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摘要：自工业革命以来，由于大量商业船运、工业排放过量二氧化碳等人为活动造成的环境破坏，导致海洋温度升高，加速海洋酸化这一进程，可能对生物生理结构产生直接影响，从而改变它们的生存能力。在这个过程中，随着珊瑚所依赖的海藻减少，珊瑚也因此更易受到白化的影响，最终因失去营养供应而死。聚焦于海洋污染导致珊瑚礁大量白化这一现象，设计了一个交互装置，旨在通过人机交互的方式向人们演示珊瑚礁在海洋污染的情况下逐渐白化的过程，提醒公众对于海洋环境污染的严重性以及提高保护环境的意识。设计借助Arduino智能硬件平台与3D打印技术，实现人机交互，使体验者能够在交互过程中体验到人类对海洋环境污染间接导致珊瑚礁的白化这一现象。增强公众环保意识对于缓解珊瑚礁白化现象以及更广泛的海洋生态保护具有关键作用，为提升现代人海洋环境保护意识提供新方向和思路

1 技术介绍

1.1Arduino智能硬件在交互设计装置中的应用

Arduino是一款便捷灵活的开源电子原型平台，由硬件（如各种型号的Arduino板）和软件（Arduino集成开发环境IDE）两大部分组成，该平台操作简便，单片机即可完成多样设计任务，且软硬件均为开源，模块化设计和强大的库文件支持使得二次开发更加容易，适用于多种操作系统，极大地促进了科技与创意的融合，简化了交互设计的开发流程。平台包含的大量库文件支持多种操作系统，方便用户对其进行二次开发[1]。

在交互设计领域，Arduino被广泛应用于创建具有高度互动性的体验装置。通过连接多种类型的传感器（例如温度、湿度、距离、光线等），Arduino能够感知周围环境的变化，并根据预设逻辑作出响应。这些响应可以通过控制执行器（如LED灯、电机、扬声器等）来实现，从而提供视觉、听觉或触觉反馈，增强了用户体验的真实感和沉浸感。

1.23D打印技术在交互设计装置中的使用

3D打印技术，即增材制造，是直接根据数字模型文件构建三维物体的技术，在交互设计装置制作中发挥关键作用。它为设计师提供了快速原型制作和定制化生产的理想工具[2]，加速了产品开发周期并提升了设计创新的潜力。

在交互设计领域，首先使用计算机辅助设计（CAD）软件创建三维模型或通过3D扫描仪获取数据，转换成STL或OBJ等格式文件。这些模型经切片软件处理，生成二维层片及G代码指令，指导3D打印机逐层构建物理对象。对于交互装置，3D打印可用于制作外壳、内部结构组件及其他关键零件，实现复杂几何形状与内部电路通道的一体化设计，确保功能性和美观性。

此外，3D打印支持多种材料选择，包括塑料、金属及复合材料，满足不同应用场景需求。打印后还需进行后处理工序，如去除支撑结构、打磨和涂装，以优化产品的质感与性能。该技术适应小批量生产和个性化定制，减少材料浪费，降低成本[3]。3D打印技术促进了从概念到成品的高效转化，赋予设计师更多创意自由度，推动人机交互体验的进步。

2 海洋酸化背景下珊瑚礁的白化问题

全球气候变暖和海运排污加剧了海洋酸化及珊瑚白化的现象，这对珊瑚等海洋生物的生态平衡构成重大威胁。海洋酸化是由于过量二氧化碳溶解于海水，生成碳酸并分解为氢离子和碳酸氢根离子，导致海水pH值下降[4]。作为关键海洋结构，珊瑚礁不仅提供栖息地、维持渔业资源和促进新药研发，对全球气候调节也至关重要。

我国高度重视珊瑚礁生态系统保护，构建了完善的法律法规体系。《中华人民共和国海洋环境保护法》通过法律手段保护国家重点保护野生动物名录中的物种，《关于全面建立实施海洋生态红线制度的意见》禁止挖掘采集珊瑚礁的行为及破坏性的开发活动，以强化保护力度[5]。

尽管国家出台了多项政策，但珊瑚白化趋势尚未得到有效遏制，年轻一代对于海洋生态保护的认知不足，特别是珊瑚礁保护方面存在科普教育短板。青少年缺乏相关科学知识和实际体验，未能充分认识珊瑚礁的重要性及其面临的威胁，这影响了他们环保责任感的形成和社会整体环保意识的提升。

