夏進軍，楊婧，范正妍，謝磊,2，李赟，孫遠

“藝工融合”理念下交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計

夏進軍1，楊婧1，范正妍1，謝磊1,2，李赟1，孫遠1

（1.重慶大學，重慶 400044；2.重慶魅聲科技有限公司，重慶 401331）

遵循“藝工融合”理念下的跨學科實踐教學與設(shè)計創(chuàng)新思路，以磁流體科研成果為技術(shù)基礎(chǔ)，進行科普產(chǎn)品磁流體演示儀創(chuàng)新設(shè)計實踐，探索并驗證“產(chǎn)學研創(chuàng)”一體化的跨學科創(chuàng)新設(shè)計方法。分析交互式磁流體科普產(chǎn)品的研究進展和發(fā)展趨勢，探索其設(shè)計創(chuàng)新路徑。以需求與用戶體驗為導向構(gòu)建創(chuàng)新設(shè)計方法，開展產(chǎn)品功能創(chuàng)新與交互設(shè)計。通過控制磁流體的磁致相變效應，完成對音樂旋律映射、語音交互映射和表情交互映射的互動演示設(shè)計，開發(fā)實現(xiàn)交互的實時模擬技術(shù)，形成全新的科普產(chǎn)品交互展示模式。挖掘了交互式磁流體科普產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計要素與方法，有效驗證了“藝工融合”理念下設(shè)計創(chuàng)新實踐思路，實現(xiàn)理論學習、前沿設(shè)計一體化的教學模式。達到了綜合性大學跨學科教學模式下科學與藝術(shù)的融合創(chuàng)新，也為未來類似教學實踐工作提供參考。

藝工融合，科普產(chǎn)品設(shè)計，磁流體，交互模式

以重慶大學跨學科創(chuàng)新設(shè)計團隊獲得的德國紅點獎“最佳設(shè)計獎”（2021 Red Dot Award: Best of the Best）作品——磁流體演示儀為案例，論述“藝工融合”理念下跨學科教學模式與創(chuàng)新設(shè)計方法的形成和運用過程。

科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要推動力量。加強科普教育工作對提高公民科學素質(zhì)具有重大意義。目前我國存在高科技投入、產(chǎn)出和低科技成果轉(zhuǎn)化率之間的矛盾[1]。高校實驗室作為高水平學術(shù)研究的重要基地和推動科技成果轉(zhuǎn)化實現(xiàn)科學普及的重要力量，根據(jù)自身特點和優(yōu)勢，提升科技成果轉(zhuǎn)化率，積極主動參與社會科普教育工作，具有重要現(xiàn)實意義[2]。

跨學科創(chuàng)意團隊秉承推動科技成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)科學普及的宗旨，對新型半固體智能材料——磁流體進行研究，改變以往以技術(shù)為導向的設(shè)計方法，從人的情感體驗出發(fā)，將科學技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計相結(jié)合，深入研究交互式磁流體科普產(chǎn)品的設(shè)計方法途徑，指導了磁流體演示儀的設(shè)計實踐，作品通過建立全新科普互動演示方式，從音樂旋律、語音交互和表情交互多個角度向公眾普及前沿科學技術(shù)，提升科普產(chǎn)品的用戶體驗，推進科學成果走向大眾。

1 交互式磁流體科普產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

1.1 國外交互式科普產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

國外對于科普產(chǎn)品的互動性理論研究較多。1993年，Mclean將互動式展示定義為“在展覽中觀眾可以執(zhí)行操作、收集證據(jù)、選擇選項、形成結(jié)論、檢驗技能，并且觀眾的操作行為能夠影響展品展示的過程，觀眾發(fā)出指令或給定輸入，展品就會執(zhí)行操作和給出反饋”[3]；2009年，Potthast[4]發(fā)表的“交互模型下科學——產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系”一文探討了科學與產(chǎn)業(yè)的相互影響和科學的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化等問題。

實踐方面，國外對交互式科普展品的探索開始較早，1969年由Frank Oppenheimer建立的美國舊金山探索館是第1代科技博物館的先驅(qū)，推崇全方位的互動體驗方法，創(chuàng)建了科技館的全新模式，其中就已經(jīng)有大量的互動展品，早期的互動展品大都通過“人力互動”和“機電互動”[5]；20世紀七八十年代以來，隨著信息技術(shù)和媒體技術(shù)的高速發(fā)展，互動展示中開始大量引入計算機技術(shù)等多種媒體技術(shù)，出現(xiàn)了大量以媒體技術(shù)為支撐的互動展品，被稱為“媒體互動”[5]。

