AR虛擬交互技術應用于青少年氣象科普的優勢研究

摘 要：氣象事業是科技型、基礎性、先導性的公益事業，而氣象科普是推動氣象事業發展的重要力量。青少年是氣象科普的重點人群，應精準定位，設計出符合青少年需求的氣象科普產品。分析氣象科普場地和活動對產品的需求、現階段氣象科普產品存在的問題，以及AR虛擬交互技術在氣象科普工作中的優勢，設計出符合青少年需求的氣象科普交互產品并加以應用。

關鍵詞：氣象科普；青少年科普；科普產品；AR虛擬交互技術；交互設計

中圖分類號：P4-4 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

在國務院印發的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》中指出，要激發青少年的好奇心和想象力，增強科學興趣、創新意識和創新能力，為加快建設科技強國夯實人才基礎。近年來，中國氣象局以國家教育改革需求為導向，聯合中國科學技術協會、科技部、教育部不斷推進中小學“校園氣象科技教育”工作，加強頂層設計。當前，青少年對氣象科普知識的學習多來自傳統宣傳冊或科普知識講座等，存在對氣象知識的普及率不高，傳播效果不佳等問題。

1 氣象科普產品的應用現狀

1.1 氣象科普產品的應用場景

1.1.1 氣象部門場所

隨著社會對青少年科學素質培養的重視和中小學校對氣象科普需求的提升。近年來，氣象部門加強對氣象觀測場、氣象臺站、氣象演播室等場所建設，并新建氣象科普基地、氣象科普館等專業場所，但相對應的氣象科技能力現代化的最新成果還未得到普及。在世界氣象日、全國防災減災日等重大活動中的應用不充分。因此，發揮場所優勢，開發符合場景空間的科普產品是亟須解決的問題。

1.1.2 社會場所

氣象部門除利用自身場地設備優勢外，常見開展氣象科普活動的場所還有社區、學校、文化類公益場所等?；趫龅刂袥]有特定的氣象元素，因此，氣象科普講座是主要的科普形式，可青少年的注意力集中時間有限，導致科普效果不佳。如何通過技術手段讓氣象科普知識“走出去”，具象化地展現，讓青少年沉浸式地感受、了解氣象防災減災科普知識，激發廣大青少年探索科學的興趣，是氣象科普工作的思考重點。

1.2 氣象科普產品的類型

1.2.1 實物科普產品

因氣象科普對象多為中小學生，常見的科普產品如科普繪本、科普游戲棋[1]。其中，不乏氣象裝備等拼搭模型。近年來，結合《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》提出的“引導學生從日常學習生活中提出具有教育意義的活動主題，使學生獲得關于自我的真實體驗，建立學習與生活的有機聯系”，研發出“小小氣象站”等氣象科普實驗套裝。隨著產品逐漸多元化，設計產品更多考慮了傳播對象的實際需求。但實物產品有著體驗周期長、難以現場反饋等缺點，導致在科普活動現場收獲知識和體驗的效果不佳。

1.2.2 音視頻科普作品

氣象部門圍繞天氣現象等主題推出一系列的氣象科普音視頻短片。類型包括氣象首席講科普知識，科普動畫、科學實驗、科普短劇等。這些作品多通過中國氣象科普網站、各省市的氣象新媒體賬號對外發布，時長多為3～5分鐘。但從第51次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》的統計數據來看，青少年在課余時間接觸電子設備更傾向收看短視頻，長視頻難以吸引青少年，且科普內容偏成人化，難以激發青少年的興趣。

1.2.3 在線互動型科普產品

相較上述2種科普產品，在線互動型的科普產品出現時間較短，形式較為新穎。丁書萍[2]在其搭建的宣傳氣象科普知識的學習平臺中，介紹了平臺通過在線答題、積分排名等形式吸引用戶參與，提升了氣象科普宣傳的主動性、互動性和娛樂性。陳曉穎[3]則結合了廣東天氣多風的特點，搭建了“特征風”的初步框架，對氣象要素進行了擬人化設計，讓青少年更直觀地理解氣象科普知識。江西省氣象局也設計了氣象百葉箱的微信表情包，除日常問候外，加入了如“雨雪風霜 有我陪你”等氣象術語，讓用戶在日常對話中了解氣象科普知識。

