马超

[摘 要]以创新展品组“圆锥曲线的光学性质”为例，通过分析类似展品的现状，分别从创新展品的创意过程、设计方案、创新点及其设计启示等方面，阐述科普场馆创新展品的设计思路。

[关键词]科普展品 设计创新 科技馆

“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。”当前，我国正在努力提高自主创新能力，建设创新型国家，因此提高自主创新能力已经成为党中央对科技工作提出的新要求。对于创新，从事科普工作的科技馆人并不陌生，展览展品的创新是展品设计人员毕生的追求，是科技馆行业永恒的话题。

科技馆展览展品创新的难点在于展品创新。与展品创新相比，展览的主题和脉络是停留在展览设计人员脑子抽象的想法，不易被观众了解，同时也没有衡量标准判断其创新与否，而展品创新是客观存在的，是可以通过国内外科技馆展品情况进行判定，同时观众在参与体验过程中也可以有亲身的感受和感悟。

基础学科的科普展品是最早一批能够通过声、光、电等技术手段，以观众在互动中观察科学现象的形式展示经典物理和数学等科学内容的演示装置。由于基础学科的科普展品具备互动性强、现象明显等特点受到观众的喜爱，是科技馆中最受欢迎的一类展品。基础学科科学内容是最早转化为互动演示装置的，由于受到观众的广泛喜爱，也是展品设计人员最用心挖掘的一类展品，因此基础学科科普展品的创新相比其他学科更为艰难。

近期，笔者从实践出发，开展一件创新展品——“圆锥曲线的光学性质”的研制工作，尝试总结提炼创新展品设计思路。

一、几何类科普展品的现状分析

在设计创新展品之前了解国内外科技馆该类展品的现状是必不可少的。在计划进行“圆锥曲线的光学性质”的研制展品之前，有必要对现有国内外科技馆中的圆锥曲线展品进行梳理和归类。

圆锥曲线作为平面几何中的重要内容，在科技馆中已经有所展示，双曲线狭缝、正交十字磨、圆锥曲线的形成等展品已经成为常规展品，展示在多家科技馆的数学展区中，其中双曲线狭缝等展品由于立意新颖、现象反常规，已是科技馆界公认的经典展品，并广泛应用到其他展示领域。

圆锥曲线的科普展品大多采用机械技术实现展示效果，互动性强，现象直观，运行可靠、稳定，但展示内容、展示效果和展示形式仍有不足之处。

（一）展示内容不够全面

圆锥曲线的科普展品大多针对一个知识点进行展示，定位相对偏低，缺少不同类型圆锥曲线之间的横向对比，使观众只能从展品中获得一个知识点，难以形成不同知识点构成的圆锥曲线知识链。

（二）部分展品展示效果不理想

目前，展品抛物线的展示方式只是通过小球自身重力从斜坡上自由下落，利用小球的运动轨迹来展示抛物线的光学性质。这种互动方式将小球重力势能转化为动能，小球的运动速度不够大，容易受到台面不平等其他因素的影响，会出现小球运动不准确以致展示失败的情况。

（三）部分展品观众收获不理想

大多数观众明白如何操作“正交十字磨”展品，也会推动操作端进行操作，但他们并没有了解这件展品所要展示的科学原理，也没有体会到操作端转动一周后就画出了一个椭圆，以及这个椭圆是如何形成的。从观众收获角度来讲，本件展品没有给观众提供更多的启发。

二、“圆锥曲线的光学性质”展品的创意过程

“圆锥曲线的光学性质”展品的创意过程，大致经历了科学内容的选取、表现形式的选择、技术手段的取舍三个阶段。

（一）科学内容的选取

“椭圆焦点”为科技馆一件经典展品，展示椭圆的光学性质。同样，展示抛物线光学性质的展品在科技馆中也屡见不鲜。椭圆、抛物线和双曲线同为圆锥曲线，为什么前两者的光学性质在科技馆中均有展示，而双曲线的光学性质却没有展示呢？是因为无法通过简单的机电手段进行展示，还是其他原因？经查阅资料，笔者深入学习了双曲线的光学性质，即若光源放在双曲线的一个焦点处，光线射到双曲线靠近这个焦点的一支上，经过反射之后，就好像从另一个焦点处射出一样（见图1）。双曲线的光学性质相比椭圆和抛物线等其他圆锥曲线的光学性质更为复杂，这可能就是为什么国内外科普场馆尚未展示该科学内容的原因。若可以将双曲线的光学性质这一科学内容转化为科普展品，无疑将是一件全新的展品，并可以与“椭圆焦点”和“抛物线”组成圆锥曲线光学性质展品组，揭示并對比不同圆锥曲线光学性质的异同，从而极大地提高展品的展教效果。