3 基于用户调研得出的交互设计科普装置

3.1 当代青少年缺乏海洋保护教育的原因

当前青少年普遍缺乏海洋环境保护的相关知识和教育，因此也缺少可持续性发展的意识，难以意识到自身所肩负的重要职责[6]，这一现象主要由于传统教育以及地理限制所导致。在我国传统教育体系中，海洋生态保护的内容相对较少，课程设置多集中在陆地生态系统，对于海洋环境的关注不足，导致学生在课堂上难以系统性地学习到相关知识。再者，由于地理因素限制，许多内陆地区的学校和家庭缺乏直接接触海洋的机会，使得学生们对海洋生态系统的了解停留在表面层次。现有的科普资源分布不均，特别是在偏远地区，获取最新的科学信息和教育资源存在困难，这一情况进一步加剧了知识的匮乏。

海洋环保教育是一项长期而艰巨的任务，对于帮助青少年树立正确的生态价值观至关重要。因此，开发一款针对青少年群体的交互设计装置，以进行相关知识的科普则显得尤为必要，为构建生态文明社会贡献力量。

3.2 当前海洋科普装置在青少年教育中的应用现状

当前，海洋科普装置在青少年教育中的应用种类呈现出多样化和创新性的特点，最常见的有沉浸式体验空间或者置身于博物馆内的科普厅，其中许多海洋科普装置采用了互动式设计，如通过触摸屏、传感器、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术。

尽管其种类和科普方式十分丰富，无法避免的是其在提升青少年对海洋保护意识方面仍然面临多重困境。由于相关教育体系的不完善，目前，海洋科普尚未系统地纳入中小学及高等教育的课程体系中，相关教育资源分散且不成体系。缺乏系统性的课程设计和教学大纲，使得海洋保护教育难以深入和广泛开展；同时，大量的科普装置呈现单一化和朴素，缺乏足够生动有趣的互动体验，难以吸引青少年的注意力并保持他们的兴趣，导致他们对海洋保护的认识停留在表面层次。

基于当前海洋科普装置力度不足、装置过于单一，设计一款能够从外观就打动当代青少年、通过有效的交互以传达海洋保护这一理念的交互装置显得格外重要。

4 交互设计在海洋环境保护中的应用

4.1 通过人机交互科普海洋保护的理念

随着全球气候升温和排污海运等人类活动的影响，被誉为“海底热带雨林”的珊瑚礁生态系统目前正面临前所未有的挑战[7]，尤其是白化现象的频发，这不仅是珊瑚健康状态恶化的标志，也是其走向死亡的重要预警。保护珊瑚礁这一珍贵的自然资源，已成为当务之急。面对公众对珊瑚白化问题认知不足的问题，通过人机交互技术提供一种全新的科普教育模式显得尤为关键。[8]通过使用Arduino和3D打印技术，打造一款可以由体验者亲身模拟珊瑚在二氧化碳的影响下逐渐白化这一过程的交互装置，由此将生涩的科学知识转化为更加生动、直观的互动体验，使大众能够身临其境地感受海洋环境污染对珊瑚礁的影响。这种交互式感知不仅能够加深体验者对珊瑚白化原因及其危害的理解，还能引导他们认识到个人行为如何影响海洋生态，并鼓励采取积极行动来保护珊瑚免受进一步损害。

4.2 通过交互装置模拟珊瑚白化过程

（1）交互装置创作思路

为了直接有效地对体验者进行科普珊瑚白化这一现象，装置外形设计为珊瑚状，在人为的接触下产生变化，进一步增强整个珊瑚白化过程的可视化。交互装置为多感官交互体验设计：

①视觉呈现引领用户体验

装置主体采用3D打印技术制作，外形模仿珊瑚礁自然形态，选用再生塑料材料，既保证了耐用性又体现了环保理念。在3D打印外壳内部集成了LED灯带系统，基于Arduino编程下能够在对应交互条件下产生色彩渐变效果。从从健康珊瑚的红色到受压蓝色再到警示白色的渐变，模拟珊瑚白化的全过程。这一过程在体验者进行交互时呈现，颜色变化平滑且具有视觉冲击力，旨在传达珊瑚生态系统面临的严峻挑战。

②触觉互动激发用户感知

作为人机交互的核心，本装置采用了Arduino微控制器平台进行开发。内置的传感器可以检测到体验者手部接近的程度，并据此触发预设程序，使珊瑚的颜色发生变化。当体验者的手离开既定距离后，经过一段设定的时间延迟，珊瑚的颜色会自动恢复到初始状态，象征着珊瑚生态系统的自我修复能力。

