時間：2023-09-07 09:19:49
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打破“機器人”的神秘感
人工智能與機器人技術，聽上去既高深又神秘，似乎距離普通百姓很遠，但實際上正在越來越深刻地改變著人們的生產和生活，如何打破這種神秘感，縮短高精尖技術與百姓生活的距離，趙姝穎創造性地提出了“智能技術科普化和科普產品智能化”的理念，并在實踐中積極探索通過智能技術推動科學普及與傳播。
在中國科技館，有這樣一個“動感過山車”體驗區，你可以在電腦上通過簡單操作親自設計過山車軌道，然后戴上3D眼鏡，進入模擬操作艙。體驗自己設計的動感場景。這聽上去是小是很過癮？這套“動感過山車”模擬操作系統，是趙姝穎團隊應用人工智能與機器人技術自主研發的。
在遼寧科技館“機器人秀”展臺前，常常圍著里三層外三層的人，人們開心地觀賞機器人表演。一群可愛的機器人隨著音樂一會兒跳舞，一會兒翻跟頭；一會兒集體舞。一會兒個人秀；既會播報節日，還會看圖猜字……看的人都忍不住嘖嘖贊嘆，有的小朋友纏著家長一遍又一遍地看，還邊看邊隨著機器人一起跳舞，一起翻滾。由趙姝穎團隊研發的這套機器人全自動展演系統，集中展示了多機器人協作與控制技術，是遼寧科技館的標志性展品。
在沈陽科學宮，有一個叫“下棋機器人”的展臺。展臺內，一個智能機器人認真“觀察著”臺面上的4盤棋局，迅速地移動手臂，同時與4個人分別下不同的棋，有中國象棋，有圍棋，還有五子棋和跳棋。這個展臺常常被大批棋類愛好者包圍，大家爭相與機器人切磋棋藝，比試高低。由趙姝穎團隊研發的這套下棋機器人系統，創造了一臺機器人同時與四人進行不同棋類博弈的紀錄，在沈陽科學宮運行多年，始終是最受觀眾歡迎的展品之一。
目前，趙姝穎團隊已經為中國工業博物館、遼寧科技館新館、遼陽科技館、襄陽科技館等多個科普展館提供了完整的展區設計和展品建設規劃。按照趙姝穎的設想，團隊下一個目標是努力實現研究成果的產品化，走出一條產、學、研、用相結合的道路，為人工智能與機器人技術走進百姓生活做出更大貢獻。
教書育人，既是嚴師又是益友
趙姝穎始終把教書育人作為自己最神圣的責任，她對待學生既嚴又愛，是有名的嚴師，也是學生公認的益友。
她幫助過“后進”學生成才，幫助過有心理問題的學生走出困境，幫助過家庭困難的學生渡過難關。
她重視大學生創新實踐能力的培養，組建了多個大學生創新團隊，常常在炎熱的暑假與學生們共同在實驗室里揮汗如雨，趴在地上調試設備、優化系統的穩定性與安全性。以自己的實際行動為東北大學“知行合一”的校訓做了完美詮釋。
去年5月，趙姝穎與她的學生梁事學一起到北京參加大型科普博覽活動。他們的展區前人頭攢動、歡聲如潮。小朋友們都十分興奮，尖叫著體驗“動感過山車”，中老年人排著長隊等待體驗“智能體測系統”。“在喧鬧的人群中，我突然感受到了一種前所未有的成就感。趙老師帶領我們開發的這些融合物聯網、機器人控制、互動3D建模和裸眼3D顯示等科普展品受到如此歡迎，真的讓我感到十分興奮！”事后梁事學感慨地說。
在趙姝穎的學生創新團隊中，既有信息學科的學生，也有機械、藝術等其他學科的學生；既有本科生，也有研究生。在這個團隊中，學生們不僅學到了很多在課堂和書本上學不到的知識，而且培養了學習興趣、掌握了科研本領、提高了創新能力、鍛煉了團結合作和百折不撓的精神。
趙姝穎對學生的吃苦精神、團隊意識和溝通能力培養最為看重?！皺C器人科學本身就是多學科跨界混搭的結晶，而科研與科普都不是靠一個人單打獨斗能夠完成的任務。只有讓學生在社會實踐中得到歷練，學會交流、溝通、合作，才能真正促使他們成長，提高核心競爭力。”
今年夏天，趙姝穎的學生常旭鶴帶領“仿人機器人舞蹈隊”在遼寧省科技館亮相，獲得廣泛好評?！拔覀儥C器人表演的舞蹈是‘太極’，由于對平衡性要求很高。排練時，曾經有好幾個機器人倒下了，趙老師帶著我們連夜改進，在正式展覽時，機器人的表現非常好。在這個過程中，我深刻體會到了做科研一定要有吃苦耐勞、精益求精的精神！”常旭鶴說。
趙姝穎指導的學生創新團隊，在參加國際、國內大學生數學建模大賽中，獲得過國際一等獎3次、國際二等獎7次和全國二等獎3次，曾包攬2011年全國機器人大賽暨ROBOCUP中國公開賽國際標準平臺比賽冠亞軍。
凝心聚力，打造特色黨支部
教學科研之外，趙姝穎還有一個重要角色――黨支部書記。擔任支部書記10余年來，趙姝穎一直把創建“特色鮮明、充滿活力、團結奮進、爭創一流”的基層黨支部作為目標。在她看來，支部工作的目的主要在于把握方向、凝聚力量，為更好地履行教學科研、人才培養和社會服務職責打造一個寬松的環境和和諧的氛圍。
根據研究所工作的特點，她從一開始直接主抓各項支部工作，到帶領更多年輕人參與支部建設，支部工作模式已經逐漸從“個人帶頭、少數人參與”向“集體合作、共同努力”轉變，進一步激發了黨員隊伍的活力。支部的年輕黨員陳大力、林明秀等先后擔任黨支部副書記，越來越多的教師黨員參與到支部建設中來，黨支部的凝聚力和戰斗力不斷增強。
趙姝穎教授認為，基層黨支部工作雖然算不上轟轟烈烈，但同樣可以做出特色?！疤厣鲇诒旧Р抗ぷ鞑荒苡坞x于研究所的業務工作之外。研究所的本色在于培育優秀創新人才，支部工作的特色則在于發揮黨員帶頭作用，凝聚更多力量投入到創新人才培養的特色工作中來?！庇谑牵{動一切積極因素大力推進創新人才培養，成為了這個支部的工作重點和鮮明特色。
2008年，人工智能與機器人研究所開始承擔大學生數模競賽組織工作，當時，數模競賽對于大多數師生來說還是一個陌生的新事物，這項工作對于推動創新人才培養的重要意義還沒有被充分認識，參與的師生很少，工作難度很大。在這種情況下，趙姝穎教授帶領支部部分黨員承擔起了這項工作，大家犧牲了春節休息時間，一起研究探索工作思路和方法，認真做好參賽學生的賽前輔導，最終取得了優異成績，獲得了2項國際一等獎和4項國際二等獎。此后，這個在全國高校中影響力很大的競賽項目迅速成為東北大學最受歡迎的創新人才培養項目。在2014年度國際大學生數學建模競賽中，東北大學獲得特等獎。
目前，以科技競賽活動為平臺推動創新人才培養已經在研究所的教師中形成了共識，在“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、亞太大學生機器人大賽、“華為杯”全國大學生智能設計大賽等同內外大學生科技競賽中，研究所的師生們已經獲得了上百個獎項，一大批學生通過競賽活動提高了創新能力和綜合素質，成為人才市場上的“搶手貨”。
與此同時，研究所的黨建工作也取得豐碩成果。在趙姝穎擔任黨支部書記期間，支部多次被評為“東北大學先進黨支部”，并獲得“遼寧省先進黨支部”、“沈陽市科教工委先進黨支部”等榮譽稱號。
向著最好，奮力前行不止步
“高精尖”還需“勤苦實”，喝彩與掌聲的背后，是無數的汗水與辛苦。“誠信做人，踏實做事”是趙姝穎的人生信條。20多年來，她始終堅持在人工智能與機器人技術領域不斷探索，向著最好，奮力前行，勞動和汗水換來了豐盛的果實。
智能機器人是近十年內逐步發展起來的一個新興技術，集電子技術、信息技術、人工智能、自動控制和創新設計于一體。在進行機器人設計、搭建、編程和調試的過程中，能夠讓學生手腦并用，鍛煉學生手與腦的靈活性和協調性，讓學生體驗挑戰困難、超越自我的快樂，增強學生探求科學知識的自信心和創造力，培養學生的動手實踐能力、創新思維能力、空間想象能力、科學探究能力和團結協作能力。最近幾年，智能機器人教育在全國乃至全世界范圍內廣泛開展起來，越來越多的政府部門、教育主管部門已經看到，智能機器人教育帶來的影響：讓學生在“玩”中找到了學習的樂趣，培養了學生樂于學習的良好習慣，能夠激發學生的學習興趣，開發學生的智力潛能，提高青少年學生的科技創新能力。于是，越來越多的關于智能機器人的競賽也如雨后春筍般開展起來。
我校從2008年以來，在王禮維校長的領導下，率先引進機器人課程，并在全校范圍內廣泛開展機器人課程和科普知識宣傳。2012年9月，我校正式在小學3？6年級和初中1年級開展機器人普及教育，每兩周一次課，每次課2個課時。怎樣通過這兩個課時來開展好機器人普及教育，提高學生的綜合素質，我有以下兩點看法。
教學課程的設置
我校開展機器人教育雖較早，但由于機器人硬件條件的限制和課程的局限性，在初期，機器人教育只針對興趣小組和參加各級各類競賽的學生，主要的培養目標只有一個——競賽成績。這樣的培訓太過目的化，學生在學習的過程中思維并沒有得到開拓，多數停留在該項競賽固有的程序和結構上，缺少了創新和探究能力的培養，也就沒有達到提高學生科技創新能力的目標。因此，對于近年來開設的普及課程，我們初步擬定的整個機器人課程體系如上圖所示。
整個體系主要分為4大部分，普及課程、選修課程、展示活動和競賽課程。普及課程主要是針對全校范圍內（小學3年級至初中1年級）不同年級、不同學段開展的不同內容的教學。普及課程重在基礎知識的講解，向學生講解一些生活中事物運動、運行的原理，激發學生將理論聯系實際，從實際問題出發來進行創新。選修課程主要是普及課程與競賽課程的過渡，是針對少部分興趣班的孩子。在這里，他們可以選擇自己喜歡的項目進行學習。教師教學的出發點是從競賽出發。例如，在講解灰度傳感器時，不再是激發學生與實際聯系，思考灰度在現實生活中可以讓哪些更方便更快捷，而是聯系灰度模塊在軌跡賽中的應用，為學生講解兩個灰度夾線走、3個灰度踏線走等原理和策略。展示活動是與選修課程同一階梯的培訓。學生在機器人課程中不僅應該增長動手、動腦的能力，還應學會動口。學校每學期至少會安排一次機器人作品展示或體驗活動，在這個活動中，學生是主體。展示什么，怎么展示，展示時怎樣介紹等，都是學生需要自己嚴謹策劃和大膽表達的。競賽課程主要是培養學生面對競賽的心理狀態。有的學生很優秀，在競賽培訓的時候也出類拔萃，在學校展示中也頭頭是道。但是，在具體的競賽中則表現出緊張、害怕得失、不能獨自面對突發問題，致使競賽失敗，心里承受能力低下。而競賽培訓和競賽的參與則可以很好地鍛煉學生這個方面的能力。
整個課程循序漸進，從大面積的“撒網”到小面積的“收尾”，每個階段各有側重點，這樣不僅保證了科普教育在全校范圍內的開展，也保證了學校選拔學生參加競賽的優秀率。
學生能力的培養
培養學生較強的邏輯思維能力
