科普展品中的自然交互限定與拓展

殷超 陳洋

關鍵詞：自然人機交互 具身認知 數字科普展品 Maslow需求層次理論 和逸性

引言

科普學習伴隨交互技術的發展，呈現出以用戶為中心的體驗維度拓寬需求表現，由此帶來時代性的核心用戶需求更替。數字科普展品引入自然人機交互技術，能夠快速滿足用戶認知需求與實現需求，激發體驗興趣。但在實際應用中，自然人機交互技術的引入設計缺少符合特征特性的指導方法，多借用傳統社交、游戲等交互平臺設計規則，忽略了交互環境不同所帶來的需求改變，體驗和逸性難以產生。基于此，本文探究數字科普展品特性，依托Maslow需求層次理論聯系具身認知理論，分析自然人機科普展品核心用戶需求，研究交互技術特性優勢在科普環境限定下的體現，提供針對性設計應用方法，優化科普體驗。

一、自然人機交互科普展品特性

數字科普教育體驗流程可視為基于人機交互的認知學習過程，如圖1?？破阵w驗是以青少年為核心群體的主動式學習，設計核心也基于此展開，即構建認知環境幫助用戶建立“短時、高效學習感受”的同時維持“主動性”體驗興趣[1] 。

科普發展具有聚焦性，其核心群體為青少年?；趫D形界面交互的傳統數字科普展品在早期取得了極佳的效果，隨著PC及移動設施普及，觸摸式、鍵鼠式交互已融入青少年日常生活，數字科普教育呈現與移動端相似的體驗并逐漸被其取代[2] ，同質化問題凸顯。因而交互技術的時代性更新引入成為數字科普展品設計的必然趨勢[3] 。特定人群、特定年齡、特定時代與被時代所特定的技術相組合，都會激發出各種訴求邊界上的滿足與失落，投入與摒棄，而新技術轉向舒適自然的體驗應用之間尚存一定距離。

區別于移動端、PC端產品設計所強調與追求的用戶黏性，科普體驗時間、內容基于本質功能需要有所收斂和限制，而這一要點在自然人機交互技術融入后體現得更為明顯。多通道信息傳遞能夠對體驗環境解構與重構，便于用戶通過肢體行為對信息進行感知、表達、反饋。一方面，環境的塑造是科普體驗的成本和技術優勢，是明顯區別于線上教育與傳統教育的設計體現;另一方面，短時需求所帶來的體驗時間流限制要求了體驗內容需要以多種方式進行信息交換、傳遞。

因而，在明確自然人機交互的必要性、短時性、多通道屬性及設計主體的特征屬性后，對核心用戶的需求進行分析進而實現滿足，才能得到有效的設計結果。

二、自然人機交互科普展品的核心用戶需求與設計原則

本文基于Maslow需求層次理論，聯系具身認知理論，針對用戶分析，明確科普展項的設計原則，提出設計方法模型實現需求滿足，見圖2。

（一）基于自然人機交互的數字科普展品用戶體驗需求

1.基礎需求：生理需求、安全需求、歸屬感及尊重需求是科普體驗的基礎需求，對四者針對性進行針對性滿足可維持基本的體驗可行性。

2.認知與審美需求：認知與審美需求是科普體驗的核心層次，是用戶的躍升探索?，F實世界源于效率、成本、安全、平等、技術等因素將認知信息與過程抽象化的情形不應全面延伸至此，反而需要明確確立用戶對信息理解、過程實踐、感知與表達的多種科普需求。

3.實現需求：實現需求是用戶滿足感、成就感與高度自我肯定的建立層面?？破照蛊樊斚碌陌l展困境多由實現需求的設計忽視而產生。將交互行為視為用戶能力彰顯，體驗完成度視為挑戰，內容變化視為反饋，三者統一，即用戶依靠高水平能力完成高難度任務得到超出心理預期的反饋時，實現需求得到滿足。

