李博文

（中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049）

隨著科技的不斷進步，科普創(chuàng)作與科學(xué)傳播的形式與手段也日趨多元化，科普模型便是其中之一。科普模型，簡而言之就是運用工藝與藝術(shù)的手法制作的，旨在向公眾演示科學(xué)原理、科學(xué)技術(shù)的科學(xué)藝術(shù)品?？破漳Ｐ鸵话氵\用在科普場館、展覽會，面對的是廣大觀眾，是進行科學(xué)技術(shù)普及的一種重要手段。我國的科普模型起步于20 世紀80 年代末，興起于20 世紀90 年代。從1978 年全國科學(xué)大會帶來“科學(xué)的春天”到1995 年“科教興國”戰(zhàn)略實施，這期間全社會掀起崇尚科學(xué)、普及科學(xué)的熱潮。一時間，全國各地爭相舉辦各種科學(xué)技術(shù)交流會和科技展覽會，一些科研院所應(yīng)邀參加，不少國家重點科研項目與成果首次被介紹到觀眾面前，引起了公眾的高度關(guān)注。但是受制于當(dāng)時的傳播手段，展會上面對觀眾的只有展板和宣傳單，大大制約了科普效果。受房地產(chǎn)售樓模型的啟發(fā)，一些初創(chuàng)者便嘗試著自己動手設(shè)計制作科普模型，筆者便是其中一員。最初制作的模型都是靜態(tài)的，且只追求形似，這遠遠滿足不了科普模型的要求。隨著對外交流的增加、眼界的開闊及經(jīng)驗的積累，設(shè)計者們又開始嘗試讓模型“動”起來。這些年，通過設(shè)計者們的不斷努力，以及新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國目前的科普模型得到了長足的發(fā)展。

如何才能設(shè)計制作好科普模型？結(jié)合多年制作科普模型的經(jīng)歷，筆者認為，首先，科普模型的設(shè)計制作者應(yīng)具有科學(xué)精神，肩負科學(xué)傳播的使命感；同時，在科普模型的設(shè)計制作中，還要堅守科學(xué)性、藝術(shù)性和趣味性。

一、恪守科學(xué)性

劉嘉麒院士指出：“科學(xué)性是科普作品的內(nèi)涵，是科普的靈魂。如果科學(xué)性出了問題，即使表現(xiàn)手法再好、藝術(shù)性再高、趣味性再強，這樣的作品也是不合格的，甚至具有欺騙性?！盵1]科普模型是對科學(xué)原理及成果的再現(xiàn)，這就要求在模型的設(shè)計制作中，要恪守科學(xué)的真實性，做到如實地反映科學(xué)流程，只有真實地展示，才能讓傳播更為準(zhǔn)確，最終將抽象的科學(xué)原理與前沿成果用簡單易懂的形式傳達給廣大觀眾。

（一）追求真實，準(zhǔn)確再現(xiàn)

科學(xué)研究是認真探索的科學(xué)過程，來不得半點虛假，科普模型也同樣要真實再現(xiàn)所要展示的科學(xué)內(nèi)容。科普模型的設(shè)計制作者應(yīng)對真實性、科學(xué)性給予深刻認識與高度重視，并確保將其貫徹于模型設(shè)計制作的始終。這需要模型的設(shè)計制作者在實施之初與科研人員進行交流，對所要展示的科學(xué)裝置與科學(xué)成果展開詳細調(diào)研，細致了解所展現(xiàn)的科學(xué)內(nèi)容的原理、流程、方法及意義。特別是要對關(guān)鍵部位開展深入細致的研究，反復(fù)揣摩與推敲。模型設(shè)計制作的過程同時也是學(xué)習(xí)的過程，只有將所要展示科學(xué)項目的科學(xué)原理弄懂吃透，才能在模型的實際制作中做到準(zhǔn)確把握、真實展現(xiàn)。