在學習機器人程序時，我總是先根據教學內容給出學生本節課要完成的任務，然后按照學習任務利用流程圖分解任務，讓學生思考。在分解之后，哪些是我們已經學習了的，哪些是我們沒有學習的，這樣就提高了學生學習的目的性，也鍛煉了學生的邏輯思維能力。例如，我們在教學生利用兩個傳感器走迷宮的時候，學生需要考慮，兩個紅外傳感器將影響機器人有4種狀態：（以右手法則為例）如果前面有障礙右手沒有障礙；如果前面有障礙右手有障礙；如果前面沒有障礙右手有障礙；如果前面沒有障礙右手也沒有障礙。這4種狀態下機器人分別的運行方式應該是怎樣的？學生在思考這個問題時，用到了程序編寫中的流程圖繪制法，先將整個問題繪制成流程圖的形式，再利用盲人走迷宮的方法，順著墻壁走一圈，自然知道4種狀態下機器人的運動方式。
培養學生團隊協作能力
機器人的制作不是一個人的事情。機器人不僅需要機械部件的搭建，也需要嚴密程序的控制和無數次程序的測試和調試才能成功。因此，我在上課期間要求，學生分組完成任務，強調組中的每個成員都將影響整個組的得分。在每節課安排任務時，組長必須填寫學生學習卡，表示每個組員在本節課中的工作是什么。這樣安排的結果，在每個月的小組競賽或者參加其他各類競賽時，就能看出同學之間團結的力量。例如，在FLL競賽中，由于賽臺是放置在桌面上的，整個競賽中要完成更多的任務才能保證成績的優勝，因此，要求學生在更換機器人裝置和清理現場時組內學生必須搭檔配合才能更好地完成任務。
培養學生創新的能力
機器人制作如果僅限于配置一些傳感器或者搭積木，那就不能達到開展這門課程的目的。機器人教育的目的是讓學生認識科技、了解科技、走近科技創新，重在創新。因此，我們在進行知識講解時，注意將理論與生活中的實際相聯系。例如，我們在講解馬達運動狀態時，學生可能只知道動力系統就像汽車的馬達一樣，可以帶動車子運動，卻并沒有想到，在生活中很多東西都只是由一個簡單的動力系統控制的。例如風扇、模型飛機螺旋槳、割草機等。經過引導，學生可以想象出利用馬達可以制作出自動叉車、升降機、攪拌機、廚房小助手等。
培養學生學科整合的能力
很多家長和老師都認為，機器人就是學生的一個高級玩具而已。學生去學習機器人，浪費時間，也會影響學生學習的成績。來看看我們在講解機器人時遇到的一些事情：在普及課程中我們學到機器人小車的幾種狀態：前進、后退、轉彎。當我問學生，為什么機器人能轉彎，或者機器人怎樣才能轉彎時，沒有一個學生能回答。在生活中，汽車的轉彎只是轉動一下方向盤，遙控車的轉彎只是按動一下按鈕而已。然而，轉彎的基本原理其實是在我們數學中早就學習過的圓的形成。機器人轉彎就是要求機器人左右2個馬達運動的狀態或速度不一時，即可達到不同要求的轉彎（前進轉彎、后退轉彎、原地轉彎和原地急轉彎等）；而轉彎的應用，在足球機器人中則是另一種更深的探究：電教館4輪足球機器人進攻中，總會遇到怎樣讓你的機器人“完美”地避免烏龍球的問題，因此物理知識中的線速度與角速度的關系、角速度與機器人馬達轉數的關系，則勢必要體現出來。
我們在總結多年教育裝備研發經驗的基礎上，結合當前教育改革的新模式、新要求，根據基礎教育新課程特點，針對普教教學儀器研發，提出了10點研發理念。
1．緊密圍繞基礎教育新課程標準，以新課程理念開展教學設備的研究與開發，為基礎教育課程改革服務
新課程改革為教育裝備企業提供了新的發展空間。教育裝備必須緊密圍繞新課程標準所明確的方向、目標，進行全方位的開發與創新，更好地激發起學生的學習興趣和求知欲望。“天煌”在自主研發過程中，緊密圍繞新課程標準，認真研究教材和教學方法，根據新課程理念，研發出了大量原創性、超越性的教學設備，為基礎教育課程改革服務。
2．開展基礎教育實驗新模式的研究，開發探究性實驗儀器，為開展研究性學習提供便利
“提出問題、假設與猜想、實驗與驗證、探究問題及得出結論”的探究性實驗模式，可以使學生“腦”“手”并用，培養他們的創新意識和實踐能力?！疤旎汀备鶕抡n程理念，借鑒專家學者的理論和實踐，通過研究和學習探究性實驗模式，充分考慮以學生為主體、注重過程和方法、增加趣味性等探究特點，改變驗證性實驗的設計思想，開發探究性實驗儀器，把學生置于一種動態、開放、生動、多元的學習環境中，給學生提供更多獲取知識的方法和渠道，使他們在自主學習、自主探索中獲得新的學習體驗，為開展研究性學習提供便利。
3．圍繞提升學生的技術素養，開發高性能實驗教學裝備，實現“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”的課程目標
提升學生技術素養是新課程改革的核心理念，也是素質教育的重要組成部分。高性能實驗教學裝備是提升學生技術素養的先決條件，過去傳統意義上的教學儀器普遍存在趣味性不夠、操作性不強等問題。為了改變這種現狀，我們認真研讀新課程標準，熟知課程目標要求、深入研究教材、了解所需掌握的知識與技能，開發出高性能的實驗教學裝備，在注重學生親身實踐和操作、自主探究過程及掌握學習方法的同時，提升他們的主動學習熱情，培養他們實事求是、敢于創新的科學態度和科學精神。
4．將數字技術與探究性教學相結合，研究開發數字化信息實驗系統，開啟數字化實驗教學新時代
在新課程改革的大背景下，與之相適應的實驗教學改革也在深入開展，特別是針對實施素質教育的數字化實驗室建設已經成為新課程改革的重要組成部分?！疤旎汀痹谏羁汤斫猱斍敖逃l展態勢的基礎上，結合企業雄厚的研發技術力量將傳感器技術與信息技術相結合，研發出一整套適合中小學進行理化生實驗的教學設備，為師生提供了一個開放性實驗平臺，使其能夠更快速、更準確地獲得可靠且連續的實驗數據，從而拓展實驗方法，提高實驗效率，促使學生開展探究式學習。
5．以通用技術課程目標為導向，產品體現心智技能與動作技能相結合，在“做中學、學中做”中全面提高學生綜合能力
通用技術課程的核心目標是進一步提高學生的技術素養，在促進學生全面、個性發展的同時，著重培養學生的創造能力。要達到這一目標，就需要有相應配套的教學裝備做支撐。為推動通用技術的開展，在“做中學、學中做”中全面提高學生的綜合能力，“天煌”研究《技術與設計1》、《技術與設計2》、《電子控制技術》和《簡易機器人制作》等通用技術課程，將研發的通用儀器、實踐設備、工具、耗材、軟件等設備，按照新課程要求進行合理配置，相繼推出了“技術與設計室配置方案”、“技術與設計實踐室配置方案”、“ 電子控制技術實踐室配置方案”、“ 簡易機器人實踐室”四種配置方案。
6．開展課外教育新模式的研究，開發校園科技館展品，運用科技手段展現自然之奧秘
近年來，青少年科普教育被擺在了素質教育的重要位置。教育部門和學校都希望通過對青少年進行科技教育，不僅讓他們懂得科學知識，同時教會他們掌握科學思想，運用科學方法去處理學習、生活、工作中的問題，提升青少年的綜合素質。作為科普教育的重要補充，將課堂教學與課外教學緊密結合起來，讓科技館走進校園，已經成為頗受師生喜愛的科普教育方式?！疤旎汀狈e極探索課外教學新模式，運用現代科技手段將科技館大型展品和探究性實驗儀器進行有機結合，設計出一系列結構大小適中、外型美觀、質量可靠、操作方便的展品，為青少年科普教育搭建良好的平臺。
7．將抽象的科學原理進行生動而直觀地展示，全面開發演示型實驗儀器，加深學生對理論知識的理解
演示實驗具有形象、真實、生動和有趣等特點，它可以為學生創造一個最直觀的物理情境，給學生以感性認識，幫助學生較快地形成物理概念、得出物理規律?！疤旎汀毖邪l的演示型實驗儀器將復雜的物理現象予以直觀展示，激發學生興趣，調動學生全部感官，踴躍參加課堂活動，從而學得深刻，記得牢固。
8．以全國中學生物理奧林匹克競賽目的為宗旨，開發高性能競賽實驗儀器，提升學生實驗能力
全國中學生物理競賽的目的是促進中學生提高學習物理的主動性和興趣，改進學習方法，增強學習能力。競賽重點在于考核參賽學生的基本實驗技能，考核點包括對實驗儀器原理和結構的熟悉、了解程度，操作和使用的熟練、正確、規范程度，以及在測量過程中物理原理的理解和應用程度?！疤旎汀鄙钊胙芯扛傎惔缶V，精心研制出具有高科技含量、將深奧理論直觀表現的競賽實驗儀器，為培養學生分析問題、解決問題的能力提供便利。
9．圍繞機器人競賽和教學模式，開發智能機器人系列產品，為中小學信息技術課程建設與改革服務
機器人融合了現代設計、機械、電子、傳感器、人工智能等領域的先進技術，因此，在中小學開展智能機器人活動，既適應新課程改革需要，又符合素質教育要求，對培養學生動手能力和創造能力將起到積極作用。“天煌”研發的“思想者”機器人，“締造者”機器人和“創意風暴”機器人，為中小學開展專業機器人教學，組織機器人科技小組，參加各類機器人比賽等活動，提供了豐富的軟硬件資源。
10．研究CDIO工程教育模式，開發基礎工程教育實踐教學設備，培養中小學生的創新意識和實踐能力，為工程教育發展奠定基礎
中圖分類號：G434 文獻標志碼： A 文章編號：1673-8454（2017）10-0092-05
一、引言
我國人口基數龐大，科普意識薄弱，體現在ξ⑿排笥訝Φ壬縝中傳播謠言的輕信，網絡的快速轉發率對社會造成了極大的隱患，科普教育亟待加強。作為信息時代的年輕用戶，更需要普及科學意識。然而，目前對于科普教育的傳播仍然停留于平面載體，如社區公告亭張貼、宣傳單分發等，缺乏立體化的現場感染力，實際效果不理想。眾所周知，游戲是一種深受全年齡段用戶喜愛的媒體，而虛擬現實技術則讓游戲沉浸體驗再獲提升，應用其媒體視聽優勢有望加強科普教育的教學效果。
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）概念上世紀80年代由美國的Jaron Lanier所提出，指的是由計算機構建的對真實世界或現象的模擬。隨著Oculus Rift等消費級虛擬現實設備的推出，虛擬現實重新成為市場的關注熱點，Facebook、三星、SONY等大型科技公司大力研發虛擬現實應用，尤其是虛擬現實游戲，2016年由此被稱為“虛擬現實元年”。目前，虛擬現實已經被應用于教育、培訓、文化等領域，如教育平臺Unimersiv設計了羅馬競技場、乘坐宇宙飛船探索太陽系等虛擬現實案例，通過沉浸感教學將最枯燥的課題變得生動，獲得良好反響[1]。根據Digi-Capital預測，虛擬現實軟硬件市場規模將達到1500億美元，未來5年將實現超高速增長，虛擬現實依托移動互聯網等優勢呈現巨大發展潛力[2]。基于上述背景，本研究以野外求生作為科普教育內容題材，提出采用虛擬現實技術構建一款支持包括Web在內主流平臺的科普游戲案例，闡述虛擬現實與教育游戲載體結合的方法，以此作為互聯網+時代科普教育宣傳新范式。
二、理論基礎