1.2 國內(nèi)交互式科普產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對交互式科普產(chǎn)品研究起步較晚，直到2000年，錢學元[6]提出了應當引入交互型與參與型科普作品的新概念；2005年，忻歌[7]指出“科普互動展示”應以參觀者為中心，研究要把握參觀者的心理感受和精神體驗，重視和強調(diào)各種單一和復合的人性化要素，是獲得成功的展示效果的關(guān)鍵；2010年，齊繁榮[8]以大量市場調(diào)研所獲得的資料和網(wǎng)上公布數(shù)據(jù)為依據(jù)，對目前中國科普圖書、科普玩具和科普旅游市場容量進行分析，構(gòu)建中國科普圖書、科普玩具和科普旅游市場容量預測模型；2018年，王圣潔[9]對體驗設(shè)計的觀眾要素、環(huán)境要素和技術(shù)要素進行深入剖析；2020年，王子瑜等[10]針對科普場所的特點和受眾的心理特點、學習能力，基于數(shù)字沙盤和AR技術(shù)，形成以敘事驅(qū)動的沉浸體驗空間。

國內(nèi)對交互式科普產(chǎn)品的實踐研究主要包括：體驗互動型、機械互動型、虛擬互動型3種互動方式。在實際應用中存在研發(fā)能力弱、創(chuàng)作水平不高，展陳和傳播的內(nèi)容同質(zhì)化、單一化現(xiàn)象較為突出等問題，而且目前缺乏對科普產(chǎn)品展示方式的設(shè)計研究，產(chǎn)品設(shè)計存在交互體驗差，用戶留存性不足的問題。國內(nèi)外對交互式科普的研究主要集中于計算機科學技術(shù)、工程、電信等相關(guān)領(lǐng)域，較少從藝術(shù)設(shè)計及用戶體驗領(lǐng)域出發(fā)進行研究，且研究內(nèi)容多從理論出發(fā)，缺乏設(shè)計實踐研究，見圖1。其中，對交互式科普的用戶體驗研究尤其少，多數(shù)科普產(chǎn)品基于單一的交互模式展開設(shè)計實踐，對用戶吸引力不足。

因此，目前交互式科普產(chǎn)品創(chuàng)新及研究亟需從用戶的角度切入，通過提升用戶體驗來探索如何增強產(chǎn)品用戶的留存性，以區(qū)別于現(xiàn)有單一交互式科普產(chǎn)品，提升科普產(chǎn)品的創(chuàng)新水平，建立全新科普產(chǎn)品交互方式。

1.3 磁流體科普產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

磁流體及磁流變液屬于半固體智能材料，既像液體一樣流動、又受磁場控制變化。可以在磁場作用下瞬間（毫秒級）形成固化的“山狀結(jié)構(gòu)”（磁丘結(jié)構(gòu)），這種相變物理效應的科學原理是納米軟磁性顆粒在磁場下的磁化機制。受益于磁流體的可控、可逆、響應迅速等特性，其在航空航天、生物醫(yī)療、建筑、汽車、軍事工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應用價值，是交互式磁流體科普產(chǎn)品展示的關(guān)鍵。

基于磁場產(chǎn)生方式及控制磁場形式的不同，磁流體磁場交互裝置可以分為永磁鐵類和電磁鐵類兩種類型，其中以電磁鐵類為主流。

永磁鐵類磁流體磁場交互裝置利用永磁鐵在空間位置上的不同，實現(xiàn)磁流體與磁場的交互變化。根據(jù)控制永磁鐵在空間位置形式的不同，這類裝置可以分為電控磁流體磁場交互裝置和手控磁流體磁場交互裝置[11]，見表1。

圖1 國內(nèi)交互式科普研究領(lǐng)域

電磁鐵類磁流體磁場交互裝置通過調(diào)節(jié)電磁鐵電壓，實現(xiàn)磁流體與磁場的交互變化。根據(jù)調(diào)節(jié)電磁鐵電壓形式的不同，這類裝置可以分為手控、聲控和傳感器控制[12]等3種磁流體磁場交互裝置，見表1。

表1 磁流體磁場交互裝置

Tab.1 Magnetofluid magnetic field interaction device

國內(nèi)對磁流體的科普產(chǎn)品研究尚在起步階段，缺乏從用戶吸引度、體驗等角度的考量。因此應該進一步關(guān)注磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計的用戶體驗研究，使磁流體磁場交互裝置更具觀賞性與藝術(shù)性。能創(chuàng)造性地運用磁流體可控、可逆、響應迅速等特性，提升產(chǎn)品交互的形式與體驗，通過新穎有趣、形式多樣的互動模式，來吸引用戶更能有效了解、學習有關(guān)磁流體科學知識。達到良好的科普效果。

綜上所述，對于交互式磁流體科普產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀說明：科普產(chǎn)品單一化現(xiàn)象突出，用戶留存性不足；基于設(shè)計領(lǐng)域的交互式科普產(chǎn)品的相關(guān)研究較少，研究內(nèi)容多從設(shè)計要素等理論出發(fā)，缺乏設(shè)計方法及設(shè)計實踐的研究；磁流體具有廣泛的應用與科普價值，但國內(nèi)對增強科普產(chǎn)品的用戶體驗設(shè)計研究及產(chǎn)品開發(fā)尚在起步階段，相關(guān)產(chǎn)品還未完全走進大眾的認知。因此，從用戶需求及用戶體驗方向切入交互式科普產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究，并有效整合交互式磁流體科普產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)計要素，結(jié)合磁流體磁致相變效應技術(shù)探索行之有效的設(shè)計理念來指導科普產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實踐，并形成有效的設(shè)計方法具有研究價值，設(shè)計成果能讓用戶獲取更高的用戶體驗，使磁流體知識更好地走進大眾社會認知。