2006 年中國國際高新技術(shù)成果交易會上展出的“北京正負電子對撞機模型”（見圖1）是依據(jù)中國科學(xué)院1988 年建成的北京正負電子對撞機（BEPC）設(shè)計制作的。這一國家重大科學(xué)實驗裝置是一個使正負電子產(chǎn)生對撞的設(shè)備，是通過電子打靶、加速、碰撞、記錄等一系列科學(xué)實驗來實現(xiàn)的，所得出的實驗數(shù)據(jù)供科學(xué)家研究分析，以期尋找到新的粒子，是一個處于世界先進水平的、研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的科學(xué)裝置，是中華人民共和國成立以來繼原子彈、氫彈之后的科技大工程之一。該實驗裝置直線長202m，環(huán)線周長400m，由成千上萬的零部件組成。在模型設(shè)計制作過程中，一方面要把這么龐大的科研裝置按比例縮小1/100，放在長不過6m、寬不超過1.5m 的展示臺上；另一方面又要做到模型與科研設(shè)備從外形到主要部件形象逼真、演示步驟與原科研設(shè)備的科研實驗步驟相一致，并表現(xiàn)出大科學(xué)裝置的宏大和精密，絕非易事。為此，模型的設(shè)計制作采用了現(xiàn)代化技術(shù)，如數(shù)字加工、精細雕刻、計算機程控及3D 打印等，力爭最大限度確保模型的真實與準(zhǔn)確。制作關(guān)鍵部位時，還要在工藝與材料的加工和使用上進行革新，如利用光纖、發(fā)光二極管演示電子運行軌跡。為了準(zhǔn)確再現(xiàn)科研過程步驟，運用微控制系統(tǒng)對演示電子運行流程進行控制，對電子注入、打靶、運行、碰撞及同步光的相互關(guān)系時間進行精準(zhǔn)把握，力爭與實際運行相符，做到逼真。制作中還將正負電子、碰撞、同步光等用不同顏色的光加以區(qū)別，便于公眾理解。

圖1 北京正負電子對撞機模型

在追求模型真實性方面，除了利用模型本體對科學(xué)裝置進行模擬再現(xiàn)外，還有多種創(chuàng)意方法?！把虬司畤H宇宙線觀測站”位于西藏羊八井雪域高原，那里獨特的氣候條件使其成為世界上為數(shù)不多的研究和捕捉來自宇宙高能粒子的實驗站之一。為了更好地體現(xiàn)真實性，“中歐科技年”展會上不僅展示了“羊八井宇宙線觀測站模型”，還運用網(wǎng)絡(luò)及遠程控制技術(shù)，實時將遠在幾千公里之外“羊八井宇宙線觀測站”的實驗現(xiàn)場與數(shù)據(jù)引入到展會模型的顯示屏上，實現(xiàn)觀測站現(xiàn)場的科研人員與相隔幾千公里展臺前的觀眾進行交流互動，讓觀眾真切感受到科研的氛圍，實現(xiàn)科技與觀眾的“零”距離接觸。

（二）大膽取舍，突出重點

位于科學(xué)前沿的大科學(xué)裝置由眾多子單元和成千上萬的零部件組成，構(gòu)造極其復(fù)雜精密，給模型設(shè)計制作帶來不小的難度。模型既要保證與原科學(xué)裝置形似，準(zhǔn)確展現(xiàn)科學(xué)流程，又要確保突出科研重點設(shè)備與部件。為了揚長避短，需要針對性地對所展現(xiàn)的內(nèi)容進行大膽取舍，弱化或去除影響主體核心表達的部分。這不僅需要與科研人員進行溝通，多聽取他們的意見和建議，還要對具體內(nèi)容的工藝實施有自己的理解，這樣才能使模型對原裝置的表達盡可能完美。

