馬超

[摘 要]以創(chuàng)新展品組“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”為例，通過分析類似展品的現(xiàn)狀，分別從創(chuàng)新展品的創(chuàng)意過程、設(shè)計(jì)方案、創(chuàng)新點(diǎn)及其設(shè)計(jì)啟示等方面，闡述科普場館創(chuàng)新展品的設(shè)計(jì)思路。

[關(guān)鍵詞]科普展品 設(shè)計(jì)創(chuàng)新 科技館

“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐?！碑?dāng)前，我國正在努力提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，因此提高自主創(chuàng)新能力已經(jīng)成為黨中央對科技工作提出的新要求。對于創(chuàng)新，從事科普工作的科技館人并不陌生，展覽展品的創(chuàng)新是展品設(shè)計(jì)人員畢生的追求，是科技館行業(yè)永恒的話題。

科技館展覽展品創(chuàng)新的難點(diǎn)在于展品創(chuàng)新。與展品創(chuàng)新相比，展覽的主題和脈絡(luò)是停留在展覽設(shè)計(jì)人員腦子抽象的想法，不易被觀眾了解，同時(shí)也沒有衡量標(biāo)準(zhǔn)判斷其創(chuàng)新與否，而展品創(chuàng)新是客觀存在的，是可以通過國內(nèi)外科技館展品情況進(jìn)行判定，同時(shí)觀眾在參與體驗(yàn)過程中也可以有親身的感受和感悟。

基礎(chǔ)學(xué)科的科普展品是最早一批能夠通過聲、光、電等技術(shù)手段，以觀眾在互動中觀察科學(xué)現(xiàn)象的形式展示經(jīng)典物理和數(shù)學(xué)等科學(xué)內(nèi)容的演示裝置。由于基礎(chǔ)學(xué)科的科普展品具備互動性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)受到觀眾的喜愛，是科技館中最受歡迎的一類展品?；A(chǔ)學(xué)科科學(xué)內(nèi)容是最早轉(zhuǎn)化為互動演示裝置的，由于受到觀眾的廣泛喜愛，也是展品設(shè)計(jì)人員最用心挖掘的一類展品，因此基礎(chǔ)學(xué)科科普展品的創(chuàng)新相比其他學(xué)科更為艱難。

近期，筆者從實(shí)踐出發(fā)，開展一件創(chuàng)新展品——“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”的研制工作，嘗試總結(jié)提煉創(chuàng)新展品設(shè)計(jì)思路。

一、幾何類科普展品的現(xiàn)狀分析

在設(shè)計(jì)創(chuàng)新展品之前了解國內(nèi)外科技館該類展品的現(xiàn)狀是必不可少的。在計(jì)劃進(jìn)行“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”的研制展品之前，有必要對現(xiàn)有國內(nèi)外科技館中的圓錐曲線展品進(jìn)行梳理和歸類。

圓錐曲線作為平面幾何中的重要內(nèi)容，在科技館中已經(jīng)有所展示，雙曲線狹縫、正交十字磨、圓錐曲線的形成等展品已經(jīng)成為常規(guī)展品，展示在多家科技館的數(shù)學(xué)展區(qū)中，其中雙曲線狹縫等展品由于立意新穎、現(xiàn)象反常規(guī)，已是科技館界公認(rèn)的經(jīng)典展品，并廣泛應(yīng)用到其他展示領(lǐng)域。

圓錐曲線的科普展品大多采用機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)展示效果，互動性強(qiáng)，現(xiàn)象直觀，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，但展示內(nèi)容、展示效果和展示形式仍有不足之處。

（一）展示內(nèi)容不夠全面

圓錐曲線的科普展品大多針對一個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行展示，定位相對偏低，缺少不同類型圓錐曲線之間的橫向?qū)Ρ?，使觀眾只能從展品中獲得一個(gè)知識點(diǎn)，難以形成不同知識點(diǎn)構(gòu)成的圓錐曲線知識鏈。

