一种利用空间叙事与度量指标设计与评估博物馆及遗产地混合现实文化体验的方案

摘要

本方案提供了一种标准化的方法，用于在实际运行的遗产地设计和评估混合现实文化体验，利用空间叙事、交互界面和多模态指标，系统地将心理调查与客观行为日志相结合。

摘要

混合现实（MR）应用在博物馆和文化遗产场所中的使用日益广泛；然而，其部署往往缺乏方法论上的一致性，空间叙事、交互设计与效果评估常被作为独立要素处理。本方案提出一种标准化且适用于实地应用的方法论，其区别于以往评估框架之处在于，将动态自适应的空间叙事与混合评估模型相结合。该方法整合了空间叙事序列、引导式交互界面以及多模态用户体验指标——特别是将主观心理测量评估与客观行为遥测数据（如空间停留时间与交互日志）进行三角验证。本方案描述了一项适用于室内博物馆和半开放考古遗址的双地点、三组平行对照试验。参与者被随机分配至三种条件之一：传统数字导览、MR静态叙事或MR自适应叙事。试验采用标准化的六区域参观路线，并在基线期、参观结束后立即以及14天随访时进行评估。结局指标包括空间临场感、可用性、叙事参与度、感知真实性及知识获取。本方案进一步纳入结构化行为日志记录、预设技术阈值以及系统性晕动症监测，以确保在常规参观条件下应用的安全性与可行性。该框架为研究人员和文化机构提供了一种可重复的方法，用以协调空间叙事与界面控制，从而对遗产场景中的MR干预措施进行严谨评估。

引言

博物馆和文化遗产机构正越来越多地采用沉浸式数字技术，在传统展厅环境之外创造新颖的参观体验。大量文献表明，近年来在博物馆情境下的混合现实（MR）研究，已逐渐从单纯提供被动式沉浸展示，转向动态地改变参观者与展品及历史叙事之间的互动方式¹。比较研究表明，尽管数字资源的质量至关重要，但这些展品在虚拟或增强环境中的空间布局在塑造参观体验方面发挥着更为关键的作用^2,3。因此，扩展现实（XR）系统的整合已成为振兴文化遗产旅游、支持体验式学习以及增强情感与认知参与的普遍策略。此外，当前人机交互领域的文献 increasingly 倡导采用多感官与体感交互设计，以唤醒沉睡的文化遗存；而更广泛的多模态混合现实探索则在促进文化遗产的整体性传承方面展现出巨大潜力^4,5,6。近期提出的综合性框架强调，必须将教育应用与坚实的沉浸式交互标准相结合，以提升扩展现实与元宇宙平台上的体验质量⁷。然而，对增强现实（AR）在文化遗产领域应用的综述揭示了一个持续存在的挑战：尽管已报道了显著效益，但在系统设计、部署与评估的方法论上仍严重缺乏统一性^8,9。尽管近期学术研究已开始提出面向沉浸式遗产教育的高层架构与技术标准，但将这些概念框架转化为细致、可现场部署的操作规程仍是一项紧迫需求。这一差距常常导致实施过程碎片化，技术新奇性压倒了方法论的严谨性。

根本问题已不再是沉浸式系统是否具有实际价值，而是如何在文化场所的日常运营中对这些系统进行设计并开展严格评估。尽管各类机构已迅速将数字创新融入其阐释策略中，但多项重要综述指出，对这些系统的评估往往局限于表层结果指标，例如技术新颖性、基本满意度和重访意愿，而忽视了对更深层次认知参与和空间参与的理解¹⁰。这种碎片化的评估方法忽略了若干关键操作变量，包括路线布局结构、叙事顺序、行为交互限制以及物理部署约束¹¹。此外，尽管以故事驱动的增强现实（AR）应用已被证明在提升游客参与度、增强情感联结¹²以及改善学习效果方面行之有效，甚至能够强化游客在不同历史时期中的场所感¹³，但如何将这些概念性成果转化为具体且可部署的实施框架，仍是尚未解决的问题。目前迫切需要一种标准化的协议，以在真实世界的文化遗产环境中明确定义路线逻辑、交互阈值以及可靠的评估指标。