2 “藝工融合”理念下交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新實踐

交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新是重慶大學開展的跨學科創(chuàng)新實踐項目，在項目前期開展的過程中，凸顯2個問題。

1）在理念上，以往以工科為優(yōu)勢的綜合性院校產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)常以技術(shù)為核心來開展，大多數(shù)跨學科實踐項目以工科技術(shù)創(chuàng)新及工科制造與生產(chǎn)為引領(lǐng)。但是在新工科背景下，以技術(shù)制造為導向的實踐項目忽略了產(chǎn)品創(chuàng)新的客觀規(guī)律，使產(chǎn)品前期創(chuàng)新不足。沒有認識到產(chǎn)品開發(fā)應該從人的需求與體驗出發(fā)，產(chǎn)品應凸顯價值導向，技術(shù)只是實現(xiàn)的手段。

2）在跨學科知識體系打造上，跨學科團隊成員多來自不同學院的師生，尚缺乏全局觀與整體性思維，在實際項目研究過程中暴露出學科視野窄、學科間資源共享度低、知識結(jié)構(gòu)及教學手段相對單一等問題，尤其學生在跨學科資源獲取及學科融合方面能力不足，不能適應以人為本的跨學科項目對復合型人才綜合素質(zhì)的要求。基于此現(xiàn)狀，項目積極引入“藝工融合”的理念進行產(chǎn)品創(chuàng)新實踐獲得良好效果。

2.1 “藝工融合”理念在設(shè)計創(chuàng)新實踐中的應用

1923年德國包豪斯學校校長格羅佩斯提出“藝術(shù)和技術(shù)相統(tǒng)一”的設(shè)計教學理念。形成藝術(shù)教育與手工制作相結(jié)合的新型教育制度，向社會培養(yǎng)出優(yōu)秀的復合型工業(yè)設(shè)計人才。該方法可以看作是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計專業(yè)“藝工融合”教學模式的雛形[13]。國內(nèi)從80年代開始探索工業(yè)設(shè)計專業(yè)的“藝工融合”教學模式。伴隨著2019年教育部實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新文科建設(shè)，優(yōu)化學科專業(yè)結(jié)構(gòu)，“藝工融合”理念在全國得到了廣泛推廣。

重慶大學作為一所以工科為優(yōu)勢學科的綜合性大學具有科技優(yōu)勢，科研成果亟需轉(zhuǎn)化應用，結(jié)合跨學科教學模式的探索，重慶大學進一步發(fā)展了“藝工融合”理論，實施并推進“藝工融合、價值塑造”的跨學科設(shè)計創(chuàng)新模式，構(gòu)建了跨學科聯(lián)合教學模式，見圖2。通過重構(gòu)跨學科課程體系，構(gòu)建藝術(shù)設(shè)計教學“產(chǎn)學研創(chuàng)”一體化教學模式，使設(shè)計與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，培養(yǎng)復合型人才，體現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計在跨學科培養(yǎng)模式中的引領(lǐng)價值，促進學科間項目協(xié)作、科技成果轉(zhuǎn)化落地，形成更高效的產(chǎn)學研創(chuàng)新模式。

圖2 “藝工融合、價值塑造”設(shè)計創(chuàng)新思路

2.1.1 重構(gòu)“融合式”課程體系與“環(huán)節(jié)式”選課模式，打造復合型知識體系

“藝工融合”理念下的教學實踐及創(chuàng)新設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的教學模式與設(shè)計創(chuàng)新思路，打破原有課程構(gòu)成及專業(yè)壁壘，重構(gòu)“融合式”課程體系與“環(huán)節(jié)式”選課模式，拓展延伸教學內(nèi)容邊界，解決跨學科團隊知識融合的問題。

1）在實踐中通過搭建科研與教學一體化的項目實踐平臺，促成藝術(shù)學院與光電工程學院共同組建跨學科創(chuàng)意團隊，打破專業(yè)壁壘，按照藝術(shù)設(shè)計程序的新型“環(huán)節(jié)式”選課模式，團隊成員遵循設(shè)計客觀規(guī)律，通過“需求調(diào)研分析”“設(shè)計功能原理”“設(shè)計創(chuàng)新與表現(xiàn)”“設(shè)計生產(chǎn)制造”“產(chǎn)品市場價值”“設(shè)計廢止與再循環(huán)”6個設(shè)計程序環(huán)節(jié)進行跨學科、跨專業(yè)選課，讓多領(lǐng)域知識選擇及攝取的過程符合設(shè)計創(chuàng)新客觀規(guī)律，見圖2（左上部分）。