（二）部分展品展示效果不理想

目前，展品拋物線的展示方式只是通過小球自身重力從斜坡上自由下落，利用小球的運(yùn)動軌跡來展示拋物線的光學(xué)性質(zhì)。這種互動方式將小球重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，小球的運(yùn)動速度不夠大，容易受到臺面不平等其他因素的影響，會出現(xiàn)小球運(yùn)動不準(zhǔn)確以致展示失敗的情況。

（三）部分展品觀眾收獲不理想

大多數(shù)觀眾明白如何操作“正交十字磨”展品，也會推動操作端進(jìn)行操作，但他們并沒有了解這件展品所要展示的科學(xué)原理，也沒有體會到操作端轉(zhuǎn)動一周后就畫出了一個(gè)橢圓，以及這個(gè)橢圓是如何形成的。從觀眾收獲角度來講，本件展品沒有給觀眾提供更多的啟發(fā)。

二、“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”展品的創(chuàng)意過程

“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”展品的創(chuàng)意過程，大致經(jīng)歷了科學(xué)內(nèi)容的選取、表現(xiàn)形式的選擇、技術(shù)手段的取舍三個(gè)階段。

（一）科學(xué)內(nèi)容的選取

“橢圓焦點(diǎn)”為科技館一件經(jīng)典展品，展示橢圓的光學(xué)性質(zhì)。同樣，展示拋物線光學(xué)性質(zhì)的展品在科技館中也屢見不鮮。橢圓、拋物線和雙曲線同為圓錐曲線，為什么前兩者的光學(xué)性質(zhì)在科技館中均有展示，而雙曲線的光學(xué)性質(zhì)卻沒有展示呢？是因?yàn)闊o法通過簡單的機(jī)電手段進(jìn)行展示，還是其他原因？經(jīng)查閱資料，筆者深入學(xué)習(xí)了雙曲線的光學(xué)性質(zhì)，即若光源放在雙曲線的一個(gè)焦點(diǎn)處，光線射到雙曲線靠近這個(gè)焦點(diǎn)的一支上，經(jīng)過反射之后，就好像從另一個(gè)焦點(diǎn)處射出一樣（見圖1）。雙曲線的光學(xué)性質(zhì)相比橢圓和拋物線等其他圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜，這可能就是為什么國內(nèi)外科普場館尚未展示該科學(xué)內(nèi)容的原因。若可以將雙曲線的光學(xué)性質(zhì)這一科學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為科普展品，無疑將是一件全新的展品，并可以與“橢圓焦點(diǎn)”和“拋物線”組成圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)展品組，揭示并對比不同圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)的異同，從而極大地提高展品的展教效果。

（二）表現(xiàn)形式的選擇

科學(xué)內(nèi)容的確定只是邁開創(chuàng)新展品設(shè)計(jì)的第一步，展品表現(xiàn)形式的選取是決定展品優(yōu)秀與否的重要標(biāo)志。應(yīng)盡量做到展示效果出其不意，引人遐想，操作步驟簡單明了，產(chǎn)生的現(xiàn)象明顯直觀。考慮到可以組成圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)展品組的因素，在表現(xiàn)形式的選取上盡量與另兩件展品類似，以求呼應(yīng)。

經(jīng)過反復(fù)斟酌，最后確定的表現(xiàn)形式是：觀眾可以在軌道上任意移動彈射裝置的位置，通過調(diào)整出球方向瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)處焦點(diǎn)并釋放小球（圓片），小球（圓片）經(jīng)過近處雙曲線形擋板反彈到近處的焦點(diǎn)位置。雖然觀眾瞄準(zhǔn)的是遠(yuǎn)處雙曲線焦點(diǎn)，但小球（圓片）經(jīng)過雙曲線形擋板的反彈卻能到達(dá)近處雙曲線焦點(diǎn)，這一與常理不相符的現(xiàn)象可以激發(fā)觀眾進(jìn)一步參與展項(xiàng)，思考其背后科學(xué)原理，從中得到收獲和啟發(fā)。

