淺析科技館創新展品研發思路

高 月 溫琳琳

淺析科技館創新展品研發思路

高 月1溫琳琳2

（1.遼寧省科學技術館，遼寧 沈陽 110167；2.遼寧省沈陽市渾南區教育局第一幼兒園，遼寧 沈陽 110168）

《現代科技館體系發展“十四五”規劃（2021—2025年）》高度重視實體科技館建設，對科技館展覽創新提出高質量發展要求，具有非常重要的指導意義和現實作用。科技館展品創新研發是保持科技館常展常新的主要支撐工作。文章以創新展品“磁懸浮列車”的研發過程為例，介紹了該展品創新研發工作的文獻調研、設計方法等方面內容，緊貼科學發展前沿內容，使政策性、科普性有機結合，使展品設計與科普教育內容以及中國觀眾特有的觀賞興趣相吻合，以期對科技館展品創新發展起到借鑒作用。

科技館；創新展品；展品研發

引言

科技館是中國科協進行科普工作的重要實體平臺，展品是發揮科普功能的重要載體，隨著科技館行業的蓬勃發展，展品創新工作越來越受到行業的重視，同科普教育活動一起成為了科技館發揮科普作用的兩個核心業務。《現代科技館體系發展“十四五”規劃2021—2025年》中提到：在展覽展品研發、教育活動實施等方面加大支持力度，提升科普服務水平、增強自主創新能力[1]。面對國內的科技館建設高潮，業內理應抓住機遇，在提高自身理論實踐水平的基礎上，充分利用這一機遇帶來的黃金實踐機會策劃原創展覽，并且將展品創新作為科技館展品研發人員的追求。本文對“磁懸浮列車”展品開展了研發實踐工作，嘗試總結創新展品研發思路。

1 國內創新展品研發現狀

目前國內科技館行業大多采用參觀調研、展會參觀、企業推薦和自主研發方式進行展品創新研發，如果想讓科技館的科普作用得到進一步發揮，避免“千館一面”的情況，科技館業內理應進行自主研發創新展品工作。展品創新工作需要行業內多年工作積累，采用主題展開的創意設計思路進行展品創新，創意中的科學內容、知識拓展、表現方式、技術手段等應該由研發團隊獨立完成，使創新展品在科學性、互動性和教育性上都能夠獨樹一幟，避免同質化。目前創新展品研發的難點有以下兩點。

1.1 科學內容展示難度大

國內展覽展品研發工作的標準流程三步曲是：前期調研—展示內容設計—展示方式設計。前期調研工作可以理解為：運用博物館學、傳播學、教育學等理論和方法，對社會需求、建館目標、任務、對象、理念等進行學術研究，對展示內容、藏品、展品等展覽素材進行文獻研究[2]。因此在實際工作中需要研發人員將精力集中到文獻調研、技術學習、需求分析、政策分析中，業內人員理應承擔起這項艱巨的工作，才能創新研發出有主題、有創意和有教育意義的展品。

科學內容在展覽開發流程具備頂層設計地位，需要創意研發團隊進行大量的文獻學習工作，對符合要求的科學內容進行表現形式、技術手段、社會應用、政策法規方面的全方位考量，并且將每件展品的展示效果編織成一個有敘事、有科學史、有主題的原創展覽，做到凸顯學科內容、互動印象深刻、社會應用廣泛、契合國家政策。

1.2 知識拓展和行業應用內容展示較少

科技館展品的展示目的是讓觀眾在與展品進行互動中獲得直接經驗和科學啟發，激發觀眾對科學的熱愛和探索興趣，但行業內在展品研發過程中對知識拓展和行業應用的關注度不夠，大部分展示僅采用照本宣科的方式將經典科學原理書本化地展示給觀眾，展示大多是以固定模型、圖文內容和運用多媒體的方式進行，這樣的展示方式在科普的效果上是有所欠缺的。例如很多科技館的展廳內經常能見到的電磁學展品——牛頓第三運動定律、轉動慣量、磁懸浮等，大多數展品僅將科學原理進行了現象展示并設置互動體驗，普通的觀眾在體驗結束后并不能感受到科學家們發現的這些科學原理能為如今的行業和社會帶來多么大的變化，操作互動之后并沒有引發觀眾的思考，如此，展品的科普作用和效果不是很理想，科普資源的利用率就打了折扣。

