北戴河国家湿地公园互动式科普教具设计

    刘万龙　单绍颖　张浩洁

    

    摘要：在秦皇岛市有43条河流流入渤海，在其漫长的演化中逐渐形成了富有本地特色的沿海湿地，有效地保护了生物的多样性和海岸不受风浪的侵蚀，并为人们提供了旅游场所。全国有尽三分之一的鸟种在这里繁衍生息，其中国家重点保护动物约70余种，是西伯利亚、中国北方与南方、菲律宾、澳大利亚之问候鸟迁徙的驿站。在观鸟高峰出现时，激增的游客数量和自驾车辆却对观鸟区域的生态构成了威胁。

    关键词：湿地 科普教具 航行器 移动端 环保意识

    中图分类号：TB472 文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2017）05-0126-02

    引言

    随着现代工业文明的飞速发展，城市街道两旁俨然成为“钢筋水泥的丛林”。工业的发展人类的活动正一步步地威胁着北戴河湿地的存在。同其他湿地一样面临着水体污染，湿地面积退化，生物多样性减少的威胁。北戴河湿地主要破坏因素主要有人为工程、湿地围垦、生物资源过度利用、水资源过度利用、泥沙淤积、海岸侵蚀与破坏、城市旅游盲目建设发展等。文章主要提出一种以交互为手段，教育为核心，保护湿地为目的的方法。国内外通过立法，建立自然保护区，通过人工修复和人工措施恢复湿地生态功能及其服务功能。在湿地科普方面主要通过建立网站，搜索引擎以及制作宣传册来对人们进行湿地知识和概念的普及，范围相对局限，没有达到全民意义上的科普教育，从而影响人们对湿地保护意识的提高。文章主要讲述交互式科普教具的互动過程以及硬件和软件，以此来提高人们对湿地知识的了解和保护湿地的意识，并提高中小学生的动手能力和创新能力。

    一、北戴河湿地调研及用户需求

    北戴河湿地是我国最大的城市湿地和沿海湿地，坐落在渤海之滨，鸟类共有412种，是中国的“观鸟麦加”。这里有6600多公顷森林，50多亩湿地，由戴河、恒河、滦河等入海口形成的泥滩和泻湖以及滞缓的河道，被国际湿地保护公约命名为“北戴河湿地”。

    全国鸟类环志中心及秦皇岛市鸟类保护环志站近日组成联合调查组，对渤海湾湿地进行了调查，结果发现这—地区的湿地面积，特别是国际上著名的“北戴河湿地”的面积，正在以惊人的速度被蚕食。原来迷人的昌黎沿海湿地遭到了严重的人为破坏，这块连同昌黎黄金海岸在内被国务院批准的国家级海洋类型自然保护区，虽然树立着“保护湿地资源，维护生态平衡”的石牌，但这里的湿地却连年被蚕食。由于湿地围垦、生物资源的过度利用、湿地环境污染、湿地水资源过度利用、大江大河流域水利工程建设、泥沙淤积、海岸侵蚀与破坏、城市建设与旅游业的盲目发展等不合理利用导致湿地生态系统退化，造成湿地面积缩小，水质下降、水资源减少甚至枯竭、生物多样性降低、湿地功能降低甚至丧失。因此我们对北戴河进行实地考察，得知约有45%人们在湿地随手扔过垃圾，75%的人进入非观鸟区湿地，通过网络数据资料分析研究得出北戴河湿地遭到破坏的主要因素是人们对湿地认识片面，保护意识差，认识不到湿地的重要性、管理疏忽以及旅游业的发展中不和谐因素。

    国内外通过立法，建立自然保护区，通过人工修复和人工措施恢复湿地生态功能及其服务功能。在湿地科普方面主要通过建立网站，搜索引擎以及制作宣传册来对人们进行湿地知识及概念的普及，范围相对局限，没有达到全民意义上的科普教育，从而影响人们对湿地保护意识的提高。