本研究的游戲案例基礎理論為Mihalyi Csikszentmihalyi的心流理論（Flow Theory，有時也稱沉浸理論），心流（Flow）是一種在活動中因意識投入情境而進入到忽視其它知覺的愉悅狀態。研究表明，心流的產生，可通過調整游戲情境中的挑戰與能力以影響用戶心理狀態偏離焦慮與厭倦區，靠近心流區所激發[3]。
有別于常規媒體設計，虛擬現實游戲中的挑戰與能力，主要是經由虛擬現實3i特征（沉浸：Immersion，構想：Imagination，交互： Interaction）調整實現。當今虛擬現實的優勢在于沉浸（Immersion），可幫助用戶快速構建對虛擬環境的認知，是獲取心流的必要前提?；谔摂M現實的科普游戲首當需要考慮虛擬環境的真實程度，三維建模正是還原對象特征的優先選擇，可有效連接用戶行動與知覺，這也是目前絕大多數虛擬現實應用的首選呈現方式。構想（Imagination）體現設計者的創造思想，交代游戲的世界觀，在科普游戲中表現為當前知識內容的性質、意義、因果、參照等客觀事實。沉浸與構想的設計，加速了用戶對于科普游戲案例的熟悉過程，有利于沉浸階段中的目標設立。交互（Interaction）反映游戲的人機交互理念，是沉浸持續發生的重要階段。在科普游戲設計中，利用游戲的天然優勢――快速反饋保持用戶注意力的集中，并通過設計趣味性的游戲任務保持用戶參與動機的持續，同時在任務中設置與能力相平衡的挑戰以促進行動與意識的融合，引導用戶進入沉浸從而激發心流[4]。
三、游戲設計流程概述
基于虛擬現實的科普游戲的設計流程如圖1所示，分為設計、開發、應用三個階段。設計階段包含概念創意、游戲背景設定、游戲劇情設計、游戲任務設計、游戲關卡設計等，這部分工作由整個游戲團隊共同參與討論，并由游戲策劃人員將游戲設計思想編寫為游戲腳本，方便游戲團隊了解游戲的各個組成部分與游戲的分解，并制訂開發計劃，其重點關注游戲內容與教學內容融合。開發階段包含游戲三維建模、游戲程序開發等工作，由專門的美術人員、建模人員、音頻設計人員、編程人員等負責，致力于整個游戲程序的開發實現。應用階段包含游戲測試與推廣應用，分別由測試群體與市場管理人員負責，在游戲測試中通過判斷是否發生沉浸學習決定游戲修改或，目的在于保證游戲項目的質量以及順利推廣。
四、游戲腳本設計
游戲腳本（也稱游戲設計文檔），主要用于指導游戲項目的持續性、游戲主題的連貫性以及游戲開發的順利進行[5]。本研究的科普游戲案例腳本設計包含下列步驟：首先，討論決定概念原型，確定游戲的背景設定，保證科普游戲時空背景與現實的一致。其次，設計游戲劇情，創設出野外求生的形象情境，增強用戶的代入感。再次，設計游戲任務，將遇險自救的知識內容分解到各個任務，并與劇情主線走向融合。最后，設計游戲關卡，將自救技能的虛擬現實操作與游戲難度系數進行關聯并趨向平衡，利用互動設計理念優化關卡的人性化操作，以做到對大部分用戶的友好適應。
1.概念原型
本游戲案例的概念原型是，利用Unity引擎開發一款野外自救題材的科普游戲，強調三維場景的真實展示，在虛擬情境的交互練習過程中助其達到沉浸學習。鑒于目前頭盔沉浸式等虛擬現實類型對點擊、選擇等精確交互的不友好，且體感操控、增強現實式虛擬現實則對設備或場地要求較高，較高的成本不利于推廣，與科學普及面向廣大普通用戶的原則相悖；而桌面仿真式只需要普通的個人電腦、較小的物理空間就能夠滿足運行條件，基于上述原因，本案例在游戲模式上主要采用桌面仿真式虛擬現實技術進行開發。
2.背景設定
游戲背景設定主要用于描述游戲世界觀，本案例將其定位于現代時空下的戶外場景事件，主要交代故事的由來、用戶可以在游戲中具備何種程度的能力、世界是怎樣一種物理運行規則等背景，以此匹配用戶對于現代社會野外自救行為的認知習慣。
3.劇情設計
本游戲案例的劇情設定為主角與伙伴在叢林走失，依靠自救技能在叢林內冒險尋找伙伴的故事。敘事采用影視媒體常用的三幕式結構，易于用戶理解劇情。第一幕（Act1）講述游戲主角與伙伴走失，從而深入叢林尋找伙伴，確定了游戲的人物關系、所處形勢以及面臨的主要問題，所占內容比例較少[6]。這一幕主要在于吸引用戶的注意力，盡快將其引入游戲情境。第二幕（Act2）講述主角穿越叢林的密林區、水域區以及村莊，在每個場景地圖內完成自救冒險的故事，確立主角所面臨的主要問題以及與困難做斗爭的事件關系。這一幕作為游戲劇情的展開，占據游戲大部分的內容比例，給予用戶自由，允許其控制自己的虛擬現實游戲體驗[7]。第三幕（Act3）v述主角歷經艱險，成功找到伙伴，為游戲故事劃上結局。這一幕對用戶在游戲過程中的表現進行總結，通過游戲成就的反饋結束整個游戲。其地位相當于電影的，雖然篇幅內容不多，但是對于用戶的沉浸體驗非常重要，可以有效增強或持續激發心流。三幕式設定由于在影視媒體中應用較廣，用戶對其接受度較高，可較好理解游戲情節，便于教學內容的融入。
4.任務設計
與商業游戲有所不同，科普游戲的任務設計除了創設游戲趣味性，還需要兼顧游戲項目的科學性。因此，必須考量游戲性與教育性的融合問題，即游戲任務與科普知識如何有機結合。
在游戲性與教育性融合樣式處理上，本案例的游戲任務應用了“1主線任務+3子任務”的直線型任務結構，與三幕式劇情結構呼應，利于對游戲不熟悉的用戶理解教學內容的闡釋流程；并采用游戲設計中的模糊策略，將科普知識與游戲任務設計為一種“互為彼此”的交融狀態，緩解教學內容融入游戲內容的突兀感。游戲任務在前提上仍然遵循于游戲背景與劇情設定，確保用戶順利按照任務主線進行冒險，而知識內容則通過尋找游戲地圖的物理特征與野外自救知識的性質特征的聯結點將其融入到對應任務，實現樣式如圖2所示[8]，可以看到樹林、水域、村莊等場景內的任務均與相關知識進行聯結。例如，樹林中枝葉密集的物理特性決定其易致人迷路，而如何應對迷路的科普知識包含了指南針的使用、對陌生樹林內毒蛇的防患知識，通過兩者的關聯點將指南針與防蛇知識融入到樹林地圖的迷路任務。采用模糊策劃的好處是，可助科普與游戲主線吻合，避免產生知識點游離于游戲之外的情況，既保證了良好、完整的游戲體驗，又確保科學普及的正確性。
5.關卡設計
關卡作為游戲可玩性體現的環境，擁有分界線，入口與出口，以及一定的目標、開頭與結局等特征，一般包含地形、目標（任務）、情節、對手與NPC（非玩家角色）、物品道具等要素[5]。關卡在本案例中是用以劃分知識單元的重要依據，便于用戶了解自身的學習進度。本游戲案例的關卡設計（Stage）較為明確，以區域地圖為單位，劃分為叢林、水域、村莊三個關卡。每個關卡的目標導向均明確當前任務目標，關卡內的每件道具都與自救技能的練習存在關聯，始終考慮游戲的科普宗旨，如叢林關卡中的指南針道具就是為了鍛煉尋路技能而設置。此外，關卡中的地形、道具、挑戰、難題等資源都是逐漸呈現給用戶，以保持進入下一個關卡的樂趣。
五、游戲平衡設計
在本游戲案例中，游戲平衡的類型屬于玩家用戶/游戲性平衡（Player/Gameplay Balance），為了有效觸發心流，其重點在于調整游戲挑戰難度與用戶能力的相適應，以此提升用戶在游戲過程中的愉悅感，保持用戶的學習動力。具體的平衡技巧有以下幾種[7]：
1.保持設計動機一致性
確保游戲的核心玩法，使之保持科普游戲的純粹性，令游戲特征得到良好控制。若因為過度強調趣味性而加入太多不相關的游戲特征，容易分散用戶的注意力，且影響到科普宣傳目的，如在游戲《植物大戰僵尸》中，設計動機就是對抗僵尸、防衛家園，始終貫徹如一，最終獲得市場肯定。在本案例中，設計動機始終是以科普為導向，野外自救為內容題材，追求虛擬現實帶來的沉浸體驗，特征集小而精煉，游戲任務等各項內容均為保持游戲設計動機的一致性所服務。
2.概率統計
游戲中發生的不平衡現象存在個體性、偶然性，因此需要通過測試人員對游戲程序進行測試分析，確定數據是否存在群體性異常，進而使用數學工具改善原有游戲數值或公式，使之與多數用戶的能力水平匹配。例如，在本案例的渡河任務中，若100名測試人員內有60名均長時間無法完成任務且表現出沮喪情緒，則說明游戲難度可能偏高，需聯系游戲數值策劃、游戲程序員等討論、修改。
3.動態難度調整
游戲動態難度調整指的是依靠游戲系統對用戶的各種行為進行監聽，如用戶的操作方式、行為方式、判斷能力等信息，以此作為用戶的度量標準判斷用戶的能力水平，進而調整游戲的難度，如游戲《暗黑破壞神III》就根據用戶的角色等級自動調整游戲難度。在本案例中，這一措施的關鍵是，需確定環境障礙或威脅的數量、用戶的任務持續時間、任務完成度、操作有效率等參數，以這些參數為基礎構建游戲變量并形成度量標準，配合后臺監控系統即可作出及時的自動難度調整。
4.改善用戶選擇
游戲中存在多種類型的選擇，越靠近上層的選擇對游戲的影響越大。用戶最想要的是在游戲中獲勝，游戲設計者必須為其定制有意義的選擇，即對勝負產生直接或間接影響的選擇，如在游戲《掃雷》中，用戶每一次目標區的選擇都可能對生死結果產生決定性影響，其決策等級較高。在本案例中，對于科普知識傳達及游戲任務結果具有直接或間接影響的用戶選擇會得以保留，以保證游戲的趣味性、戲劇性。其它空洞的、無根據的、無關緊要的選擇都必須摒棄，避免用戶的無意義思考影響沉浸學習。
六、游戲交互機制
心流理論顯示，清晰的目標、及時的反饋等維度都屬于影響心流產生的條件，而這些正是游戲交互機制中的關鍵因素。Werner Wirth等研究者認為，沉浸的發生需要經由用戶在頭腦中形成游戲展示給他們的世界印象，繼而以游戲世界作為自己“在”哪里的參考點，最終獲得空間臨場感（Presence）[9]。因此，良好交互機制的設定也是維持沉浸的重要條件，可減少用戶對游戲的熟悉時間，有利于快速激發心流。結合上述理論，本游戲案例設定如下游戲交互機制：
1.清晰的目標
清晰的目標，要求游戲明確表達用戶參與游戲任務的原因以及要完成的目標要求。通過目標設定，用戶可以有效定位自己在游戲中的角色使命，更好的獲取游戲中的參考點，有助沉浸產生。在本游戲案例中，所設定的目標為主角在叢林中尋找失散伙伴，用戶以此在尋找過程中探索未知的地圖，并清晰表述于游戲的開場動畫內，為沉浸體驗奠定基礎。
2.及時的反饋
及時的反饋，指的是游戲必須就用戶參與的游戲行為給予實時或者幾近實時的清晰、準確的反饋[10]。反饋是電子游戲區別于其它多媒體軟件的最大特點之一，其傳達速度極快甚至密集，內容涵蓋環境狀態、人物狀態、能力狀態、物品狀態、NPC（非玩家角色）狀態、任務狀態等在內的游戲常見狀態。在本游戲案例中，以渡河任務為例，用戶可以實時觀察游戲HUD（抬頭顯視設備）界面所反饋的渡河里程、人物方向、浮力狀態等信息，正確評估自己的能力，掌握任務的完成進度，激勵用戶取得游戲的勝利。
