潘少杰

濰坊市科技館 山東濰坊 261000

科技館的目的是激發(fā)青少年的科學(xué)興趣,啟迪參觀社會(huì)公眾的科學(xué)觀念,通過展品來展示科學(xué)知識(shí),通過科普活動(dòng)來傳播前沿的科學(xué)知識(shí)及科學(xué)思想。科技館展品的展示方式主要為常設(shè)展廳展覽和臨時(shí)展廳的短期展覽,以參與、互動(dòng)、體驗(yàn)的展品進(jìn)行展示。筆者所在的濰坊市科技館屬于大型科技館,有“天地萬象”“兒童樂園”“科學(xué)世界”“生命健康”“信息生活”和“濰坊科技之光”六大主題展區(qū)。本文主要以科學(xué)世界主題展區(qū)的力學(xué)展品、展項(xiàng)為例探討科技館力學(xué)展品在設(shè)計(jì)、展示中的一些想法。

1 科技館展品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及運(yùn)行情況

根據(jù)《科技館建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》,展廳是用于舉辦展覽、布設(shè)展品的房間,而用于舉辦常設(shè)展覽的展廳以常設(shè)性科普展品為主要載體。常設(shè)性科普展品種類多樣,包含數(shù)學(xué)、電磁學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域。常設(shè)性展品的展示內(nèi)容主題鮮明、展覽位置比較固定、展覽時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),因此在展品的設(shè)計(jì)上既要體現(xiàn)出藝術(shù)性、科學(xué)性、互動(dòng)性和趣味性的特點(diǎn),又要對(duì)展品的可靠性、安全性有較高的要求,同時(shí)還要考慮到展品所在展廳的位置及環(huán)境,運(yùn)行后的維修、維護(hù)、管理等問題。

隨著科技館建設(shè)數(shù)量與建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,越來越多高學(xué)歷的技術(shù)人才將先進(jìn)技術(shù)與理念運(yùn)用到科技館展品、展項(xiàng)設(shè)計(jì)中。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念給展品帶來更多的科學(xué)性、互動(dòng)性、趣味性,但往往需要更為復(fù)雜的控制系統(tǒng),更多的機(jī)械、電氣元件,相對(duì)的故障概率也會(huì)增加?？萍拣^與其他群眾文化性場(chǎng)館最大的不同就是,參觀公眾通過對(duì)科普展品的觀察、操作、啟迪、思考來學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí),來發(fā)揮科普?qǐng)鲳^的教育功能,提高全民科學(xué)文化素質(zhì)。但有些展品設(shè)計(jì)的過于“脆弱”,再加上個(gè)別參觀人員在體驗(yàn)過程中未按指示操作極易造成展品展項(xiàng)的損壞。因此,只有在展品的設(shè)計(jì)上下足功夫,才能降低展品的故障率,確保展品的展覽、展示效果。

2 力學(xué)展品的深化設(shè)計(jì)思路

力學(xué)展品作為展品的一大類,既有常規(guī)展品的普遍性,也有其特殊性,展品怎樣設(shè)計(jì)制作才能將復(fù)雜的力學(xué)原理通俗易懂地展示出來,并取得預(yù)期的展示效果,展品進(jìn)館前的深化設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

2.1 展品展示內(nèi)容的深化設(shè)計(jì)

展品展示內(nèi)容的深化設(shè)計(jì)是科技館展品在已有設(shè)計(jì)要求、招標(biāo)技術(shù)參數(shù)和展品大體外觀輪廓的基礎(chǔ)上,再對(duì)展品進(jìn)行更加深入、細(xì)致的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為使出廠的展品符合整體展區(qū)的設(shè)計(jì)要求,方便展品的后續(xù)維修、維護(hù),達(dá)到提升展品性能和品質(zhì)的目的,深化設(shè)計(jì)往往通過對(duì)展品外觀、外形,配件品牌、品質(zhì),展示的方式、方法等方面再進(jìn)行具體要求。