2 “磁懸浮列車”展品的創意過程

單從創新展品研發思路的方面來討論，現以科技館業內最常見的磁懸浮展品為例來描述展品創新過程。磁懸浮屬于理論知識較深的知識點，業內對于這個原理的展示手段大多是固態模型、液氮漂浮科學實驗和智能控制電磁鐵吸引懸浮的簡易裝置，對于低年齡段和非專業觀眾來說，他們只能理解到是磁場的作用使物品漂浮起來的，但是對為什么會漂浮起來、磁懸浮是哪位科學家發現的、發現過程是怎樣的、有哪些社會應用、我們國家怎么看待這項科學技術等問題不甚了解。雖然觀眾可以通過展品上的圖文內容和多媒體來學習原理知識和了解相關應用，但是獲得的直接經驗和啟發就少得多，參觀后一些觀眾會一頭霧水，不明所以地與下一件展品進行互動，該展品就屬于創新不成功的案例。為此，筆者嘗試將磁懸浮原理的直接社會應用——磁懸浮列車作為研發項目進行展品創新工作。

2.1 科學內容創新

展品創新分為原始創新和集成創新：原始創新是展示在科技館尚未出現的科學內容[3]。電磁學是已經被認定的經典科學內容，科技館中對于電磁學的展品種類非常多。筆者所在科技館的電磁學知識展區目前由很多件展品組成：磁鐵兩級、鐵磁流體、楞次定律、地球磁場等，這些展品的科學內容有遞進效果，互相之間相輔相成，形成集成展示效果。展示內容不僅是對科學原理的解讀，還應關注以基礎科學技術為基礎的科研成果及高新技術應用[4]。為了補上知識拓展和行業應用的最后一環，經過對大量文獻研究，確定從現階段磁懸浮列車的技術展示角度來體現電磁學科學內容。

磁懸浮列車是靠電磁力（吸引力或排斥力）的作用來實現運行的，是一種不需接觸的懸浮、導向及驅動的新型陸上交通工具[5]。磁懸浮列車采用電磁力代替接觸力實現支撐、牽引和制動，突破了黏著極限的限制，更適用于高速運行。上海市在2002年底試運營的上海高速磁浮示范線就是這個技術在社會上的成功應用，該項目從浦東國際機場出發，最高時速可達430 km/h，是我國高速磁懸浮列車項目的重要里程碑。2019年9月，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》明確指出“發展時速600公里級高速磁懸浮系統”。磁浮交通系統與傳統的輪軌列車系統相比具有顯著的優勢：列車與軌道之間沒有接觸，列車沒有車輪，機械傳動結構更加簡單輕便，能耗更低，在降低碳排放方面起到一定作用。磁懸浮技術在國家碳達峰和碳中和的政策背景下，是一項值得探索的前沿技術，現已被應用于風力發電機、航天發射、離心機、電梯、心臟泵和磁懸浮軸承等各個方面。

2.2 表現形式創新

展品表現形式的創新是最困難的，原有磁懸浮展品展示形式枯燥，互動性較弱，應該創新研發新的表現形式使展品的體驗方式和教育意義更好，有利于觀眾獲得直接經驗并受到啟發。通過文獻調研可知，軌道交通研究上處于前沿地位的高速磁懸浮列車的原理就是電磁之間特有的同性相斥、異性相吸特性將車輛向上或向下移動，從而令整個列車在軌道上懸浮。導向功能的實現也靠電磁力的作用，列車上的直線電機將來自牽引供電系統的電源轉換成動力來推動列車前進。為了讓展示效果出其不意，引人遐想，操作步驟簡單明了，產生的現象直觀，最后確定在同一個展臺上分別展示列車水平懸浮、水平導向推進和整體效果演示這三個子項目，并通過整體效果演示的顯示器展示不易通過互動了解的相關科學家、社會應用、國家政策等內容[6]。

2.3 技術手段創新

由于高速磁懸浮列車技術原理相對深奧，科技館很少真實展示此類展品，相關展示也僅是通過多媒體手段來展示原理，較難將磁懸浮技術的原理、應用和貢獻展示出來，對觀眾的教育意義和啟發也非常有限，究其原因是對其文獻調研力度不夠，有意規避采用實體互動技術手段的舉措。為了完成該技術的創新展品研發，筆者通過文獻調研決定在同一個展臺上從左至右依次真實展示列車的垂直懸浮、水平方向導向和推進、列車軌道運行模擬這三個子展品，在科普層面集成展示出高速磁懸浮列車的運行技術和原理。