4.和逸需求：和逸性產生是科普體驗的最終目標。作為非正式教育，科普教育“主動性”更多是由和逸體驗帶來長期的主動意愿構成，是設計者與用戶共同盼望的。

（二）基于自然人機交互的數字科普展品設計原則：自然人機交互復雜程度較高，因而需遵循以下四點設計原則，明確設計目的，維持技術應用的克制性，以滿足認知與實現需求，構建和逸性。

1.認知具身性原則：傳統圖形交互界面在認知具身構造中是通過視覺與潛意識的代換建立“片面的具身性”，而自然交互科普展品的設計意義一方面在于面對具有較高實踐意義、成本或危險情景的認知環境時，以技術方式幫助用戶建立基于身體屬性與反應的直觀具身體驗，完成快速有效的信息掌握與自我情感表達，亦規避了負面信息內容的不良體驗;另一方面，多系統建立的交互通感如觸-視記憶、聽-視-語言記憶，具有極強的輔助記憶功能，當某一單通道與已知信息聯通時，可以喚醒其他通道的記憶感受。

2.環境具象性原則：認知過程并非單純是由神經系統承載的信息指令交換構成，而包涵有環境，環境以“無意識”的方式導入用戶對空間、質地、色彩的多維感受，呈現時間在空間范圍的流程序列，使認知過程更加友好。在信息被儲存、提取、感受的階段變化中，具象的環境也糅合于信息其中參與整個過程輔并被自然接受?？破阵w驗環境具象化影響了認知的難易程度，由于個體體驗時間較短，環境體現程度越高，用戶所代入的情感與所直面的認知內容就越豐富，所需理解的抽象化程度內容就越簡單。

3.交互選擇準確性原則：交互設計應用需具有準確性原則，以減輕學習成本，提高實現需求層次的心理預期，為和逸性的產生進行鋪墊，同時，伴隨著認知學習渴望與交互實現過程所呈現的反饋渴望亦需要準確掌控，預留潛在期待，給予正面回饋的同時適時添加科普知識信息。規避為展示技術特性而設立的非必要性交互，避免交互疲勞，明確技術的發展始終以更好地服務用戶為目的。

自然人機系統在提升體驗舒適度、調動人類多種感官器官進行高效信息學習與傳達方面具有獨特應用優勢，但技術的表達在應用中存在常態優勢與劣勢[4] ，由國內外學者的大量研究提供的準確證明，具體表現為：肢體交互的操控感與生理風險[5] ，語音交互的統領性、快捷性與信息暴露風險[6] [7] ，手勢交互的快捷性與經驗積累[8] ，面部識別的反饋收集與交互性缺失，環境塑造的真實引導能力與成本等[9] ，見表1。

4.體驗統一性原則：體驗統一性為和逸感的涌現提供條件。依靠用戶群體的具身尺度為標準，透過其審美水平構建具象環境，評測交互準確性，確保用戶在感官信息交換中形成極為和諧統一的科普體驗，是自然人機交互數字科普展品的設計趨向。

三、自然人機交互在科普展品應用中的限定與拓展

在展品特性、用戶需求及設計原則分析確立后，本文提出自然人機交互在數字科普展品應用中的限定與拓展設計方法。限定的目的在于確保以具身和具象性滿足用戶認知需求、以交互準確性滿足用戶實現需求的可能性，維持科普展品的特征屬性表達，限定是為了更好地拓展。拓展的目標則在于結合人-機-環境構建體驗一致性進而產生科普體驗和逸性。見圖3。

（一）自然人機交互的應用限定

1.體驗用戶限定：確定核心體驗用戶的年齡、智力、教育背景、生理成熟情況等區間，結合信息確立信息輸出與輸入有效可能、體驗難度與能力平衡可能提供標準，后續交互方式、環境的確立也都以用戶限定情況為基準。