力學(xué)展品的深化設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括科學(xué)原理、文字說明、展示目的、功能描述、操作說明、使用維護(hù)、保養(yǎng)說明以及展品的組成形式、展示方式與運(yùn)行程序、展示效果和觀眾體驗(yàn)所獲得的啟示等。其中,用電展品必須設(shè)計(jì)獨(dú)立的配電控制柜,并配備漏電空開保護(hù)裝置和接地裝置;展品的視頻系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)要有播放程序軟件、劇本、腳本、圖像、系統(tǒng)原理圖和接線圖;展品的機(jī)械系統(tǒng)要運(yùn)行流暢、無卡殼、缺油等現(xiàn)象;展品的電器系統(tǒng)要線路整潔、動(dòng)作可靠、標(biāo)號(hào)清晰;展品的軟件系統(tǒng)要通信正常、操作流暢。

2.2 展品結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

展品的可靠性是指在特定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)無故障的執(zhí)行規(guī)定功能的能力。只有確保展品結(jié)構(gòu)的可靠性,才能順利開展展教活動(dòng),提升展覽效果。展品結(jié)構(gòu)的可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。其中,固有可靠性主要通過設(shè)計(jì)、制作的過程來保證,而展品中標(biāo)廠家負(fù)責(zé)展品的前期設(shè)計(jì)與后期制作。因此,我們不應(yīng)該在確定完一個(gè)展品項(xiàng)目后就放任不管,而是應(yīng)該積極參與到展品深化設(shè)計(jì)和展品實(shí)際制作當(dāng)中去,跟蹤展品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、出廠、安裝的每個(gè)步驟,包括設(shè)計(jì)理念、材質(zhì)的選擇、元器件的選用等。這不僅是一個(gè)熟悉展品的過程,更是增加展品可靠性的一種必要手段。展品的使用可靠性往往依賴于操作的規(guī)范性,使用環(huán)境的適配性、維修與保養(yǎng)的合理性,主要受使用者的影響。這就要求日常維護(hù)管理人員充分了解展品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原理,合理地進(jìn)行保養(yǎng)與維護(hù)。

可靠性三大要素為耐久性、可維修性、設(shè)計(jì)可靠性。所謂耐久性就是展品使用無故障性或使用壽命的長(zhǎng)短。力學(xué)展品往往涉及傳感器和繼電器等元器件,軸、齒輪、皮帶、鏈條等機(jī)械傳動(dòng)部件,它們都有自己的疲勞壽命,因此在展品設(shè)計(jì)時(shí),盡量選擇耐久性強(qiáng)的部件可有效增加耐久性?？删S修性是當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障后,能夠很快且容易地通過維護(hù)或維修排除故障。像手機(jī)、電腦、自行車等發(fā)生故障時(shí),維修人員能很快發(fā)現(xiàn)故障,及時(shí)維修,這是因?yàn)樗鼈兊膫淦穫浼緸闃?biāo)準(zhǔn)件,互換性較強(qiáng)。而力學(xué)展品從設(shè)計(jì)之初,就包含了大量的非標(biāo)件,只有技術(shù)人員加強(qiáng)日常的維護(hù)和保養(yǎng),才能降低故障率,提前備好非標(biāo)配件,才能及時(shí)維修。設(shè)計(jì)可靠性是決定展品質(zhì)量的關(guān)鍵,只有設(shè)計(jì)可靠性高了才能增加展品的耐久性與可維修性。所以,在展品設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮展品的易操作性和易使用性?？梢哉f展品設(shè)計(jì)的越容易操作,發(fā)生因體驗(yàn)者操作失誤造成故障的可能性就越小,展品的可靠性越高。

2.3 展品整體的安全性設(shè)計(jì)

力與機(jī)械的展品展項(xiàng)由于各種電氣系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)的存在,有較大的安全隱患。例如展品“機(jī)械墻”各類傳動(dòng)裝置就完全裸露在外;展品“椎體上滾”一旦操作失誤“椎體”掉落就會(huì)砸傷參觀者。因此,力學(xué)展品整體的安全性設(shè)計(jì)尤為重要。

一是展品的自我保護(hù)設(shè)計(jì)。展品連續(xù)的高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn),內(nèi)部元器件到達(dá)使用壽命,或者是參觀者的暴力操作都會(huì)讓展品運(yùn)行異常,輕則影響參觀體驗(yàn),重則造成人身傷害。因此,展品的自我保護(hù)設(shè)計(jì)十分重要。例如,展品線路的過載保護(hù)、間隔運(yùn)行保護(hù)、限壓限流保護(hù)、高溫保護(hù)等。