“工業(yè)電子輻照加速器模型”（見圖2）的設(shè)計制作就體現(xiàn)了取舍的重要性。這臺儀器是利用放射源作為探測手段，對封閉的車廂、貨柜、貨倉中的檢測物進行無損探測甄別的先進探測設(shè)備，較之以往的X 射線探測儀在效能上有很大的提高，屬于核技術(shù)范疇，是現(xiàn)代探測的先進手段。相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)探傷，以及海關(guān)、機場、碼頭、物流等場所對走私物與違禁品的探測發(fā)揮著重要作用。根據(jù)這個項目的特點，在模型設(shè)計制作時對它的探測器系統(tǒng)進行強化處理，放大探測系統(tǒng)單元，使核心部位的作用得到突顯。用色彩裝飾與LED 閃爍光使主探測器成為展示焦點，同時運用電磁技術(shù)將模型的輸送系統(tǒng)巧妙地遮蔽在模型臺面之下，使模型生動地展現(xiàn)出輸送、探測、甄別、報警、分揀、移出等工藝流程。一方面，將機柜、貨倉等設(shè)施進行弱化或部分剖視處理，弱化或舍去相對不重要的部分，用以突出主題；另一方面，對探測部件做了突出與剖視處理，使得觀眾能夠看見原本封閉的探測過程，并且與之互動，達到良好的科普展示效果。2007 年中國國際工業(yè)博覽會期間，這個模型前總是圍著許多觀眾，他們對輸送線上自動飄移的代表檢測物的小木塊十分好奇，把這些被制作者“動過手腳”的小木塊拿在手上反復(fù)琢磨，似要探究出其“動”的奧秘，成為展會上有趣的一景。

圖2 工業(yè)電子輻照加速器模型

二、凸顯藝術(shù)性

科普模型屬于藝術(shù)的范疇，卻又不同于其他藝術(shù)形式。它既要有科學(xué)的真實性，又有審美的藝術(shù)性，是二者的統(tǒng)一。比利時科學(xué)史教授喬治·薩頓（George Sarton）認為：“理解科學(xué)需要藝術(shù)，而理解藝術(shù)同樣也需要科學(xué)。科學(xué)與藝術(shù)相輔相成。”[2]著名物理學(xué)家李政道也曾說：“科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面?！?/p>

科普模型正是科學(xué)與藝術(shù)相融合的結(jié)晶。一方面，它是將復(fù)雜科學(xué)儀器與成果的原理通過優(yōu)化、提煉，以藝術(shù)加工制作的科普演示系統(tǒng)，目標(biāo)是使觀眾能夠理解所展現(xiàn)的科學(xué)內(nèi)容，從而傳播科學(xué)知識；另一方面，科普模型的設(shè)計制作過程也是通過工藝來實現(xiàn)的藝術(shù)創(chuàng)作過程。

（一）創(chuàng)新工藝手法

科普模型是眾多藝術(shù)表現(xiàn)形式之一，具有展示與傳播的屬性。在模型的設(shè)計制作中融入藝術(shù)元素，運用藝術(shù)的語言來強化所要傳達的科學(xué)內(nèi)容。不同于其他藝術(shù)形式，藝術(shù)性在科普模型上的運用有著獨特的表現(xiàn)特點。它兼具繪畫的線條與色彩、雕塑的造型與質(zhì)感、舞臺的布景與效果，是一門綜合的藝術(shù)形式。設(shè)計制作模型時要考慮諸多因素的影響，包括展示臺位、展示主體、展示環(huán)境等因素，意在使科普模型所展現(xiàn)科學(xué)內(nèi)容的傳播效果最大化。目前在模型的設(shè)計制作中運用的工藝手法多種多樣，既有傳統(tǒng)的木工機加、雕刻彩繪等，也有計算機程控、3D 打印及LED 等現(xiàn)代技術(shù)，形成聲光電多維立體展示。在設(shè)計制作中要做到細致入微，達到神似，這就要求設(shè)計制作者下功夫去揣摩，才能使所展現(xiàn)的藝術(shù)性完美地展現(xiàn)科學(xué)內(nèi)容。目前，科普模型還是小眾領(lǐng)域，相關(guān)資料在網(wǎng)上幾乎查不到，許多問題都要靠自己去解決。在制作過程中，要根據(jù)每個模型所展示的具體內(nèi)容，在材料選取、工藝手法和展現(xiàn)形式上進行開發(fā)與創(chuàng)新。