3.信息的關聯展示
Werner Wirth等認為空間臨場感的發生，是經由各種線索形成對虛擬空間感知的定位，從而進行判斷，進入沉浸狀態的心理模型。這個前提是用戶在游戲世界中遇到的（線索）信息應該是有所關聯的，如在本案例中會遇到樹叢下的毒蛇，這種遭遇并不會產生突兀感，用戶只會覺得毒蛇增加了森林的危險性，制造了冒險的沖突感，游戲環境在用戶心中會產生更加立體的印象；但如果樹叢下露出的是“迪斯尼米老鼠”，整個游戲的嚴肅氛圍就會被打破，導致用戶思維可能跳出野外自救的范疇，構建出其它世界觀背景，從而影響到科普游戲的目標與動機。因此，信息的展示設置需要顧及到游戲對象間的關聯，對視覺、因果、行為完整性以及物品對象間的互動作用進行協調，促進臨場的沉浸。
4.操作方法的簡化
Alan Cooper等設計專家認為，面對一個陌生的系統，每個人在一段時間內都是以新手形式存在；隨后遷移到中間用戶，成為大部分用戶的代表，且最為穩定；最后僅有少數中間用戶會轉變為專家[11]。
基于虛擬現實的科普游戲案例，也遵循這種用戶曲線規律，鑒于科普案例的持續使用時間通常小于商業游戲，可以預計用戶層次會停留在新手與中間用戶為主。因此，在游戲進程的初期，通過簡化操作方法，讓新手快速進入熟悉階段，并助其無痛苦的成為中間用戶，具體措施有同時支持鼠標左鍵單擊行走與鍵盤（WASD鍵）控制四向行走，支持滾輪縮放視角、右鍵選擇視角、任務自動尋址等為用戶普遍認可的三維游戲操作。在游戲進程的中后期，為穩定的中間用戶優化操作體驗，具體措施有設置易被發現的導航與功能交互區，提供側邊、半透明、自動移除等形式的工具提示條，永久支持調用的操作幫助界面等。通過上述操作方法的簡化，可保證大部分用戶對于游戲案例不存在使用障礙，有效增加新手成長為中間用戶的信心。
七、游戲程序開發
游戲程序的開發實現主要包含兩部分，首先采用3dsMax進行三維建模，再使用Unity引擎開發與游戲程序。期間所用到的媒體素材則由專門多媒體軟件設計實現，如圖片采用Photoshop設計，音頻采用Audition設計。
1.3dsMax三維建模
本案例中的游戲角色、物品道具、植被建筑等對象均采用3dsMax進行建模。物品道具與簡單的建筑主要采用內置模型建模，使用基本幾何形體和擴展幾何形體快速實現。相對復雜的植被建筑采用復合對象建模，對基本模型對象進行合并與修改，采用變形、連接、地形、散布等方法構建。對于最為復雜的人物、動物等模型，采用網格建模法對其設計，主要從頂點、邊和面進行精細化編輯；其中部分復雜的布線（如臉部），借助Photoshop繪制二維參考圖導入3dsMax作為底圖，實現三維布線繪制。最后，使用UV貼圖方法進行貼圖，VRay插件進行渲染，完成模型的設計工作。
2.Unity游戲開發
Unity引擎是Unity科技公司開發的支持三維虛擬現實、三維游戲等互動內容的綜合性開發工具，兼容Windows、Mac、iOS、Android、WebGL等21種主流平臺，開發周期短，對虛擬現實支持良好，極為適合作為開發科普游戲案例的首選平臺。
本案例的Unity開發流程如圖3所示，包含場景繪制、參數設置、C#編程、美化渲染等工作。
首先，導入模型、音頻、UI（User Interface）等素材文件，做好分類管理。其次，創建Terrain對象，繪制地形，設置材質紋理，并將植被、建筑等模型插入到場景，通過調整⑹完善地圖外觀。接著，按照角色、NPC、物品道具等門類，插入到場景中對應位置，以及添加碰撞體，為角色各類動作設置動畫。然后，為全局事件、動作事件等編寫C#腳本，綁定到場景中的指定對象，具體包含角色的視角控制、角色的移動、角色與任務對象的碰撞交互、UI組件的數據顯示、游戲成就記錄保存等，實現游戲案例中的各種交互功能。其中，應用Unity自帶的Nav Mesh Agent組件，對地圖對象進行烘焙與設置行走區，為角色與NPC等對象在碰撞半徑范圍的自動響應觸發，以及實現標記節點的自動追蹤等智能功能提供支持，提升游戲的人工智能。此外，值得一提的是對于人稱視覺的統一化設計以及交互操作的簡化，可為引入Google VR SDK預留接口，若頭盔顯示器條件足夠成熟，只需要將主攝像機添加Google VR SDK的StereoController組件即可創設立體視覺。最后，為場景添加粒子特效、天空盒，渲染美化視覺，為支持Windows、Mac OS、Web等主流平臺的應用程序，可直接本地運行或依托Unity Web Player在瀏覽器中解析運行，保證程序的強大兼容性。最終效果如圖4所示。
八、結束語
虛擬現實與沉浸的交集歷來是用戶關注的焦點，在2016年更是掀起市場熱潮，本研究即基于此背景，采用Unity引擎開發基于虛擬現實的游戲案例，將其應用于科普教育領域，豐富原有的科普教育資源，提升教學效果。優秀的游戲設計，可以更好地發揮虛擬現實技術的優勢，有助用戶達到沉浸、激發心流。
展望未來，科普游戲的創新方向也許是與虛擬現實、增強現實的混合應用，如將本案例中的迷路任務進行增強現實設計，可用手機攝像頭掃描印有指南針的照片，屏幕立刻呈現三維指南針模型的虛擬現實交互操作，在身臨其境的基礎上更易克服眩暈這一典型問題，突破教育游戲的技術普及型問題，這值得教育游戲設計者去實踐研究。
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摘要：智能專業作為具有工科特色的新興專業，實驗教學是必不可少的環節。文章闡述如何依托科研項目帶動教學實驗，建設仿真實驗平臺。舉例介紹實驗平臺中的幾個具體實驗項目，說明通過科研與實驗教學的互動，可以豐富智能專業的教學資源，提升教學方法，使科研成果和科研難題有新的“用武之地”。
關鍵詞 ：智能科學與技術；實驗教學；仿真實驗平臺
基金項目：南開大學2014年本科重點教學改革項目；中國科協高校科普創作與傳播試點項目( 2012KPZP183)；國家自然科學基金項目( 61375087)；2015年南開大學研究生創新計劃項目。
第一作者簡介：周璐，女，中級實驗師，研究方向為智能機器人技術、虛擬仿真技術、機器人科普教育，zhoulu@nankai.edu.cn。
0 引 言
南開大學智能專業建設依托機器人與信息自動化研究所，至今已走過十個年頭，堅持科研帶動教學是我們專業建設的特色思路。通過幾年的認真研究和發掘，一批面向智能專業教學的仿真實驗平臺應運而生。
1 仿真實驗平臺建設背景
眾所周知，智能科學技術是一個融合計算機、人工智能、模式識別等研究領域的交叉性學科，這些前沿技術也是當前智能科學發展的動力和源泉。我們嘗試將科研成果與智能專業教學相結合，用高水平的學術研究反哺課程教學，使科研項目作為優秀的教學資源，傳承到課程改革實踐中。
很多高校智能專業的教師團隊大部分需要從事教學、科研雙重工作。教師將自己或團隊中的科研成果開發成適合學生的教學實例，既能讓科研資源發揮作用，又能將自己的研究理念傳授給學生，使課程的開展更加得心應手。
絕大部分智能專業學生畢業后繼續從事相關領域的深造和技術工作，因此教師的工作更加貼近前沿的科研技術、貼近實際的實驗教學，能使學生的科研素養和實踐能力得到更大的提高。
2 在智能專業教學實踐中的作用
首先，仿真平臺應用于教學實驗具有很多好處：該平臺相對于枯燥的公式推導和計算，起到豐富教學內容、優化演示效果、提升教學能力等作用；相對于實體機器操作，有節約成本、拓展實驗領域、降低安全風險等作用。
其次，我們建設的仿真實驗平臺由多個仿真系統組成，這些仿真系統均來自機器人所承擔的重大課題和實際科研項目。以智能科學與技術專業的教學內容為大綱，我們在充分發掘這些仿真系統功能的基礎上，設置了對應的實驗項目。這些實驗項目相對于傳統實驗，更關注技術的前瞻性，更有利于培養學生的綜合設計和創新能力。
最后，這種教學方法除了傳授給學生前沿的知識以外，還能逐漸提高學生對研究性學習的興趣，更有利于培養具有實踐本領和創新精神的高素質人才。
3 平臺建設情況
3.1 將實驗項目分類設計
南開大學組織學位委員會專家和一線教師，根據智能科學與技術專業的培養方案，制定了實驗教學大綱。根據實驗教學大綱，教師們經過多次研討，選定恰當的實驗項目，并將實驗項目分為基礎型、綜合型、創新型3類。
(1)基礎型：主要培養學生的基本實驗技能，使之了解知識原理，鞏固和加深基本理論，在此基礎上重點培養學生掌握基本實驗工具、基本實驗方法、計算機輔助工具、科學仿真與計算軟件的使用方法，培養學生的實驗技能，為以后學生進行更綜合的實驗打下基礎。
(2)綜合型：以提高學生的設計能力和綜合能力為主，實驗內容側重于綜合應用本課程的知識及相關課程知識，設計并完成有一定難度的實驗。學生要分析實驗中的現象，最后通過數據整理實驗結果，完成全過程實踐。
(3)創新型：安排學生參與兼具研究性和探索性的大型實驗。該類實驗題目往往是從科學研究、實際科研項目、大型工程實踐等項目中提煉出來的子課題或子系統。教師應該指導學生通過分析實際問題，提出創新解決方案，并進行優化比選。
在安排實驗項目內容時，要求任課教師注重增加綜合型和創新型實驗項目，并及時更新實驗項目的內容，使實驗項目既能反映本學科理論的最新發展，又能將教師的科研成果引入實驗教學。
目前，在仿真實驗平臺建設方面，我們將科研成果應用于本科教學中，初步建立了兩個創新型仿真平臺和兩個綜合型仿真平臺。
3.2 具體實驗項目舉例
1)虛擬機器人仿真開發實驗（創新型）。
學生可以在圖形化界面下進行機器人設計、搭建，并通過系統的MATLAB接口實現虛擬運行，從而驅動自己搭建的機器人。
機械設計對于智能專業學生的培訓并非重點，應該更多地關注在建立三維模型后，對機器人和工作任務的控制環節。本套仿真系統的三維建模功能可以讓學生輕松上手，簡單快速地搭建機器人，類似拼搭樂高積木。同時，虛擬機器人可以與軌跡規劃相結合，在虛擬場景中讓機器人運動起來。圖1為學生搭建的虛擬移動機器人以及它在Simulink環境中的軌跡規劃和運動仿真。離線編程模塊可以讓學生用簡單的編程語言控制機器人運動。本實驗可以應用于機器人學／機器人學導論等課程的實驗教學，訓練學生的設計能力和建模能力。
項目來源：中國科協高?？破談撟髋c傳播試點項目( 2012KPZP183)。
2)可配置多機器人仿真開發實驗平臺（綜合型）。