二是展品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中常采用專業(yè)化的協(xié)作生產(chǎn),即用分散制造、集中裝配的辦法來提高生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。展品的設(shè)計(jì)同樣遵循這個(gè)道理。力學(xué)展品零部件通用性、互換性原則對(duì)提高展品的安全性具有重要意義。結(jié)合展品的傳動(dòng)需求、負(fù)載情況、運(yùn)行環(huán)境等因素大量選用標(biāo)準(zhǔn)零部件,不僅使展品的運(yùn)行效果、安全性、使用壽命有保障,更是為日后的快捷維修維護(hù)提供便利。

2.4 展品的故事性、互動(dòng)性設(shè)計(jì)

展品作為科技館主要的科普手段之一,承擔(dān)著大部分的科普教育職能。經(jīng)濰坊市科技館運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn),展品設(shè)計(jì)突出故事性、互動(dòng)性更能拉近與參觀體驗(yàn)者的距離。一是因?yàn)檎蛊坊?dòng)性增強(qiáng)后更能激發(fā)參觀公眾的體驗(yàn)熱情與參觀興趣,在動(dòng)手操作的過程中了解展品展示的科學(xué)現(xiàn)象,啟迪思考展品背后的科學(xué)原理。二是故事性強(qiáng)的展品能體現(xiàn)出科學(xué)家們攀登科學(xué)高峰堅(jiān)忍不拔的精神,讓社會(huì)公眾了解到科學(xué)的成就是由易到難、由簡(jiǎn)到繁一點(diǎn)一滴累積起來的,特別是當(dāng)與課堂所學(xué)的知識(shí)聯(lián)系到一起時(shí),更能激發(fā)參觀者的學(xué)習(xí)興趣與探索精神。

3 濰坊市科技館力學(xué)展品實(shí)例

3.1 有“故事”的力學(xué)展品

很多展品的創(chuàng)意都是源于科學(xué)技術(shù)發(fā)展史的重大事件和重要發(fā)明,通過互動(dòng)性的設(shè)計(jì)將故事背景和科學(xué)原理融入其中。

(1)展品“加速度測(cè)試”。意大利物理學(xué)家伽利略在比薩斜塔做了自由落體實(shí)驗(yàn),使得古希臘哲學(xué)家亞里士多德重的物體下落速度比輕的物體下落速度快,落體速度與重量成正比觀點(diǎn)被推翻。展品加速度測(cè)試(圖1)讓觀眾重新體驗(yàn)伽利略落體實(shí)驗(yàn),親身感受科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄烤?。參觀公眾通過記錄數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),相互交流,得出結(jié)論,加深認(rèn)知。

圖1 展品加速度測(cè)試圖 圖2 氣浮平臺(tái)圖 圖3 馬德堡半球圖

(2)展品“氣浮平臺(tái)”。在牛頓的論文《自然定律》里,描述了萬有引力和三大運(yùn)動(dòng)定律。其中“作用與反作用定律”就是經(jīng)典的牛頓第三定律的內(nèi)容。展品氣浮平臺(tái)(圖2)通過按動(dòng)電鈕,風(fēng)機(jī)開始工作,利用大氣壓原理,使滑塊在平臺(tái)上減小摩擦力,通過觀察相互碰撞來體現(xiàn)作用力與反作用力的原理。

(3)展品“馬德堡半球”。馬德堡市長(zhǎng)奧托·馮·格里克在羅馬的雷根斯堡進(jìn)行了一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),他將兩個(gè)半球內(nèi)的空氣抽掉,使球內(nèi)的空氣量減少,球外的大氣便把兩個(gè)半球緊壓在一起,需再用十六匹馬才能拉開。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很好地證明了大氣壓的存在。展品馬德堡半球(圖3)就是對(duì)這一實(shí)驗(yàn)的還原,將兩個(gè)半球合在一起,使他們密封良好,使用真空泵抽出球內(nèi)的空氣,使球內(nèi)的壓強(qiáng)減小,這時(shí)半球在大氣壓的作用下就很難被拉開了。當(dāng)我們打開進(jìn)氣閥門時(shí),外界的空氣進(jìn)入球內(nèi)部,使球內(nèi)部氣壓和外界的氣壓相等,然后我們?cè)偃ダ@兩個(gè)半球就可以很容易地將他們分開了。觀眾通過“減壓”“加壓”的操作來切身的體會(huì)大氣壓的存在。