2 氣象科普產品應用存在的問題

2.1 過度依賴科普場地

氣象行業的科技性較強，氣象科普場館、科普研學基地等場地容納空間有限，且無法達到專業科技館、博物館等維護檢修頻次，也未配備專業的管理講解人員。這使得氣象科普教育在提高公眾對氣象知識的認知和興趣方面面臨挑戰。

2.2 傳播形式單一，缺乏趣味性

在科普音視頻作品中，雖然在信息技術的輔助下，音視頻畫質更清晰，特效更精致。但核心的氣象知識依然存在難以理解的問題。如何將枯燥、難懂的氣象知識講得通俗易懂，是當前氣象科普工作的重點和難點。

2.3 缺乏現場反饋的產品體驗

現階段，科普產品相較以往的宣傳冊更加豐富，但實物產品更多作為現場參觀學習后的紀念品，難以激發青少年興趣。因此，如何開發更具吸引力和互動性的科普產品成為亟待解決的問題。

2.4 忽視青少年的情感需求

傳統的氣象科普更多關注數據的精確性和對科學原理的講解，缺少與青少年情感共鳴的元素。這使得很多年輕人在接觸氣象知識時，不能夠真正產生興趣，進而影響他們的學習積極性。

3 AR虛擬交互技術在氣象中的應用

3.1 應用場景

3.1.1 科普場地

根據中國氣象科普網站的數據，當前我國已建立了461個國家級氣象科普教育基地。遍布全國各省市縣，成為氣象知識傳播的重要陣地。其中，一些創新先驅已經將增強現實虛擬交互技術融入展覽。例如，南寧市氣象部門的賴雨薇[4]設計了一面基于雷達投影技術的AR觸控氣象科普展示墻。參觀者通過輕觸墻面來激活音頻和動畫，實現身臨其境的互動體驗。這一創意為數字化科普場所的建設提供了新的思路。

3.1.2 輔助演繹

通過AR虛擬交互技術可以模擬降雨、積水環境及氣象災害等場景。將虛擬現實技術融入氣象科普領域，能夠突破傳統二維界面，融合聲、電、形等三維立體展示場景，青少年能通過動畫演繹形象地觀摩氣象景觀，更深入地理解氣象科普知識。

3.2 應用優勢

3.2.1 場景應用靈活

與傳統的實物科普產品和網絡氣象科普音視頻作品在場地和傳播載體上的局限性相比，AR虛擬交互技術的應用場景更為靈活。作為一種信息技術，它可以在氣象科普場館中利用識別圖文觸發生動的交互動畫。此外，觸發圖文還能夠被印刷在科普宣傳冊和紀念品上，甚至可以融入網絡平臺的科普音視頻作品。配備AR功能的氣象繪本、卡片和教具等實物媒介，也能有效減少氣象科普傳播對專業場地的依賴，從而顯著增強科普傳播效果。

3.2.2 傳播形式富有趣味性

研究表明，在教學中應用AR虛擬交互技術展示所學知識比傳統板書的教學效果更好[5]。因為AR虛擬交互技術不受場景、載體的限制，表現形式更為靈活。將AR虛擬交互技術與實際場景生動結合，能大幅提升知識傳播的趣味性，增強青少年的體驗感，增強氣象科普的傳播效果。

3.2.3 學習體驗反饋及時

應用AR虛擬交互技術的科普活動通過視覺、聽覺、觸覺等感官激發青少年的興趣，讓展示的動畫更加真實，有效增強青少年的參與性。通過人機交互，青少年可以主動探索，同時滿足多位青少年根據交互效果進行體驗交流。這種反饋體驗的及時性是傳統科普模式所不具備的。

3.2.4 關注情感需求

一方面，AR虛擬交互技術可在真實空間，立體化、動態化、形象化地展示專業枯燥的氣象原理，對認知水平尚處發育階段的青少年具有較好的引導和教育作用；另一方面，AR虛擬交互技術構建的人機交互體驗體現了對青少年情感需求的關懷，青少年可以通過自身需求與動畫產生不同的交互，做出適當的反應或操作。通過增進與產品之間的相互交流，達到寓教于樂的效果，增強用戶黏性。

4 氣象科普交互產品的設計

4.1 總體構架

結合所在工作場景對氣象科普工作的實際需求，發揮將AR虛擬交互技術應用于氣象科普產品的優勢，設計制作了氣象科普交互產品。青少年用戶可以在移動設備裝載交互應用軟件，通過掃描識別圖，學習觀察云團降水的過程，掌握降水氣象科普原理。