圖2為可配置多機器人仿真開發實驗平臺，通過雙工業機器人仿真平臺，學生可以在圖形化界面下學習機器人的相關知識，鞏固機器人學中正逆運動學、雅克比矩陣、軌跡規劃等重要概念，也可以通過算法設計，完成關節限位、避碰檢測、路徑跟蹤等任務級作業，從而更好地理解工業級機器人的各項控制方法。該實驗可以應用于機器人學／機器人學導論、機器智能基礎等課程。
機器人工作空間和奇異點問題需要較為復雜的計算和推導，理解起來有些抽象，但通過仿真系統進行演示非常直觀。學生可以將自己規劃的算法或關節空間下控制序列輸入系統，驗證自己的實驗效果。
項目來源：競爭型機器人遙操作機理的研究( 60575048)，國家自然科學基金；雙臂機器人協調集成技術及其復雜作業的研究，國家863項目。
3)多機器人視覺仿真系統（綜合型）。
圖3為多機器人視覺仿真系統，使用了MATLAB編程環境將機器人的各個關節參數實時地顯示出來，學生可以在熟悉的MATLAB界面下，在系統中實現視覺伺服相關理論、核心算法。該仿真平臺可以讓學生綜合鍛煉視覺伺服參數標定、算法驗證、誤差分析等能力，能夠應用于機器智能基礎等課程。
機器視覺作為智能專業的主干課程，在本科教學中非常重要，然而學生通過操作攝像機進行視覺標定實驗需要的硬件設備較多，對環境光線、空間等要求較高。為了讓學生更快地理解各種算法和標定方法，可以讓學生借助這套仿真系統進行鍛煉，同時引入噪聲等變量模仿環境干擾，進行誤差分析、視覺伺服補償、算法優化等作業。
項目來源：基于遠程網開放的機器人實驗平臺( 2001AA422290)，十五863計劃。
4)航天工程機械臂仿真實驗（創新型）。
圖4為航天工程機械臂仿真實驗系統，學生可以在逼真的三維空間環境下，學習虛擬仿真技術、虛擬現實技術。在課程中，教師可以讓學生嘗試將多維力、聲、觸、視等反饋設備加入系統，鍛煉數據分析、系統集成能力。該實驗可以應用于機器視覺基礎、智能專業實踐等課程。
項目來源：基于網絡遙觀測機器人的野外生態觀測技術研究( 61375087)，國家自然科學基金。
4 結語
南開大學智能科學與技術專業根據本學科的積累和建設特色，將“科研項目帶動教學”作為一種全新思路進行嘗試，取得了一定效果。通過挖掘和延伸設計實際科研項目中的仿真系統，目前已經初步建設完成了一些較好的實驗項目。智能專業的機器人學課程對實驗平臺的應用最為深入，通過實驗項目提高了學生對機器人動力學、運動學、軌跡規劃等知識的學習效果。我們將在今后的教學過程中，繼續豐富和優化實驗項目，使實驗平臺越來越完善。
參考文獻：
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一、高?？茀f開展科普工作的現狀
《中國科協、教育部關于加強高等學?？茀f工作的意見》明確提出，高?？茀f的主要任務之一就是開展科學技術普及活動，其主要內容為：貫徹《全民科學素質行動計劃綱要》，組織師生面向公眾開展科學技術普及活動。運用高?？破召Y源，開放實驗室、標本室、博物館、實驗示范基地等場所，面向公眾普及科學知識。組織師生參與科技周、科普日、科普征文、科普報告、科普創作等活動。整合大學生科普志愿者、科普宣講團、校內科技社團等力量，深入社區 、農村、企業、學校開展科普服務。該文明確了高?？茀f開展科普工作的內容及主要形式。
（一）高校科協開展科普工作的主要形式
1.科普講座?？破罩v座是一種近距離、面對面的信息傳播形式，一直以來就是高?？茀f舉辦科普活動的重要形式之一，每年高校都要舉辦多場次不同內容的科普講座，主要對象有學生、老師和離退休人員。就講座的主題邀請該領域的老師或專業人員就該領域某一主題向師生介紹與此相關的知識。講座內容主要以自然科技知識為主，如針對學生群體的心理講座，針對離退休人員的保健知識講座等。
2.科技競賽。高?？茀f組織大中小學生科技競賽也是舉辦科普活動的形式之一。如由著名物理學家諾貝爾獎獲得者楊振寧博士倡議，香港億利達工業發展集團有限公司董事長劉永齡先生出資在“四省二市”（湖北、四川、江蘇、浙江、天津、上海）設立了“億利達青少年發明獎”，該獎項由全國“四省二市”（湖北、四川、江蘇、浙江、天津、上海）的高?？茀f輪流承辦，每兩年評選一次。這項活動受到中小學師生的熱烈歡迎，每年都收到來自“四省二市”中小學生數百件參賽作品。再如，有些高校科協依托學生社團（如研究生科協、大學生科協等），開展大學生創新創意作品大賽活動，評選出優秀作品并推薦參加中國科協等舉辦的全國青少年創新創意大賽參賽作品。還有些高?？茀f依托掛靠學會組織科技競賽，如華中科技大學科協依托湖北省力學學會參與組織了中國力學學會主辦的“第九屆全國周培源大學生力學競賽”湖北賽區工作。這些活動極大地激發了青少年參與科技活動的熱情，有效培養了青少年對科學的興趣。
3.高校科學營活動及其他活動。舉辦科學營也是高?？茀f進行科普活動的又一形式。如由中國科協、教育部共同主辦，中國科學院為支持單位，全國40余所教育部直屬重點高校、各省級科協和省級教育廳（教委）共同承辦的全國青少年高校科學營活動，都取得較好的科普效果。其他諸如支持學生社團開展學?？萍脊?、下午茶、學術沙龍、學術論壇，組織參觀各種科普展覽等活動。
（二）高?？茀f科普工作存在的問題
1.科普形式單一、內容陳舊，影響范圍有限。從上述高校科協開展科普工作形式來看，當前高校科協囿于所處環境，其主要科普對象為在校大中小學生，加之場地受限，致使科普形式創新程度與動力皆不足。傳統并被認為有效的科普形式，如科普講座、科技競賽和科學營活動被視為高?？茀f科普工作的固有模式。這些固有模式日復一日，年復一年，歷年難有變化，既不能吸引更多潛在科普受眾，其科普效應也大打折扣，如科普講座。據調查，各高校講座形式基本上是授者講，受者聽 ，盡管設有互動環節，但都不夠深入，很難發揮受眾在活動中的主觀能動性，間接影響了活動效果。盡管科技競賽和科學營活動形式是傳統的，也是有效的，但由于其受眾主要局限于小范圍的大中小學生，因此很難走出校園，走向社會，因而不能達到更大范圍傳播科技知識，擴大科普活動影響力的作用。
2.科普人才培養不力。科普工作是全方位、系統性的工程，其所需的各類專業人才是相當廣泛的。作為高?？破杖瞬?，理應包括科普行政管理人員和傳授科技專業知識的專門人員，但高?？茀f在各類科普人才培養方面還有待改進。主要表現為：（1）科普行政管理人員的培養重視不夠。據了解，全國高?？茀f通常是掛靠在學校的科技處（科發院），有很多學校的科協工作都是由科技?的工作人員兼任，沒有專職人員，想要開展科普活動，困難很大。（2）科普知識傳播人才挖掘不夠。多數高?？茀f工作人員主要是行政管理人員，少有專門傳播科技知識的人才，傳播科技知識的人員多是兼職的，因此高?？茀f舉辦科普講座時只能根據講座內容，邀請相關專業的教師臨時擔任。高校對教師從事科普工作的評價普遍不夠重視，嚴重影響了兼職教師進行科普活動的積極性。（3）科普高層次人才匱乏。目前，我國高校里鮮有培養科普人才的本科專業。2012年教育部與中國科協聯合開展推進培養高層次科普專門人才試點工作，首批在清華大學、北京航空航天大學、北京師范大學、華東師范大學、浙江大學、華中科技大學等6所高校先期開展培養科普教育人才、科普產品創意與設計人才、科普傳媒人才三個方向的試點工作，試點工作培養目標是具有科普場館及相關行業各類展覽與教育活動等科普產品的設計開發、理論研究、組織實施與項目管理能力的高素質復合型人才。這無異于打開了科普人才隊伍培養的大門，但對于我國龐大的科普活動規模，也無異于杯水車薪。而對于科普活動中的核心人員――傳授專業知識的人才仍然沒有涉及。
3.對與科技相關的社會熱點問題關注不足[4]。社會發展到互聯網時代，熱點問題層出不窮，與科技相關的社會熱點問題也不在少?怠?2016年就有很多讓公眾應接不暇并引起極大關注的新鮮事，如2月的“引力波”事件、3月的圍棋人機大戰、毒疫苗等事件。公眾對這些事件給予極大的熱情和好奇，對于大多數人來說，這些充滿了未知數的事件，迫切需要了解與此相關的科技知識和人文知識。但據了解，目前還沒有高?？茀f就這些公眾關注的社會熱點問題進行跟進，更沒有進行及時的科普活動。
二、高?？茀f創新科普工作的優勢
（一）智力優勢
高?？茀f是校黨委領導下的科技工作者的群眾性學術團體，是科技工作者之家。 高校聚集了眾多擁有各學科背景的科技工作者，這就為不同主題的科普活動提供了豐富的人才優勢。高?？茀f應主動搭橋，讓他們的專業知識和技能在科學普及工作這個戰場上能大有用武之地。
（二）受眾優勢
高?？茀f科普活動面對的主要對象是大學生、研究生、離退休人員等，這個群體受教育程度比較高，科學素養也相對社會其他群體高，對學習知識有主動性，對未知事物有比較強烈的求知欲，與科普想要達成的目標有比較高的契合度。
（三）場地優勢
高校擁有校史館、圖書館、科研設施、眾多的實驗室和校園網絡。 2007年，國家多部委聯合的《關于科研機構和大學向社會開放開展科普活動的若干意見》明確指出，科研機構和大學將科研設施、場所等科技資源向社會開放，開展科普活動，科研機構和大學向社會開放，要堅持公益性原則，突出社會效益。因此，高校在全國科普日、校園開放日、科技周等節日向社會公眾開放，有利于大力推進科普活動。
（四）組織優勢
在科普組織工作方面，高?？茀f有為數眾多的各類掛靠學會可以依托。掛靠學會是高校科協的一支主力軍，學會里聚集了眾多的行業專家，高?？茀f應利用這個平臺，與協會協同作戰，強強聯合，做強做大做優科普工作。此外，高校還有一個社會團體不能比擬的優勢，那就是各類學生社團，如研究生科協和大學生科協，是高?？茀f的基本組織單位，高?？茀f完全可以與學生社團聯手打造一支龐大的科普志愿者隊伍，讓擁有專業知識的年輕學生，以他們特有的激情和對新生事物天然的敏銳性參與到科普隊伍當中來，這對于高?？茀f科普工作大有裨益。
三、高校科協創新科普工作的對策
在“互聯網+”時代，與公眾息息相關的科學、文化、藝術等領域，熱點問題層出不窮，公眾環境與公眾關注的焦點也在不斷變換，真可謂是“科學與偽科學齊飛，信息共偽信息一色”。面對如此眾多良莠不齊、似是而非、真真假假的信息，公眾群體應接不暇，無法分辨。高?？茀f在新形勢下，面對復雜的受眾環境，開展科普活動時要創新理念、開拓思路、培養科普人才、創新模式，只有這樣，才能使科普活動更有活力和吸引力。
（一）創新理念
創新理念是高?？茀f創新科普工作的關鍵。當前，科普不僅是傳播科學技術，還要傳播社會科學知識，但更重要的是向公眾傳播科學方法、科學思想、科學精神。高校科協要從理念上摒棄科普就是科技知識的傳播的觀念，擴大科普活動主題范圍（人文、社會、歷史、哲學、藝術等），使科普對象既接受科技知識的洗禮，也接受人文知識的熏陶，使科普工作從主要以傳播科技知識為主，轉變為既傳播知識也傳播文化，把“倡導科學方法、傳播科學思想、弘揚科學精神”的理念始終貫穿于科普活動中。
