中大型科技馆力学展品展项设计实践——以潍坊市科技馆为例

潘少杰

潍坊市科技馆 山东潍坊 261000

科技馆的目的是激发青少年的科学兴趣,启迪参观社会公众的科学观念,通过展品来展示科学知识,通过科普活动来传播前沿的科学知识及科学思想。科技馆展品的展示方式主要为常设展厅展览和临时展厅的短期展览,以参与、互动、体验的展品进行展示。笔者所在的潍坊市科技馆属于大型科技馆,有“天地万象”“儿童乐园”“科学世界”“生命健康”“信息生活”和“潍坊科技之光”六大主题展区。本文主要以科学世界主题展区的力学展品、展项为例探讨科技馆力学展品在设计、展示中的一些想法。

1 科技馆展品的设计特点及运行情况

根据《科技馆建设标准》,展厅是用于举办展览、布设展品的房间,而用于举办常设展览的展厅以常设性科普展品为主要载体。常设性科普展品种类多样,包含数学、电磁学、生物学、力学、天文学等领域。常设性展品的展示内容主题鲜明、展览位置比较固定、展览时间相对较长,因此在展品的设计上既要体现出艺术性、科学性、互动性和趣味性的特点,又要对展品的可靠性、安全性有较高的要求,同时还要考虑到展品所在展厅的位置及环境,运行后的维修、维护、管理等问题。

随着科技馆建设数量与建设规模的不断扩大,越来越多高学历的技术人才将先进技术与理念运用到科技馆展品、展项设计中。先进的设计理念给展品带来更多的科学性、互动性、趣味性,但往往需要更为复杂的控制系统,更多的机械、电气元件,相对的故障概率也会增加。科技馆与其他群众文化性场馆最大的不同就是,参观公众通过对科普展品的观察、操作、启迪、思考来学习科学知识,来发挥科普场馆的教育功能,提高全民科学文化素质。但有些展品设计的过于“脆弱”,再加上个别参观人员在体验过程中未按指示操作极易造成展品展项的损坏。因此,只有在展品的设计上下足功夫,才能降低展品的故障率,确保展品的展览、展示效果。

2 力学展品的深化设计思路

力学展品作为展品的一大类,既有常规展品的普遍性,也有其特殊性,展品怎样设计制作才能将复杂的力学原理通俗易懂地展示出来,并取得预期的展示效果,展品进馆前的深化设计尤为关键。

2.1 展品展示内容的深化设计

展品展示内容的深化设计是科技馆展品在已有设计要求、招标技术参数和展品大体外观轮廓的基础上,再对展品进行更加深入、细致的优化设计。为使出厂的展品符合整体展区的设计要求,方便展品的后续维修、维护,达到提升展品性能和品质的目的,深化设计往往通过对展品外观、外形,配件品牌、品质,展示的方式、方法等方面再进行具体要求。

力学展品的深化设计内容主要包括科学原理、文字说明、展示目的、功能描述、操作说明、使用维护、保养说明以及展品的组成形式、展示方式与运行程序、展示效果和观众体验所获得的启示等。其中,用电展品必须设计独立的配电控制柜,并配备漏电空开保护装置和接地装置;展品的视频系统和音频系统要有播放程序软件、剧本、脚本、图像、系统原理图和接线图;展品的机械系统要运行流畅、无卡壳、缺油等现象;展品的电器系统要线路整洁、动作可靠、标号清晰;展品的软件系统要通信正常、操作流畅。

2.2 展品结构的可靠性设计

展品的可靠性是指在特定条件下和规定时间内无故障的执行规定功能的能力。只有确保展品结构的可靠性,才能顺利开展展教活动,提升展览效果。展品结构的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。其中,固有可靠性主要通过设计、制作的过程来保证,而展品中标厂家负责展品的前期设计与后期制作。因此,我们不应该在确定完一个展品项目后就放任不管,而是应该积极参与到展品深化设计和展品实际制作当中去,跟踪展品设计、生产、出厂、安装的每个步骤,包括设计理念、材质的选择、元器件的选用等。这不仅是一个熟悉展品的过程,更是增加展品可靠性的一种必要手段。展品的使用可靠性往往依赖于操作的规范性,使用环境的适配性、维修与保养的合理性,主要受使用者的影响。这就要求日常维护管理人员充分了解展品的内部结构与原理,合理地进行保养与维护。