为弥合这些方法论上的差距，本文提出了一套全面的混合现实（MR）文化体验方案，该方案整合了三个核心组成部分：空间叙事结构、交互界面框架以及多模态测量系统。本方案基于具身认知理论与叙事传输理论，将媒介化的空间体验操作化为一种有组织的认知状态，而非简单的视觉叠加。具体而言，该方案将空间叙事视为一种机制，通过物理移动与数字叙事元素的协同作用，深化参观者的参与度。方案纳入了适用于实际部署交互系统的简洁全局可用性指标¹⁴，并利用多模态交互的最新进展，提升评估质量，超越传统的自我报告方式¹⁵。为明确管理方法论预期，本框架中的“多模态”被严格定义为：将主观心理测量评估与客观的空间行为日志及交互日志进行三角验证。尽管传统人机交互研究常将多模态评估等同于生理感知，如心率变异性或皮肤电反应，但此类生物识别设备的使用会严重干扰参观者自然的移动行为。因此，本方案有意排除生理追踪，以保持较高的生态效度，并确保在无限制的公共文化遗产场所中实现顺畅的操作可行性。最终，有效的MR文化体验开发亟需一个面向实地的研究评估框架¹⁶。通过系统性地结合空间叙事、界面控制与预设性能规则，本方案为研究人员和实践者提供了一种结构清晰、生态效度高的工具，可用于在实际运行的博物馆与文化遗产地部署并评估MR系统。为系统性地验证该方法论框架的有效性，本方案旨在回答两个主要研究问题：第一，在提升参观者认知保持度与多模态参与度方面，与传统数字导览相比，空间锚定的叙事结构整合起到了何种作用；第二，在真实文化遗产环境中，基于规则的自适应交互界面在多大程度上促进了长期知识获取，同时不损害操作可行性或加剧晕动症（cybersickness）。

方案

所有涉及人类受试者的研究方法均遵守相关机构指南，并已获得上海大界教育科技有限公司人类研究保护伦理委员会批准（批准号：4500AL0512）。在开展任何研究活动之前，须从所有参与者处获得书面知情同意书。

1. 受试者招募与预筛

1. 招募年龄在18至70岁之间的成年参与者。确保参与者具备足够的普通话能力，以理解标准化的研究指导说明。
2. 确认参与者能够独立完成路线行走，或仅需基本的行动辅助。将基本行动辅助定义为仅需标准手杖或手动轮椅即可。
3. 通过场地批准的访客邀请（使用标准化口头脚本）、通过官方场地平台进行数字预注册，或通过印刷的公开公告招募参与者。每日每个场地的入组人数限制为12人。
4. 排除有因扩展现实（XR）或虚拟现实（VR）引发严重晕动病史的个体。通过基线《晕动病易感性问卷短表》得分超过15分来确定。
5. 排除经医学诊断患有眩晕症或无法控制的视觉障碍的个体。包括未矫正的斜视等状况。
6. 排除患有影响参与安全性的急性疾病的个体。通过静息心率超过100次/分钟或存在活动性呼吸系统症状来识别。
7. 排除无法提供有效知情同意的个体。
8. 在远离主要访客流线的指定安静区域进行资格筛查。保持环境噪声水平低于55 dB。
9. 在相同的指定区域内进行知情同意程序。每位参与者至少提供4 m²的座位区域。
10. 为每位入组参与者分配唯一的研究识别代码。使用计算机生成的伪随机字母数字算法生成该标识符，结构为SiteCode-Date-Sequence，以防止重复。
11. 以加密形式存储14天随访的联系信息。在受密码保护的机构本地服务器上使用高级加密标准256位协议。
12. 将联系信息文件与主要分析数据集分开存储。仅限研究协调员访问该文件。