（二）表现形式的选择

科学内容的确定只是迈开创新展品设计的第一步，展品表现形式的选取是决定展品优秀与否的重要标志。应尽量做到展示效果出其不意，引人遐想，操作步骤简单明了，产生的现象明显直观。考虑到可以组成圆锥曲线光学性质展品组的因素，在表现形式的选取上尽量与另两件展品类似，以求呼应。

经过反复斟酌，最后确定的表现形式是：观众可以在轨道上任意移动弹射装置的位置，通过调整出球方向瞄准远处焦点并释放小球（圆片），小球（圆片）经过近处双曲线形挡板反弹到近处的焦点位置。虽然观众瞄准的是远处双曲线焦点，但小球（圆片）经过双曲线形挡板的反弹却能到达近处双曲线焦点，这一与常理不相符的现象可以激发观众进一步参与展项，思考其背后科学原理，从中得到收获和启发。

（三）技术手段的取舍

展品技术手段选择的原则是采用最简单、最可靠的技术手段实现预期的展示效果，不求技术手段的高级与复杂。

1.采用小球还是其他形状物体运动。小球的优点是摩擦力小，但在碰撞挡板的时候，由于小球可以任意方向滚动，容易产生侧向力，导致碰撞后的运动方向出现偏差;圆片由于是一个平面与台面接触，优点是不像小球受到的侧向力影响较大，但缺点也是非常明显的，由于是一个平面与台面接触，接触面积较大，摩擦较大。为此，我们对原有的圆片进行改进，只保留了周围的圆环，中间的部分去掉，这样既解决了碰撞后的方向问题，同时也解决了摩擦力大的问题。

2.展品弹射装置采用何种手段实现。展品中释放球（圆片）的方式有很多种，如通过斜坡滑落的方式、观众用杆击打类似打台球的方式、释放压缩弹簧的方式等。首先，通过斜坡滑落的方式。由于重力势能不够，且台面具有一定的摩擦力，很难让球（圆片）具有一定的速度运动，若速度较慢，球（圆片）会受到摩擦力更大的影响，严重影响展示效果;其次，观众用杆击打球（圆片）的形式。从设计角度讲最为简单，但由于趣味性过强，易使观众忽视展品的科学内容，且观众挥杆时容易碰伤周围观众;最后，释放压缩弹簧的方式释放圆片，既保证了圆片具有一定的初速度，又适当降低了娱乐性，使观众聚焦展品的展示效果。

三、“圆锥曲线的光学性质”展品介绍

本展品组由三件展示不同圆锥曲线光学性质的展品组成。

（一）椭圆光学性质

展品由展品玻璃平面、圆片等组成。在展台上设置一个摩擦较小的玻璃平面，玻璃平面四周设置椭圆形台边，在椭圆的一个焦点位置上设置固定圆柱块。观众参与时，将移动圆片放置到椭圆的另一焦点位置，朝任意方向用手弹射圆片，圆片经过椭圆台边的反弹，可以撞击到另一焦点位置的固定圆柱块。

（二）双曲线光学性质

展品由展台、双曲线形挡板、圆弧形导轨、弹射装置、圆片等组成。在展台上设置两个双曲线形挡板，双曲线中心为台面中心，在双曲线焦点位置设置两个目标圆柱块。本展品采用两种参与方式：其一为手动弹射圆片的方式;其二为发球装置弹射圆片的方式。

1.为手动弹射圆片的方式。观众首先将圆片放置在一侧平面的任意位置，根据台面上指示，朝向双曲线远处焦点方向弹射圆片，如果弹射准确，反弹近处双曲线挡板后即可击中近处焦点位置的目标块。

2.发球装置弹射圆片的方式。观众首先可以在圆弧形导轨上任意移动弹射装置，由于圆弧形导轨的圆心是双曲线远处的焦点位置，即弹射装置无论在导轨什么位置，其出球口方向一直指向双曲线远处的焦点位置。发球装置可采用弹簧弹射方式实现。观众参与时，在任意位置弹射圆片，圆片经过近处双曲线挡板反弹后会击中近处焦点位置上的目标块。

