“藝工融合”理念下交互式磁流體科普產品設計

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品設計

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計創新思路，以磁流體科研成果為技術基礎，進行科普產品磁流體演示儀創新設計實踐，探索并驗證“產學研創”一體化的跨學科創新設計方法。分析交互式磁流體科普產品的研究進展和發展趨勢，探索其設計創新路徑。以需求與用戶體驗為導向構建創新設計方法，開展產品功能創新與交互設計。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計，開發實現交互的實時模擬技術，形成全新的科普產品交互展示模式。挖掘了交互式磁流體科普產品創新設計要素與方法，有效驗證了“藝工融合”理念下設計創新實踐思路，實現理論學習、前沿設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的融合創新，也為未來類似教學實踐工作提供參考。

藝工融合，科普產品設計，磁流體，交互模式

以重慶大學跨學科創新設計團隊獲得的德國紅點獎“最佳設計獎”（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新設計方法的形成和運用過程。

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

跨學科創意團隊秉承推動科技成果轉化，實現科學普及的宗旨，對新型半固體智能材料——磁流體進行研究，改變以往以技術為導向的設計方法，從人的情感體驗出發，將科學技術與藝術設計相結合，深入研究交互式磁流體科普產品的設計方法途徑，指導了磁流體演示儀的設計實踐，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，提升科普產品的用戶體驗，推進科學成果走向大眾。

1 交互式磁流體科普產品研究現狀

1.1 國外交互式科普產品研究現狀

國外對于科普產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行操作、收集證據、選擇選項、形成結論、檢驗技能，并且觀眾的操作行為能夠影響展品展示的過程，觀眾發出指令或給定輸入，展品就會執行操作和給出反饋”[3]；2009年，Potthast[4]發表的“交互模型下科學——產業之間的關系”一文探討了科學與產業的相互影響和科學的產業化、商業化等問題。

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，推崇全方位的互動體驗方法，創建了科技館的全新模式，其中就已經有大量的互動展品，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，隨著信息技術和媒體技術的高速發展，互動展示中開始大量引入計算機技術等多種媒體技術，出現了大量以媒體技術為支撐的互動展品，被稱為“媒體互動”[5]。

1.2 國內交互式科普產品研究現狀

國內對交互式科普產品研究起步較晚，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鍵；2010年，齊繁榮[8]以大量市場調研所獲得的資料和網上公布數據為依據，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]對體驗設計的觀眾要素、環境要素和技術要素進行深入剖析；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，基于數字沙盤和AR技術，形成以敘事驅動的沉浸體驗空間。

國內對交互式科普產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能力弱、創作水平不高，展陳和傳播的內容同質化、單一化現象較為突出等問題，而且目前缺乏對科普產品展示方式的設計研究，產品設計存在交互體驗差，用戶留存性不足的問題。國內外對交互式科普的研究主要集中于計算機科學技術、工程、電信等相關領域，較少從藝術設計及用戶體驗領域出發進行研究，且研究內容多從理論出發，缺乏設計實踐研究，見圖1。其中，對交互式科普的用戶體驗研究尤其少，多數科普產品基于單一的交互模式展開設計實踐，對用戶吸引力不足。

因此，目前交互式科普產品創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品用戶的留存性，以區別于現有單一交互式科普產品，提升科普產品的創新水平，建立全新科普產品交互方式。

1.3 磁流體科普產品研究現狀

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?？梢栽诖艌鲎饔孟滤查g（毫秒級）形成固化的“山狀結構”（磁丘結構），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、生物醫療、建筑、汽車、軍事工業等領域具有廣泛應用價值，是交互式磁流體科普產品展示的關鍵。

基于磁場產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，實現磁流體與磁場的交互變化。根據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 國內交互式科普研究領域

電磁鐵類磁流體磁場交互裝置通過調節電磁鐵電壓，實現磁流體與磁場的交互變化。根據調節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

國內對磁流體的科普產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。因此應該進一步關注磁流體科普產品設計的用戶體驗研究，使磁流體磁場交互裝置更具觀賞性與藝術性。能創造性地運用磁流體可控、可逆、響應迅速等特性，提升產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品的研究現狀說明：科普產品單一化現象突出，用戶留存性不足；基于設計領域的交互式科普產品的相關研究較少，研究內容多從設計要素等理論出發，缺乏設計方法及設計實踐的研究；磁流體具有廣泛的應用與科普價值，但國內對增強科普產品的用戶體驗設計研究及產品開發尚在起步階段，相關產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品創新設計研究，并有效整合交互式磁流體科普產品的相關設計要素，結合磁流體磁致相變效應技術探索行之有效的設計理念來指導科普產品創新設計實踐，并形成有效的設計方法具有研究價值，設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品設計創新實踐