（二）開拓思路
1.結合熱點問題開展科普工作[5]。當前，高?？茀f除了做好傳統的科普工作外，更應積極關注當下的社會熱點問題，因為熱點問題可以為科普工作提供鮮活而豐富的素材。如“引力波”事件，可以提供科學史、物理學、天文學的知識；“民科”引起的爭議，除了可以提供科學與偽科學甄別的知識，還可以提供心理學的知識；“華陰老腔”則可以提供中華民族歷史、民風、民俗和民族音樂的知識；2016年，由人工智能系統AlphaGo挑戰世界圍棋冠軍李世石的人機世紀大戰，提供的不僅是圍棋知識，還有人工智能、機器人、人類未來等方面的知識；毒疫苗事件則可以提供醫學、防疫、危機管理等方面的知識，但更重要的是這些熱點事件是公眾關注的焦點，他們對層出不窮的新鮮事充滿了疑惑和求知欲。興趣是最好的老師，公眾對熱點問題有著鮮活的熱情和濃厚的興趣，高?？茀f要順應時代潮流，把握公眾心理傾向，回應公眾關注的焦點，及時傳播公眾急需的知識，解答他們的疑惑，滿足他們的求知欲，只有這樣，才能更好地提高公眾的科學素養。
2.精準把握科普契入點。在當今“互聯網+”的時代，高?？茀f科普工作在借鑒新聞報導形式，注重時效性、影響力和顯赫度[6]的同時，應精準把握好科普工作的契入點。這就要求高?？茀f要及時了解受眾環境，有針對性地開展科普活動；要敏銳地抓取一些公眾當下關注的社會熱點事件，適時組織專業人員撰寫與此相關的科普文章，利用校園網和科協網站這個有利陣地，第一時間把相關科技知識傳播出去，在瞬息萬變的信息時出高?？茀f科普活動的聲音。
3.著力培養科普人才?？破杖瞬攀歉咝？茀f創新科普工作的強力支撐。長期以來，高校科協科普工作一般只提供科普資源整合、科普資金投入、科普場館建設，而科普人才隊伍的建設最核心的問題往往被忽略。具體到高?？茀f，科普專業人才除了科普行政管理人員，還應理解為包括專門從事科技知識傳授的具備專業資格的人員[7]。因此，高?？茀f要著力培養科普人才。首先，依托“科技工作者之家”這個平臺，逐步建立完善科普專家庫，打造一支“招之即來，來之能戰，戰之有效”的兼職科普人員隊伍。其次，大力促成高校建立一支專職科普隊伍，培養專業化的人才，打造職業化的隊伍?？梢钥紤]把一些致力于科普事業的各門類專業技術人員轉為專職，在職稱評定、福利待遇等方面為他們爭取應有的權益。最后，培養科普專業的后備人才。建議呼吁教育部出臺政策，在高校新增科普傳播和科普教育專業，文理兼招，課程應涵蓋理、工、農、醫、管，以及哲學、社會學、心理學、新聞學等學科，為高校開展日益繁榮的科普活動培養一批有各學科門類知識背景的專業人才。
（三）模式創新
1.高?？茀f要對傳統的科普模式注入新的元素。如科普講座要處理好授者與受者的關系，改變授者灌輸，受者被動接受的簡單方式，授者除了傳授專業知識外，也要允許受眾提出質疑，因為真正的科學是經得起質疑的，而質疑是培養科學精神的核心。授者與受者的良性互動，會對科普知識的傳播帶來更好的效果。與此同時，高?？茀f還可以簡報的形式向公眾發放講座內容，以擴大受眾面，增強科普效果?？茖W營除了傳統的參觀科普場館、動手制作科技產品、聆聽大師講座等形式外，也可以考慮把科技和人文知識融入歌舞、戲劇、書法、繪畫、音頻、視頻等豐富多彩的形式，讓青少年更樂于接受。
2.高?？茀f要善于“借勢”。高?？茀f要緊跟時代潮流，借助“互聯網+”，充分利用校園網的優勢，進行形式多樣的科普活動。比如，除了傳統的講座、科學營、科技競賽、參觀科普場館等模式，還可以采用公眾喜聞樂見的方式，如音樂、歌曲、舞蹈、書法、繪畫等，把科普內容融入其中，把科普知識更快、更好、更大范圍的傳播出去。
中職教育與普通高中教育的最大區別在于中職教育是專業教育、就業導向教育，因此，各類課程與普高存在著較大區別?？墒牵捎谖覈闹新殞W校相當一部分是由普高轉化而來，教師也主要是由普教系統培養而來，這使得部分中職教師在教學中形成了強大的思維定勢和教學習慣，難以適應中職教學的實際要求，語文教學更是如此。在實際教學中，中職教師大都還按照普高的方法開展中職語文教學，這就產生了矛盾和沖突，教師會抱怨學生基礎太差、無心向學，學生即抱怨語文課太枯燥、學無所用。如何破解這一難題，以使中職語文教學更加符合實際，也更適應學生的需求？筆者認為，結合學生專業開展語文教學是一條科學、切實可行的道路。
一、結合專業開展中職語文教學的必要性
1.結合專業開展中職語文教學，是語文學科工具性、人文性的必然要求。
《中等職業學校語文教學大綱》中明確指出：“工具性與人文性的統一，是語文課程的基本特點?！惫ぞ咝苑矫妫胀ǖ恼Z言應用能力要求外，還要求“為綜合職業能力的形成，以及繼續學習奠定基礎”“以適應就業和創業的需要”；人文性則要求“提高學生的思想道德修養和科學文化素養”“為培養高素質勞動者服務”“促進職業生涯的發展”。由于不同的行業，不同的就業目標崗位，其語文應用的形式和特點不同，從業人員未來職業生涯的發展特點也不同，這就要求中職語文教學要有針對性，要結合專業進行教學，才能激發學生的學習興趣，符合學生就業、創業需求，也才能為學生的未來生涯發展奠定良好基礎。在工具性方面，如旅游、幼師專業要加強口語表達的訓練和提高，文秘專業要強化寫作能力的訓練和要求，計算機、動漫專業的學生要加強書法、字體知識方面的培養，教會學生選擇合適的字體、字號，從而編排出美觀得體的版面。在人文精神方面，服務類專業可側重培養熱情、用心服務的觀念，而加工制造類專業可側重培養其科學、嚴謹、細致、認真的素質。這些就要求中職語文教學要具有針對性，要結合學生的專業開展教學。
2.結合專業開展中職語文教學，可激發學生學習語文的興趣。
興趣是最好的老師，“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，如果學生對語文課感興趣了，教學自然就好組織，效率、效果也會大幅提升。中職生所學的專業是中考時志愿選擇的結果，整體上反映了學生對于未來的職業取向。那么中職生對于與其未來就業、職業、行業相關的知識會比較有興趣。中職教師如果結合學生的專業特點來開展語文教學，讓學生意識到語文也是與其未來的工作息息相關的，自然能激發起學生學習語文的興趣。
3.結合專業開展中職語文教學，可發揮語文為專業服務的功能。
從中職教育的課程體系看，所有課程，從整體看都是為學生的未來的職業服務的。雖然從功用上、內容上有相對的學科劃分，但其總體目標，從宏觀上是一致的。因此，語文自然也要為學生的職業服務，為學生的專業服務。除此以外，語文教學還承擔著培養學生的基本人文素養、語言交流能力的職能，為學生的綜合素質、未來發展服務，這與為專業服務是相輔相成的。因此，結合專業開展中職語文教學，可進一步激發語文教師為專業培養和發展服務的觀念，進一步發揮語文為專業服務的功能。
4.結合專業開展中職語文教學，可進一步體現因材施教的教育思想。
學生的專業不同，其語文基礎、習慣和現有語文能力、語文的價值或選擇取向自然不同，同一個專業的學生從整體上看往往具有相似、相近的特征。專業內的整體共同特征和專業間的巨大差異，也要求語文教學結合實際情況采取的不同策略和方法。如文秘類、財經類、旅游類和幼師等專業的學生，一般語文基礎較好，語言表達能力也比較強，機械類、電子電工類、計算機類等專業的學生語文基礎普遍較差。美國發展心理學家霍華德?加德納教授的多元智能理論認為，我們的智能是多元的，各種智能只有領域的不同，而沒有優劣之分或輕重之別。多元智能理論強調每個學生在智能方面是存在差異的，每個學生都有可資發展的潛能?；诖?，教師不難發現很多中職專業的學生也并不是所謂的差生，只是擁有不同類型的智能而已，每個學生都有自己的思維和學習優勢。例如，我們不能認為電子類專業的學生比財經類的學生差，只是智能類型不同而矣。因此在教學中，教師要采用合適的教學方式和方法，讓學生選擇自己喜歡的學習方式，充分發揮自己的智能優勢。筆者認為，教師認識到中職生基于多元智能理論的差異的客觀存在是中職語文結合專業開展教學的起點和依據。
綜上所述，結合學生專業開展語文教學不但是職教系統外在的要求，也是以生為本的內在要求，是由中職語文教學的特定功能和目標決定的。
二、如何結合學生專業開展中職語文教學
中職語文教師，作為直接面向學生的教學組織者，如何結合學生的專業特點開展語文教學呢？結合當前中職教學的實際，可主要從以下幾個方面入手。
1.增強結合專業開展教學的自覺性，從我做起。
教師要從思想上認識到結合中職專業開展語文教學是中職教育深入發展的必然，也是語文達到教學目標的內在要求。筆者了解到，某些條件較好的學校已對結合專業開展語文教學進行了相關規劃和組織，如有的學校的語文教研室比較成熟，教師們常共同研究、探索教學重難點，在這種環境下，教師比較容易參與其中，也比較容易在語文教學中結合專業來開展教學。相反，有的學校沒有這種研究氛圍，那么教師要實施起來就相對困難。但即使如此，教師也不能只作等待、觀望。教學是刻不容緩的，如果沒有良好的外部條件，教師就要從我做起，從日常教學做起，增強結合專業開展教學的自覺性，只要有這種結合專業開展教學的理念，并注重相應的策略，也是可以在語文教學中達到相應的效果的。
2.深入了解各專業的特點與需求，為結合專業開展教學奠好基礎。
語文教師對中職專業的了解往往不深，他們認為這與自己的課程關系不大，很多教師認為只需要知道這個專業的學生是男生多還是女生多就可以了。其實，這是遠遠不夠的，要結合專業開展教學就要深入了解相關專業，分析其特點與相關需求。根據目前中職教育的實際，主要需要了解以下幾個方面：①專業培養目標，即這個專業要培養什么樣的人，學生主要的就業目標、崗位是什么，主要培養學生具備什么方面的知識和技能；②專業的課程體系，即主要開設哪些課程，核心課程有哪些；③崗位主要工作任務，即學生走上工作崗位后的主要工作內容是什么；④行業職業崗位發展規律，即學生畢業進入行業后的崗位上升路線是怎樣的。語文教師要了解專業的以上相關情況，可通過以下的部門和人員來進行了解：①專業部――通過專業部可了解專業規劃，課程體系等；②學校的招生就業辦公室――可向其了解學生就業崗位及相關情況，了解學生職業發展規律；③校企合作相關企業、行業協會、就業企業等――了解主要生產、服務任務，對學生能力需求，對學校培養意見、建議等；④相關班主任、專業課教師――了解學生相關語文培養需求，學生對語文課的反饋意見、建議；⑤其他語文教師――交流結合專業開展語文教學的思路和方法，分析不同專業學生的不同特點。教師在了解過程中可以采用交流、訪談、問卷等多種形式，收集、分析有關數據和信息。只有深入了解專業的相關情況和需求，了解學生的特點，才能為教學設計和改革確定目標和方向，才能為結合專業開展語文教學的探索和實踐奠定扎實的基礎。