2）在跨學科知識體系構(gòu)建方面，將專業(yè)核心課程與全校通識課程、個性化模塊課程、非限制選修課程、創(chuàng)新實踐課程按專業(yè)規(guī)律進行自由組合，形成“核心課程+交叉模塊課程”的組合選課模式，實現(xiàn)真正意義上的“融合式”選課，全面掌握實踐所需相關(guān)知識。解決了設(shè)計創(chuàng)新過程中工科、藝術(shù)學科學生思維不統(tǒng)一、知識不全面的問題，促進跨學科合作產(chǎn)出，以及“藝工融合”教學模式下的設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展。

基于以上方法，在交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新過程中，跨學科團隊來自藝術(shù)設(shè)計及光電相關(guān)學科的成員較好地建立起復合型知識體系，為項目的完成打下基礎(chǔ)。如團隊中的工科成員學習界面及造型設(shè)計相關(guān)課程，藝術(shù)設(shè)計學科成員學習磁流體核心技術(shù)相關(guān)課程，使團隊成員達到思維統(tǒng)一，所學知識全面完整，進行以人的需求為引領(lǐng)的交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計。

2.1.2 通過“藝工融合”三階段實踐教學，實施以需求與體驗為引領(lǐng)的設(shè)計創(chuàng)新思路

在實踐中形成藝術(shù)設(shè)計與工科技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計流程，改變以往以技術(shù)為導向的開發(fā)思路，以人的需求與用戶體驗為引領(lǐng)，注重創(chuàng)新中人與自然、人與社會、人與技術(shù)的和諧關(guān)系，強調(diào)創(chuàng)新中的價值引領(lǐng)作用，將現(xiàn)有實驗室研究成果通過“產(chǎn)學研創(chuàng)”一體化實現(xiàn)產(chǎn)品落地，見圖2（右上部分）。

1）在實踐教學中通過“跨學科項目研究性教學”“跨學科團隊式以賽促學”和“跨學科聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計”三階段實踐教學方式，結(jié)合已建立起來的融合式課程體系，重構(gòu)了教學形式與內(nèi)容。

2）讓學生在實踐教學中領(lǐng)悟設(shè)計需求導向、價值選擇及思路指引，凸顯藝術(shù)設(shè)計在產(chǎn)品創(chuàng)新中的引領(lǐng)價值，體會造物過程中人與自然、社會、技術(shù)的和諧關(guān)系，洞察設(shè)計服務于社會、服務于人的價值體現(xiàn)。

通過執(zhí)行以上措施，跨學科團隊在實踐中，首先根據(jù)用戶情感體驗需求確定了交互式磁流體科普產(chǎn)品的創(chuàng)新交互模式和主要產(chǎn)品功能，通過界面及造型細節(jié)設(shè)計完成產(chǎn)品整體；其次，將人臉表情、人類語音、音樂旋律等滿足人情感交互需求的元素分別與磁流體的磁致相變效應建立聯(lián)系，與磁流體產(chǎn)生多樣性交互，展示了磁流體的“液–固相變”原理；最后根據(jù)用戶情感體驗需求進行了5次迭代，確定產(chǎn)品狀態(tài)形成了以人的需求為導向、技術(shù)為手段的設(shè)計。實踐作品展現(xiàn)科學之真、人文之善、藝術(shù)之美。交互式磁流體科普產(chǎn)品于2021年獲得產(chǎn)品設(shè)計紅點獎最佳設(shè)計獎（Red Dot：Best of the Best），驗證了“藝工融合”培養(yǎng)模式與課程體系建設(shè)的可行性及效果，見圖3。

圖3 磁流體演示儀實物照片

2.2 “藝工融合”理念下交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計要素分析及設(shè)計實踐細節(jié)

團隊通過“藝工融合、價值塑造”理念指導設(shè)計，在設(shè)計過程中遵循前文思路，以人的需求及交互體驗為切入點，進行創(chuàng)新交互模式的設(shè)計，確定產(chǎn)品功能，由此形成磁流體三維展示界面，再引入科學原理，針對界面進行核心技術(shù)的開發(fā)，最后完成界面及造型的設(shè)計，整合產(chǎn)出產(chǎn)品，見圖2（下圖部分）：

1）如圖2中藍色箭頭所示，在實踐教學中通過“跨學科項目研究性教學”“跨學科團隊式以賽促學”和“跨學科聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計”三階段教學方式，讓團隊真正改變以往以工科技術(shù)為導向的創(chuàng)新模式，關(guān)注人的認知特點與需求，注重用戶情感體驗，創(chuàng)新交互式磁流體科普產(chǎn)品交互模式，構(gòu)建了磁流體演示儀創(chuàng)新4個設(shè)計要素中的前2個，即“用戶情感體驗”“創(chuàng)新交互模式”。

2）如圖2中紅色箭頭所示，針對產(chǎn)品功能實現(xiàn)的需要及技術(shù)要求，跨學科團隊成員通過“融合式”課程體系與“環(huán)節(jié)式”選課模式，有效通過教學獲取了需掌握的相關(guān)專業(yè)知識，如團隊中的工科成員學習了界面及造型設(shè)計相關(guān)課程，藝術(shù)設(shè)計學科成員學習了磁流體核心技術(shù)相關(guān)課程，解決了跨學科團隊知識融合的問題，跨學科團隊通過完善核心技術(shù)研發(fā)，把核心技術(shù)作為設(shè)計實現(xiàn)手段，整合各要素完成產(chǎn)品界面及造型設(shè)計，以構(gòu)建四個設(shè)計要素中的后兩個，即“核心技術(shù)及科學原理”“界面及造型設(shè)計”。