2.3.1 列車的垂直懸浮

展臺左側的子展品采用真實的懸浮技術手段再現了列車在上下方向的懸浮現象。現實中的磁懸浮列車是基于電磁鐵和鐵磁軌道之間產生的吸引力來實現懸浮，需要精確地主動控制來保持車體與軌道間的均勻氣隙（10 mm左右）[7]，如圖1所示。為了展示這項技術，決定采用科技館常見的“磁懸浮地球”展品來模擬該技術，磁懸浮地球展品就是采用精確主動控制上方的磁場來穩定吸住下方裝有永磁鐵的地球儀，使其穩定地“漂浮”在空中，并配合說明牌來展示列車在上下方向懸浮的技術原理，如圖2所示。

圖2 懸浮模擬磁懸浮效果圖

2.3.2 列車水平方向導向和推進

為展示列車在水平方向的推進技術，中間的子展品采用真實的直線電機來模擬（見圖3），列車上和軌道上分別安裝有電磁鐵，當車內的勵磁磁場和軌道的定子繞組磁場達到完全同步的時候，就產生了恒定的牽引力（見圖4），列車就能在軌道上前進和后退。這樣的展示手段效果真實，直線電機內部機構直接展現在觀眾面前，讓觀眾在體驗中獲得經驗和啟發，激發觀眾探索電磁學知識的興趣。

圖3 直線電機提供水平方向推進力效果圖

圖4 列車水平方向推進力原理

2.3.3 列車軌道運行模擬

以上兩件真實結構的子展品可將磁懸浮列車在上下方向懸浮和水平方向導向前進的原理解釋清楚，為了讓觀眾看到一節完整的磁懸浮列車在軌道上懸浮起來并以430 km/h的速度前進的壯觀景象，在展臺的右邊設置了上海高速磁懸浮列車車廂和軌道模型，車廂底部安裝了一排永磁鐵，觀眾按按鈕后軌道電磁系統啟動使上方列車車廂在磁力的作用下懸浮起來，通過背后的大屏幕上播放的上海高速磁懸浮列車車廂外景色視頻來模擬車廂的高速運行狀態（見圖5）。通過前兩個子展品的鋪墊，結合這件子展品的實景模擬和圖文版介紹，整個展品的創意思路和科普作用得以非常完備地體現（見圖6）。

圖5 磁懸浮列車軌道懸浮效果圖

3 磁懸浮的社會應用和光明前景

磁懸浮技術自1842年被提出以來，歷經了國內外科研人員的潛心研究，該技術不但在理論研究方面逐漸深入，而且在行業應用方面也有諸多進展。受展廳主題和面積限制，無法將有關磁懸浮的每件應用都設置一件展品，所以可利用子展品3的大型顯示器在待機過程中播放磁懸浮的行業和社會應用視頻來兼顧這一點。可以通過大屏展示的磁懸浮應用有磁懸浮電梯、磁懸浮航天助推發射、磁懸浮軸承、磁懸浮離心式壓縮機和磁懸浮醫療器械等。大屏幕還展示了中國階段性建成并成功運行世界首個電磁驅動地面超高速試驗設施——“電磁橇”，它可以將噸級及以上物體最高加速到1 030 km/h的速度，可見展品選題緊扣社會熱點和政策發展方向。

磁懸浮電梯可以形象地用“把磁懸浮列車豎起來開”[8]來比喻，和磁懸浮列車一樣都有懸浮系統、導向系統和推進系統，應用于目前更高的樓宇、發射平臺、太空電梯等垂直運輸設備。磁懸浮技術的應用將越來越廣，可逐步從中低速的軌道交通領域拓展至超高速的航天發射領域，在傳統基于化學能的運載火箭發射方式能量利用效率難以大幅提高的情況下，基于電磁能的磁懸浮助推發射是未來航天發射理想的技術方式之一，其原理是航天器上布置的多條超導環線與真空管道中布置的鋁環相互作用，為航天器產生懸浮作用力，再加上直線同步電機技術提供驅動力，使得航天器在真空管道中能夠穩定加速[9]。從其他工業應用上來說，磁懸浮軸承是利用電磁力將轉子懸浮起來的一種高性能的軸承，它具有無磨損、不需要潤滑、壽命長等突出優點，可比較成熟地應用于高速銑床、高速車床、離心式壓縮機等工程項目中[10]。視頻可以進一步播放應用磁懸浮軸承技術的離心式壓縮機在制冷空調技術的巨大低能耗優勢，推廣使用磁懸浮離心式壓縮機技術的中央空調將為國家節省大量能源消耗[11]。最后要展示的是磁懸浮技術在為人類疾病診治方面的巨大貢獻，磁懸浮醫療器械可為一些以前難以處理的疾病給予很大的支持和幫助：磁懸浮人工心臟血泵中的葉輪轉子借助磁力懸浮，避免了機械接觸而造成磨損，減少了轉子對血細胞的破壞，磁懸浮軸承的應用也減少了引起血栓的概率[12]，延長了使用壽命，為每年等待不到心臟供體的終末期心衰患者帶來了生存的希望。另外，磁懸浮人工關節、磁懸浮頸椎牽引裝置也是磁懸浮的醫療機械研發結晶。