2. 实验会话安排与条件分配

1. 采用按地点分层的区组随机化方法分配参与者，以确保室内博物馆（地点A）和半开放文化遗产场所（地点B）之间的均衡分布。使用R软件中的blockrand包生成区组，并设定固定的伪随机种子，以确保计算过程的可重复性。
2. 采用依次编号、不透明且密封的信封实施分配隐藏。参与者流程请参见图1A，评估时间表请参见图1B。
3. 将参与者按每批采集窗口划分为每组六人。将每个采集窗口定义为2小时的运行时段。
4. 若在规定时间内未能达到六名参与者，则该不完整区组予以舍弃。将相关人员转至可行性预试验。
5. 将两名参与者分配至传统数字导览对照组，两名分配至MR静态叙事组，另两名分配至MR自适应叙事组。
6. 在场馆常规开放时间内安排研究会话，避免高峰拥挤时段。
7. 高峰拥挤定义为：在指定路线区域内，场馆监测系统报告瞬时游客密度超过1.5人/m²的时段。
8. 会话安排在09:30至11:30以及14:25至16:25两个时间段内。
   注意：为保持环境一致性，需确保环境照度维持在300至500 lux之间，环境噪声低于55 dB，并在所有路线区域保持无障碍的空间布局。对于半开放或户外文化遗产场所，应结合全球导航卫星系统与物理光学标记，实施空间锚定，以适应环境光照的变化。
9. 场馆闭馆后立即暂停启动新的会话，持续30分钟。
10. 将因异常拥挤而显著延迟或调整的会话记录为方案偏离。异常拥挤定义为突发性游客激增，导致参与者在任一单一通行走廊内的停留时间超过5分钟。

图1．混合现实（MR）文化体验方案的工作流程与评估时间安排。（A）参与者工作流程，展示从参观者接近或预先注册开始，依次进行资格筛查、知情同意、研究编号分配、基线评估、按地点分层的区组分配、干预实施、访问后即刻评估（T1）、14天随访联系、随访评估（T2）以及数据集整合的各个步骤。（B）评估时间安排，显示在三个时间点进行数据采集：基线（T0）、访问后即刻（T1）和随访（T2）。评估指标包括主题熟悉度、参观动机、注意力准备状态、知识测评、临场感问卷（PQ）、系统可用性量表（SUS）、叙事投入度、感知真实性、总体满意度、症状自评量表以及随访体验指标。请点击此处查看该图的高清版本。

3. 设备准备与校准

1. 每天首次会话前检查所有设备。确认电池电量高于80%，并验证界面运行无卡顿。
2. 确认每台设备至少有15 GB的可用本地存储空间。确保该容量足以支持高保真空间资源的渲染。
   注意：本研究使用运行Windows Holographic系统（版本22H2）的Microsoft HoloLens 2设备，混合现实应用程序基于Unity引擎（版本2022.3 LTS）和Mixed Reality Toolkit 3构建。空间叙事内容包以通过JSON配置脚本映射的编译AssetBundles（.ab）格式组织。
3. 通过安全的本地服务器使用网络时间协议（NTP）将所有设备同步至统一的研究时钟。设备间最大允许时间漂移为500毫秒。
4. 每天使用自动化预会话诊断脚本验证同步准确性。确保同步能够可靠整合问卷、会话摘要和事件日志。
   注意：通过安全本地服务器使用网络时间协议（NTP）执行设备时钟同步，以确保多模态数据流的精确对齐。
5. 将初始音频输出音量设置为经校准的基准值65 A加权分贝。使用标准声级计在典型耳-扬声器距离位置测量该数值。
6. 仅允许在55–75 dB的校准范围内进行手动音频调节。根据场地噪声水平和受试者舒适度进行调整。
7. 在路线实际起点处对参与者进行设备校准。确认参与者能够在1.5米的虚拟距离清晰辨识24磅Arial字体文本。
8. 确认参与者能够在50 dB的环境噪声基准之上清晰听到叙述内容。验证参与者在30秒静止测试期间至少能激活一项界面功能。
9. 若初始测试失败，则重启应用程序并尝试重新校准。将失败定义为无法持续记录眼动追踪坐标，或空间映射延迟超过2秒。
10. 若校准连续两次失败，则更换硬件设备。若更换后的设备仍无法满足上述性能参数，则终止会话，并将其标记为技术性未完成。

