依托高校資源開展物理科普活動的探索

王明娥， 劉升光， 趙盺禾， 葉子萌， 于 杰， 秦 穎

（大連理工大學基礎物理國家級實驗教學示范中心，遼寧大連 116024）

0 引 言

科普即科學普及，是利用通俗易懂的方式，推廣科學技術，傳播科學思想，弘揚科學精神的活動。科普在傳播知識的同時，還能激發人們對科學的興趣、熱愛，以及對未知世界的探索欲。大力開展科普工作，有利于提高全民科學素質［1-3］。隨著社會的進步，科普的重要性日益凸顯。世界各國都越來越重視科普工作。早在19 世紀初，英國、美國等就開始有組織有目的地開展科普工作［4］；我國從2000 年左右開始，陸續頒發一系列科學普及法；2016 年，習近平總書記在“科技三會”上強調：“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新發展同等重要的位置”。

物理學作為一門基礎科學，與人們的生活密切相關，從衣食住行、生產生活各個方面，到出行、通信方式等，都與物理科學有著千絲萬縷的聯系。這些都決定了物理學是科普內容的重要組成部分。近代西方國家，物理學的發展帶動了科技的突飛猛進，其社會文明以超乎想象的速度前進。西方發達國家的實踐再一次證明，開展科學技術普及工作，對提升國家整體科技實力和提高國民素質，都具有深遠意義。另外，縱觀偉大的物理學家，如伽利略，牛頓，法拉第等，他們出身不同，成才道路也不盡相同，但都有一個共同的特質，那就是從小就對科學充滿了好奇心。正如自學成才的科學家法拉第所講：“科學應該被大眾了解，而且要從孩子開始”。年輕的法拉第也正是因為聽了戴維的科普講座，才真正走上科學道路。這些事實啟迪我們，科普工作影響意義深遠，科普工作宜趁早，應讓更多的青少年、中小學生通過科普，更早地接觸科學，愛上科學。

高校通常配有完善的物理實驗室、物理演示實驗室以及豐富的人才儲備，在科普教育工作中通常被寄予眾望［5-9］。但就目前我國科普現狀以及國內高校參與科普的情況來看，科普工作并不樂觀，主要存在以下問題［10-15］：科普社團少，真正能起作用、對孩子有意義的優質科普活動少；參與科普的高校較少、舉辦活動少，高校對科普工作重視程度不夠；缺乏有組織、有規劃的專職科普人員，社會對科普工作的認可度較低、科普活動經費較少。以上問題的存在，使目前大多數高校并沒有發揮自身的資源優勢，沒有承擔科普主力軍的重任。本文結合我校物理實驗中心近幾年來的科普實踐歷程，總結科普經驗，發掘新問題，提出高校由淺入深開展科普工作的新建議，為其他高校和社團開展科普教育工作提供參考，以期帶動更多高校參與科普工作，共同促進我國科普事業蓬勃發展。

1 實驗中心科普歷程

物理實驗中心，是國家級物理實驗教學示范中心，中心擁有力、熱、光、電學等內容共30 多個基礎物理實驗室，還建設了2 個特色鮮明的科普演示廳（見圖1），2 個演示廳占地面積共200 m2左右，廳內配備的科普展品涵蓋經典物理、近代物理和現代技術等，含演示器材100 余套，此外中心還擁有一支以博士為主的年輕教師隊伍，為科普工作的開展奠定了雙重基礎。

圖1 物理演示廳場景圖

物理實驗演示廳，從建立初期單一服務于教學，發展到現在的教學和科普雙用，主要經歷了3 個階段。第1階段為2015年以前，中心只有1個演示廳，其主要服務于校內學生，將一些演示儀器帶到課堂，輔助大學物理理論講解，同時面向特定專業開放演示實驗課，如基礎物理專業。此外，演示廳儀器還可移至戶外參加校內科技展活動，如校園科技節、校內嘉年華等；第2階段為2016 ～2018 年，這一時期為響應國家大力開展科普的號召，物理實驗演示廳除滿足基本教學外，開始逐漸發揮科普作用，中心先后多次組織幼兒園、小學生、特殊群體等到實驗室參觀學習，由中心相關老師負責講解。根據幼兒園和小學生的群體特點，挑選合適的演示內容，制定相應的講解線路，演示如椎體爬坡、轉動慣量、飛機升力、靜電跳球、神奇的電與磁等既有趣又貼近生活的實驗。圖2 為中小學生來實驗室參觀情景。這些有趣的實驗演示，配合深入淺出的講解，使得小朋友的熱情被充分調動，紛紛動手參與實驗。每次活動都受到好評。