（三）技術(shù)手段的取舍

展品技術(shù)手段選擇的原則是采用最簡單、最可靠的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)預(yù)期的展示效果，不求技術(shù)手段的高級與復(fù)雜。

1.采用小球還是其他形狀物體運(yùn)動。小球的優(yōu)點(diǎn)是摩擦力小，但在碰撞擋板的時(shí)候，由于小球可以任意方向滾動，容易產(chǎn)生側(cè)向力，導(dǎo)致碰撞后的運(yùn)動方向出現(xiàn)偏差;圓片由于是一個(gè)平面與臺面接觸，優(yōu)點(diǎn)是不像小球受到的側(cè)向力影響較大，但缺點(diǎn)也是非常明顯的，由于是一個(gè)平面與臺面接觸，接觸面積較大，摩擦較大。為此，我們對原有的圓片進(jìn)行改進(jìn)，只保留了周圍的圓環(huán)，中間的部分去掉，這樣既解決了碰撞后的方向問題，同時(shí)也解決了摩擦力大的問題。

2.展品彈射裝置采用何種手段實(shí)現(xiàn)。展品中釋放球（圓片）的方式有很多種，如通過斜坡滑落的方式、觀眾用桿擊打類似打臺球的方式、釋放壓縮彈簧的方式等。首先，通過斜坡滑落的方式。由于重力勢能不夠，且臺面具有一定的摩擦力，很難讓球（圓片）具有一定的速度運(yùn)動，若速度較慢，球（圓片）會受到摩擦力更大的影響，嚴(yán)重影響展示效果;其次，觀眾用桿擊打球（圓片）的形式。從設(shè)計(jì)角度講最為簡單，但由于趣味性過強(qiáng)，易使觀眾忽視展品的科學(xué)內(nèi)容，且觀眾揮桿時(shí)容易碰傷周圍觀眾;最后，釋放壓縮彈簧的方式釋放圓片，既保證了圓片具有一定的初速度，又適當(dāng)降低了娛樂性，使觀眾聚焦展品的展示效果。

三、“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”展品介紹

本展品組由三件展示不同圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)的展品組成。

（一）橢圓光學(xué)性質(zhì)

展品由展品玻璃平面、圓片等組成。在展臺上設(shè)置一個(gè)摩擦較小的玻璃平面，玻璃平面四周設(shè)置橢圓形臺邊，在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)位置上設(shè)置固定圓柱塊。觀眾參與時(shí)，將移動圓片放置到橢圓的另一焦點(diǎn)位置，朝任意方向用手彈射圓片，圓片經(jīng)過橢圓臺邊的反彈，可以撞擊到另一焦點(diǎn)位置的固定圓柱塊。

（二）雙曲線光學(xué)性質(zhì)

展品由展臺、雙曲線形擋板、圓弧形導(dǎo)軌、彈射裝置、圓片等組成。在展臺上設(shè)置兩個(gè)雙曲線形擋板，雙曲線中心為臺面中心，在雙曲線焦點(diǎn)位置設(shè)置兩個(gè)目標(biāo)圓柱塊。本展品采用兩種參與方式：其一為手動彈射圓片的方式;其二為發(fā)球裝置彈射圓片的方式。

1.為手動彈射圓片的方式。觀眾首先將圓片放置在一側(cè)平面的任意位置，根據(jù)臺面上指示，朝向雙曲線遠(yuǎn)處焦點(diǎn)方向彈射圓片，如果彈射準(zhǔn)確，反彈近處雙曲線擋板后即可擊中近處焦點(diǎn)位置的目標(biāo)塊。