2.2.1 用戶情感體驗

情感體驗是指個體對自己情感狀態(tài)的意識，通過功能體驗、視覺體驗、內(nèi)容體驗、交互體驗等各種體驗的不同表現(xiàn)方式而帶給用戶的情緒感受。讓用戶具備更佳的情感體驗是提升用戶滿意度的最佳方式。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，公眾對科普產(chǎn)品的要求從可用性強的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榭苫?、具有交流感的設(shè)計[14]。交互式磁流體科普產(chǎn)品遵循設(shè)計創(chuàng)新規(guī)律，分析用戶情感體驗需求，基于不同人群對功能體驗、視覺體驗、交互體驗等形式的不同感受，進行目標導向設(shè)計（GDD）。[15]從人的需求出發(fā)，實現(xiàn)價值導向設(shè)計，把人的交互方式與交互體驗感受進行整合，實現(xiàn)了用戶體驗設(shè)想。

該設(shè)計深度挖掘至少5種科學原理及4種核心技術(shù)來完成交互展示，考慮人機之間新的交互模式產(chǎn)生的愉悅性，可以通過用戶話語、耳熟能詳?shù)囊魳?、不同的表情與磁流體建立聯(lián)系，讓磁流體實時反饋的變換形態(tài)，使用戶對科普的興趣隨著磁流體的起伏被調(diào)動。形成音樂演示模式、樂器互動模式、麥克風語音互動模式、作品故事瀏覽模式等展示功能。

2.2.2 創(chuàng)新交互模式

根據(jù)用戶情感體驗訴求、團隊改變技術(shù)導向的設(shè)計模式，通過創(chuàng)新交互模式提升用戶使用科普產(chǎn)品的情感體驗[16]。

視覺作為人獲取信息最主要的方式，在科普工作中是信息交互的主要媒介。對產(chǎn)品感知同樣重要的感官還有聽覺，聽覺由聲波作用于聽覺器官產(chǎn)生，聽覺器官通過感受細胞興奮并引起聽神經(jīng)的沖動發(fā)放傳入信息，再經(jīng)各級聽覺中樞分析后人們成功接收信息。結(jié)合多感官交互模式，磁流體演示儀的音樂可視化可以引發(fā)人們對科學的好奇，勾起人們對科普的求知欲，形成人與科普展品之間的交互性，提升公眾的科普體驗，促進科學知識的普及[17]。

磁流體演示儀作為跨學科創(chuàng)意團隊研制的科教產(chǎn)品，打破了傳統(tǒng)科普傳播的單向灌輸模式。在科普產(chǎn)品的設(shè)計中結(jié)合多感官交互模式，實現(xiàn)多種模式、多種形態(tài)交織連接的多模態(tài)用戶體驗，滿足用戶情感需要，使受眾從單一的信息被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒅鲃忧笏髡吆托畔鞑フ?。通過增加其互動性、交互性和趣味性，展現(xiàn)全新科普互動演示方式。

1）將人臉表情與磁流體的磁致相變效應建立聯(lián)系。結(jié)合人的“喜、怒、哀”等面部表情，建立一種與表情相對應的視覺心理映射，使用戶在娛樂的同時也了解到磁致相變效應的知識，從而達到科普的效果。

2）將人類語音與磁流體的磁致相變效應建立聯(lián)系。利用語音強弱與磁丘參數(shù)建立直接的對應關(guān)系，使磁流體直觀地隨著檢測聲音的強弱而高低起伏，實現(xiàn)了生動形象的“音流學”實時互動演示效果。

3）將音樂旋律與磁流體的磁致相變效應建立聯(lián)系。提取音樂信號的主旋律強度值，賦予每段周期對應的勵磁電流時長，從而讓磁液跟隨主旋律發(fā)生起伏律動，實現(xiàn)音樂可視化，見圖4。

2.2.3 科學原理及核心技術(shù)開發(fā)

基于提升用戶情感體驗的需求及前序創(chuàng)新交互模式的搭建，交互式磁流體科普產(chǎn)品以價值導向為主，舍棄直接展現(xiàn)技術(shù)的方式，利用磁流體的“液–固相變”特性與音樂藝術(shù)、人臉識別、語音互動等相結(jié)合，根據(jù)展示需要完善核心技術(shù)，展現(xiàn)其運用到的科學原理，讓用戶獲得愉悅的體驗，具有向青少年和公眾普及前沿科學技術(shù)的科普意義，亦可作為音樂器材高端消費人群的娛樂項目，實現(xiàn)了技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計的結(jié)合。