“微型北京正負電子對撞機模型”是作為長期展品而設(shè)計的，它比上文提到的北京正負電子對撞機模型要小許多，根據(jù)展館的要求，尺寸僅120cm×40cm。但麻雀雖小，五臟俱全，該有的重點顯示一點也不能少。為此，制作中運用了新型復(fù)合材料，關(guān)鍵部位運用手工雕刻的技法來實現(xiàn)。而在制作“電子束輸運線磁鐵單元模型”時，既要表現(xiàn)比頭發(fā)絲還細小百倍的電子運行時的狀態(tài)，同時又要讓觀眾理解所展示的科學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過反復(fù)嘗試，最后利用光敏材料與光纖的特性研制出發(fā)光單元，使問題得到完美解決。同時還根據(jù)科學(xué)裝置的工作流程，對各部分使用不同色彩來進行藝術(shù)處理，以在視覺上得到區(qū)分，并強化關(guān)鍵部件的色彩，以達到醒目的效果。使用閃爍的LED 光器件，并通過計算機操控，循環(huán)展示科學(xué)裝置的整體和子單元的科學(xué)實驗過程。為了達到更好的傳播效果，在模型上方還設(shè)置了一個屏幕，播出與模型演示同步的動畫，便于觀眾理解科學(xué)實驗過程。

（二）注重渲染烘托

在科普模型的設(shè)計制作中，良好的藝術(shù)渲染可以使模型富有感染力，提升模型的科學(xué)傳播效果，激發(fā)公眾對科學(xué)探索的興趣，便于公眾對科學(xué)知識的理解?？破漳Ｐ驮O(shè)計制作中，可以使用傳統(tǒng)的工藝與表現(xiàn)方式來起到渲染烘托效果，而隨著計算機、新材料等技術(shù)的發(fā)展，聲光電及多媒體技術(shù)目前已成為重要的渲染和烘托手段。

2007 年中國江蘇首屆產(chǎn)學(xué)研合作成果展示洽談會上展出的“正電子發(fā)射斷層掃描儀模型”（見圖3）是根據(jù)我國研制的PET 掃描儀設(shè)計制作的。PET 掃描儀能夠?qū)崿F(xiàn)對病人血流、代謝、生化、受體密度等變化過程的成像，為人類重大疾病的早期篩查、診斷及發(fā)病機理探尋提供重要依據(jù)，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中重要的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。該模型通過利用機械裝置、計算機程控模擬原設(shè)備的抬升和輸送，并通過現(xiàn)代多媒體光學(xué)技術(shù)，利用計算機程序控制光的藝術(shù)效果，展現(xiàn)其對受檢人體掃描與檢測過程。特別是在展現(xiàn)檢測臺輸送人體，人體抵達檢測區(qū)及象征檢測正在進行的遞進式閃光時，不僅逐環(huán)節(jié)清晰展示了儀器診斷的過程，還渲染出了科技的神秘感。

圖3 正電子發(fā)射斷層掃描儀模型

在科普模型制作中，對細節(jié)的把握也十分重要，一些看著不起眼的小配件對模型主體有著十分重要的烘托作用。比如在模型上添加一個道具人、幾棵道具樹、幾輛道具汽車等，就能襯托出科學(xué)裝置的龐大。還可以根據(jù)不同科學(xué)裝置的特點，選用不同的聲、光、電效果。用以營造出科學(xué)特有的神秘感，從而達到引人關(guān)注的目的。

