简单而巧妙的科普仪器设计与制作探讨

黄显吞，李龙文，农仕艺，伍天宝

(百色学院 材料科学与工程学院，广西 百色 533000)

在当前大力提出乡村振兴的战略背景下，地方院校作为当地社会进行科普工作的重要阵地场所和实验开发开放场地，通过自主设计与自行制作科普仪器设备进行科普教育，是高校科普工作发挥重要作用的可行之路和有效方法[1]。而且，地方院校的优势是可凭借自身具有科研和教学双重任务特点，具备将科学技术转化为科普资源的潜在功能和巨大效能，成为简单而巧妙科普仪器设计与制作的切入点和出发点[2]。特别是地方院校具有丰富的当地实验思想、务实实验方法和巧妙实验手段，不仅提供综合性很强的基本科学实验技能的训练，而且是培养学生科学创新能力和提高学生科普综合素质的极其重要基础性探究场所和实验开发开放基地[3-5]。然而，纵观现阶段的科普资源建设水平状况与乡村振兴战略目标要求极不匹配。为了能更好地充分发挥地方院校在服务科普资源开发过程中的独特作用，进行科普仪器设计与制作探讨，探究如何把简单而巧妙的设计与制作思想融入到当地科普资源开发与开放当中，这将是一项乡村振兴新形势背景下科普工作及内容建设的有益尝试和深度探索。

1 研究意义

地处祖国西南边陲桂西大石山区的广西百色市拥有面积达3.63万平方公里、人口400多万，以及与越南的边境线长达360.5公里，是广西面积最大的“老、少、边、山、穷、库”边境少数民族地级市。自然资源环境恶劣且经济落后，广大基层人民群众对科学技术知识了解甚微，不仅科学知识普及率极低，而且广大农村中小学校基础设施落后，科普实验仪器非常短缺，大部分中小学校及幼儿园的科普实验器材极少，几乎没有一件像样或顺眼的科普实验器材，更不用说有点“现代”或“先进”的科普实验仪器了。这不仅主要是由于当地科普实验经费极其短缺，买不起昂贵的实验设备和仪器，而且即使用买来那些所谓“现代”或“先进”的仪器设备，人们对其原理和机制又知之甚少，未能达到预期的设想和效果，只能是陌生的“先进技术”和神秘的“现代模型”。

特别是广大农村中小学生存在接触现代技术机会少、基础差以及科学操作技能不高等，农村中小学校科普资源的开发、设计与制作大多都还停留在一些简单、零碎以及片面的工作技术内容上，以致现在大部分农村中小学校都只能在课本上“讲”简单模仿的科普，在黑板上“画”乏味单调的科普，在屏幕上“描”枯燥难懂的科普；科普器材的激发智慧功能与技术普及效果不高，还没真正形成一整套系统的农村中小学科普教育完整技术体系。那么，在当前乡村振兴战略新形势大背景下地方院校研究如何进行科普资源设计、制作与开发来促进创新人才培养，从而带动本领域乃至整个地区科学知识的普及，为当地经济建设和科学知识普及发展是地方院校义不容辞的光荣责任和技术担当。为此，针对广大农村中小学生和当地人民群众的科普是关键和重点，特别是从中探索出一条符合我国当地情况、行之有效的科普仪器设计与制作之路是重中之重。

2 科普仪器开发的内容和方法

经过多年实践经验和探索操作表明，通过观看或操作实验来学习科学知识和对科学知识的普及是最简捷、最有效的途径和方法，特别是简单而巧妙实验所隐藏的巨大科普教育功能和技术推动作用。