2.發(fā)球裝置彈射圓片的方式。觀眾首先可以在圓弧形導(dǎo)軌上任意移動彈射裝置，由于圓弧形導(dǎo)軌的圓心是雙曲線遠(yuǎn)處的焦點(diǎn)位置，即彈射裝置無論在導(dǎo)軌什么位置，其出球口方向一直指向雙曲線遠(yuǎn)處的焦點(diǎn)位置。發(fā)球裝置可采用彈簧彈射方式實(shí)現(xiàn)。觀眾參與時(shí)，在任意位置彈射圓片，圓片經(jīng)過近處雙曲線擋板反彈后會擊中近處焦點(diǎn)位置上的目標(biāo)塊。

（三）拋物線光學(xué)性質(zhì)

展品由展臺上兩條不同形狀拋物線擋板、障礙擋板和圓片等組成。展品兩端設(shè)置兩條不同形狀的拋物線擋板，且中間區(qū)域設(shè)置一個(gè)障礙擋板，其中一個(gè)拋物線焦點(diǎn)位置為出發(fā)位置，另一個(gè)拋物線的焦點(diǎn)位置上設(shè)置一個(gè)固定的目標(biāo)圓柱塊為終點(diǎn)位置。臺面上通過文字和圖示，提示觀眾如何從出發(fā)位置發(fā)出圓片繞開障礙擋板到達(dá)終點(diǎn)位置，觀眾參與時(shí)在拋物線焦點(diǎn)位置朝該拋物線手動彈射圓片，圓片經(jīng)過拋物線反彈后，向另一條拋物線運(yùn)動，經(jīng)過二次反彈后，會到達(dá)第二條拋物線的焦點(diǎn)位置，即擊中目標(biāo)塊。觀眾無論朝哪個(gè)方向，只要朝近處拋物線彈射圓片，且繞開障礙擋板，大概會擊中另一焦點(diǎn)位置的目標(biāo)塊。

四、“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”展品的創(chuàng)新點(diǎn)

展品“圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)”具有雙曲線的光學(xué)性質(zhì)展示內(nèi)容的原始創(chuàng)新、將三種不同圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)組合展示的集成創(chuàng)新、通過兩種不同形狀拋物線展示拋物線光學(xué)性質(zhì)的展品表現(xiàn)形式創(chuàng)新和可以廣泛應(yīng)用到其他彈射圓片展品的彈射裝置的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新等四個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

五、創(chuàng)新展品設(shè)計(jì)的啟示

（一）挖掘科學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

所謂科學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新，是指本展品展示的科學(xué)內(nèi)容在其他場所沒有進(jìn)行過展示。前文提到的展品“雙曲線的光學(xué)性質(zhì)”屬于此類創(chuàng)新。首先，我們必須指出科學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新應(yīng)與科學(xué)內(nèi)容的發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格區(qū)分開，是指對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的科學(xué)知識、原理通過某種表現(xiàn)形式和技術(shù)手段展示給觀眾，使觀眾對于這個(gè)科學(xué)知識和原理能夠有所認(rèn)識和啟發(fā)。而對于科學(xué)內(nèi)容的發(fā)現(xiàn)并不屬于科技館的職能范疇。

目前，科技館中展示的科學(xué)內(nèi)容是非常有限的，因此科學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新并不難，但為了確保創(chuàng)新展品是優(yōu)秀的，受觀眾歡迎的展品，我們必須對所選擇的科學(xué)內(nèi)容進(jìn)行甄別。為了滿足不同學(xué)習(xí)經(jīng)歷的觀眾能夠獲得科學(xué)教育和啟發(fā)，我們所選取的科學(xué)內(nèi)容不能過于專業(yè)和深奧，應(yīng)貼近觀眾生活，以激發(fā)觀眾的參與熱情。如展品“雙曲線的光學(xué)性質(zhì)”的科學(xué)內(nèi)容較為淺顯易懂，在日常生活中有廣泛的應(yīng)用，符合大多數(shù)觀眾的參觀需求，這樣觀眾就能在參與中有所收獲和啟迪。