2.交互方式限定：科普內容信息可分為行為、文本、控制與無關性四部分信息，結合用戶能力對自然人機系統多種交互方式的選擇限定。行為信息是用戶在行為表達中獲取的知識體系內容，以肢體、手勢交互表達為主要體驗方式;文本信息是科普內容中由肢體語言表述較為困難的抽象內容，借助視覺語言等方式進行投射、領導;控制信息是科普體驗中滿足感、趣味性的體驗核心，本身并無學習性，目的在于開啟交互、認知轉折點，改變控制物狀態，凝聚用戶注意力，可配合調動多方式交互;無關內容為維護抽象信息合理性的功能，需聯系環境決定是否保留。

3.體驗環境限定：自然人機交互數字科普展品體驗環境即情境，二者高度融合，對其限定有助于塑造穩定的體驗環境，給予用戶心理安全需求，塑造氛圍，加強情緒沉浸的感知體驗，并可在此時已確立的交互方式、體量、硬件設備進行環境適宜性評估，確實可應用或對其進行轉換。

4.時間流限定：用戶體驗時間與流程需要相對克制。結合長期設計實踐得出，以具體單個展品所面向群體的年齡為基礎，以7歲用戶180秒體驗時間為設計起點，每增長一個自然年年齡段可適當增加30秒體驗時長，體驗總閾值為180秒-510秒，并結合體驗場館的人群基數與流動性進行合理的增長或減持平衡。

（二）自然人機交互的應用拓展：拓展設計的重點在于多通道信息傳遞構建的合理性與科普、交互環境的重建。多通道信息傳遞構建從心智模型與經驗模型為基礎進行體驗拓展，建立不同側重，滿足用戶心理預期與高度自我實現，達成高效科普學習與滿足感;科普、交互環境的重建幫助用戶由潛意識層面增加體驗接受度，增強體驗愉悅感[10] 。

1.經驗模型：對用戶所處真實生活中具有明確映射的科普內容，要求交互方式、環境符合用戶長期建立的經驗，避免迷惑感。其自我實現以掌握性為主要方向，引導進行相對準確、規范的標準尺度練習，表達體現用戶訓練轉換應用能力，即“我能夠通過訓練達到完美要求”。人-機-環境的體驗和逸性構建需要通過低基礎層次與中層次的需求拓展滿足來維持。具體表現為：拓展肢體舒適度、語言控制感。經驗模型所對應的科普內容具有標準化特點，交互普遍具有正確性、標準性指標，添加Siemens Jack[11] 等軟件進行舒適度驗證，可避免體驗過程中回應標準動作時產生不適感從而放棄科普學習。

增加交互節點動效。保證對事物特征認知不變的情況下，對其他內容進行多感官交互刺激。在關鍵交互完成后信息的輸入與輸出顯示給予非現實、符合預期的動效，能夠降低用戶“實用主義”心理，回歸認知、感受本身。

提升感官因素豐富度緩解交互壓力。在交互方式及內容的還原相對真實前提下，體驗環境設計可進行合理夸張，使其具有豐富的色彩、層次，緩解用戶壓力。

2.心智模型：對應凌駕于生活經驗的抽象科普內容，用戶缺乏實際應對經驗，例如飛行等行為。其滿足感來源于對體驗內容控制感的建立與實現，即“我做了我正常情況下無法做到的事情”。由于缺乏現實對照，需要引導用戶將現實世界的理解、交互、交流方式依靠邏輯思維擴展應對到抽象世界。在低層科普需求相對模糊的情況下，對認知需求與實現需求相對加強引導，建立和逸感。

增強交互認同自由度。抽象環境的科普交互行為多數并不存在于現實世界，因而多是下意識、自然舒適的，無嚴格的正確與錯誤之分，因此，交互自然度與想象力的確立相對更加重要。標準交互動作需要進行多姿勢設定判斷，保證不同成長環境、想象力、能力的青少年給出的多種自然交互反饋能夠正確識別。

聯系隱喻設計，構建交互通感。對無法直接確定的交互動作應借鑒平面交互、觸摸交互、實際操作進行隱喻設計，聯系想象力確保抽象世界中交互的“自然”性，縮短用戶在交互本質上的學習時間，并給予用戶自我實現與認同的滿足感。