此外，符合大眾審美情趣的渲染效果更容易得到接受。應(yīng)注意，設(shè)計制作中不要濫用色彩及閃光，尤其是裝飾部分不要過分渲染，以免喧賓奪主。過分的渲染不但達不到科普宣傳的效果，反而顯得刺眼、俗氣，削弱了科學(xué)的高深感與神奇感，會影響科普模型的展示效果。

三、激發(fā)趣味性

捷克教育家夸美紐斯（Jan Amos Komensky）曾說，“一切知識都是從感官的感知開始的”[3]。科普模型是與觀眾近距離接觸的展出方式，它有著其他類型的科普創(chuàng)作所不可比擬的優(yōu)勢。為吸引觀眾，達到傳播科學(xué)知識的目的，在模型設(shè)計制作中，增加與觀眾零距離接觸和互動體驗顯得尤為重要，更是吸引觀眾最為有效的方法。目前，具有視、聽、觸功能的科普模型正在成為科普模型設(shè)計制作的主流。

（一）通過擬人化處理提升趣味性

科普模型在展示中能夠做到吸引人，除了要給人以視覺沖擊外，還要有趣味性，而對科普模型進行擬人化處理正是讓科普變得生動有趣的方式之一。

中國科學(xué)院公眾開放日多次展出的“高能小子機器人模型”（見圖4）因目標(biāo)受眾是中小學(xué)生，所以在外形設(shè)計上采用孩子們喜愛的卡通人物形象，有著一雙大大的、閃著藍光的眼睛，全身披戴著夢幻鎧甲，充滿了神秘感，手臂還擺出一個孩子們都熟悉的象征勝利的招牌動作。同時，模型胸前還配有一塊觸摸屏，屏幕上的3D卡通小人不但能為觀眾講解相關(guān)的科學(xué)知識，還能向觀眾提問，觀眾可以通過觸摸屏來回答問題。如回答正確，屏幕上的卡通小人便會歡呼雀躍；答錯了也沒關(guān)系，卡通小人會給小觀眾們鼓勵的話；若全部答對，便會從模型胸前彈出一張知識卡作為獎勵。每次展出時，這個模型周圍總是圍著一大群孩子，是名副其實的“孩子王”。這個模型符合目標(biāo)受眾的興趣，充滿童趣，采用孩子們喜歡的、輕松的娛樂方式進行科普，用獎勵機制激發(fā)孩子們的好勝心，促使他們?yōu)樘岣叽痤}正確率而認真對待模型所介紹的知識，從而加深對科學(xué)的理解，達到了良好的科普效果。

圖4 高能小子機器人模型

“心理與健康測試模型”是一臺對人進行心理分析的科普模型，其外表就像是一名坐診的醫(yī)生，胸前是一個可以進行人機交互的屏幕，一根導(dǎo)線從模型上伸出，連接著模型內(nèi)部可感知人體脈搏的分析儀。測試時，觀眾坐在這位“醫(yī)生”前，只需將手腕部扣上導(dǎo)線一端的特制軟夾，然后回答屏幕上的問題，模型會根據(jù)受試者在回答屏幕上問題時的脈搏心律來進行心理分析，而分析的結(jié)果會以陽光明媚、藍天白云、鮮花盛開、幽暗黑夜、電閃雷鳴、落葉蕭瑟等場景在屏幕上呈現(xiàn)出來。其間，“醫(yī)生”會提供心理輔導(dǎo)提示，而隨著受試者脈搏的改變，屏幕上的場景也會相應(yīng)地發(fā)生變化：枯萎的花慢慢抬起頭煥發(fā)出生機，雷雨交加的黑夜?jié)u漸散去，雨過天晴，黃沙漫漫寸草不生的沙漠生長出綠洲，干涸河床上掙扎的魚終于迎來清澈的水……測試期間，“醫(yī)生”還會根據(jù)屏幕上的變化顯示出“加油！”“堅持！”等贊許、鼓勵的文字。正是由于模型設(shè)計制作上運用數(shù)字技術(shù)，讓模型得以通過實時收集到的脈搏數(shù)據(jù)完成與觀眾的互動，才能讓觀眾得到私人化的體驗，切身感受到自身心理的變化，從而對心理學(xué)有進一步了解。同時，擬人化設(shè)計容易讓模型獲得觀眾的信任，吸引更多觀眾參與體驗，更好地達成傳播心理學(xué)知識的目的。