2.1 研究内容

(1)提供专业技术服务，融入地方教育实际

通过专业技术教育指导并掌握科普实验设计与制作方法，同时融入地方教育实际，研究内容既有“高精尖”的现代技术作品，又有像陀螺、纸圈、可乐罐等这些日常用品成为讲解运动学、热力学以及材料科学等科普小教具。形成当地本土教育资源的特色和优势，较好地推动科普资源开发、应用和发展，对人们的智慧熏陶和科学启迪具有独到之处和地方特色，对广大人民群众的科技推广、普及与应用具有独特作用和奇妙效果，很好地解决长期以来困扰农村基础教学、科学普及和生产实践中的许多疑难困惑问题和技术瓶颈。将科普实验仪器的设计与制作给人们提供接触科学的机会和进一步探讨科学技术的空间，推动与促进思考与探索，研究并品尝科学的美，认识科学的精髓、奥秘与内涵，激发人们日后干事创业的另一独特视角和维度。

(2)发挥自身学科优势，凸显地方区域特色

开创融地方性、趣味性与启发性为一体的低成本高智慧特色的简单巧妙科普实验仪器设计与制作之路，开发一系列融科技原理、娱乐体验和趣味竞赛为一体的吸引力强的科普实验探究项目，让广大人民群众发自内心的踊跃探究并积极参与其中，增强自身的自主创新培养能力，使科普内容更生动、更丰富和更有吸引力。努力发挥自身学科教育优势和特点，把构思巧妙、原理深刻、技术先进、效果明显的简单而巧妙的科普实验现象呈现在人们面前，达到开阔眼界、启迪思维、培养兴趣和开发智力的作用。特别是研究内容注重凸显地方区域教育特色，使人们更加崇尚科学与技术，反对谣言与迷信，认识科学的精髓与本质，激发人们创新思维并继续深入探索科学的奥秘，从而推动与提高本地区乃至整个国民的科学素养与水平，真正使科学探究与技术创新活动形成一种具有新时代特色的科普教育新模式与典范。

(3)彰显地方本土特色，服务基础科普教育

通过自主研发与制作科普仪器，实行“自主式”主动性设计与制作，增加当地本土原创的自制材料，以独特视角和具有独立自主知识产权的原创科研成果(特色科普实验仪器设计以制作研究项目)激发人们创新思维,对广大学生及人民群众进行润物细无声般的智慧熏陶与科学启迪，用极具活力并接地气的科普实验厚植创新土壤与环境，以此推动本地科普工作并提升整个国民的科学素养与水平。特别是融入当地本土资源开展各项特色科普活动，做到“在科学的坚果上涂蜂蜜”，不仅表面吸引，而且内部有料。使科普工作与自由轻松、有趣好玩融合，这样科学就不再是冷酷冰冷和神秘可怕，而是变得甜蜜好看和温暖可人，吸引着众多普通老百姓的关注和求解。目的是让更多公众了解科学，也让科学走进公众，吸引更多民众参与，激发人们对科学的兴趣。而且，科普仪器设计与制作注重内涵发展，打造一系列具有创新特质、可操作可复制的科普教育教学创新成果作品。使学生从关注实验操作到关注创新举措，把科普仪器设计与制作建设成为宝贵的科学物质和精神财富的产品，很好促进当地社会和经济的快速发展。

2.2 研究方法

(1)面对如此众多与作用不同的科学实验，不可能“从猿到人类”毫不区分的进行全部研究，但能够敏锐意识到极个别问题的存在并紧紧抓住不放、扎扎实实地探究下去，充分挖掘身边材料进行独特构思与制作，用日常生活中非常常见的普通器材巧妙演示或突出非常深奥的科学技术原理，使人们不仅觉得新鲜、有趣与亲切，而且觉得简单易学并热爱科学，认识到科学并不是那么神秘莫测，其实就在自己身边，是用最熟悉的简单而巧妙器件就能演示的科学陌生人。

