基础科学类展品的研发规律总结报告
孙晓军 韩永志 付从茂
[摘 要]首先分析基础科学类展品研发现状、难点，并根据“基础科学原理解读与探究系列展品展示关键技术研发”课题研究过程提炼基础科学类展品的特性及研发规律，提出对策建议，以期为科技馆基础科学类展品研发起到参考和借鉴作用，推动我国基础科学类展品展示水平的提升。
[关键词]]科技馆 基础科学类展品 展品研发规律
科技馆是以展览教育为主要功能的公益性科普教育機构，是实施科教兴国战略和人才强国战略、提高全民科学素养的重要阵地[1]。展品作为科技馆开展科学教育最直观、最直接的核心载体，其内容和形式直接关系对观众良好的科学教育及启发。
基础科学是一切科学技术的理论基础，推动着科技的变革。国家对基础科学普及传播高度重视，对基础科学类展品创新研发给予支撑，设置国家科技支撑专项课题“基础科学原理解读与探究系列展品展示关键技术研发”，创新、研发一批公众喜爱的基础科学创新展品，且通过创新研发的实践过程提炼基础科学类展品的特性及研发规律，以期今后为基础科学类展品展示研发设计提出建议。
一、基础科学类展品
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》提出了建设创新型国家的总体目标。强大的基础科学研究是提高我国原始创新能力、积累智力资本的重要途径，是建设世界科技强国的必要条件，是建设创新型国家的根本动力和源泉。提高公众基础科学类科学素养，促进全民基础科学水平提升，将长期是科普工作的重要方向。
基础科学类展品作为提升全民基础科学水平的重要科普手段，已成为科技馆标配展示内容，通过新奇的现象、主动探究式互动体验和还原科技发现过程及科学家故事等，展示内容及形式，对基础科学进行普及，增进公众对基础科学内容的认识，激发其探索自然的兴趣。基础科学类展品不同于科普教具或科教片，它主要以机械、机电互动展示形式为主，更强调自主探究的过程、科学启迪的作用，强调实体展示、直观表达现象，允许大量观众互动操作，具有趣味、互动体验的特点。
科技馆基础科学类部分展品对中小学物理、化学、生物、地理等学科进行大量体现，作为中小学生课本教育的补充，直观展示科学现象，有助于公众特别是青少年对基础知识进一步学习、巩固及理解，培养其学习热情及主动探究的能力。
二、我国科技馆基础科学类展品研发现状及其难点
（一）我国科技馆基础科学类展品展示与研发现状
近年来，我国科技馆行业迅速发展，目前全国已有达标科技馆百余座。《科技馆体系下科技馆场馆建设研究》指出，我国科技馆中小型科技馆和地市级科技馆均占据全国科技馆的“半壁江山”[2]。据调研，基础科学类展品作为科技馆建设中的标配展示，在科技馆展品中占据较大比例，其中在大部分中小型科技馆的展示比例超过1/3，表1为部分科技馆基础科学类展品比例。
我国科技馆发展起步较晚，易于转化为基础科学类展品的展示内容及展示形式在国外科普中应用已非常成熟，而国内的基础科学类展品多以模仿为主。“锥体上滚”“双曲线槽”“万有引力”等多件经典展品更是出现于各个科技馆中，基础科学类展品的“多馆同展”现象尤为普遍。行业内提到的“创新展品”也多为对国外科技馆同类展品的首次仿制或外观和表现形式上的局部改进，缺乏自主创新，自身开发的创新展品受观众喜爱程度一般。因此，如何开发出更多符合科技馆科学性、趣味性特点，生动、活泼的互动性基础科学类科普展品，使公众对基础科学有更加直观、形象的理解，激发起公众对科学的浓厚兴趣，从而自发地爱科学、学科学，促进我国公民基础科学素质的提升，成为目前我国科技馆展品设计研发工作亟待解决的主要问题和重要任务。
（二）基础科学类展品研发难点