（二）增強互動，優(yōu)化觀眾體驗

良好的互動體驗是激發(fā)公眾科學(xué)興趣的最有效的方式之一。科普模型與其他展示方式的最大區(qū)別在于模型是直觀的、可接近的，甚至是可觸的。科普模型不應(yīng)是冰冷的陳列品，給觀眾留下的不僅是視覺感受，還應(yīng)有觸摸的體驗。2006年，在軍事博物館舉辦的一次科技博覽會上，來自法國的科普展臺給筆者留下了非常深刻的印象。在這個展臺，每件作品都是觀眾可以上手參與互動的。最讓人驚奇的是，這些互動道具都只是用管子、沙子、玻璃和木板等生活中不起眼的材料制作的，看似簡單，但設(shè)計非常精巧，觀眾在輕松的互動中能夠?qū)W到諸如“能量守恒”“熱電效應(yīng)”“光電作用”“電化學(xué)反應(yīng)”“電磁效應(yīng)”“光合作用”等基礎(chǔ)科學(xué)知識。這與當(dāng)時國內(nèi)展品前“請勿靠近”“請勿觸摸”的牌子形成鮮明對照。

目前，我國的科普模型與國外的科普模型之間最大的區(qū)別在于我國的科普模型能夠與觀眾進行互動的依然較少，而互動恰恰是科普宣傳中最具實效的方式之一。不過，隨著科普理念的轉(zhuǎn)變，互動性越來越成為我國自主設(shè)計科普模型時所追求的目標(biāo)?，F(xiàn)在，觀眾不僅可以與演示身邊科學(xué)原理小實驗的科普模型交互，還可以通過與大科學(xué)裝置的模型互動，直接體驗重要領(lǐng)域前沿科學(xué)運行原理。北京譜儀是我國重要的科學(xué)裝置，它有三層樓高，但精度極高，是用來探測和記錄粒子軌跡的工具。在設(shè)計制作“北京譜儀模型”（見圖5）時，運用機械與程控系統(tǒng)使其“動”起來，使模型能夠自動打開并進行90°旋轉(zhuǎn)，展現(xiàn)其精密復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造，還能模擬譜儀內(nèi)部正負電子碰撞、捕捉、記錄的場景，與觀眾發(fā)生互動。觀眾可以親自操縱開關(guān)，使模型完成演示過程，或停留在演示過程的某一環(huán)節(jié)上，并可以反復(fù)演示，從而加深理解。

圖5 北京譜儀模型

隨著科技的進步，一些先進的技術(shù)已被應(yīng)用到我國的科普模型制作中，以增強互動性。例如，現(xiàn)在一些展會上的科普模型運用了VR 技術(shù)，參觀者可以在相應(yīng)模型展臺戴上專用眼鏡，或是“走”入高科技實驗室，親自了解科學(xué)家的工作環(huán)境，或是“走”進大科學(xué)裝置內(nèi)部，更加直觀地探索其內(nèi)部構(gòu)造和運轉(zhuǎn)過程，深化認識與理解。新技術(shù)為觀眾提供了與科學(xué)零距離互動的可能，這種身臨其境般的展示效果使科普變得更加引人入勝。

科普模型因其特殊性，愈發(fā)顯現(xiàn)出獨特的魅力。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，特別是在智能仿真、虛擬數(shù)字、腦機連接等新技術(shù)的加持下，未來的科普模型擁有廣闊的發(fā)展前景，在制作技術(shù)、展示效果等方面得到大幅提升，甚至或?qū)l(fā)生翻天覆地的變化，讓我們拭目以待。