③听觉反馈增强用户沉浸

为了强化体验者的沉浸感，在交互过程中设置音乐播放，对整体环境进行渲染。配备一个无源mini音响系统。根据Arduino控制单元的指令，音响会持续在交互装置的运行过程中播放海洋背景音效，营造出逼真的海底环境氛围。

（2）交互装置技术实现

该交互装置的技术实现主要基于Arduino智能硬件平台和3D打印技术。

第一阶段，珊瑚颜色在程序设定下维持象征着正常生态的珊瑚红，在体验者的手靠近既定距离之前，会始终维持该颜色，同时在所有阶段里，都会有海洋背景音乐环绕，以此营造海洋环境的宁静氛围。

第二阶段，珊瑚的颜色会处于变化阶段，当体验者的手部靠近传感器并达到预设的距离阈值后，经过1.5秒的延迟，Arduino开始执行变色程序。灯带颜色会根据预编写的代码从健康的红色逐渐转变为象征着环境压力的蓝色，最终固定为表示珊瑚死亡的白色。这一过程通过色彩的变化，模拟展示了珊瑚白化的现象，给与体验者最直观的地感受，使体验者能够亲身体验到生态系统在自然环境遭遇破坏后会产生的严重反应。

第三阶段，如果体验者不再与装置互动，珊瑚颜色将在一段时间后自动从白色逐渐恢复至最初的红色，标志着一次循环的完成，并准备迎接下一轮的互动体验。此阶段的设计寓意着即便是在受到损害的情况下，通过积极的努力，珊瑚礁生态系统仍有可能得到修复和重生的机会。见图1

5 展望与结语

随着我国社会经济的快速发展，海洋环境面临严峻挑战。保护海洋生态系统不仅需要国家法律法规的约束，更需社会各界广泛参与和支持。健康的海洋生态系统对于地球的生命支持系统至关重要，全社会需共同努力给予重视并采取行动守护[9]。

在此背景下，科技进步与设计理念深化为解决复杂的社会问题提供了新契机。设计领域正演变为跨学科平台，融合了自然科学、工程技术、人文社会科学等多领域的知识和方法。科技推动设计创新，不仅提升了日常生活服务效率，在应对如海洋生态保护等复杂社会问题上发挥了重要作用。设计秉持“以人为本”的核心原则，致力于满足人类需求，激发创造性思维，促进了具有社会价值的新概念和解决方案的诞生。

为了弥补当代青少年在海洋环境保护这一相关知识的空缺，通过设计了一款交互装置，以互动体验弥补这一领域的知识空缺。该装置旨在向青少年传播海洋保护知识，提高他们对珊瑚礁生态系统及海洋环境保护的认识水平。这种跨领域技术合作不仅提升公众尤其是年轻一代对珊瑚礁生态和海洋环境保护的认知，还为可持续发展教育提供了新思路，让每个人都意识到自己是地球家园守护者的一部分。同时，这样的设计实践激发青少年对未来科学探索的兴趣，培养新一代具有强烈环保意识的社会公民。

参考文献

[1]赵静，王均耀.基于Arduino控制器的双臂写字机器人开发与设计[J].信息技术，2023，（12）：8-14.

[2]冯妍，葛淑慧，隗立颖，等.3D打印无机非金属材料增强柔性器件的研究进展[J/OL].材料导报，1-19[2025-01-14].

[3]郑祖芳，李泽军，郭世昆.基于参数化建模和3D打印的座椅轻量化设计方法[J].林业工程学报，2024，9（05）：180-188.

[4]王柯儿.现行国际法制度下海洋酸化问题的探究[J].山西能源学院学报，2024，37（05）：46-49.

[5]王梦飞.珊瑚白化信息可视化设计中的叙事性研究[D].海南大学，2024.

[6]周佳佳.陈斌.朱晶.等.高职院校绿色校园建设与环境育人的相关研究[J].中文科技期刊数据库 （文摘版） 教育，2022（11）：13-15.

[7]郎尚昆.海南岛和西沙群岛珊瑚白化状况及原因分析[D].海南热带海洋学院，2022.

[8]于欣鹭.基于珊瑚白化现象的科普装置设计[J].鞋类工艺与设计，2024，4（09）：157-159.

[9]谢欣容.海洋环保题材的视觉设计创意探析[D].贵州大学，2021.

作者简介：韦凯然（2003.08.17），男，汉，重庆市，学生，本科生，中南大学建筑与艺术学院 研究方向：环境艺术设计。