可靠性三大要素为耐久性、可维修性、设计可靠性。所谓耐久性就是展品使用无故障性或使用寿命的长短。力学展品往往涉及传感器和继电器等元器件,轴、齿轮、皮带、链条等机械传动部件,它们都有自己的疲劳寿命,因此在展品设计时,尽量选择耐久性强的部件可有效增加耐久性。可维修性是当产品发生故障后,能够很快且容易地通过维护或维修排除故障。像手机、电脑、自行车等发生故障时,维修人员能很快发现故障,及时维修,这是因为它们的备品备件基本为标准件,互换性较强。而力学展品从设计之初,就包含了大量的非标件,只有技术人员加强日常的维护和保养,才能降低故障率,提前备好非标配件,才能及时维修。设计可靠性是决定展品质量的关键,只有设计可靠性高了才能增加展品的耐久性与可维修性。所以,在展品设计时,要充分考虑展品的易操作性和易使用性。可以说展品设计的越容易操作,发生因体验者操作失误造成故障的可能性就越小,展品的可靠性越高。

2.3 展品整体的安全性设计

力与机械的展品展项由于各种电气系统、机械传动机构、液压机构的存在,有较大的安全隐患。例如展品“机械墙”各类传动装置就完全裸露在外;展品“椎体上滚”一旦操作失误“椎体”掉落就会砸伤参观者。因此,力学展品整体的安全性设计尤为重要。

一是展品的自我保护设计。展品连续的高强度运转,内部元器件到达使用寿命,或者是参观者的暴力操作都会让展品运行异常,轻则影响参观体验,重则造成人身伤害。因此,展品的自我保护设计十分重要。例如,展品线路的过载保护、间隔运行保护、限压限流保护、高温保护等。

二是展品的标准化、通用化设计。在现代的工业生产中常采用专业化的协作生产,即用分散制造、集中装配的办法来提高生产率,保证产品质量和降低成本。展品的设计同样遵循这个道理。力学展品零部件通用性、互换性原则对提高展品的安全性具有重要意义。结合展品的传动需求、负载情况、运行环境等因素大量选用标准零部件,不仅使展品的运行效果、安全性、使用寿命有保障,更是为日后的快捷维修维护提供便利。

2.4 展品的故事性、互动性设计

展品作为科技馆主要的科普手段之一,承担着大部分的科普教育职能。经潍坊市科技馆运行实践发现,展品设计突出故事性、互动性更能拉近与参观体验者的距离。一是因为展品互动性增强后更能激发参观公众的体验热情与参观兴趣,在动手操作的过程中了解展品展示的科学现象,启迪思考展品背后的科学原理。二是故事性强的展品能体现出科学家们攀登科学高峰坚忍不拔的精神,让社会公众了解到科学的成就是由易到难、由简到繁一点一滴累积起来的,特别是当与课堂所学的知识联系到一起时,更能激发参观者的学习兴趣与探索精神。

3 潍坊市科技馆力学展品实例

3.1 有“故事”的力学展品

很多展品的创意都是源于科学技术发展史的重大事件和重要发明,通过互动性的设计将故事背景和科学原理融入其中。

(1)展品“加速度测试”。意大利物理学家伽利略在比萨斜塔做了自由落体实验,使得古希腊哲学家亚里士多德重的物体下落速度比轻的物体下落速度快,落体速度与重量成正比观点被推翻。展品加速度测试(图1)让观众重新体验伽利略落体实验,亲身感受科学家严谨的探究精神。参观公众通过记录数据,分析数据,相互交流,得出结论,加深认知。