圖2 中小學生參觀演示廳場景

從2019 年至今，為科普發展的第3 階段，中心正式成立了科普團隊，積極籌備更多的科普活動，充分發揮實驗室的科普功效。這一階段中心開始積極擴建演示廳，由一個演示廳擴建為2 個，同時購買和自主開發了許多代表科技前沿的演示儀器，如超聲懸浮、GPRS定位系統、無線電能傳輸，超導磁懸浮等。新儀器的到來，激發了年輕教師參與科普的熱情，使更多教師參與科普工作。這一時期，中心的科普活動不再局限于校內參觀，而是積極走出校園，開展更多有意義的活動。同時中心科普團隊開始積極思考科普的內容和形式，調研不同人群的科普需求，制定最佳的科普方案，從被動的科普活動，轉變為積極主動、有組織、有規劃地開展科普活動。中心科普團隊先后到大連市雙語小學、中心小學、群英小學和79 中學等學校舉辦科普活動，積極參加全國科普日、科技活動周等全國性的科普活動，并與大連市科協、大連市科技館等科普單位建立密切合作，聯合開展了一系列科普活動，積累了好口碑和高人氣。2019 年以來，中心科普團隊累計組織各類線上、線下科普活動100 余次，直接受益人數2 萬余人。

基于這些硬件基礎和科普實踐經驗，在中心科普團隊積極爭取下，2020 年我?；A物理實驗中心獲批大連市科普教育基地、大連市科學科普共建基地，并申請到大連市科普經費。這也是對中心科普工作的充分肯定和高度贊譽。

2 加強科普資源建設

經過多年的持續建設，物理演示實驗廳目前已存有大量的演示儀器，涵蓋經典物理的各個方面，這些儀器均可直接用于科普演示。如力學方面有牛頓擺、耦合擺、傅科擺，錐體爬坡、飛機升力演示，音叉、駐波演示，聲波可見演示等；熱學方面有浮沉子、飲水鳥、愛情溫度計，分子運動演示儀等；光學方面有光柵，有単縫雙縫、多縫衍射，雙折射演示儀、海市蜃樓等；電磁學方面有電磁感應現象演示，靜電除塵，手蓄電池，輝光球等。此外還有許多代表科技前沿和現代技術的新儀器，如激光監聽，光纖通信演示儀，紋影成像等。除購買的儀器外，還通過不同途徑開發科普儀器。

（1）通過開放設計性實驗和競賽等自制儀器。中心每年組織學生開放設計實驗，并選拔優秀學生作品參加遼寧省和全國大學生物理實驗競賽，獲獎的優秀儀器作品，被收入演示廳。這些自制或改進的儀器，原理清晰，裝置簡單，拆卸組裝方便，更容易講解，是科普的優質內容。如超聲懸浮裝置，無線電能傳輸裝置，紋影成像儀等，這些學生競賽獲獎儀器均可用于科普演示。圖3 為自制獲獎儀器用于科普展示現場，引起參觀者的普遍關注。

圖3 大學生競賽作品用于科普活動

（2）為科普活動專門開發演示儀器。為了活動效果，而主動開發一些科普實驗項目，這些項目一般具有取材容易、便于復現的特點。如利用淀粉和水，按照一定比例調和，就能制作神奇好玩的非牛頓流體，這種流體具有固體和液體的雙重屬性，既可以抵抗堅硬的子彈，也可以像液體一樣流動，不僅在活動現場可以制作，回家后還可以輕松復現；利用吸管穿透土豆，展示看不見的大氣壓的力量；報紙也可以做成開瓶器，展示了杠杠的威力；利用一張白紙，卷成桶狀，傾斜45 度放置，點燃后就可以看到神奇的煙霧瀑布；利用磁鐵和線圈制作簡易發電機，帶動風扇轉動……這些小制作像魔術一樣顛覆孩子們的認知，同時很好地詮釋了科普的趣味性和啟蒙作用。

