通过故事的形式内化到孩子的心里[5]。VR游戏不仅能激发儿童的兴趣，还能提高儿童的空间想象力，建立空间思维，达到手、眼、脑协调的目的。

（三）多感官设计

设计多感官体验空间，增加科普空间中可感知的因素，如不同材质、颜色的材料；搭配光的明暗度、增加异形界面形式、设置私密空间如凹槽、凹室、神秘屋等，从而增加幼儿的多感官体验。同时，在空间内设置植物、水体、沙土等元素，运用现代电子虚拟技术展现，使得儿童可以通过对植物的认知、栽培、种植来达到学习的作用，植物等自然元素可以通过多种方式刺激儿童，包括视觉、嗅觉和触觉。这些设计细节从根本上满足了在展示科普空间中，儿童内心的心理需求和游戏过程中的创造力。通过对空间的组织变化，营造和谐的室内环境，达到视觉功能和心理功能的协调。

四、基于虚拟现实技术的儿童科普交互设计实践研究

（一）儿童科普交互设计策略

服务系统由线上小程序和线下场馆服务组成，线上小程序包括活动预约、记录、科普咨询推广，社群服务及安全保障服务。线下场馆服务包括VR科普体验服务，参观游览服务，亲子主题活动、积分兑换服务及VR体验馆。为了进一步明确参与儿童科普服务的整个流程，对用户的整个游览旅程进行梳理如图4所示。以儿童为中心的叙事设计方法，通过虚拟现实技术，让儿童在空间中发挥主导作用，实现儿童在情境游戏中更好的发展和成长。尝试通过视听体验和互动多媒体设备创造一个叙事环境，让孩子们可以使用他们的行为动作，包括姿势、行为、动作和音量，来控制虚拟场景中光线和图像的变化，创造自己的图像。它还可以用于创建参数化和可视化系统。具体来说，用户首先在线上小程序进行活动预约，并且选择自驾前往或者预约接送服务，在指定时间到达场馆并进行身份验证后进入场馆。随后参与到相应活动中，包括签到、领取勋章，进行游览和参与对应活动的小讲堂，最后进行奖励兑换和形成个性化的活动记录，并形成相应的社群。

基于以上设计思考，对儿童科普服务体验馆进行设计，以自然知识科普为例，在设计过程中遵循以下几种设计策略：

1.多媒体自然交互

设计中考虑运用身临其境的环境，去诠释一个自然生态系统，邀请儿童通过创建自己的视听节目来参与体验。利用虚拟现实技术创建一个智能的数据环境空间，可以动态地表达不同形式的信息，将观众带入虚拟现实空间中，提高儿童对物理空间的感知，在环境中提供不同程度的沉浸感。所有的内容都被实时设计，就像在自然的展示空间中创造出一个系列的互动随机变化的过程。带领观众到环境的中心去感受微妙的变幻。

2.多样化展教方式

多样化展教方式能够同整个展示空间或者其中某个互动项目进行交流互动，即在展出示意的时候或者前期邀请受众儿童加入创作，利用将展示空间与孩子们之间的互动沟通作为桥梁，进行展示空间的策划、展品挑选、展览细节等前期工作，在整个互动过程中进行设计，从而完成更好的空间展示设计。

在空间设计时，可以通过娱乐等方式模拟教育时候的互动游戏和情景展现，例如让孩子们找出展品与文化知识之间的关系连接，可以更好的提高在展示空间的互动性、参与感和趣味性，为展示空间设计增添一些不一样的趣味。现在科技技术在战士科普空间主要以传播文化理念和历史内容为主，更多以时间线为主线，让孩子们在空间中顺着时间线的空间设计随着空间的转换经历深刻的变化，从而创造形成全新的展示理念。

3.可多变场景设计

可多变场景设计是现代设计领域中的一个重要概念。在这个多元化和快速变化的时代，设计师需要考虑到不同场景下的使用情况，以便创造出更加灵活和实用的设计方案。可多变场景设计可以增加幼儿探索空间，与空间互动的机会，增强幼儿对空间的感知力，同时让幼儿之间有更多的交流互动，如游戏、交流、学习等。整体空间以少量墙体分隔空间，只要通过隔断、高差与光线等软装来丰富空间层次。在设计场景时，参观者只需要佩戴专用的虚拟现实设备，就可以看到每个展览的详细描述，包括图像、文本演示、视频等。设计师应该考虑到不同场景下的使用情况，以创造出更加灵活和实用的设计方案。通过使用响应式设计、模块化设计和云技术，设计师可以实现这种多变性，为用户提供更好的体验和更高的可用性。

（二）儿童科普空间设计

见图1，科普展示空间包含的元素主要关怀性、互动性、教育性有关。儿童科普展示空间展示了空间设计元素，结合了身体、情境、生成和动态认知的理论特征，探索了儿童对科学的需求体现在物理感知、行为、互动和意义交换三个方面。通过使用生动的视觉表达来丰富生活生活感情色彩、直觉，将抽象的科普知识转化在特定具体的场景中，让孩子们充分沉浸在科学的内涵中，从而实现个性化认知的增强，促进孩子们对科学的理解，获得智力延伸。虚拟信息空间和真实物理空间的结合，在多维情境空间中创造了身临其境的时空环境。对于科普展示空间情景性设计，光线、材料等所营造的视觉要素尤为重要。探索和提高科学内容，确保科学展品与情景信息相匹配，强调明亮的光线与展览环境中的材料和颜色之间的紧密联系，创造视觉和情感体验。科普展示空间应注重儿童的身体参与和互动，让他们享受科普展示和学习[6]。

图1 儿童科普体验馆示例

（三）儿童科普交互界面设计

儿童科普服务小程序分为首页、圈子和我的三个板块。在首页中顶部提供近期的科普活动介绍banner，可通过左右滑动查看更多信息，在儿童科普特色主题活动中罗列近期开展的活动，明确各个活动的主题，并提供详情入口，在各主题活动的详情页中，有详细的活动内容和流程介绍，并在顶部活动介绍图片中提供“立即参与”的入口。在首页左侧悬浮提供在线客服的按钮，确保用户随时有问题都能够得到到解答。在圈子中根据参与的活动记录提供可能感兴趣的社区入口，也可以在顶部进行筛选查找符合自己预期的社群。在该页面的下部分则提供参与的活动相册（系统智能识别上传），在底部则提供一些家长的话题和一些科普的资讯，可直接进行交流和沟通。在我的板块中，主要是个人信息和设置，个人信息包括该服务系统中积分的累积，参与活动的记录，发的帖子以及加入的圈子。在最下方则是自己上传的孩子的成长相册。并且在我的页面中提供孩子信息编辑的入口。孩子信息的编辑主要包括基本信息、家庭信息、兴趣爱好和个性标签。三个板块形成完整的线上服务，包括活动的预约，问题的解答以及相应社群的建立和沟通，以及信息的及时更新和维护，提高用户黏性。

结语

针对儿童科普的展示空间是引导儿童拥有主动探索能力的集中学习场所，需要符合儿童发展的特点。如何合理利用现代科技中的虚拟现实技术设计出符合儿童生理、心理、行为特点的科普展示空间，是设计并发挥空间可持续教育的关键所在。文章从儿童角度分析，围绕现代虚拟现实技术，提出针对儿童行为活动与心理活动两个方面的空间设计点，并由此展开提升儿童空间学习认知的探讨，提出虚拟现实技术的互动展示形式对儿童的学习进行多样化的认知引导，给展示空间创造更多的发展可能性。