4. 路由配置与系统操作

1. 在六个指定的路线区域中配置空间叙事系统：历史背景、文物身份、过程逻辑、社会意义、反思以及叙事综合。
   1. 使用多边形地理围栏定义每个区域的空间边界。确保每个区域的最小物理面积为 9 m²/区域。
   2. 相邻区域之间保持至少 5 米的最小间距。防止区域之间的音视频干扰。
   3. 根据环境条件实施空间锚定协议。在室内博物馆环境中使用点云映射技术。
   4. 在半开放考古遗址中，采用实时运动学定位技术结合高对比度基准标记。系统架构参见图 2A，六区域路线结构参见图 2B。
      注意：选择路线区域时，应通过将历史转折点映射到物理地标，体现遗产地的叙事脉络。利用此结构使空间推进与博物馆教育中的认知支架原则相一致。
2. 根据参与者分配部署解释性干预措施。
   1. 在对照条件下，每个区域提供一个图文音频项目。内容标准化为包含 150 字的文字描述、分辨率超过 1920 × 1080 像素的高清图像，以及以 192 kbps 编码的 60–90 秒音频轨道。
   2. 在静态叙事条件下，呈现一组固定的叠加内容和一次引导式交互。保持线性的解释顺序，数字内容不随参与者行为而变化。
   3. 要求参与者在指定的全息热点上执行空中轻捏手势。触发虚拟文物的 360° 连续旋转。
      注意：在记录遗产项目定量数据的同时，应记录其定性特征。包括对环境限制、文化背景和用户界面设计的描述，以补充正式的量化指标。
3. 为自适应叙事条件启用自动行为触发机制。基于实时空间遥测数据，实施基于规则的逻辑架构。
   1. 使用确定性行为输入调整提示时机和线索密度。评估超过 45 秒的无活动状态或偏离跟踪中心的空间位移。
   2. 如果参与者的头部追踪视线偏离主要展品边界框达 15 秒，则激活方向性音频提示。
   3. 若停留时间超过 180 秒且未激活热点，则渲染一个次要的浮动文字提示。
   4. 每个区域最多允许两个额外系统提示，每场实验最多八个。
4. 持续监控技术性能，确保动显延迟低于 120 毫秒。使用混合现实工具包诊断分析器进行延迟测量，采样频率设置为 60 Hz。
5. 持续验证跟踪稳定性。若跟踪丢失超过 10 秒，需立即由工作人员确认。
6. 在跟踪故障期间立即尝试技术恢复。在 120 秒内恢复系统功能。
7. 若恢复失败，则将参与者切换至预设的备用导览。备用导览定义为平板设备上预加载的二维交互地图，包含相同的音频叙述，但无空间跟踪功能。
8. 若在 120 秒内无法恢复跟踪，则终止混合现实数据采集。技术阈值、备用规则和质量标志参见表 1。

表1：预定义的技术阈值、完成标准、质量标记、回退规则及安全停止规则。 本表定义了设备就绪性、校准、技术性能阈值、区域与路径完成规则、自适应递送约束、工作人员干预记录、质量标记、回退程序以及安全监测与停止条件等操作标准。每一项均指明了所需条件、相应操作及实施说明，以确保在各研究会话中实现标准化执行与可重复性。基于时间的阈值在适用时以秒（s）和毫秒（ms）表示。请点击此处下载该表格。

图 2．系统架构与六区路线结构。（A）三层系统架构，包括空间叙事层（物理区域锚定、内容-位置匹配、过渡逻辑）、交互界面层（视觉叠加、音频叙述、热点激活、自适应提示、无障碍选项）和测量层（问卷、会话摘要、区域停留记录、事件日志、症状监测）。（B）六区路线结构，显示依次的区域：历史背景、实物或遗址身份、过程或建造逻辑、社会或社群意义、比较或反思、以及叙事整合。每个区域均包含一个锚点提示、一段叙事内容和一个引导式交互组件。请点击此处查看此图的放大版本。

