淺談科普場館創新展品的設計思路

馬超

[摘 要]以創新展品組“圓錐曲線的光學性質”為例，通過分析類似展品的現狀，分別從創新展品的創意過程、設計方案、創新點及其設計啟示等方面，闡述科普場館創新展品的設計思路。

[關鍵詞]科普展品 設計創新 科技館

“創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐。”當前，我國正在努力提高自主創新能力，建設創新型國家，因此提高自主創新能力已經成為黨中央對科技工作提出的新要求。對于創新，從事科普工作的科技館人并不陌生，展覽展品的創新是展品設計人員畢生的追求，是科技館行業永恒的話題。

科技館展覽展品創新的難點在于展品創新。與展品創新相比，展覽的主題和脈絡是停留在展覽設計人員腦子抽象的想法，不易被觀眾了解，同時也沒有衡量標準判斷其創新與否，而展品創新是客觀存在的，是可以通過國內外科技館展品情況進行判定，同時觀眾在參與體驗過程中也可以有親身的感受和感悟。

基礎學科的科普展品是最早一批能夠通過聲、光、電等技術手段，以觀眾在互動中觀察科學現象的形式展示經典物理和數學等科學內容的演示裝置。由于基礎學科的科普展品具備互動性強、現象明顯等特點受到觀眾的喜愛，是科技館中最受歡迎的一類展品。基礎學科科學內容是最早轉化為互動演示裝置的，由于受到觀眾的廣泛喜愛，也是展品設計人員最用心挖掘的一類展品，因此基礎學科科普展品的創新相比其他學科更為艱難。

近期，筆者從實踐出發，開展一件創新展品——“圓錐曲線的光學性質”的研制工作，嘗試總結提煉創新展品設計思路。

一、幾何類科普展品的現狀分析

在設計創新展品之前了解國內外科技館該類展品的現狀是必不可少的。在計劃進行“圓錐曲線的光學性質”的研制展品之前，有必要對現有國內外科技館中的圓錐曲線展品進行梳理和歸類。

圓錐曲線作為平面幾何中的重要內容，在科技館中已經有所展示，雙曲線狹縫、正交十字磨、圓錐曲線的形成等展品已經成為常規展品，展示在多家科技館的數學展區中，其中雙曲線狹縫等展品由于立意新穎、現象反常規，已是科技館界公認的經典展品，并廣泛應用到其他展示領域。

圓錐曲線的科普展品大多采用機械技術實現展示效果，互動性強，現象直觀，運行可靠、穩定，但展示內容、展示效果和展示形式仍有不足之處。

（一）展示內容不夠全面

圓錐曲線的科普展品大多針對一個知識點進行展示，定位相對偏低，缺少不同類型圓錐曲線之間的橫向對比，使觀眾只能從展品中獲得一個知識點，難以形成不同知識點構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，利用小球的運動軌跡來展示拋物線的光學性質。這種互動方式將小球重力勢能轉化為動能，小球的運動速度不夠大，容易受到臺面不平等其他因素的影響，會出現小球運動不準確以致展示失敗的情況。

（三）部分展品觀眾收獲不理想

大多數觀眾明白如何操作“正交十字磨”展品，也會推動操作端進行操作，但他們并沒有了解這件展品所要展示的科學原理，也沒有體會到操作端轉動一周后就畫出了一個橢圓，以及這個橢圓是如何形成的。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。

二、“圓錐曲線的光學性質”展品的創意過程

“圓錐曲線的光學性質”展品的創意過程，大致經歷了科學內容的選取、表現形式的選擇、技術手段的取舍三個階段。

（一）科學內容的選取

“橢圓焦點”為科技館一件經典展品，展示橢圓的光學性質。同樣，展示拋物線光學性質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性質在科技館中均有展示，而雙曲線的光學性質卻沒有展示呢？是因為無法通過簡單的機電手段進行展示，還是其他原因？經查閱資料，筆者深入學習了雙曲線的光學性質，即若光源放在雙曲線的一個焦點處，光線射到雙曲線靠近這個焦點的一支上，經過反射之后，就好像從另一個焦點處射出一樣（見圖1）。雙曲線的光學性質相比橢圓和拋物線等其他圓錐曲線的光學性質更為復雜，這可能就是為什么國內外科普場館尚未展示該科學內容的原因。若可以將雙曲線的光學性質這一科學內容轉化為科普展品，無疑將是一件全新的展品，并可以與“橢圓焦點”和“拋物線”組成圓錐曲線光學性質展品組，揭示并對比不同圓錐曲線光學性質的異同，從而極大地提高展品的展教效果。