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

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

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、知識結構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的要求?；诖爽F狀，項目積極引入“藝工融合”的理念進行產品創新實踐獲得良好效果。

2.1 “藝工融合”理念在設計創新實踐中的應用

1923年德國包豪斯學校校長格羅佩斯提出“藝術和技術相統一”的設計教學理念。形成藝術教育與手工制作相結合的新型教育制度，向社會培養出優秀的復合型工業設計人才。該方法可以看作是現代工業設計專業“藝工融合”教學模式的雛形[13]。國內從80年代開始探索工業設計專業的“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，優化學科專業結構，“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勢學科的綜合性大學具有科技優勢，科研成果亟需轉化應用，結合跨學科教學模式的探索，重慶大學進一步發展了“藝工融合”理論，實施并推進“藝工融合、價值塑造”的跨學科設計創新模式，構建了跨學科聯合教學模式，見圖2。通過重構跨學科課程體系，構建藝術設計教學“產學研創”一體化教學模式，使設計與產業結合，培養復合型人才，體現藝術設計在跨學科培養模式中的引領價值，促進學科間項目協作、科技成果轉化落地，形成更高效的產學研創新模式。

圖2 “藝工融合、價值塑造”設計創新思路

2.1.1 重構“融合式”課程體系與“環節式”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新設計，改變了傳統的教學模式與設計創新思路，打破原有課程構成及專業壁壘，重構“融合式”課程體系與“環節式”選課模式，拓展延伸教學內容邊界，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，促成藝術學院與光電工程學院共同組建跨學科創意團隊，打破專業壁壘，按照藝術設計程序的新型“環節式”選課模式，團隊成員遵循設計客觀規律，通過“需求調研分析”“設計功能原理”“設計創新與表現”“設計生產制造”“產品市場價值”“設計廢止與再循環”6個設計程序環節進行跨學科、跨專業選課，讓多領域知識選擇及攝取的過程符合設計創新客觀規律，見圖2（左上部分）。

2）在跨學科知識體系構建方面，將專業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、創新實踐課程按專業規律進行自由組合，形成“核心課程+交叉模塊課程”的組合選課模式，實現真正意義上的“融合式”選課，全面掌握實踐所需相關知識。解決了設計創新過程中工科、藝術學科學生思維不統一、知識不全面的問題，促進跨學科合作產出，以及“藝工融合”教學模式下的設計創新發展。

基于以上方法，在交互式磁流體科普產品設計創新過程中，跨學科團隊來自藝術設計及光電相關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。如團隊中的工科成員學習界面及造型設計相關課程，藝術設計學科成員學習磁流體核心技術相關課程，使團隊成員達到思維統一，所學知識全面完整，進行以人的需求為引領的交互式磁流體科普產品設計。

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的設計創新思路

在實踐中形成藝術設計與工科技術相結合的產品設計流程，改變以往以技術為導向的開發思路，以人的需求與用戶體驗為引領，注重創新中人與自然、人與社會、人與技術的和諧關系，強調創新中的價值引領作用，將現有實驗室研究成果通過“產學研創”一體化實現產品落地，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“跨學科聯合畢業設計”三階段實踐教學方式，結合已建立起來的融合式課程體系，重構了教學形式與內容。

2）讓學生在實踐教學中領悟設計需求導向、價值選擇及思路指引，凸顯藝術設計在產品創新中的引領價值，體會造物過程中人與自然、社會、技術的和諧關系，洞察設計服務于社會、服務于人的價值體現。

通過執行以上措施，跨學科團隊在實踐中，首先根據用戶情感體驗需求確定了交互式磁流體科普產品的創新交互模式和主要產品功能，通過界面及造型細節設計完成產品整體；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系，與磁流體產生多樣性交互，展示了磁流體的“液–固相變”原理；最后根據用戶情感體驗需求進行了5次迭代，確定產品狀態形成了以人的需求為導向、技術為手段的設計。實踐作品展現科學之真、人文之善、藝術之美。交互式磁流體科普產品于2021年獲得產品設計紅點獎最佳設計獎（Red Dot：Best of the Best），驗證了“藝工融合”培養模式與課程體系建設的可行性及效果，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品設計要素分析及設計實踐細節