图1 展品加速度测试图 图2 气浮平台图 图3 马德堡半球图

(2)展品“气浮平台”。在牛顿的论文《自然定律》里,描述了万有引力和三大运动定律。其中“作用与反作用定律”就是经典的牛顿第三定律的内容。展品气浮平台(图2)通过按动电钮,风机开始工作,利用大气压原理,使滑块在平台上减小摩擦力,通过观察相互碰撞来体现作用力与反作用力的原理。

(3)展品“马德堡半球”。马德堡市长奥托·冯·格里克在罗马的雷根斯堡进行了一项科学实验,他将两个半球内的空气抽掉,使球内的空气量减少,球外的大气便把两个半球紧压在一起,需再用十六匹马才能拉开。这个实验很好地证明了大气压的存在。展品马德堡半球(图3)就是对这一实验的还原,将两个半球合在一起,使他们密封良好,使用真空泵抽出球内的空气,使球内的压强减小,这时半球在大气压的作用下就很难被拉开了。当我们打开进气阀门时,外界的空气进入球内部,使球内部气压和外界的气压相等,然后我们再去拉这两个半球就可以很容易地将他们分开了。观众通过“减压”“加压”的操作来切身的体会大气压的存在。

3.2 有“互动”的力学展品

我们常说“透过现象看本质”,以下的力学展品就是在操作体验后去引发思考。

(1)展品“多轨竞速”。四个相同质量、相同体积、相同材料的小球,沿着四种形状不同的轨道同时下滑,旋轮线上的小球总是最先到达地面,这条旋轮线也叫最速降线。当一个圆盘在地面上沿直线做纯滚动时,其轮缘上任意一点的轨迹均为旋轮线,也称摆线。仅有重力作用时,质点沿旋轮线下降时的速度最快。展品多轨竞速(图4)设计四种不同弧度的轨道,用同等大小及质量的球体下滚。让观众了解球体在不同轨道上不同的滚动速度,从而找出最快下降的弧线以达到了解最速降线原理的目的。

图4 多轨竞速图 图5 自己拉自己图 图6 机械墙图

(2)展品“自己拉自己”。我们在初中物理课上曾经学过,定滑轮可以改变力的方向却不能省力,动滑轮不能改变力的方向,却可以省力。滑轮组这种由多个定滑轮和动滑轮组成的简单机械就可以达到改变力的方向且省力的作用。展品自己拉自己(图5)就展示了滑轮组合的原理,在支架顶部固定5个定滑轮,在椅子上固定4个滑轮为动滑轮,用绳子连接滑轮组。观众坐在椅子上,自身的重量由几股通过动滑轮的绳索来承担,这时体验者坐在椅子上不必再费很大的力气,就可以实现自己拉自己的效果。

3.3 很“直观”的力学展品

展品“机械墙”。齿轮传动可以说是应用最广泛的一种机械传动,转速、转矩、运动方向和运行形式的改变都可以依靠齿轮传动来实现。它的优点是传动比精准、传动效率高、功率范围大。我们日常生活中的电风扇、机械表、汽车的变速机构、自行车的链条传动等都是齿轮传动的应用。展品“机械墙”(图6)就非常直观、清晰地展示了几种常见的齿轮传动。此展品包括了星形发动机、抽油机、星形轮、万向节、槽轮、缸体活塞等机械结构。采用骨架式金属与机械化齿轮设计,在外观使用齿轮概念外,内结构也彻底利用齿轮原理转动,整体的呈现非常协调且具有科技感。另外,展台底部有一排传感器,当有观众不小心进入展区内时,传感器会发出信号让展品立刻停止运行,以免误伤观众,体现了展品设计的安全性。

结语

科学家培根曾经说过:“好奇心是孩子智慧的嫩芽。”一个好的科普氛围才能够激发起青少年的好奇心,强烈的好奇心会增强青少年的求知欲,从而激发他们的想象力和创造性思维,获得更好的教育效果。科技馆作为科技教育的前沿阵地,承担着科普展品展览、开展科教活动的重要职能。更具科学性、趣味性、互动性的展品设计才会让来科技馆参观的社会公众了解展品背后的科学知识、科学故事,感受科学的魅力,在体验中激发科学兴趣,在探索中树立科学精神,在思考中启迪科学智慧。