3.選擇合適的教學內容，有針對性地組織語文實踐活動。
（1）在現有統編教材的基礎上，可以根據專業培養、就業崗位的需要，補充與專業相關的教學資料?，F有教材中一些與時代、專業相距較遠的可以留作自讀。另外補充一些體現行業發展的、接近學生未來崗位需要的課文和其他教學內容。如計算機類專業的學生可補充一些體現當前信息技術最新發展的科普文章，汽車運用與維修專業可補充一些汽車新型、新能源汽車的科技文章，財經類專業可補充當前電子商務方面的新聞或文章，電子類專業可補充一些智能機器人、人工智能等方面的科普文章，藝術類專業可補充一些藝術大師的散文或藝術評論等。有補充有舍棄，都是圍繞為專業服務，為學生的就業和未來發展服務。
（2）可收集、編印一些與專業相關的語文閱讀材料作為學生的輔助學習材料。教師可組織、指導學生進行課外閱讀，作為對課堂教學的補充。
（3）結合專業，突出、強化培養不同的語言交流方式。如加工制造類專業學生的邏輯能力強，可突出一些實用類的應用寫作能力培養，如工作計劃、總結，科技制作說明，工藝流程說明，工作方案、報告等；服務類專業則突出口語表達訓練，如人物介紹、產品介紹、景點介紹，寫作方面側重記述事件過程、表情達意訓練。
（4）結合專業，開展特色語文實踐活動。如旅游專業可組織導游解說訓練、演講比賽等；幼師專業可組織講故事表演、詩歌朗誦比賽；文秘專業可舉行快速作文訓練、書法比賽等；電子類專業可組織某電子產品的調查分析報告活動；計算機類專業可組織電子手抄報、個人網頁設計、集體活動的多媒體記錄與解說等制作，還可評比學生博客、微博等。有的語文實踐活動甚至可以在校外、實習企業、工作場景中開展，這樣，語文教學就有了更廣闊的舞臺，也更貼近實際應用。
4.針對不同專業，采用不同的授課方式、組織方式。
傳統的課堂教學方法比較單一，束縛了學生的主觀能動性和個性的張揚。結合學生專業開展語文教學需要教師根據專業的不同，采用靈活多樣的教學方法，最大限度地調動學生學習的積極性，從而挖掘學生的潛能。例如，對于同一首詩歌的教學，對幼師、旅游等專業的學生可以采用配樂朗誦法，讓學生充分發揮自己口語表達方面的優勢，通過聲情并茂的朗讀把自己對詩歌內涵的領悟表現出來；工藝美術、裝潢設計等專業的學生則可以讓他們充分展開想象把詩歌的意境用手中的筆畫出來；而計算機、動漫專業的學生也可以充分利用他們的專業優勢，把自己對詩歌的把握設計成動漫作品在課堂上進行演示。同時，教師還要根據班級人數的多少，靈活地改變教學方法。如對人數多的班可以采用集體或分組朗誦法，增強集體意識，培養合作精神；而對人數較少的班則可以采用朗誦比賽法，讓每位學生的才能都得到展現和發揮。
總之，結合學生專業開展中職語文教學，既是必要的，也是可行的，這是中職語文教學的目標和方向。語文教師在教學中要結合學生專業靈活處理教學內容、采用合適的教學方法和手段適應學生的專業差異，從而切實貫徹“以服務為宗旨，以就業為導向”的指導思想，以學習者為中心，以能力為本位，按需施教，突出職教特色，盡可能滿足不同專業的中職生對語文學習的不同需求，從而讓每位中職生都能學有所長，學有所成。
（作者單位：中山市中等專業學校）
1 什么是VR虛擬現實技術與科技館結合
隨著現代科技館的發展，傳統的信息技術已經滿足不了科技館傳播知識的需要。就以普通的虛擬動畫漫游為例子，VR游戲越來越多，那么什么是VR呢，VR虛擬現實技術（Virtul Reality，簡稱VR）定義：亦稱“靈境”、“幻真”是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術（又稱虛擬現實技術）或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時地，沒有限制地觀察三度空間內的事物。假設一個人在家通過VR設備打開科技館的網站，進入一個虛擬的科技館，屆時會彈出3D環境模型，并且可以360度旋轉，仿佛真正走到科技館的展廳中，讓觀眾從所有的角度觀察展廳的細節；還可以靠近某一件展品，并通過傳感遙控器點擊展品開關，觀看該展品所展示的科學內容以及這一內容是如何被演示的。觀眾所有的操作都依靠手勢來完成。該設備上的傳感器能識別用戶用手指發出的各種命令。VR虛擬現實技術就是通過 數字化現實+虛擬數字畫面提供給觀眾身臨其境的感受。
VR虛擬現實環境與科技館真實環境結合通過以下三點來實現。
第一點：沉浸體驗性。
VR虛擬技術是以計算機為依托并結合音響與傳感器生成的一個身臨其境的虛擬環境，讓參與者“幻真感受”，讓其視覺、感覺、嗅覺等沉浸在虛幻的世界，體驗虛擬環境所有的一切。這種“幻真感受”體驗是多方面的，參與者可以全方位沉浸這虛幻世界中，這就是VR虛擬現實技術的首要功能，參與者能從自己的視點出發，使用自身本能和一些外部輔助設備對VR生成的虛擬世界進行瀏覽和交互體驗。所謂沉浸感（Immersion），即身臨其境的參與感。通常，科技館的球幕影院和4D影院就是沉浸感技術的代表。
第二點：體驗交互性。
際上，我們看到的VR并不是一個靜態環境而是一個動態并且開放的環境，這一環境的實現往往需要一些周邊設備和傳感器裝置。例如吉林省科技館真車模擬駕駛就通過6個自由度平臺加上奔騰B50真車上的電子傳感器，再結合計算機上的VR系統，體驗者只需要進入車內并帶上VR眼鏡，就可以進行仿真車駕駛，還能夠完成日常駕駛的所有操作。例如超車、漂移、走盤山路、環境惡劣路面駕駛等，這些都可以真實再現。在科技館里，常規大型展品，如地震避險、太空漫游、虛擬滑雪、虛擬足球、虛擬戰爭游戲、模擬駕駛、虛擬風暴等，這些都可以連接上述設備配合著VR游戲軟件就可以實現仿真互動。常規展項展出需要很大占地面積的展品都可以通過VR技術連同輔助設備來實現，從而形成占地面積小、展示新穎、互動性強的新型體驗模式。
第三點：VR思維性。
VR虛擬設計可以體現在科技館內關于工程、軍事、航空航天、航海等方面展品的展示。例如，青少年可以通過VR虛擬設計，設計一棟自己蓋的大樓。首先選擇相應的插件，由于插件上安有傳感器，計算機能夠識別所選內容，然后，通過操控桿操控虛擬畫面中的吊車，身臨其境的感受到自己真的在一個大型施工現場，建一個自己設計的大樓，最終，還可以通過VR界面看到自己的設計。類似吉林省科技館兒童展區展品“小小建筑師”。航海方面，通過數據手套自己組裝一個船，組裝好的船有儀表盤、舵、螺旋槳，組裝成功后可以出海航行，通過操縱桿、舵、油門，再配上周邊的風和水，虛擬出航海的場景，讓參與者身臨其境感受到航海的樂趣。類似吉林省科技館水路交通展區展品“船的模擬駕駛”。
2 Internet與VR技術的結合對科技館虛擬場館建設的影響
現代人越來越多擁有智能手機和現代信息工具，Internet互聯網已經成為現代人不可缺少的生活方式?，F代科技館也漸漸跟現代信息接軌，利用Internet與VR虛擬現實技術，把科技館展品和一些科學原理展現給觀眾。網絡虛擬場館的構建平臺的構架涉及很多關鍵技術，其中3D場景建模是系統基礎和實現的關鍵點。傳統模式從場景修訂、個性化定制、擴展內容方面存在不足，例如，研發齒輪機械傳動這項展品，要讓每個齒輪按照事先設計好的形態運動起來，需要多次的更改，設計，磨合，試驗，這一過程將耗費大量的人力物力。而此時，VR虛擬現實技術就起到作用了，用VR設計實現自己的想法，虛擬出齒輪和齒輪的咬合，再模擬出主動輪帶動從動輪的運動過程，一次性設計出合理的展品。相比拿實物來進行的研究制作，VR設計會避免在實物研制過程中，齒輪發生卡死或是磨損的情況，降低在研發過程中因材料損耗而增加的成本。新的VR虛擬現實建立模型程序擁有巨大優勢，填補了傳統模式的不足，應用前景廣闊。新型虛擬現實技術結合科技館，通過虛擬場景模型語言 X-VRML建立構架科技館模型，并建立虛擬展品模型，讓觀眾通過APP或是網站進行交互體驗展品以及場館內漫游等。虛擬現實科技館通過VRML建設，其中內容可以涵蓋虛擬電子導覽、智能電子講解系統、智能展項體驗系統。觀眾可以通過虛擬現實系統，仿真暢游科技館，帶上VR虛擬現實眼鏡時，就可以通過手拿控制器遙控VR場景中行走的速度，進行館內虛擬參觀。當走到相應展廳和相對應展品附近時，通過遙控器開關點擊，就有語音對其展品進行講解。針對體驗性展品，可以通過手中遙控，伴隨著手和身體運動進行仿真展品互動體驗，同時還有語音對其展品介紹。
3 VR在科技館科普實驗的重要作用
在現實的科普教育活動里，每當科技館在演示和組織科普實驗時候，都是科技館的老師在前面演示，同學們在下面觀看。但是，常常有一些實驗是在館內完成不了的，比如一些帶有危險性的和需要專業人員演示的實驗，這種情況下，科普實驗在一定程度上就受到了限制。我們通過VR虛擬現實技術就能夠改變這種局限性，我們可以利用VR虛擬現實技術來做每一個實驗，在虛擬仿真環境中不但可以完成實驗，并且還能夠參與互動，這同樣也適用于一些需要大型場地的實驗。舉個例子，一個滾開的油鍋，將裝有鍋三分之一的冰凍大蝦放入鍋內，會是什么反應？是大蝦被滾開油鍋炸熟？還是什么事情都不會發生？或者油會噴射出來著火？這種高危實驗就不合適在場館制作，但是通過VR技術就能得到實驗結果。VR技術不僅可以利用館內設備進行體驗，用戶也可以自己購買平時娛樂的VR裝備，來科技館網站進行下載或是在線體驗活動，這樣就大大提高了科技館展品線上和線下的利用率，在科學實驗上，節約一些成本，并演示更多科學實驗。
4 結語
現代信息網絡出現的“互聯網+”和“+互聯網”都是社會進步表現。手機移動終端與移動終端VR設備，無疑代表著現代信息技術的進步?？萍拣^也要與時俱進，不能停留在傳統的“打開門等觀眾上門”的方式中。VR虛擬現實技術就提供了讓觀眾來與不來科技館都能體驗到科技館展品的機會。VR虛擬現實技術在科技館中的應用不僅是在展品展示和電子導覽上，還體現在科學表演和展品研發上，尤其體現在實驗失敗和展品研發調試的損耗中，能夠降低成本。VR虛擬現實技術在現代科技館的應用，是需要我們一步一步探索和研究的新課題，這項新的技術也會在未來科技館發展中發揮越來越重要的作用。
【參考文獻】
[1]魏勇.基于VRML的虛擬校園交互式漫游系統的設計與實現[D].吉林大學，2011.