團隊通過“藝工融合、價值塑造”理念指導設計，在設計過程中遵循前文思路，以人的需求及交互體驗為切入點，進行創新交互模式的設計，確定產品功能，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的開發，最后完成界面及造型的設計，整合產出產品，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“跨學科聯合畢業設計”三階段教學方式，讓團隊真正改變以往以工科技術為導向的創新模式，關注人的認知特點與需求，注重用戶情感體驗，創新交互式磁流體科普產品交互模式，構建了磁流體演示儀創新4個設計要素中的前2個，即“用戶情感體驗”“創新交互模式”。

2）如圖2中紅色箭頭所示，針對產品功能實現的需要及技術要求，跨學科團隊成員通過“融合式”課程體系與“環節式”選課模式，有效通過教學獲取了需掌握的相關專業知識，如團隊中的工科成員學習了界面及造型設計相關課程，藝術設計學科成員學習了磁流體核心技術相關課程，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研發，把核心技術作為設計實現手段，整合各要素完成產品界面及造型設計，以構建四個設計要素中的后兩個，即“核心技術及科學原理”“界面及造型設計”。

2.2.1 用戶情感體驗

情感體驗是指個體對自己情感狀態的意識，通過功能體驗、視覺體驗、內容體驗、交互體驗等各種體驗的不同表現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。

隨著社會經濟的發展，公眾對科普產品的要求從可用性強的設計轉變為可互動、具有交流感的設計[14]。交互式磁流體科普產品遵循設計創新規律，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，進行目標導向設計（GDD）。[15]從人的需求出發，實現價值導向設計，把人的交互方式與交互體驗感受進行整合，實現了用戶體驗設想。

該設計深度挖掘至少5種科學原理及4種核心技術來完成交互展示，考慮人機之間新的交互模式產生的愉悅性，可以通過用戶話語、耳熟能詳的音樂、不同的表情與磁流體建立聯系，讓磁流體實時反饋的變換形態，使用戶對科普的興趣隨著磁流體的起伏被調動。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 創新交互模式

根據用戶情感體驗訴求、團隊改變技術導向的設計模式，通過創新交互模式提升用戶使用科普產品的情感體驗[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生，聽覺器官通過感受細胞興奮并引起聽神經的沖動發放傳入信息，再經各級聽覺中樞分析后人們成功接收信息。結合多感官交互模式，磁流體演示儀的音樂可視化可以引發人們對科學的好奇，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意團隊研制的科教產品，打破了傳統科普傳播的單向灌輸模式。在科普產品的設計中結合多感官交互模式，實現多種模式、多種形態交織連接的多模態用戶體驗，滿足用戶情感需要，使受眾從單一的信息被動接受者轉變為信息主動求索者和信息傳播者。通過增加其互動性、交互性和趣味性，展現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系。結合人的“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系。利用語音強弱與磁丘參數建立直接的對應關系，使磁流體直觀地隨著檢測聲音的強弱而高低起伏，實現了生動形象的“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生起伏律動，實現音樂可視化，見圖4。

2.2.3 科學原理及核心技術開發

基于提升用戶情感體驗的需求及前序創新交互模式的搭建，交互式磁流體科普產品以價值導向為主，舍棄直接展現技術的方式，利用磁流體的“液–固相變”特性與音樂藝術、人臉識別、語音互動等相結合，根據展示需要完善核心技術，展現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，實現了技術與藝術設計的結合。

圖4 磁流體演示儀設計效果

交互式磁流體科普產品中運用到的主要科學原理如下。

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

1）磁致相變效應。與一般物質的溫度相變現象（如水相變為冰）不同，磁流體發生磁場相變，這是罕見的物理現象。

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，本產品的音樂/語音/樂器演示模式，生動有趣地展示了音流學現象。

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

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品中運用到的主要核心技術有以下幾點。

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

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奏。該展品采取創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系。將人臉表情與磁流體的磁致相變效應建立聯系，是一種新穎的、有趣的科普互動演示方式，且在具體實現方法上巧妙利用了表情情緒與磁流體相變形態的視覺心理映射關系。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和起伏頻率，并設置外區磁丘配合主區磁丘來實現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 界面及造型設計