3.2 有“互動(dòng)”的力學(xué)展品

我們常說“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”,以下的力學(xué)展品就是在操作體驗(yàn)后去引發(fā)思考。

(1)展品“多軌競(jìng)速”。四個(gè)相同質(zhì)量、相同體積、相同材料的小球,沿著四種形狀不同的軌道同時(shí)下滑,旋輪線上的小球總是最先到達(dá)地面,這條旋輪線也叫最速降線。當(dāng)一個(gè)圓盤在地面上沿直線做純滾動(dòng)時(shí),其輪緣上任意一點(diǎn)的軌跡均為旋輪線,也稱擺線。僅有重力作用時(shí),質(zhì)點(diǎn)沿旋輪線下降時(shí)的速度最快。展品多軌競(jìng)速(圖4)設(shè)計(jì)四種不同弧度的軌道,用同等大小及質(zhì)量的球體下滾。讓觀眾了解球體在不同軌道上不同的滾動(dòng)速度,從而找出最快下降的弧線以達(dá)到了解最速降線原理的目的。

圖4 多軌競(jìng)速圖 圖5 自己拉自己圖 圖6 機(jī)械墻圖

(2)展品“自己拉自己”。我們?cè)诔踔形锢碚n上曾經(jīng)學(xué)過,定滑輪可以改變力的方向卻不能省力,動(dòng)滑輪不能改變力的方向,卻可以省力?；喗M這種由多個(gè)定滑輪和動(dòng)滑輪組成的簡(jiǎn)單機(jī)械就可以達(dá)到改變力的方向且省力的作用。展品自己拉自己(圖5)就展示了滑輪組合的原理,在支架頂部固定5個(gè)定滑輪,在椅子上固定4個(gè)滑輪為動(dòng)滑輪,用繩子連接滑輪組。觀眾坐在椅子上,自身的重量由幾股通過動(dòng)滑輪的繩索來承擔(dān),這時(shí)體驗(yàn)者坐在椅子上不必再費(fèi)很大的力氣,就可以實(shí)現(xiàn)自己拉自己的效果。

3.3 很“直觀”的力學(xué)展品

展品“機(jī)械墻”。齒輪傳動(dòng)可以說是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng),轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行形式的改變都可以依靠齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比精準(zhǔn)、傳動(dòng)效率高、功率范圍大。我們?nèi)粘Ｉ钪械碾婏L(fēng)扇、機(jī)械表、汽車的變速機(jī)構(gòu)、自行車的鏈條傳動(dòng)等都是齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用。展品“機(jī)械墻”(圖6)就非常直觀、清晰地展示了幾種常見的齒輪傳動(dòng)。此展品包括了星形發(fā)動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、星形輪、萬向節(jié)、槽輪、缸體活塞等機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用骨架式金屬與機(jī)械化齒輪設(shè)計(jì),在外觀使用齒輪概念外,內(nèi)結(jié)構(gòu)也徹底利用齒輪原理轉(zhuǎn)動(dòng),整體的呈現(xiàn)非常協(xié)調(diào)且具有科技感。另外,展臺(tái)底部有一排傳感器,當(dāng)有觀眾不小心進(jìn)入展區(qū)內(nèi)時(shí),傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)讓展品立刻停止運(yùn)行,以免誤傷觀眾,體現(xiàn)了展品設(shè)計(jì)的安全性。

結(jié)語(yǔ)

科學(xué)家培根曾經(jīng)說過:“好奇心是孩子智慧的嫩芽。”一個(gè)好的科普氛圍才能夠激發(fā)起青少年的好奇心,強(qiáng)烈的好奇心會(huì)增強(qiáng)青少年的求知欲,從而激發(fā)他們的想象力和創(chuàng)造性思維,獲得更好的教育效果。科技館作為科技教育的前沿陣地,承擔(dān)著科普展品展覽、開展科教活動(dòng)的重要職能。更具科學(xué)性、趣味性、互動(dòng)性的展品設(shè)計(jì)才會(huì)讓來科技館參觀的社會(huì)公眾了解展品背后的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)故事,感受科學(xué)的魅力,在體驗(yàn)中激發(fā)科學(xué)興趣,在探索中樹立科學(xué)精神,在思考中啟迪科學(xué)智慧。