4 結束語

科技館作為科學普及的重要單位，主要抓手就是科普展覽，而展品就是展覽的一個個基層展示單位，必須對每件展品進行展示創新來加大科學普及力量。展品創新從來都不是一蹴而就的，而是厚積薄發的。展品創新研發人員應該對科學技術、科學方法和科學思想有濃厚的興趣，從日復一日的調研和學習成果中發現最適合觀眾體驗學習和教育活動開展的表現方式和技術手段，并將其運用到展品研發工作中。同時也要關注日新月異的各種前沿展示手段和技術，保證作品能完成教育目標，完成科技館的非正式教育的角色目標。在展品創新設計工作中，要對原有展品進行技術原理分析，解決原有展示中的靜態、互動性弱的問題，采用體驗性強、啟發性好的展現方式傳播科普知識，同時把握社會應用和國家政策，將展品上升到社會教育、行業應用和政策宣傳層面，使展品創新設計工作具備明確的主題思想和教育目標，使展品成為探究學習中的“教師”。

[1] 現代科技館體系發展“十四五”規劃(2021—2025年) [EB/OL]. (2021-12-17)[2022-12-26]. https://www.cast.org.cn/ art/2021/12/17/art_51_175783.html.

[2] 朱幼文. 科技博物館展覽資源建設: “人”比“物”更重要[J]. 自然科學博物館研究，2019(2): 20-28.

[3] 孫曉軍. 淺析科技館基礎科學展品的創新研發及教育活動設計: 以展品“隨風而動”為例[J]. 學會，2018(1): 62-64.

[4] 孫曉軍，韓永志，付從茂. 基礎科學類展品的研發規律總結報告[J]. 學會，2018(4): 56-60.

[5] 邵佳麗. 高速磁懸浮列車磁場分析[D]. 北京: 北京交通大學，2021.

[6] 馬超. 淺談科普場館創新展品的設計思路: 以展品組“圓錐曲線的光學性質”為例[J]. 學會，2018(3): 60-64.

[7] 鄧自剛，劉宗鑫，李海濤，等. 磁懸浮列車發展現狀與展望[J]. 西南交通大學學報，2022，57(2): 455-530.

[8] 焦一凡. 磁懸浮技術在電梯中的應用前景[J]. 中國新技術新產品，2017(2): 18-19.

[9] 夏陳超，茍永杰. 航天器磁懸浮助推發射技術發展綜述[J]. 載人航天，2021，27(1): 119-126.

[10] 張維煜，朱熀秋，袁野. 磁懸浮軸承應用發展及關鍵技術綜述[J]. 電工技術學報，2015，30(12): 12-19.

[11] 王銀艷. 磁懸浮離心式壓縮機應用研究[J]. 機電工程技術，2019，48(12): 193-195.

[12] 單麗宇，張楠，馬鋒，等. 磁懸浮技術在醫療器械研發方面的應用進展[J]. 中國醫療設備，2020，35(8): 11-15.

Analysis on the Research and Development Ideas of Innovative Exhibits in Science and Technology Museums

The 14th Five Year Plan for the Development of Modern Science and Technology Museum System (2021-2025) attaches great importance to the construction of physical science and technology museums, and puts forward high-quality development requirements for exhibition innovation in science and technology museums, which has very important guiding significance and practical significance. The innovative research and development of exhibits in the science and technology museum is the main support for maintaining the exhibition and novelty of the museum. The article takes the research and development process of the innovative exhibition "Maglev Train" as an example to introduce the literature research, design methods, and other aspects of the innovative research and development work of the exhibition. It closely adheres to the forefront of scientific development, organically combines policy and science popularization, and aligns the exhibition design with the content of science popularization education and the unique viewing interests of Chinese audiences, with the aim of providing reference for the innovative development of exhibits in science and technology museums.

science and technology museums; innovative exhibits; exhibit research and development

G265

A

1008-1151(2023)11-0144-04

2023-02-10

高月（1983－），男，遼寧省科學技術館副研究員，研究方向為科技館展覽研發。

溫琳琳（1990－），女，供職于遼寧省沈陽市渾南區教育局第一幼兒園，研究方向為兒童博物館研究。