團隊進行以人的需求及體驗為切入的設計研究，確定了人對交互式磁流體科普產品的情感體驗需要，形成創新交互模式，并由此完善了相關核心技術。為實現產品以上的功能性與體驗感，團隊在產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計，及交互式磁流體科普產品結構設計[18]，采用理性設計法中的限量性結構變異法，設定產品交互過程中的所需功能，并在產品所欲達到的功能基礎上，做結構上的變化，以尋找產品可能的造型，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 磁流體演示儀設計效果與實物

圖6 交互式磁流體科普產品功能

在產品的界面及造型設計中，團隊用已限量的次要功能所組成的基本結構進行界面及造型設計，在確保造型多樣化的同時，考慮產品的原定功能，實現交互所需功能，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、電壓電流數碼管顯示、USB接口、電流輸出接口、電壓調節按鈕、三線電源連接口與電源開關，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、作品設計故事、開發團隊介紹、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，演示區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生磁場的結構。

外接設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。

秉承藝術設計創新規律，團隊以人的需求為價值引領導向，不斷完善交互式磁流體科普產品的設計，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 產品迭代過程

Tab.2 Product iteration process

續表2

3 “藝工融合”理念下交互式磁流體科普產品設計方法構建

通過對磁流體科普演示儀進行五次迭代改良，在設計實踐中有效認知到產品開發中不僅要注重技術功能的升級，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系，注重增強公眾接受科普的動力和能力。

因此，結合前文分析，跨學科創意團隊遵循新的創新思路，通過“用戶情感體驗”“創新交互模式”“核心技術及科學原理”“界面及造型設計”4個設計要素的邏輯關聯，構建了“藝工融合”教學理念指導下的交互式磁流體科普產品設計方法模型，見圖13。

圖13 “藝工融合”理念下的創新設計方法模型

磁流體演示儀設計創新研究的意義。從應用價值的角度來說，交互式磁流體科普產品設計做到了內容創新。其一，打破傳統科普產品的單一交互模式，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，增強了科普產品的愉悅感、趣味性。起到促進磁流體在更多領域的開發與應用，更好促進科技創新的作用，使科技的普及更深入人心。其二，做到了造型創新，團隊運用理性設計法對科普產品造型進行設計，摒棄了干擾科普主題的花哨元素，根據產品結構設計簡潔、現代感的造型，通過燈光交互設計，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，獲得了設計獎項及社會認可，促使產品走向了市場，同時驗證了“藝工融合”理念指導設計的可行性。

從理論價值來說，在工程技術方面，跨學科創意團隊申請了4個技術專利。其一，實現磁液相變的“山狀結構”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生起伏律動。其三，通過磁路結構設計，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的視覺心理映射關系，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技術理論。在藝術設計方面，將跨學科實際項目融入教學體系中，重構了跨學科設計方法。根據用戶情感需求，開展以價值為導向的設計，創新交互模式及產品功能，實現了藝術設計由概念設計轉變為面向產業前沿的實踐設計。使綜合性大學工科專業實驗室研究成果通過跨學科項目形成成果轉化，促成產品落地，促進科技成果轉化率和成功率的提升，為以工業設計為主導的跨學科聯合實踐項目教學模式改革及方法構建提供理論依據。

4 結語

錢學森先生曾說，根據歷史經驗及個人體會，大學教育需要實現科學與藝術的結合。重慶大學通過跨學科創新項目的開展，打破專業壁壘實現跨學科教學模式與設計模式的相輔相成，真正意義上達到理論結合實踐的目標，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新了跨學科實踐的設計方法，實現了磁流體科技成果轉化，還為后續相關領域設計提供了較好的案例說明。

綜上所述，重慶大學在實踐創新與教學中通過教學與實踐的相輔相成，形成了“產學研創”一體化的跨學科教學模式及設計方法。磁流體演示儀的設計與產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、創新、實用。有效將跨學科教學中以學科為導向轉變為以需求為導向，將設計從服務的角色轉為支撐引領，為綜合性大學面向產業前沿的跨學科實踐“產學研創”協同發展的良性循環，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設計與信息設計、用戶體驗與服務設計、跨學科產品設計。

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

責任編輯：陳作