圖4 磁流體演示儀設(shè)計效果

交互式磁流體科普產(chǎn)品中運用到的主要科學原理如下。

在繼電保護系統(tǒng)運行過程中，可能會產(chǎn)生隱性故障的因素為：第一，繼電保護系統(tǒng)定值出現(xiàn)誤差，無法滿足系統(tǒng)實際運行環(huán)境要求；第二，繼電保護系統(tǒng)中硬件設(shè)備存在質(zhì)量問題，如元件老化或接觸不良等。不僅如此，導致繼電保護系統(tǒng)出現(xiàn)隱性故障還與人為因素有關(guān)[3]。因此在考慮隱性故障的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析過程中，相關(guān)工作人員就應對電力系統(tǒng)的運行安全性進行全方位考量，并構(gòu)建起具有針對性的措施避免此些故障問題再次發(fā)生。

1）磁致相變效應。與一般物質(zhì)的溫度相變現(xiàn)象（如水相變?yōu)楸┎煌?，磁流體發(fā)生磁場相變，這是罕見的物理現(xiàn)象。

2）磁場“可視化”，磁場肉眼不可見，是中學物理教學的難點，而磁丘的形態(tài)使磁場可視化了，讓科技變得生動、形象。

3）音流學（音樂可視化），音流學使聲音形象化、可視化，本產(chǎn)品的音樂/語音/樂器演示模式，生動有趣地展示了音流學現(xiàn)象。

4）電磁學，磁流體相變的本質(zhì)為磁場導致，而磁場又由電流產(chǎn)生，通過探針檢測電流產(chǎn)生的磁場，可作為電磁學教學實驗設(shè)備。

5）計算機視覺人工智能，人臉表情識別是人工智能的研究熱點，本產(chǎn)品將磁流體與人臉表情建立映射，形成生動的科普展示方式。

交互式磁流體科普產(chǎn)品中運用到的主要核心技術(shù)有以下幾點。

1）磁液相變形態(tài)的控制。為了讓觀眾明確感受到磁液相變形態(tài)與音樂旋律間的聯(lián)系性，磁液相變的形態(tài)參數(shù)（主要包括高度、直徑、“山狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量）與音樂旋律之間有著明確的映射關(guān)系。因此，“山狀結(jié)構(gòu)”越高、直徑越大、數(shù)量越多，就越對應音樂的高潮節(jié)奏，反之亦然。由于演示區(qū)高度一定，“山狀結(jié)構(gòu)”的最大起伏高度由此確定，而在研究中發(fā)現(xiàn)上述3個參數(shù)實際上具有一致性，可以把高度作為控制參數(shù)即可。通過電流強度（控制磁場強度）能控制“山狀結(jié)構(gòu)”的高度，可以實現(xiàn)“山狀結(jié)構(gòu)”起伏高度與音樂節(jié)奏強弱之間的映射關(guān)系。

2）音樂主旋律的提取。一首音樂中引起人類心理反應的關(guān)鍵信息是它的主旋律，主旋律在時域上的變化一般是緩慢的。因此，無需讓磁液響應音頻中不同樂器的快速變化信息，而只需要映射主旋律節(jié)奏。該展品采取創(chuàng)新的控制方法即提取音樂信號的主旋律強度值，通過對解碼音樂信號的短時能量和短時平均幅度進行分析，從而讓磁液隨著主旋律的起伏產(chǎn)生對應的律動。

4）將人類表情與磁流體磁致相變效應建立聯(lián)系。將人臉表情與磁流體的磁致相變效應建立聯(lián)系，是一種新穎的、有趣的科普互動演示方式，且在具體實現(xiàn)方法上巧妙利用了表情情緒與磁流體相變形態(tài)的視覺心理映射關(guān)系。人類的“喜、怒、哀、懼”等面部表情可通過某種動作的快慢或特殊形態(tài)來反映，比如“喜”表情可對應“活蹦亂跳”，而“哀”表情可對應某種緩慢的動作。因此，通過控制磁流體的相變形態(tài)來建立一種與各表情相對應的視覺心理映射，具體為控制磁流體特殊的相變形態(tài)和起伏頻率，并設(shè)置外區(qū)磁丘配合主區(qū)磁丘來實現(xiàn)多樣化動作的控制形式，通過營造燈光氛圍來模擬人類的“喜、怒、哀、懼、平靜”等面部表情，見圖5。

2.2.4 界面及造型設(shè)計

團隊進行以人的需求及體驗為切入的設(shè)計研究，確定了人對交互式磁流體科普產(chǎn)品的情感體驗需要，形成創(chuàng)新交互模式，并由此完善了相關(guān)核心技術(shù)。為實現(xiàn)產(chǎn)品以上的功能性與體驗感，團隊在產(chǎn)品造型的整合上充分考慮磁流體展示需要，注重控制臺交互界面設(shè)計，及交互式磁流體科普產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計[18]，采用理性設(shè)計法中的限量性結(jié)構(gòu)變異法，設(shè)定產(chǎn)品交互過程中的所需功能，并在產(chǎn)品所欲達到的功能基礎(chǔ)上，做結(jié)構(gòu)上的變化，以尋找產(chǎn)品可能的造型，使外觀盡可能簡潔、緊湊，讓用戶將注意力始終集中于與磁流體的交互上，更好地感受其中科技的魅力，見圖6。