營造、增強交互環境高還原度。在科普體驗內容相對遠離真實環境條件下，需要對其借鑒客觀、科學知識信息進行高還原度構建，烘托、暗示體驗的未知性、神秘感、真實感，為后期體驗控制感成功建立后用戶心理期待滿足而產生極為強烈的喜悅感提供條件。

四、設計案例

本文以自然人機交互為主要方式，結合天文學與宇航知識背景，由貴州大學DITR交互技術研究室平臺進行科普展項《宇宙》案例開發。

（一）明確用戶需求：人類對宇宙天體存在認知學習及科普需求，但現有技術無法幫助絕大部分人群置身于真實的天體環境進行觀察、感受，因此對于天文學內容當下多選擇語音、視頻、文字、模型的方法進行科普實現，用戶對基礎、認知與審美、實現以及和逸性四方面均具有較為強烈的需求，表現為對相關信息與環境的參與、把控，對科普項目的主動性、持續性的熱情維持。在整體項目的設計中，由限定與拓展設計方法進行實現四個主要的用戶需求。

（二）《宇宙》的信息內容限定設計

1.用戶限定：確立《宇宙》體驗用戶的年齡階段為12-14歲。因為在這一年齡層中，用戶對天文知識有初步認識與基礎，生理與心理生熟度教好，具有應對抽象內容的能力。

2.交互方式限定：對內容信息進行行為、文本、控制與無關性信息分類，結合用戶年齡、能力、慣用交互行為確定語音、肢體、手勢三種交互方式的存在形式?！队钪妗返捏w驗流程為模擬用戶擁有飛行技能從而離開地球并著陸于火星，在該星球上對八大行星進行個體元素與整體結構、運轉規律的探索，因而確定體驗過程中存在“打開說明手冊”“起飛”“降落”“詢問所在位置”“復原行星元素結構”“選擇行星所含物質”等多種具象自然交互方式。

3.體驗環境確定：確定環境體驗展館為貴州科學技術展覽館，依據前文用戶群體年齡為12-14歲人群，結合場館人流量，對體驗時間限制為360秒以內，同時對已確定的語音、肢體、手勢等交互方式判別是否適用，構建環境空間、質地、色彩基礎設計。

在完成限定設計后，能夠基本保證《宇宙》科普展品對用戶的基礎、認知與審美、實現的需求滿足，而和逸性需求則更依賴于拓展設計。

（三）《宇宙》的信息內容拓展設計：考慮科普環境遠離現實生活，《宇宙》依靠心智模型進行拓展設計體驗指導。在交互方式與體驗環境有所限定后進行相應的拓展，維持體驗的一致性，進而追求和逸性的產生。

1.自由度拓展設計：將標準肢體動作進行多姿勢補充，如補充設定語音交互關鍵詞為“地方”“位置”“哪兒”等;“起飛”動作對雙手抬起、單手抬起、雙手后仰，“落地”動作的單腿落下、雙腿落下等均進行預設采集識別。

2.隱喻設計拓展：增加閱讀“說明手冊”時紙張摩擦聲，用戶“飛行”時隕石碰撞聲由小至大再變小等聽覺隱喻，在“起飛”與“落地”動作中配合固定的風向等感官隱喻，展開“說明手冊”時的雙手由內向外打開隱喻動作，維持“星球切換”中星星的閃爍及變換等環境隱喻，確保體驗“自然”性、想象力維持表達并獲得快速反饋。

3.環境還原拓展：依照太空環境對體驗情境進行較為真實的塑造，同時在部分交互性不強的體驗環節對環境進行小幅度的夸張補充，彌補由于心智模型所主導的參與感不足。

將《宇宙》設計內容整合，保持體驗連貫性、自然性、和逸性，如圖4。

結論

在自然人機交互技術逐漸應用于日常生活與學習的大趨勢下，對自然人機交互在數字科普展品開發應用進行限制與拓展的設計方法，能夠規避多種交互方式劣勢，詮釋自然人機交互技術在其應用時所能展現的優勢，提升科普體驗用戶滿足感、交互感、和逸性。

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