（二）表現形式的選擇

科學內容的確定只是邁開創新展品設計的第一步，展品表現形式的選取是決定展品優秀與否的重要標志。應盡量做到展示效果出其不意，引人遐想，操作步驟簡單明了，產生的現象明顯直觀。考慮到可以組成圓錐曲線光學性質展品組的因素，在表現形式的選取上盡量與另兩件展品類似，以求呼應。

經過反復斟酌，最后確定的表現形式是：觀眾可以在軌道上任意移動彈射裝置的位置，通過調整出球方向瞄準遠處焦點并釋放小球（圓片），小球（圓片）經過近處雙曲線形擋板反彈到近處的焦點位置。雖然觀眾瞄準的是遠處雙曲線焦點，但小球（圓片）經過雙曲線形擋板的反彈卻能到達近處雙曲線焦點，這一與常理不相符的現象可以激發觀眾進一步參與展項，思考其背后科學原理，從中得到收獲和啟發。

（三）技術手段的取舍

展品技術手段選擇的原則是采用最簡單、最可靠的技術手段實現預期的展示效果，不求技術手段的高級與復雜。

1.采用小球還是其他形狀物體運動。小球的優點是摩擦力小，但在碰撞擋板的時候，由于小球可以任意方向滾動，容易產生側向力，導致碰撞后的運動方向出現偏差;圓片由于是一個平面與臺面接觸，優點是不像小球受到的側向力影響較大，但缺點也是非常明顯的，由于是一個平面與臺面接觸，接觸面積較大，摩擦較大。為此，我們對原有的圓片進行改進，只保留了周圍的圓環，中間的部分去掉，這樣既解決了碰撞后的方向問題，同時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現。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）具有一定的速度運動，若速度較慢，球（圓片）會受到摩擦力更大的影響，嚴重影響展示效果;其次，觀眾用桿擊打球（圓片）的形式。從設計角度講最為簡單，但由于趣味性過強，易使觀眾忽視展品的科學內容，且觀眾揮桿時容易碰傷周圍觀眾;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、“圓錐曲線的光學性質”展品介紹

本展品組由三件展示不同圓錐曲線光學性質的展品組成。

（一）橢圓光學性質

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

（二）雙曲線光學性質

展品由展臺、雙曲線形擋板、圓弧形導軌、彈射裝置、圓片等組成。在展臺上設置兩個雙曲線形擋板，雙曲線中心為臺面中心，在雙曲線焦點位置設置兩個目標圓柱塊。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平面的任意位置，根據臺面上指示，朝向雙曲線遠處焦點方向彈射圓片，如果彈射準確，反彈近處雙曲線擋板后即可擊中近處焦點位置的目標塊。

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

（三）拋物線光學性質

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。展品兩端設置兩條不同形狀的拋物線擋板，且中間區域設置一個障礙擋板，其中一個拋物線焦點位置為出發位置，另一個拋物線的焦點位置上設置一個固定的目標圓柱塊為終點位置。臺面上通過文字和圖示，提示觀眾如何從出發位置發出圓片繞開障礙擋板到達終點位置，觀眾參與時在拋物線焦點位置朝該拋物線手動彈射圓片，圓片經過拋物線反彈后，向另一條拋物線運動，經過二次反彈后，會到達第二條拋物線的焦點位置，即擊中目標塊。觀眾無論朝哪個方向，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位置的目標塊。