5. 实施访视与安全性监测

1. 在参与者到达后立即进行基线（T0）评估。收集有关文化主题熟悉度、参观动机、注意力准备状态以及基线知识的数据。
2. 使用标准化的15项问卷进行基线评估。该问卷包含5点李克特量表和基于标准的多项选择题。完整的问卷内容参见补充表1。
3. 提供持续3–5分钟的标准化口头引导。使用逐字脚本进行讲解。
4. 指导参与者进行设备调节操作、物理边界范围说明，以及请求工作人员协助时的标准举手动作。完整脚本参见补充文本1。
5. 在研究实施前对所有管理人员进行培训。要求完成两小时的操作培训模块，并通过模拟故障排除能力评估。
6. 持续跟踪参与者在六个区域中的行进过程。记录进入和离开各区域的时间节点。
7. 仅当参与者在某一区域内停留至少30秒时，方可认定该区域已完成。同时需至少触发一次叙述性内容事件。
8. 通过系统触发的退出提示确认区域完成。该提示定义为参与者离开多边形地理围栏时记录的空间坐标交点。
   注：30秒的最短停留时间可确保参与者充分接触基线视听刺激，同时避免引起参观疲劳。
9. 记录任何持续超过30秒的工作人员干预。所有实验过程中须保持1:3的工作人员与参与者比例。
10. 工作人员干预仅限于设备重新校准、物理障碍清除和标准化的就座协助。禁止工作人员对文化内容提供解释性指导。
11. 使用结构化的五项症状清单监测参与者的晕动症情况：恶心、头晕、方向感丧失、头痛和眼疲劳。
12. 在第三区与第四区之间的过渡阶段口头发放该清单。要求参与者在路线完成后立即提交电子自评报告。
13. 若参与者报告的症状严重程度在0–4量表上达到3或4分，应立即暂停实验。
14. 在安全暂停后，指导参与者静坐休息5分钟。
15. 若症状评分仍高于2分，则终止实验。若参与者主动要求停止，也应终止实验。
16. 若继续参与存在安全隐患，则终止实验。安全隐患定义为姿势稳定性丧失、持续性踉跄，或通过脉搏验证确认心率持续超过120次/分钟。

6. 访问后评估与数据记录

1. 在完成路线后，立即在主参观通道外进行即时访问后（T1）评估。评估空间临场感、可用性、叙事参与度及整体满意度。
2. 使用改编自Igroup临场感问卷（IPQ）和系统可用性量表（SUS）的测量工具。纳入遗产特异性描述项，以确保构念效度与信度。
3. 对所有评估量表应用标准化评分算法。完整的分项量表、操作定义及评分程序请参见表2。
4. 在参观后第14天联系参与者，进行随访（T2）知识与记忆保持评估。通过加密的数字调查链接，将评估发送至参与者的注册邮箱或移动设备。
5. 最多发送三次标准化提醒提示。在72小时内均匀分布提醒发送时间。
6. 允许参与者在第12至第16天的时间窗口内完成评估。
7. 若至第16天结束时仍未收到完整回应，则将该参与者标记为失访。缺失数据采用成对删除法处理。
8. 提取并汇编参与者层面的问卷数据、会话摘要、区域级停留记录及带时间戳的事件日志。
9. 在参与度汇总中排除停留时间少于10秒的区域数据。仅当日志确认完成有意义的内容时，才包含此类数据。
10. 将有意义的内容完成定义为：在同一区域内启动核心音频叙事，并至少记录一次主动热点交互动作。
11. 通过合并所有汇编的数据流，构建最终分析数据集。
12. 使用二元纳入规则设置暴露质量标志。若五个或以上区域满足有效完成标准，则赋值为1。
13. 若四个或更少区域满足有效完成标准，则赋值为0。
14. 在主要疗效分析中排除标志为0的会话。仅在可行性与安全性分析中保留这些会话。