以“為無人駕駛設計車，而不是為了車設計無人駕駛”的理念，馭勢科技從零開始設計了一種全新的交通工具品類：城市移動包廂。
據悉，該無人車內部座椅呈環形排列，普通汽車常見的方向盤和儀表盤均未搭載，儼然一座“城市移動包廂”。同時，整車去除了傳感器布局，所有傳感器都自然融入車的流線型外形。車內外具有多個屏幕，與乘客和行人自然互動和交流。整體設計聚焦于城市出行、工作與娛樂一體化的消費需求場景。
馭勢科技的無人駕駛技術，融合傳感器感知車身周圍環境，并集成機器學習算法對其進行理解；集成定位方式實現復雜環境下車輛與環境的精確相對定位；多冗余、高可靠的電控系統保障無人駕駛系統可靠；響應云端調度和監控系統指令，實現交通效率最大化；配合無線充電技術，實現運行全過程無人管理。
據悉，馭勢科技無人駕駛方案近期的應用場景主要包括高科技園區、景區、廠區、主題公園和度假村等相對封閉區域。中長期將沿著低速到高速，封閉到開放的路線，實現基于無人駕駛的公共交通系統。
馭勢科技CEO吳甘沙認為，包括無人駕駛在內的智能駕駛產業已經進入高速發展期，最新人工智能技術觸發了這一產業的爆炸式發展。在未來的3-5年中，這些技術將幫助智能車理解整個世界。
馭勢科技表示，未來5-10年，公司將進一步深耕城市各類交通場景，智能駕駛交通工具將提升城市運輸效率，解決交通擁堵、能源浪費和排放問題。同時亦可解放乘客的時間，提升經濟效益，用“共享出行”破解“最后一公里”難題。
在這之前，馭勢科技CEO吳甘沙對媒體進行了一次科普教育，并指出馭勢科技在降低自動駕駛技術成本方面所處的嘗試和努力，他堅信隨著成本的下降與技術的日益成熟，馭勢科技研發的無人駕駛汽車將在兩到三年內實現商業化?！爸辽倏梢杂脽o人駕駛電動車在園區內解決代步難題”，這是吳甘沙的保守預測。
無人駕駛帶來的技術革命
馭勢科技是一家專注于自動駕駛方案的初創公司，由前英特爾中國研究院院長吳甘沙于2014年創辦。目前，馭勢已經在北京房山設立了自動駕駛示范運營區與研究基地。
“正如 AI，如果是一個老中醫的話題，它專治這么多痛點，人貴、人缺、人會犯錯、費錢、費料，所謂的料就是比如說能源，還有費時，而無人駕駛能夠改變這樣一個痛點?！眳歉噬硰娬{。
在自動駕駛技術出現之后，社會對這一技術有兩種說法――自動駕駛與無人駕駛。但是由于該技術仍屬早期，且沒有行業標準，所以業內企業與行業專家對其定義與說法并無定論。吳甘沙認為，自動駕駛技術的普及趨勢可分如下五個階段：第一個是2007年出現的駕駛輔助階段；第二個是2015年出現的輔助駕駛階；第三個是2020年出現的高度自動駕駛階段；第四個是2020年出現的限定場景的無人駕駛階段；第五個是2030年以后出現的全天候全區域無人駕駛階段。其中第二至三個階段為自動駕駛階段，即人與機器共同駕駛。而第四至五個階段就是不需要人類操作的無人駕駛階段了。
自動駕駛汽車需要使用多種傳感器，包括激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達以及攝像頭。目前業內的自動駕駛測試車多使用了Velodyne價格昂貴的64線激光雷達，其單個的售價已經超過70萬元人民幣，這也是阻礙自動駕駛技術普及的重要障礙。而馭勢科技則通過傳感器融合、深度學習以及視覺定位技術有效降低了自動駕駛在硬件方面的成本。
吳甘沙說，與同類無人駕駛汽車相比，馭勢科技研發的產品成本只是前者的三分之一。
首先，觀察多傳感器融合方面，與其他廠商不同，S勢科技的測試車則采用了價格較低的16線、32線激光雷達產品，并通過傳感器融合技術手段讓搭載低線束激光雷達的自動駕駛汽車有了上路的條件。而至于采用效果略差的低線束產品的原因則主要是為了降低激光雷達的成本。據吳甘沙介紹，目前業內的傳感器融合有兩大路徑：第一是馭勢目前在做激光雷達+視覺方案。第二是車廠在做的毫米波/超聲波雷達+視覺的融合方案。馭勢通過傳感器融合的技術，吳甘沙表示能夠提升16線或是32線雷達的性能，并且夠做到了滿足自動駕駛汽車上路行駛的性能要求。
其次，觀察視覺傳感器的發展趨勢。攝像頭能夠識別車輛與路標，是自動駕駛的一個重要傳感器，但是視覺會受到光照條件的影響，例如陽光直射，而產生錯誤。
吳甘沙團隊首先改進了攝像頭，例如使用雙目深度攝像頭，能知道物體的距離與面積。第二是改進視覺的算法，用深度學習算法提升攝像頭對道路標示、車輛的識別率。再次，觀察視覺定位方面。通過各種傳感器來感知環境只是自動駕駛汽車上路的第一步，要想正常運行，自動駕駛汽車還需要定位技術，目前業內的解決方案通常是 GNSS RTK定位+高精度慣性導航兩種方案，但是這兩套方案有一些弊端。第一是GNSS RTK屬于高精度GPS定位方案，但是GPS會受到時間、天氣、建筑物遮擋等因素的影響。第二是目前業內也在使用光纖陀螺儀作為慣性定位方案，但是這一零部件一般都是導彈使用的，價格太貴。所以馭勢科技又自行研發了一套基于視覺的定位方案，具體原理就是通過對比攝像頭拍攝的每一幀圖像來確定位置，但是由于行車環境多樣，會碰到樹葉、花草等會動的場景，這些場景又會影響定位效果。所以馭勢又通過將車道線、路標、標志牌等固定物體來如識別算法中去，來增強視覺定位能力。
“在有了GNSS RTK+視覺定位技術之后，馭勢科技的自動駕駛測試車能夠在全世界最復雜的西直門立交橋下實現準確定位。”吳甘沙強調。
無人駕駛解決城市交通難題
當中國社會步入消費升級新階段，家用汽車數量不斷增加，城市交通擁堵成為影響人們生活的固疾。
“堵車導致了違規駕駛，導致很多交通的事故，事故又使得路更堵，百公里的能耗上升、能源效率下降，而且我們現在有霧霾，廢氣排放。大城市的交通時間每天在2.5小時左右。另外一方面，我們停車也變得很困難，一輛車96%的時間是停著的，而且需要兩個停車位，很多大城市15%以上的土地是用來停車的，房價之所以貴，也有一部分原因是因為車多。因此我們只能居住在郊區，大量的時間浪費在路上?！眳歉噬硨ν庑Q。
如今，網約車風行，但吳甘沙認為，網約車無法解決這些問題。首先，網約車仍然需要司機，其實并沒有有效降低出租車的成本。其次，網約車的出現，讓原本不上路運營的私家車也上路了，反而加重了擁堵。再次，相較于出則車，網約車其實更難監管，最后總體上反而是并沒有帶來社會效益的提升。
吳甘沙認為無人駕駛技術的普及不僅可以提高出行效率，還會給社會整體生產力帶來巨大的增量，帶動一系列跟交通產業相關事物發生改變，這其中蘊含著巨大的商業機會，所有跟人或者物都可能被重新定義。
今天，北京600萬輛機動車，絕大多數是私家車。出租車只有7萬輛。有了無人駕駛以后，我可以從根本性上改變這一格局，從6百萬輛車減到200萬輛。我通過大數據的調度算法，根據全城的人群的分布和出行的規律，可以把這200萬輛車分布在城市的各個角落，每個人一叫車，就來車，出租車費降到今天的三分之一。
當自動駕駛成為新潮流，它帶來的變化包括：第一是不需要司機，成本降低。第二是交通效率提升，汽車能夠互聯互通的時候，算法能夠通過調度來讓汽車通過路口。第三是降低交通事故，由于沒有人類司機，自動駕駛汽車的交通事故率將會大幅降低。第四是節省城市空間，首先，自動駕駛汽車完成接送乘客或貨物之后，繼續運行，不需要停車。其次，晚上停車的時候可以開到郊區停車場充電，不需要城市空間。第五是提升社會經濟效益，因為不需要人類開車，乘客可以在車內辦公、娛樂、工作，提升社會效益。
馭勢兩到三年內實現商業化
“2016年是自動駕駛爆發的一年?！眳歉噬痴f。
截至目前，谷歌、寶馬、Uber、沃爾沃等公司研制的無人駕駛汽車紛紛上路測試駕駛。馭勢科技從事自動駕駛技術研究也已有兩年。“作為一家創業公司，馭勢希望能夠成為中國第一家，同時實現輔助駕駛和無人駕駛商業化的公司?！眳歉噬硨γ襟w宣稱。
他希望，馭勢科技能夠將成本較低的自動駕駛方案在未來兩到三年內實現商業化，其商業化的含義包括在量產車上搭載馭勢科技的自動駕駛技術以及在景區等封閉場所運營的低速自動駕駛汽車。
吳甘沙對媒體透露，馭勢目前已經與多家整車廠商進行了合作，而馭勢科技提供的解決方案也已經在這些廠家進行測試。馭勢技術最快能夠在2019年出現在量產車上。而封閉園區則具有道路環境固定，使用條件穩定性高等條件，馭勢科技的低速自動駕駛車輛有望于2018年就在一些園區進行商業運營。
當然，在推進自動駕駛技術商業的道路上，吳甘沙也指出馭勢科技還有三大問題需要解決。
首先，需要盡快將技術從原型變成產品，這里面需要大量的數據積累和測試。馭勢科技給出的解法是通過增加測試車數量、與其他廠商合作等方法。
其次，要解決制造、供應鏈管理這一道難關。在高速行駛的汽車方面，馭勢采用的打法是與整車廠商合作，為他們提供技術方案，但是在低速自動駕駛車方面，馭勢則希望能夠自己生產。吳甘沙表示，雖然存在代工的可能，但是由于自動駕駛汽車在硬件上也還要比手機復雜的多，且牽扯安全因素，自行生產才是最佳的解決方案。
最后，馭勢需要擴充團隊規模，該公司目前有50多人，而Uber在匹茲堡就有500多名員工，想要在競爭激烈且科技含量極高的自動駕駛領域分一杯羹，公司一直在招募更多的優秀人才加入。
平心而論，自動駕駛和無人駕駛的安全問題一直是人們所擔心的。2016年特斯拉的Autopilot出現事故，世界范圍內又開始質疑自動駕駛技術。對此，吳甘沙強調，“特斯拉的事故原因不是輔助駕駛本身，而是將輔助駕駛用成了自動駕駛。在駕駛員將車輛開到危險境地時，自動輔助駕駛系統可以幫助人來避免這些危險，減少事故的發生?！?/p>