1.展示内容创新难。科学知识的海洋无边无际，科技馆也未能解读其冰山一角。虽未在科技馆展示的科学内容斗量车载，但易于转化为展品的基础科学内容已经被深入挖掘，被很多科技馆列为常规展品[3]。如何选取适于科技馆、易于运用科技馆擅长的展示形式进行直观展现的基础科学展示内容，使展品科学性、互动性极好的结合，是基础科学类展品内容创新的主要难点。
2.展示形式创新难。展品的展示形式对展品起着至关重要的作用，恰当的展示形式可以充分展现展品的科普效应。对已有的展项要努力设想更好的表现形式[4]，通过受众喜闻乐见、生动活泼的展示方式，把抽象、枯燥的科学理论知识进行表现，是基础科学类展品不断完善、优化的难点。
3.研发力量薄弱。基础科学类创新展品的研发，需要多学科人才共同参与，对研发人员的数量和质量有着较高的要求。虽然国家对科技馆建设给予了强大的支持，我国科技馆建设也在高速发展，但科普场馆内专业的研发人才及高素质、高学历人才比例偏低，且分布严重不足，制约了其创新能力的发展。
三、课题研发成果
经前期文献调研分析，课题组选取光学、数学、机电、力学、生命五个科技馆基础科学类展品研发设计重要领域展开研究，设计、研制6件受公众喜爱的创新展品，探索研究基础科学类展品的研发规律。
（一）展品研发流程
6件创新展品完全自主研发，展品研发主要流程是展示内容确定、展品方案确定、技术设计及制作。
根据创意确定展示内容，设计适宜的展示形式，完成展品设计方案，进行展品技术设计及制作。研发过程的每个环节均由相应专家把关，确保展品研发的可实施性，有效降低创新失败概率。展品制作完成后，经过多次反复测试，查找问题，不断改进完善，保证创新展品良好的展示效果。
（二）研发成果
1.光学全息互动体验展示技术研发。主要研究如何将专业光学全息技术转化为互动式科普展品，以互动的方式展示光学全息的知识，包括“全息摄影”展品。
展品“全息摄影”突破了以往只能在实验室中进行全息摄影的局限，研发出可在科普场馆展厅环境中进行全息摄影的新型展示技术，实现了全息摄影在科普场馆内全过程、可视化、快速化的展示。
2.几何特性互动展示技术研发。主要研究如何通过生动、形象的互动展示方式，将椭圆、双曲线、抛物线三种圆锥曲线的光学特性，以及双曲面中线与面的关系等抽象的数学知识直观地展现给观众，使观众在了解数学知识的同时，感受数学的趣味和魅力。该研究方向包括“圆锥曲线的光学性质”和“动态立体双曲面”两件展品。
展品“圆锥曲线的光学性质”通过对三种圆锥曲线模型的巧妙设计，使參与者运用小球发射装置等方式，观察三种曲线模型所形成的奇妙效果，从而直观地理解圆锥曲线的光学特性。
展品“动态立体双曲面”通过控制系统，使LED点阵扫描速率与旋转速率巧妙配合，利用人眼的视觉暂留特性，使高速旋转的LED点阵序列在空中呈现出多种不同的双曲面的造型。
3.传动机构集成互动展示技术研发。主要研究如何将机械、流体（水流、气动等）、电磁等多种传动方式巧妙地集成在一起，形成精彩的互动展示方式，包括“有趣的传递”展品。
展品“有趣的传递”，通过探究按顺序传递小球的展示，把最速降线、传动比、合作抓球等展品集成转化为传动探究环节，并巧妙结合机械、电磁等形式各异且结构有趣的传动机构，赋予小球传递类展品新的形式及内容。
4.载人气浮平台互动展示技术研发。主要研究如何利用气浮平台使观众通过亲身体验，更加真切地体会和理解牛顿第三运动定律，包括“随风而动”展品。
展品“随风而动”创新原有第三体验视角的传统展示形式，采用载人气浮平台为新型展示手段，使参与者以第一视角亲身体验，更加真切的体会和理解作用力与反作用力的特性。