（3）緊跟科學前沿、社會熱點開展科普活動。適時針對社會熱點問題、新技術，開展特定主題的科普活動，很容易引起公眾的興趣和共鳴，收到更好的科普效果。例如針對光纖通信、磁懸浮、超導等熱門知識，開展相應主題活動；2021 年，我國運載火箭發射成功，神州十三號乘組航天員順利出差中國空間站，并在空間站面向全球小朋友開展了“天宮課堂”活動，給小朋友們展示了太空“冰雪”實驗、太空“液橋”、太空拋物，水油分離等。緊跟這一社會熱點，開展以航天技術和探索太空為主題的科普活動，如制作水火箭，模擬失重、超重等，也可以配合演示實驗、動手制作，介紹一些航天基本知識，如火箭如何升空，人造衛星如何進入軌道，返回艙如何返航等，通過實驗演示和原理講解相結合，讓大大小小的觀眾體驗國家航天科技的進步，了解航天員的偉大。同時也可指出航天技術有待改善和解決的問題，如返回艙摩擦生熱、溫度高達上千度應如何降溫、如何確保航天員安全返航、精準落地等。積極關注科學熱點問題，結合熱點問題組織科普活動，可獲得事半功倍的傳播效果。

3 科普形式靈活多樣

科普可采用的形式是靈活多樣，如組織學生到演示實驗室參觀、體驗，也可以攜帶演示儀器走出去參加科技活動周、科普日活動，或者走進幼兒園、中小學開展科普體驗活動；也可以開展科普講座，或錄制成科普短視頻，借助網絡平臺發揮科普功效。

（1）走進來——到演示實驗室參觀。組織學生或社會團體等走進演示實驗室參觀學習，由專門的老師負責講解——這種形式是最原始的，也是最常見的科普形式，這種形式的優點是參觀者可以近距離觀看、觸摸儀器，接觸到更多、更全面的科普器材；且在講解結束后，參觀者可以對感興趣的儀器進行操作體驗；但這種活動也有其弊端，比如人多，不好管理，需要有人專門維持秩序；同時講解時人多，也可能造成站在后排的人聽不到講解；而面對琳瑯滿目、種類繁多的演示儀器，在有限的時間內，講解者為兼顧數量，只能壓縮每個儀器講解和展示的時間，大部分參觀者只能走馬觀花。另外，如果來訪者是幼兒園孩子或小學生，需要特別強調秩序和實驗室安全，嚴禁觸碰電源。

（2）走出去——帶著儀器去科普。帶著儀器走出去開展活動，例如走進小學或初中，在指定場地內展示多個演示儀器，組織參加科普的學生有序進場，可對演示儀器逐個參觀學習，而科普人員針對學生的問題，逐個解答，感興趣的同學還可以自己動手操作。

圖4 是實驗中心教師與學生科普社團到大連市科技館舉辦科普活動的場景。這種方式適合到中小學校開展，也適合參加科技周活動，或其他大型科普集會活動，特別是對感興趣的同學，有機會充分了解。走出去舉辦科普活動學生參與度高，收到效果好，但也存在一些弊端，例如需要搬運儀器；盡量挑選不易損壞、便于攜帶；另外，出去舉辦科普活動需要人員較多，學生志愿者是非常好的幫手。