(2)尽可能多考虑到广大人民群众的认识基础、学识水平和理解能力，本着简洁明快、精巧实用与效果明显的设计理念和思想，通过简单而巧妙的设计以制作，使他们在操作实验过程中不仅仅达到满足于获取某一种结论性的答案、结果或内容，而是把重点放在如何掌握思维过程、技术技巧和科学方法的获取上，品尝科学的品味、品质与美好，体验科学的魅力、多彩与乐趣，认识科学的本质、内涵与精髓，达到“教是为了不教”的最高境界。

(3)通过结构分析和原理探讨科学研究的实质与实质，突出把相关科学性鉴别与学科原理进行有机结合和区别对待，由浅入深并深入揭示各种事物内部隐含的深奥科学原理和技术特点。通过深度加工和重组探究，重点抓住各个原理内部特征和技术技巧处理方法，使得那些长期以来原本很复杂、看起来一筹莫展的科学技术疑难问题得到迎刃而解，而当揭示谜底时那些简单而巧妙的设计与制作给人以一种淋漓尽致、酣畅痛快的感受和近乎尖叫、直呼惊奇的感觉，达到“润物细无声”的最好效果。

2.3 技术路线

本方案技术路线如图1所示用简单的器材做出不简单的物体：

图1 技术路线图

通过广泛开展实地调查和开创研究，根据科学原理与构造，进行演示或操作实验，针对日常教学和科普工作中的各种疑问和困惑点，及时发现并确定课题的研究方案。收集资料并展开自主研究，构思方案并创新设计由日常普通器材组成的简单装置来完成深奥的科学原理的展示，物化设计并巧妙利用简单器材把陌生的先进技术变成熟悉的身边技术，达到可复制可推广效果。

3 设计与制作

通过充分挖掘日常用品以及身边普通材料，主要以自制材料或器件为主，精准设计与巧妙制作由简单普通器件组成的乖巧物体，开发出独具特色、凝结着创新思维与创造性设计制作的简单而巧妙科普教具，不但能弥补现有科普教具的缺陷与不足，解决长期以来困扰教学过程中和生产实践中的许多疑难问题，又能充分展示巧妙利用科学原理解决生活生产实际问题的独特功能与特色应用，极大促进广大人民群众对科学知识的了解和认知。

图2 磁悬浮的巧妙装置

如图2所示是磁悬浮巧妙演示装置：这种磁悬浮实验装置是将套有两颗磁铁的笔芯放在制作好的由四颗磁铁组成的框架上，笔芯悬浮在其上方，利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触的悬浮平衡状态。这样就给学生提供丰富的感性材料，更好理解磁悬浮原理，提高学生的学习兴趣，有效激发学生的探究创造能力，既简单巧妙又有实际效果。

图3 两乒乓球的奇异相吸实验

图4 两乒乓球的奇异相吸实验

又比如用两个乒乓球做相互吸引的奇异相吸实验(图2)：往导轨上放两只隔开的乒乓球，当用吸管垂直往乒乓球中间吹一口气(如图3所示)，这时两个乒乓球会自动吸引并碰在一起，完成整个相吸运动过程(如图4所示)。这样学生就学会很好奇并激发探究原理，自然而然就领会气体流速与压强之间的关系，更好理解和领悟压强差的概念，既简洁、巧妙又实用，科学原理一目了然。

4 结 语

科普仪器设备的自主开发与独特设计是地方院校开展科普工作的有效切入点和出发点，在科普仪器设备特色开发与巧妙设计中，既要有能使人们在操作实验中激发他们的想象力和创造力，又要有能带动他们进行实验改进或科学创造行为的设计制作作品，使简单巧妙的科学探究和技术创新活动形成一种有当地特点与时代特色的科普教育新模式。这样学生就能透过较少而且比较熟悉的简单结构或技术细节就可领悟其中非常神秘、深奥的科学原理，并深刻体会其中的独特设计与创作技巧。让学生感受这样的原创本土特色科普教具，体验简单巧妙科普仪器设备的开发、设计、制作与应用过程，达到激发创新思维教育和科学方法启迪的双重目的和事半功倍科普教育效果。