5.竞赛式科普游戏互动展示技术研发。主要是研究可供多人同时参与的新型交互体验式科普展示技术，本研究方向将开发“健康竞赛”展品。
展品“健康竞赛”通过采用多功能互动座椅与竞赛游戏相结合的全新展示形式，增强了展品的互动性及趣味性，提升了观众的参与热情。展品具有一定的通用性，可作为基础平台以竞赛的方式展示更多领域的科普知识。
四、研发规律与建议
以展品科学性、趣味性、互动性及安全性作为设计前提进行6件创新展品研发，在研发的实践探索中提炼基础科学类展品的特性及研发规律。
（一）创新展示范围，重视基于基础科学原理的高新技术的解读及其应用的展示
展示内容不仅是对科学原理的解读，还应关注以基础科学技术为基础的科研成果及高新技术应用。展品“全息摄影”将基础科学高新技术的科研成果转化为科普展品，通过关注科研院校或企业的研究成果，捕捉易于转化为科技馆展品的基础科学类的最新科研成果，将其研究成果新型光致聚合物感光材料技术引入到展品中，降低了全息记录对环境的要求，成为全息技术在科普场馆展示基础。
（二）增大挖掘深度，对基础科学某一学科深入研究，加强对科学思想、方法的体现
通过对某一学科的深入学习，对其发展史和重要的科学概念等进行深入学习思考，挖掘展示点。以展品“圆锥曲线的光学特性”中双曲线的光学特性展示部分为例，通过对双曲线的光学性质的概念进行深入研究论证，并借鉴同类展品“椭圆焦点”展示形式，通过圆片运动轨迹的直观展示形式进行呈现。
（三）集成展示，展示内容相辅相成，提高展品的整体展教功能
在展品设计研发中，归纳具有相关特点、相似规律或相同类别的展示内容，并以某一集成规律进行组合和构造，以合理且更有趣的形式展示，形成集成创新展品。展品“圆锥曲线的光学特性”将椭圆、双曲线、抛物线的光学性质组合集成对比展示，使观众通过对比和多次互动的方式，认识三者之间的差别与联系，加深对科学内容的理解和认识。
（四）创新更优展示形式，引导观众主动探究
对已有的展项要努力设想更好的表现形式[4]，基于对原有相关展品的深入分析，对症下药，对其缺点和不足提出改进方案，创新更优的展示形式，使展品展示更直观，体验更具有吸引力，有利于引导观众的主动探究。展品“动态立体双曲面”“随风而动”“健康竞赛”，均突破传统展示形式，针对原有展示中枯燥、互动性弱等问题，创新展示形式，使展品更易于吸引观众参与体验，于体验中主动思考、探究。
（五）采用自上而下的设计流程，保证展品展教目标精准
展品设计中应采用自上而下的设计流程，根据明确的主题思想和教育目标规划展示内容。展品“有趣的传递”采用自上而下的方式设计，确定展品主题与教育目标为：展示不同传动方式的原理、特点，引导观众在亲身体验中观察传动现象，探究其中蕴含原理；围绕主题与教育目标，选择要展示的机构，确保所有展示的机构都有明确的教育目标。
（六）创新展示理念，合理引入探究式学习方法
科技馆虽然强调观众自主操作，主动探索，但现阶段展品设计还不能完全引入探究式方法。因此，展品设计之初应具有探究式学习理念，引导观众主动探究答案。6件展品均以探究式学习方法为设计理念，使展品成为探究学习中的教师，引导观众主动思考、尝试、探索。
五、结束语
本文针对基础科学类展品研发现状、难点进行调研分析，并根据课题研究过程，提炼总结基础科学类展品研发规律，提出对策建议，以期能为科技馆基础科学类展品研发起到参考和借鉴作用，促进我国基础科学类展品展示水平的提升，为科技馆展品研发的可持续发展提供有力保障。
参考文献
[1]唐罡.科技馆展品开发标准研究与思考[J].中国标准化，2016（2）：71-74.
[2]蔡文东，齐欣，朱幼文.科技馆体系下科技馆场馆建设研究[C].中国现代科技馆体系研究，2014.