（三）抛物线光学性质

展品由展台上两条不同形状抛物线挡板、障碍挡板和圆片等组成。展品两端设置两条不同形状的抛物线挡板，且中间区域设置一个障碍挡板，其中一个抛物线焦点位置为出发位置，另一个抛物线的焦点位置上设置一个固定的目标圆柱块为终点位置。台面上通过文字和图示，提示观众如何从出发位置发出圆片绕开障碍挡板到达终点位置，观众参与时在抛物线焦点位置朝该抛物线手动弹射圆片，圆片经过抛物线反弹后，向另一条抛物线运动，经过二次反弹后，会到达第二条抛物线的焦点位置，即击中目标块。观众无论朝哪个方向，只要朝近处抛物线弹射圆片，且绕开障碍挡板，大概会击中另一焦点位置的目标块。

四、“圆锥曲线的光学性质”展品的创新点

展品“圆锥曲线的光学性质”具有双曲线的光学性质展示内容的原始创新、将三种不同圆锥曲线光学性质组合展示的集成创新、通过两种不同形状抛物线展示抛物线光学性质的展品表现形式创新和可以广泛应用到其他弹射圆片展品的弹射装置的机构创新等四个创新点。

五、创新展品设计的启示

（一）挖掘科学内容创新

所谓科学内容的创新，是指本展品展示的科学内容在其他场所没有进行过展示。前文提到的展品“双曲线的光学性质”属于此类创新。首先，我们必须指出科学内容的创新应与科学内容的发现严格区分开，是指对于已经发现并确认的科学知识、原理通过某种表现形式和技术手段展示给观众，使观众对于这个科学知识和原理能够有所认识和启发。而对于科学内容的发现并不属于科技馆的职能范畴。

目前，科技馆中展示的科学内容是非常有限的，因此科學内容的创新并不难，但为了确保创新展品是优秀的，受观众欢迎的展品，我们必须对所选择的科学内容进行甄别。为了满足不同学习经历的观众能够获得科学教育和启发，我们所选取的科学内容不能过于专业和深奥，应贴近观众生活，以激发观众的参与热情。如展品“双曲线的光学性质”的科学内容较为浅显易懂，在日常生活中有广泛的应用，符合大多数观众的参观需求，这样观众就能在参与中有所收获和启迪。

（二）重视表现形式的创新

展品表现形式的创新是最困难，也是最为有效的创新形式。以展品“双曲线的光学性质”为例，双曲线的光学性质内容本身并不难，稍作思考，便能理解，但如何将这一科技内容转化为形式生动的科普展品，能够受到观众的欢迎，得到观众的认可，达到预期的教育效果，则是一个不小的难题，这一点正是创新展品的掣肘，也是为什么一件创新展品的设计难度不亚于一件新产品的原因。为了充分剖析表现形式对于展品优劣的重要性，笔者将展品的表现形式按照吸引观众的反应程度分为三个层次：

1.匪夷所思、反常规的表现形式。如“锥体上滚”中的锥体沿轨道向上运动;“双曲线槽”中的直杆穿过弯曲的狭槽等。这类表现形式很容易抓住观众的心，激发观众思考展项背后的科学原理，从而达到展品的教育目的，同时展品本身也会给观众留下深刻的印象。此类表现形式的创意和设计，需要展览设计师具备深厚的知识功底、扎实的业务技能和丰富的实践经验

2.自己动手操作和体验，看展品的直观效果。通过观众动手操作和体验，看展品的直观效果，从而了解展品的科学原理，达到传输科学知识、启发观众思考的目的。科技馆中大部分展品属于第二类表现形式，此类表现形式的展品虽不是最好，但属于科技馆展品中的主力军，若配合一些吸引观众的科学教育手段和图文介绍，仍具有较好的教育效果。

3.通过静态模型或简单多媒体进行科技内容的展示。这种表现形式主要用于难以采用机电互动方式，通过直观的展品变化进行展示的科技内容，如微观世界和高速运动物体的科学内容。这种表现形式的展品较难引起观众的参与兴趣。为了保证创新展品的质量和教育效果，在创新展品的表现形式设计中应避免采用静态模型和简单多媒体类表现形式，或者说静态模型和简单多媒体类展品不应列入科普场馆创新展品之列。

（三）技术手段的创新

随着科技的不断发展，实现展品表现形式的技术手段是多种多样的，采用不同的技术手段，决定展品不同的安全可靠性和迥异的造价。由于业务水平差异等原因，展览设计人员在技术方案的选取以及展品设计、制作等环节上难免遗留各种问题和隐患。采用更稳定、更可靠，价格更低廉的技术手段替代原有技术手段，实现展品相同的表现形式和展示效果也属于展品创新的范畴。虽然展品技术手段的创新没有给观众全新的视觉和参与感受，但对科技馆展览长期稳定和健康发展大有益处。