圖4 實驗中心科普團隊攜帶儀器到大連市科技館舉辦活動

（3）科普作品制作。針對青少年，特別是小學生、幼兒園等團體，開展以動腦動手為主的專題“科學小制作”科普活動，是一種非常受歡迎的科普形式。在動手、體驗、互動中，獲得對科學的認知，激發對科學的興趣，體會科學的魅力，真正做到寓教于樂。例如，開展“如何點亮小燈泡”這一專題科普活動，引導學生思考如何點亮小燈泡，并動手做一做。可利用導線、電池點亮，可利用自制水果電池點亮，也可以利用在紙上畫的電路點亮小燈泡！對比幾種方式，在觀察體驗中了解神奇的電路，了解燈泡亮與不亮的秘密。相比于直接講授電阻、電流、電路等理論知識，以這樣的方式認識電路，更能激發小聽眾們對科學的好奇心。有些原理更為復雜和制作更繁瑣的實驗，可做成親子制作，讓家長與孩子一起體驗科學的魅力。如圖5 所示，無線充電裝置的制作與體驗，經過家長和孩子的共同制作，讓孩子成功看到隔空點亮燈泡的神奇現象，家長也可以輔助孩子更好地理解其中的奧秘。還可以開展其他制作，如制作望遠鏡、顯微鏡等，在了解光路知識的同時，開啟學生認識宏觀世界、微觀世界的大門?？茖W小制作這種方式是最受小朋友歡迎的科普形式，但就活動籌劃和材料準備而言，需有一定科普經費支撐，用以支付相應的人工費和材料費等。

圖5 親子無線電能傳輸實驗制作

（4）開設科普講座?？破罩v座通常是生動的講解，配以豐富的PPT、動畫等，其優點是不受儀器限制，內容可在一定深度和廣度上進行延伸。例如，賽車選手轉彎時身體為什么傾斜？從這個問題入手，說明物體的重心以及向心力、離心力等問題，進而引入平衡鷹、不倒翁、椎體爬坡、地球繞太陽公轉等現象說明物體的重心和向心力，也可拓展至宇宙天體的運動；再如，以“電子警察如何測速”這一問題開始，引出聲波“多普勒效應”，可以從多普勒效應被發現的歷史故事入手，了解奧地利科學家多普勒偶然機會發現多普勒效應的小故事，這看似偶然的背后，實則體現的是一個科學家無時無刻不有的觀察力、專注力和思考力；之后講解多普勒效應測量聲速的原理；還可從聲波的多普勒效應，拓展到電磁波的多普勒效應，了解光譜的“紅移”“藍移”，以及多普勒現象在宇宙學、醫學和軍事上的應用。講座后如能配合相關儀器的演示，可達到更好的科普功效。同時在講座中可以靈活融入思政元素，更好地發揮科普育人功效。如在力學科普講座時，可以讓同學們思考：為什么牛頓通過觀察“蘋果落地”這一簡單的自然現象，就能有“萬有引力”這么重大的發現？是偶然還是必然？針對這些問題展開討論，你會發現科學家們“善于觀察，勤于思考”，這才是他們能做出重大科學發現的必然因素。鼓勵學生們平時要注意觀察，勤于思考，培養科學縝密的思維。

面向不同人群可以開展不同層次主題的講座。例如，對高中生，可選擇一些較為深入的話題，開展科普講座。如關于黑洞，黑洞如何產生與發展，黑洞的形態、特點；關于天體，講述各大天體特征，運動軌跡和運動規律；關于能量守恒，講人類對于能量守恒的認知過程與歷史；面向中小學生，除了可以科普簡單的物理基礎知識外，還可以開展物理學史講座，講述科學家們的故事，例如：科學家牛頓的故事，發明大王愛迪生，平民科學家法拉第等，圖6 是中心教師到大連市中小學開展科普講座的場景。

圖6 科普基地教師到大連市中小學開展科普講座

（5）科普短視頻創作。短視頻憑借鮮活的內容、生動的表達、深入感強等特點，廣受大眾歡迎，而制作精良的科普短視頻，在人們享受短視頻樂趣的同時，又能獲取知識，是一種符合時代發展的、廣受歡迎的線上科普形式。這種形式的科普，可以免受時間、場地和儀器的影響，特別適合一些較為復雜、演示條件苛刻的演示儀器。例如，利用液氮演示超導現象，可錄制成科普短視頻，同時輔助動畫和講解，說明超導原理，使科普內容更為充實、更完善。短視頻還有便于保存、便于積累的優點。放置在中心網站或其他公眾平臺，可供更多的人觀看，擴大科普的受眾面。同時出于長期開展科普工作考慮，也可以將科普內容逐漸系統化，做成多個不同系列主題短視頻，使科普內容日趨完善。