4.2 功能設計

使用移動設備打開交互氣象科普軟件進入相機界面，移動至識別物料圖卡正上方進行掃描，觸發識別物料圖卡動畫感應，在移動設備端可見云團形成、集云成雨等三維交互動畫效果（圖1）。

隨著動畫演繹，伴有下雨和打雷的音效，從視覺、聽覺、觸覺感官刺激青少年的主動學習。為更好地展示AR虛擬交互動畫，共設計了4種手勢觸發動畫的不同演繹（圖2）。

第一，單手指引拖拽。將識別物料置于水平桌面，用手機掃描桌面上的識別物料，可在掃描識別物料的移動設備上生成動畫，用單一手指長觸三維模型進行拖拽，可見交互動畫模型位移。

第二，單手畫圈旋轉。通過單一手指點觸電子設備的屏幕，觸發三維模型動畫的人機交互模式，通過順時針或逆時針的滑動手指控制動畫模型旋轉（圖3），360°觀察學習動畫知識原理。

圖1" 用戶手機屏幕截圖

圖2" AR虛擬交互操作流程

圖3" 單一手指觸發動畫旋轉

第三，單手升降控制大小。將識別物料放置水平位置，單手旋轉或移動識別物料圖，觸發的三維動畫模型會依附于此物料進行旋轉或移動，手持觀察的電子設備可見動畫模型在軟件界面的屏幕上發生位移；單手將用于觀察的電子設備上下升降，屏幕中的三維動畫模型會智能判斷與識別物料圖的距離進行放大或縮小。

第四，雙手捏合縮放：兩根手指同時觸碰屏幕，做開合重復的指令，可以控制動畫模型的縮放，在手持觀察的電子設備上可見動畫模型的變化，從而達到人機交互效果。

5 氣象科普交互產品的應用情況

該產品在江西省和貴州省的氣象學會科普工作中表現出色。通過官方微信、微博等新媒體平臺發布了交互產品的操作視頻，并提供了相關安裝包的獲取方式，讓青少年能夠體驗氣象科普的樂趣。在3月23日的世界氣象開放日、5月12日全國防災減災日以及氣象科技周等重要活動節點中，該產品有效提升了現場青少年的活躍度和參與度。這一產品成功地將氣象科普的趣味性與科學性、娛樂性與教育性相結合，為青少年的學習和探索提供了豐富的體驗[6]。

6 結束語

青少年氣象科普工作的核心在于“內容為王”，并需要堅持需求導向。在未來的氣象科普活動中，應圍繞青少年的實際需求，精心打造優質內容，明確傳播對象，充分發揮氣象科普資源的聚集效應。借助AR虛擬交互技術，設計出以青少年為中心的氣象交互科普產品，多維度創設學習情境，增強科普知識的呈現效果，鞏固他們對氣象科普知識的學習成效。

參考文獻

[1] 劉浩，解文娟，張靜，等.氣象災害防御類科普游戲的設計與思考：以游戲棋“平平安安游四季”為例[J].農業災害研究，2020，10（9）：94-95，98.

[2] 丁書萍.氣象科普宣傳學習平臺設計與實現[J].科技資訊， 2023，21（21）：245-248.

[3] 陳曉穎，孫嘯，艾文文.融媒體時代氣象科普宣傳工作的思考：以“特征風”氣象科普產品設計為例[J].新聞傳播， 2023（12）：112-114.

[4] 賴雨薇，黃歸蘭，唐耀航，等.基于AR觸控技術在氣象科普領域的應用探索[J].科技傳播，2023，15（21）：20-23.

[5] 侍洪寧，魏謝敏，李佳佳.低學齡兒童AR美育產品交互設計研究[J].設計，2024，37（5）：136-139.

[6] 王珊.交互語境下兒童科普教育游戲的設計與實踐[D].北京：北京工業大學，2020.

收稿日期：2024-07-11

基金項目：江西省氣象服務中心自籌經費科研項目“青少年氣象科普交互產品的設計框架研究”（FWZX202209）。

作者簡介：劉禹杉（1991—），女，江西南昌人，高級工程師，研究方向為氣象服務與應用氣象、氣象科普。