    为有效保护北戴河湿地，提高人们对湿地知识的了解和保护湿地的意识，设计出一套有关科普北戴河湿地知识的教具。立法与管理体制相结合，以技术为支撑，展开湿地监测与系统研究与开发等工作，间接观察湿地变化趋势，保护和开发利用湿地，利用生物生态及工程技术逐步恢复退化生态系统的结构和功能，最终达到湿地生态系统的自我持续状态。从湿地环境上来说，尽力克服了湿地在自然状态下的恶化，但人们观赏过程中的行为对湿地环境的影响并没有得到实质性解决，这样看来，将湿地设计产品与APP相结合，从而达到具有创客教育意义的湿地科普教育是相当重要的。

    二、北戴河交互式科普教具产品设计

    针对以上人群及用户需求，文章主要从用户交互体验、外观两大方面进行设计，在湿地知识科普的基础上，通过人隆化的设计，制作尽可能简单而又朴素的硬件系统，能让学生拆卸、拼接，提高中小学生保护湿地意识和动手能力。

    （一）教具硬件系统设计原理：

    我们采用仿生设计手段，外观采用“鳐”的造型将船体主身设计为小而灵活的v形，利用流线型的外形以减少水的阻力，再配合迷彩图案符合中小学生的趣味性。在船体的左右两边设计了平衡挡板，利用负反馈的作用体系来维持船体在直高速运动时的平衡（如图1）。

    1.整个硬件产品主要有电力系统、动力系统、感应接收反馈系统、船体构成。

    （1）电力系统：电源装置

    （2）船体：船舱、上层封闭系统

    船舱主要承载安装电力系统和感应接收传输系统

    上层封闭系统主要对安装后进行的防水密封操作

    （3）动力系统：螺旋桨、平衡挡板

    螺旋桨为整个硬件系统提供动力系统并且可以控制方向平衡挡板利用负反馈的作用体系来维持船体在直高速运动时的平衡。

    （4）感应接收反馈系统：

    Arduino单片机、浊度传感器、温度传感器、PH度传感器、遥测遥控技术、通讯技术传感器（浊度传感器、温度传感器、PH度传感器）将对湿地检测到的水质的浑浊度、温度、酸碱度经过调试设置好的单片机进行处理做出相应的指示，并经过通讯技术将这些数据反馈到移动端，再由移动端对数据进行数据整理分析然后展示在界面。

    （二）移动终端

    随着科学技术的迅速发展，学习者的方式更具多元化，方便、快捷、实时也是人们接受知识普遍认可的要求，所以移动端吸收知识、获取信息也是现代人们生活的主要方式，因此教具知识科普的内容主要展示在移动端。

    1.在移动端的设计上为了增加教具的实用性以及可持续性，我们做了以下安排：

    航行器与移动端以交互的方式结合起来，航行器为移动端提供了可靠、实时的检测数据，而移动端则进行数据的整理分析然后展示在移动界面上。航行器可以增加青少年的趣味性，提高了青少年的动手实践能力，使其更容易接受知识，提高了教具的应用价值。

    移动端的互动性，主要体现在两个板块：一是人们可以以社交的方式将湿地的动态展示在周围每个人的移动端首页，当然首页内容优先选取内容积极的优质内容。当人们看到被展示的内容时可以与被展示人交流互动。二是鼓励摄影爱好者将捕捉到的优美画面发表在独立板块，并有相关人员进行审核整理展示，并进行活动奖励和打赏。

    最重要的一点是对北戴河湿地的知识科普，由湿地工作人员对北戴河湿地的知识进行整合、分类、展示包括北戴河湿地的特色，保护措施的重要性以及各类生物的图片展示、文字介绍以及航行器检测到的数据分析。移动端为人们提供整个湿地的详细地图，包括平面、3D虚拟、全景地图。

    三、产品运行流程

    随着经济全球一体化的发展，科技产品不断地融入到人们的生活，目前人们的生活、学习、工作越来越离不开电子产品，因此人们的学习习惯也变得多元化起来，而人们通过移动电子产品，比如手机和平板学习了解信息成为主流趋势，所以项目研究主要內容由硬件产品系统与软件系统结合：硬件产品中的感应部件（温度传感器，浊度传感器）在湿地水中检测到有关湿地水源现状的数据通过无线通讯系统将结果展现在移动端，移动端后台通过整理分析将结果友好地展示在移动界面上。而人们通过移动界面可以了解到北戴河湿地的各种信息，当然人们也可以通过移动端的控制系统去操控硬件产品的移动，控制硬件产品的检测范围。