表2：研究变量的操作性定义、评分规则及评估时间。本表汇总了所有研究变量，包括访视前协变量、主要和次要结局指标、行为测量指标以及过程变量。每个变量均列明其测量类型、评分范围、解释标准，并注明在基线期（T0）、访视后即刻（T1）和随访期（T2）的评估时间点。基于量表的测量工具包括Igroup临场感问卷（IPQ）和系统可用性量表（SUS）。衍生变量根据所规定的观测指标计算得出。请点击此处下载该表格。

结果

参与者特征与分配

共招募了180名参与者，每种实验条件各分配60人（传统数字导览对照组、MR静态叙事组和MR自适应叙事组）。在入选的参与者中，109人参观了城市历史博物馆（地点A），71人参观了考古遗产公园（地点B）。三个组在基线人口统计学特征方面具有可比性，包括年龄、既往使用XR/MR设备的经验以及自我评估的数字素养（表3）。对照组的平均年龄为39.3 ± 13.7岁，MR静态叙事组为36.7 ± 13.4岁，MR自适应叙事组为39.0 ± 13.4岁。

表3：按研究条件划分的参与者基线特征、研究中心分布及方案完成情况。 本表总结了对照组、MR静态叙事组（MR static）和MR自适应叙事组（MR adaptive）参与者的基线人口学特征、既往经验、研究中心分布以及方案完成情况。连续变量以均值±标准差（SD）表示，分类变量以数量（n）和百分比（%）表示。P值表示不同研究条件之间的比较结果。

讨论

本研究将混合现实（MR）技术不仅视为一种独立的展示手段，更定位为一种嵌入实地的解释性框架，该框架精细整合了空间路径结构、界面控制以及多模态评估。本实验方案的一项主要成就是其实现了操作上的整体性。历史上，文化机构中的沉浸式技术往往被作为独立的附加性展示项目，而非整合性的叙事工具。然而，近期文献强调，文化遗产领域的可部署扩展现实（XR）体验应被构想为具有可操作性和透明性的包容性、空间连贯的系统¹⁷。在室内博物馆和半开放遗产地观察到的高完成率以及可控的技术中断情况，验证了该整合方法在真实且客流动态变化的环境中具备可行性¹⁸。尤为重要的是，该操作设计有意避免了对一对一监控的需求；单名经过培训的工作人员即可同时有效监管多名参与者，从而证实了该方案在实地部署中的真正可行性，且不会对主办机构造成不切实际的人力资源负担。若干程序性要素对于本方案的成功实施至关重要，包括进入路径前的设备校准、区域完成标准的执行，以及对延迟和追踪稳定性等预设技术阈值的遵守，这些措施共同确保了系统性能的一致性以及不同实验条件下用户体验的可比性。尽管传统数字导览的临场感和可用性评分较...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
事件记录系统	研究团队	集成于混合现实应用中的研究专用日志模块（基于 Unity 的遥测系统）	记录停留时间、交互事件和会话日志
混合现实应用平台	研究团队	Unity Engine 2022.3 LTS 与混合现实工具包（MRTK 3）集成	呈现静态与自适应的混合现实叙事内容
混合现实头戴设备	Microsoft Corporation	HoloLens 2 运行 Windows Holographic 22H2 系统	提供混合现实文化体验
问卷调查工具	研究团队 / Qualtrics XM（Qualtrics, LLC）	Qualtrics XM 平台（基于云，2025 版本）	收集基线、访问后及随访数据
空间叙事内容包	研究团队	通过 JSON 配置脚本映射的已编译 AssetBundles（.ab 文件）	提供六区域叙事材料
统计分析软件	IBM Corp.；GraphPad Software, LLC；R Foundation for Statistical Computing	SPSS Statistics 29.0；GraphPad Prism 10.0；R 4.3.1	数据清洗、统计分析与图表生成
随机化软件	R Foundation for Statistical Computing	R 4.3.1 配合 blockrand 包	基于站点分层的区组随机化与分配序列生成
时间同步系统	机构服务器 / NTP	网络时间协议（NTP）	多模态数据整合所需的设备时钟同步
传统数字导览系统	现场研究团队 / 博物馆平台	定制微信小程序（API v3.0）	对照条件下的内容传递