4 強化科普團隊建設

科普團隊主要以年輕教師為主。鼓勵年輕教師積極投身到科學普及工作中去，首先要讓其轉變觀念，認識到科普工作的重要性和潛在價值。參加科普活動，從組織策劃到現場展示、講解等環節，對年輕教師都是很好的鍛煉機會；對科普實驗素材的挑選、精心準備、演練等，會無形中拓展年輕教師的知識面，提高其教學能力；同時，在多次開展科普活動、享受科普樂趣的同時，也會讓更多的年輕教師思考：如何開發更多好玩的科普儀器？如何將科普的趣味性融入日常教學？如何在日常實驗教學中開展以興趣為主的開放式教學？基于以上幾點，科普工作和實驗教學是相輔相成的，參加科普鍛煉，有助于年輕教師自我成長，實現教學上的突破和創新。

除了吸納具有扎實的專業基礎知識的教師外，學生也是很好的科普幫手。吸納優秀大學生到科普社團，并對其進行相應的入門培訓，讓學生參與科普素材搜集、儀器制作、科普講解等工作，使大學生組織能力、動手能力、演講能力等均得到鍛煉和提高；另一方面，由于大學生都是年輕，朝氣蓬勃，會帶動科普活動氛圍，拉近與科普受眾者的距離。

大學生通過參加科普活動也會有所收獲，有的學生因此愛上物理實驗，愛上科學；有的學生開發新的科普儀器，進而參加物理實驗競賽或其他比賽等，收獲頗多。另外，科普團隊不必局限于本校、本實驗室，也可與其他志同道合的科普單位建立合作，聯合開展更具影響力的科普活動。

5 未來科普工作展望

在前期科普工作基礎上，除繼續開展高質量科普活動外，中心科普團隊將需更多的思考。

（1）科普內容分類。對科普內容層層把關、分類，例如科普內容由淺入深地分類，將不同難度、不同層次的科普知識整理分類，形成面向不同對象的科普內容；

（2）構建科普體系。以科普劇的形式講述科學發展史，建成力、熱、光、電不同系列的科普內容體系，錄制相應的演示視頻，重現物理學史，更好展示科學發展歷程；如在電學方面，從一個電荷講起，介紹人類如何捕捉到第一個電荷，如何制作第一塊電池，第一次發現電路規律，第一次發現電流的磁效應，第一次發現電磁感應現象……科普體系的建立，有助于受眾對象站在知識體系的高度理解科普內容。

（3）充分挖掘科普中的育人元素。在科普過程穿插講解人物故事、科學家精神、曲折的歷史等，不僅能激發學習興趣、豐富科普內容，也能加深聽眾對知識的理解，還可以發揮科普工作的思政育人功效?？破漳軉l聽者除了觀察到有趣實驗現象、第一次動手做實驗的樂趣、科學家故事以外，還有講解者淵博的知識、人格魅力等，但不論是哪點觸動了聽眾，都可以帶來正能量，引導其走入科學之門。

另外，如何規范團隊管理、制訂相應的培訓制度、建立合理的考核和獎勵機制，積極申請科普經費，擴大科普影響力和受眾面等，也是高?？破展ぷ魑磥硪鉀Q的主要共性問題。

6 結 語

針對科普的重要性，結合物理實驗中心近年來開展科普的具體實踐，從科普資源建設、科普形式、科普團隊建設等，給出高校開展科普活動的建議：面向廣大中小學和幼兒園開展特定主題的科學小實驗、科學小制作活動，凸顯科普的趣味性和啟發性；面向中學生開展具有一定深度和廣度的科普講座，輔助以儀器演示、體驗和互動；集中高校的優勢資源，錄制優質科普短視頻進行傳播推廣，以擴大科普受眾面，促進全國科普工作的蓬勃發展。提出未來科普工作的主要方向：科普內容的細化分類，構建以物理學史為主線的不同科普內容體系，深入挖掘科普中的思政素材、發揮科普育人功效。期待更多高校和專業投入到全民科普工作，提升全民科學素質，推動我國科普事業蓬勃發展。