    产品感应硬件系统以遥感技术为桥梁搭载移动终端，利用硬件系统检测湿地水质等问题并反馈到移动端，便于相关的工作人员针对存在的问题做出相应的改善保护措施，而移动端通过反馈的数据可以更具感染力地反应湿地的现状，从而达到对中小学生的教育和普通群众群众关于湿地科普的传播的功能，从而达到国民素质的集体提高，以减少湿地科普的局限性。

    四、产品创新点

    通过设计思维与批判试制造相结合的创新理念，研发和推广全面而独特的创客教育体系可满足中小学生到普通群众的知识需求，实现人机交互，趣味性、创新性与科普性相结合，对湿地实时状况进行深入了解，从而达到人们对湿地保护的知识普及和保护湿地的认同感。

    在现有技术与立法的支持作用下，通过科普产品的附加功能，增加中小学生与普通群众群众关于湿地科普的传播，从而达到国民素质的集体提高，以减少湿地科普的局限性。

    未来的教育一定是为经济发展服务的教育，而创客精神正是教育改革与发展的不竭源泉。方便快捷地对湿地常识和现状进行科普，通过人机交互的创客教育行为，使人们轻松地对湿地进行了解。在现有湿地科普措施下，解决人群普及程度和人群普及范围的局限性。具有教具性质的交互产品在大众面前进行潜移默化的影响，通过数据化的分析，更深层次地对湿地进行了解，达到湿地科普以及湿地保护的目的，达到产品与APP相结合的具有创客行为的科普意义。

    五、教具设计研究原则

    （一）制作尽可能简单而又朴素的硬件系统，能让学生拆卸、拼接北戴河国家湿地公园互动式科普教具设计项目中的硬件系统产品坚持简单而又朴素的设计原则，然后制作出可以简单拆卸、拼接组合的产品在中小学生阶段人群中推广。中小学生正是人生阶段动手能力，学习能力成长的关键阶段，产品简单朴素、可拆卸、可拼接的特点这号符合中小学生的兴趣，这样教具产品既可以培养人们的环保理念又可以推广北戴河相关信息和知识还可以培养动手能力和创新能力。

    （二）能进行鲜明的展示，科普教育效果明显

    北戴河国家湿地公园互动式科普教具设计是一项全面而又独特的创客教育体系，它利用人与机器、机器与互联网、互联网与人的一种循环互动模式，既能科普湿地知识了解北戴河的信息，又能培养中小学生的动手能力。互联网的移动界面友好地展示了湿地的知识和信息，再通过一系列的互动模式不断加强与人们联系，科普教育的效果十分明显。

    （三）遵循科学、合理的教育目标

    项目所有的产品都是建立在现有立法与技术的基础上，通过科普产品的附加功能，增加中小学生与普通群众群众关于湿地科普的传播，从而达到国民素质的集体提高，以减少湿地科普的局限性。

    （四）美观、实用、安全

    项目产品采用仿生设计手段，外观采用“鳐”的造型将船体主身设计为小而灵活的V形，利用流线型的外形以减少水的阻力，再配合迷彩图案符合中小学生的趣味性；产品移动端的界面在人机操作界面不断进行改进和完善，并且不断优化界面中的图形、符号使得移动端操作更加简洁、易懂，用户可以一目了然不需要复杂的系统学习。

    结束语

    综合上述，通过设计思维与批判试制造相结合的创新理念，研发和推广全面而独特的创客教育体系，需要考虑多类用户群体对用户的心理、行为进行分析顺应人们需求，其交互体验，动手能力和知识接受形式都要深入研究优化，从而完善科普知识和提高湿地工作人员的工作效率，通过航行器、移动客户端建立北戴河湿地保护体系及旅游体系为未来智慧旅游教育提供可能，并且从外观、移动平面、交互体验上不断地改进设计使产品更符合多类人群的审美标准以及体验。