四、“圓錐曲線的光學性質”展品的創新點

展品“圓錐曲線的光學性質”具有雙曲線的光學性質展示內容的原始創新、將三種不同圓錐曲線光學性質組合展示的集成創新、通過兩種不同形狀拋物線展示拋物線光學性質的展品表現形式創新和可以廣泛應用到其他彈射圓片展品的彈射裝置的機構創新等四個創新點。

五、創新展品設計的啟示

（一）挖掘科學內容創新

所謂科學內容的創新，是指本展品展示的科學內容在其他場所沒有進行過展示。前文提到的展品“雙曲線的光學性質”屬于此類創新。首先，我們必須指出科學內容的創新應與科學內容的發現嚴格區分開，是指對于已經發現并確認的科學知識、原理通過某種表現形式和技術手段展示給觀眾，使觀眾對于這個科學知識和原理能夠有所認識和啟發。而對于科學內容的發現并不屬于科技館的職能范疇。

目前，科技館中展示的科學內容是非常有限的，因此科學內容的創新并不難，但為了確保創新展品是優秀的，受觀眾歡迎的展品，我們必須對所選擇的科學內容進行甄別。為了滿足不同學習經歷的觀眾能夠獲得科學教育和啟發，我們所選取的科學內容不能過于專業和深奧，應貼近觀眾生活，以激發觀眾的參與熱情。如展品“雙曲線的光學性質”的科學內容較為淺顯易懂，在日常生活中有廣泛的應用，符合大多數觀眾的參觀需求，這樣觀眾就能在參與中有所收獲和啟迪。

（二）重視表現形式的創新

展品表現形式的創新是最困難，也是最為有效的創新形式。以展品“雙曲線的光學性質”為例，雙曲線的光學性質內容本身并不難，稍作思考，便能理解，但如何將這一科技內容轉化為形式生動的科普展品，能夠受到觀眾的歡迎，得到觀眾的認可，達到預期的教育效果，則是一個不小的難題，這一點正是創新展品的掣肘，也是為什么一件創新展品的設計難度不亞于一件新產品的原因。為了充分剖析表現形式對于展品優劣的重要性，筆者將展品的表現形式按照吸引觀眾的反應程度分為三個層次：

1.匪夷所思、反常規的表現形式。如“錐體上滾”中的錐體沿軌道向上運動;“雙曲線槽”中的直桿穿過彎曲的狹槽等。這類表現形式很容易抓住觀眾的心，激發觀眾思考展項背后的科學原理，從而達到展品的教育目的，同時展品本身也會給觀眾留下深刻的印象。此類表現形式的創意和設計，需要展覽設計師具備深厚的知識功底、扎實的業務技能和豐富的實踐經驗

2.自己動手操作和體驗，看展品的直觀效果。通過觀眾動手操作和體驗，看展品的直觀效果，從而了解展品的科學原理，達到傳輸科學知識、啟發觀眾思考的目的。科技館中大部分展品屬于第二類表現形式，此類表現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教育手段和圖文介紹，仍具有較好的教育效果。

3.通過靜態模型或簡單多媒體進行科技內容的展示。這種表現形式主要用于難以采用機電互動方式，通過直觀的展品變化進行展示的科技內容，如微觀世界和高速運動物體的科學內容。這種表現形式的展品較難引起觀眾的參與興趣。為了保證創新展品的質量和教育效果，在創新展品的表現形式設計中應避免采用靜態模型和簡單多媒體類表現形式，或者說靜態模型和簡單多媒體類展品不應列入科普場館創新展品之列。

（三）技術手段的創新

隨著科技的不斷發展，實現展品表現形式的技術手段是多種多樣的，采用不同的技術手段，決定展品不同的安全可靠性和迥異的造價。由于業務水平差異等原因，展覽設計人員在技術方案的選取以及展品設計、制作等環節上難免遺留各種問題和隱患。采用更穩定、更可靠，價格更低廉的技術手段替代原有技術手段，實現展品相同的表現形式和展示效果也屬于展品創新的范疇。雖然展品技術手段的創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定和健康發展大有益處。