圖5 磁流體演示儀設(shè)計效果與實物

圖6 交互式磁流體科普產(chǎn)品功能

在產(chǎn)品的界面及造型設(shè)計中，團隊用已限量的次要功能所組成的基本結(jié)構(gòu)進行界面及造型設(shè)計，在確保造型多樣化的同時，考慮產(chǎn)品的原定功能，實現(xiàn)交互所需功能，最后選擇了最佳可行方案，見圖7。

控制臺由電路軟硬件和觸摸屏構(gòu)成，見圖8。

控制臺接口從左至右分別是開機按鈕、電壓電流數(shù)碼管顯示、USB接口、電流輸出接口、電壓調(diào)節(jié)按鈕、三線電源連接口與電源開關(guān)，以及音響接口和話筒接口，見圖9。

圖7 磁流體演示儀與APP界面設(shè)計

圖8 控制臺實物

圖9 控制臺接口

觸摸屏提供用戶互動的交互界面，集成了該作品的所有互動操作功能，見圖10—11。即音樂演示模式（音樂演示模式選擇界面、音樂播放界面、SD卡/ USB/AUX接口選擇界面、藍牙連接界面等，其中音樂播放界面包含播放、上一曲、下一曲等常用功能），樂器互動模式（逼真鋼琴彈奏效果界面），麥克風語音互動模式、作品故事瀏覽模式（磁流體圖文/動畫介紹、磁力線圖文展示、音流學圖文展示知識、作品演示視頻、作品設(shè)計故事、開發(fā)團隊介紹、作品其他信息等）。

演示臺是本作品中用戶欣賞磁流體相變效應的部分，即展示磁流體三維界面的演示區(qū)，演示區(qū)與控制臺之間通過可插拔電纜連接，見圖12。演示臺中還包含了產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)。

外接設(shè)備是本作品的音頻輸入、輸出端，包括話筒和音響，目的是讓用戶在觀賞磁流體相變演示的同時獲取聲音信息，實現(xiàn)用戶意識中兩者同步的心理映射，達到磁之韻律的可視化效果。

秉承藝術(shù)設(shè)計創(chuàng)新規(guī)律，團隊以人的需求為價值引領(lǐng)導向，不斷完善交互式磁流體科普產(chǎn)品的設(shè)計，共進行了五次迭代，讓用戶近距離感受科技的魅力，見表2。

圖10 主界面、音樂演示模式選擇界面

圖11 音樂播放界面、樂器互動界面

圖12 演示臺實物與演示儀演示效果

表2 產(chǎn)品迭代過程

Tab.2 Product iteration process

續(xù)表2

3 “藝工融合”理念下交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計方法構(gòu)建

通過對磁流體科普演示儀進行五次迭代改良，在設(shè)計實踐中有效認知到產(chǎn)品開發(fā)中不僅要注重技術(shù)功能的升級，還要注重用戶體驗的升級，且科普工作不應只展示技術(shù)本身，還需要注重用戶的情感化體驗，以人為本地考究科技與用戶的交互關(guān)系，注重增強公眾接受科普的動力和能力。

因此，結(jié)合前文分析，跨學科創(chuàng)意團隊遵循新的創(chuàng)新思路，通過“用戶情感體驗”“創(chuàng)新交互模式”“核心技術(shù)及科學原理”“界面及造型設(shè)計”4個設(shè)計要素的邏輯關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了“藝工融合”教學理念指導下的交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計方法模型，見圖13。

圖13 “藝工融合”理念下的創(chuàng)新設(shè)計方法模型

磁流體演示儀設(shè)計創(chuàng)新研究的意義。從應用價值的角度來說，交互式磁流體科普產(chǎn)品設(shè)計做到了內(nèi)容創(chuàng)新。其一，打破傳統(tǒng)科普產(chǎn)品的單一交互模式，通過音樂旋律、語音交互和表情交互多種方式，可以映射人的“喜怒哀樂”，提升用戶直接的操縱感，使用戶通過多感官交互達到了音樂可視化的效果，增強了科普產(chǎn)品的愉悅感、趣味性。起到促進磁流體在更多領(lǐng)域的開發(fā)與應用，更好促進科技創(chuàng)新的作用，使科技的普及更深入人心。其二，做到了造型創(chuàng)新，團隊運用理性設(shè)計法對科普產(chǎn)品造型進行設(shè)計，摒棄了干擾科普主題的花哨元素，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔、現(xiàn)代感的造型，通過燈光交互設(shè)計，使用戶能夠由控制臺交互界面最大程度觀賞磁流體三維界面，同時通過表情情緒變化燈光顏色、音樂可視化等豐富交互方式，形成不同的造型變化。促進用戶對磁流體科學原理的了解。其三，為未來類似的設(shè)計實踐工作提供了參考。團隊作品通過參加比賽和會展，獲得了設(shè)計獎項及社會認可，促使產(chǎn)品走向了市場，同時驗證了“藝工融合”理念指導設(shè)計的可行性。