（二）重視表現(xiàn)形式的創(chuàng)新

展品表現(xiàn)形式的創(chuàng)新是最困難，也是最為有效的創(chuàng)新形式。以展品“雙曲線的光學(xué)性質(zhì)”為例，雙曲線的光學(xué)性質(zhì)內(nèi)容本身并不難，稍作思考，便能理解，但如何將這一科技內(nèi)容轉(zhuǎn)化為形式生動的科普展品，能夠受到觀眾的歡迎，得到觀眾的認(rèn)可，達(dá)到預(yù)期的教育效果，則是一個(gè)不小的難題，這一點(diǎn)正是創(chuàng)新展品的掣肘，也是為什么一件創(chuàng)新展品的設(shè)計(jì)難度不亞于一件新產(chǎn)品的原因。為了充分剖析表現(xiàn)形式對于展品優(yōu)劣的重要性，筆者將展品的表現(xiàn)形式按照吸引觀眾的反應(yīng)程度分為三個(gè)層次：

1.匪夷所思、反常規(guī)的表現(xiàn)形式。如“錐體上滾”中的錐體沿軌道向上運(yùn)動;“雙曲線槽”中的直桿穿過彎曲的狹槽等。這類表現(xiàn)形式很容易抓住觀眾的心，激發(fā)觀眾思考展項(xiàng)背后的科學(xué)原理，從而達(dá)到展品的教育目的，同時(shí)展品本身也會給觀眾留下深刻的印象。此類表現(xiàn)形式的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)，需要展覽設(shè)計(jì)師具備深厚的知識功底、扎實(shí)的業(yè)務(wù)技能和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

2.自己動手操作和體驗(yàn)，看展品的直觀效果。通過觀眾動手操作和體驗(yàn)，看展品的直觀效果，從而了解展品的科學(xué)原理，達(dá)到傳輸科學(xué)知識、啟發(fā)觀眾思考的目的?？萍拣^中大部分展品屬于第二類表現(xiàn)形式，此類表現(xiàn)形式的展品雖不是最好，但屬于科技館展品中的主力軍，若配合一些吸引觀眾的科學(xué)教育手段和圖文介紹，仍具有較好的教育效果。

3.通過靜態(tài)模型或簡單多媒體進(jìn)行科技內(nèi)容的展示。這種表現(xiàn)形式主要用于難以采用機(jī)電互動方式，通過直觀的展品變化進(jìn)行展示的科技內(nèi)容，如微觀世界和高速運(yùn)動物體的科學(xué)內(nèi)容。這種表現(xiàn)形式的展品較難引起觀眾的參與興趣。為了保證創(chuàng)新展品的質(zhì)量和教育效果，在創(chuàng)新展品的表現(xiàn)形式設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用靜態(tài)模型和簡單多媒體類表現(xiàn)形式，或者說靜態(tài)模型和簡單多媒體類展品不應(yīng)列入科普場館創(chuàng)新展品之列。

（三）技術(shù)手段的創(chuàng)新

隨著科技的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)展品表現(xiàn)形式的技術(shù)手段是多種多樣的，采用不同的技術(shù)手段，決定展品不同的安全可靠性和迥異的造價(jià)。由于業(yè)務(wù)水平差異等原因，展覽設(shè)計(jì)人員在技術(shù)方案的選取以及展品設(shè)計(jì)、制作等環(huán)節(jié)上難免遺留各種問題和隱患。采用更穩(wěn)定、更可靠，價(jià)格更低廉的技術(shù)手段替代原有技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)展品相同的表現(xiàn)形式和展示效果也屬于展品創(chuàng)新的范疇。雖然展品技術(shù)手段的創(chuàng)新沒有給觀眾全新的視覺和參與感受，但對科技館展覽長期穩(wěn)定和健康發(fā)展大有益處。