從理論價值來說，在工程技術(shù)方面，跨學科創(chuàng)意團隊申請了4個技術(shù)專利。其一，實現(xiàn)磁液相變的“山狀結(jié)構(gòu)”與音樂旋律之間的心理對應，進行磁液智能材料磁致相變效應的展示。其二，提取音樂信號的旋律，從而讓磁液跟隨旋律發(fā)生起伏律動。其三，通過磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，在磁液池與鐵芯之間形成磁場。其四，利用了表情情緒與磁流體相變形態(tài)的視覺心理映射關(guān)系，感受計算機視覺人工智能，緊跟人工智能中人臉表情識別的研究熱點，豐富了磁流體的相關(guān)技術(shù)理論。在藝術(shù)設(shè)計方面，將跨學科實際項目融入教學體系中，重構(gòu)了跨學科設(shè)計方法。根據(jù)用戶情感需求，開展以價值為導向的設(shè)計，創(chuàng)新交互模式及產(chǎn)品功能，實現(xiàn)了藝術(shù)設(shè)計由概念設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦虍a(chǎn)業(yè)前沿的實踐設(shè)計。使綜合性大學工科專業(yè)實驗室研究成果通過跨學科項目形成成果轉(zhuǎn)化，促成產(chǎn)品落地，促進科技成果轉(zhuǎn)化率和成功率的提升，為以工業(yè)設(shè)計為主導的跨學科聯(lián)合實踐項目教學模式改革及方法構(gòu)建提供理論依據(jù)。

4 結(jié)語

錢學森先生曾說，根據(jù)歷史經(jīng)驗及個人體會，大學教育需要實現(xiàn)科學與藝術(shù)的結(jié)合。重慶大學通過跨學科創(chuàng)新項目的開展，打破專業(yè)壁壘實現(xiàn)跨學科教學模式與設(shè)計模式的相輔相成，真正意義上達到理論結(jié)合實踐的目標，將“藝工融合”理念有效運用到了教學中。交互式磁流體科普演示儀實踐項目不僅創(chuàng)新了跨學科實踐的設(shè)計方法，實現(xiàn)了磁流體科技成果轉(zhuǎn)化，還為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計提供了較好的案例說明。

綜上所述，重慶大學在實踐創(chuàng)新與教學中通過教學與實踐的相輔相成，形成了“產(chǎn)學研創(chuàng)”一體化的跨學科教學模式及設(shè)計方法。磁流體演示儀的設(shè)計與產(chǎn)品化過程驗證了重慶大學“藝工融合”跨學科教學模式的高效、創(chuàng)新、實用。有效將跨學科教學中以學科為導向轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕枨鬄閷?，將設(shè)計從服務的角色轉(zhuǎn)為支撐引領(lǐng)，為綜合性大學面向產(chǎn)業(yè)前沿的跨學科實踐“產(chǎn)學研創(chuàng)”協(xié)同發(fā)展的良性循環(huán)，提供了行之有效的方法支持。

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Design of Interactive Magnetic Fluid Science-popularisation Products Under the Concept of Integration of Art and Technology

XIA Jin-jun1, YANG Jing1, FAN Zheng-yan1, XIE Lei1,2, LI Yun1, SUN Yuan1

(1.Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2.Chongqing Meisheng Technology Co., Ltd., Chongqing 401331, China)

Following the innovative ideas of interdisciplinary practice teaching and design under the concept of "integration of art and technology", this paper aims to carry out the innovative design practice of magnetic fluid demonstration instrument for popular science products based on the scientific research achievements of magnetic fluid, and explore and verify the interdisciplinary innovative design method of "integration of industry, learning, research and innovation". The research progress and development trend of interactive magnetic fluid popular science products are analyzed, and the design innovation path is explored. On the basis of demand and user experience, innovative design methods are designed to carry out product function innovation and interaction design. By controlling magnetotropic phase change effect of magnetic fluid, interactive demonstration design of music melody mapping, voice interactive mapping and facial expression interactive mappingarecompleted, real-time simulation technology of interaction is developed and realized, and a new interactive display mode of popular science products is formed. The innovative design elements and methods of interactive magnetic fluid popular science products were excavated, whicheffectively verified the practical ideas of design innovation under the concept of "integration of art and technology", and realized the teaching mode of theoretical learning and frontier design integration. In conclusion, it has achieved the integration and innovation of science and art under the interdisciplinary teaching mode of comprehensive university, which can provide reference for similar teaching practice in the future.

integration of art and technology; science-popularisation product design; magnetic fluid; interaction mode

TB472

A

1001-3563(2022)14-0017-12

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.14.002

2022–02–05

重慶市社科規(guī)劃（2018YBYS162）；教育部首批新文科研究與改革實踐（2021160052）

夏進軍（1978—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計與信息設(shè)計、用戶體驗與服務設(shè)計、跨學科產(chǎn)品設(shè)計。

范正妍（1981—），女，碩士，副教授，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計教育方法、跨學科產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計心理學與用戶體驗。

責任編輯：陳作