[3]孙晓军.浅析科技馆基础科学展品的创新研发及教育活动设计——以展品“随风而动”为例[J].学会，2018（1）：62-64.
[4]黄体茂.关于科技馆展项创新的若干认识问题[J].科协论坛，2011（1）：33-37.
[摘 要]首先分析基础科学类展品研发现状、难点，并根据“基础科学原理解读与探究系列展品展示关键技术研发”课题研究过程提炼基础科学类展品的特性及研发规律，提出对策建议，以期为科技馆基础科学类展品研发起到参考和借鉴作用，推动我国基础科学类展品展示水平的提升。
[关键词]]科技馆 基础科学类展品 展品研发规律
科技馆是以展览教育为主要功能的公益性科普教育機构，是实施科教兴国战略和人才强国战略、提高全民科学素养的重要阵地[1]。展品作为科技馆开展科学教育最直观、最直接的核心载体，其内容和形式直接关系对观众良好的科学教育及启发。
基础科学是一切科学技术的理论基础，推动着科技的变革。国家对基础科学普及传播高度重视，对基础科学类展品创新研发给予支撑，设置国家科技支撑专项课题“基础科学原理解读与探究系列展品展示关键技术研发”，创新、研发一批公众喜爱的基础科学创新展品，且通过创新研发的实践过程提炼基础科学类展品的特性及研发规律，以期今后为基础科学类展品展示研发设计提出建议。
一、基础科学类展品
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》提出了建设创新型国家的总体目标。强大的基础科学研究是提高我国原始创新能力、积累智力资本的重要途径，是建设世界科技强国的必要条件，是建设创新型国家的根本动力和源泉。提高公众基础科学类科学素养，促进全民基础科学水平提升，将长期是科普工作的重要方向。
基础科学类展品作为提升全民基础科学水平的重要科普手段，已成为科技馆标配展示内容，通过新奇的现象、主动探究式互动体验和还原科技发现过程及科学家故事等，展示内容及形式，对基础科学进行普及，增进公众对基础科学内容的认识，激发其探索自然的兴趣。基础科学类展品不同于科普教具或科教片，它主要以机械、机电互动展示形式为主，更强调自主探究的过程、科学启迪的作用，强调实体展示、直观表达现象，允许大量观众互动操作，具有趣味、互动体验的特点。
科技馆基础科学类部分展品对中小学物理、化学、生物、地理等学科进行大量体现，作为中小学生课本教育的补充，直观展示科学现象，有助于公众特别是青少年对基础知识进一步学习、巩固及理解，培养其学习热情及主动探究的能力。
二、我国科技馆基础科学类展品研发现状及其难点
（一）我国科技馆基础科学类展品展示与研发现状
近年来，我国科技馆行业迅速发展，目前全国已有达标科技馆百余座。《科技馆体系下科技馆场馆建设研究》指出，我国科技馆中小型科技馆和地市级科技馆均占据全国科技馆的“半壁江山”[2]。据调研，基础科学类展品作为科技馆建设中的标配展示，在科技馆展品中占据较大比例，其中在大部分中小型科技馆的展示比例超过1/3，表1为部分科技馆基础科学类展品比例。
我国科技馆发展起步较晚，易于转化为基础科学类展品的展示内容及展示形式在国外科普中应用已非常成熟，而国内的基础科学类展品多以模仿为主。“锥体上滚”“双曲线槽”“万有引力”等多件经典展品更是出现于各个科技馆中，基础科学类展品的“多馆同展”现象尤为普遍。行业内提到的“创新展品”也多为对国外科技馆同类展品的首次仿制或外观和表现形式上的局部改进，缺乏自主创新，自身开发的创新展品受观众喜爱程度一般。因此，如何开发出更多符合科技馆科学性、趣味性特点，生动、活泼的互动性基础科学类科普展品，使公众对基础科学有更加直观、形象的理解，激发起公众对科学的浓厚兴趣，从而自发地爱科学、学科学，促进我国公民基础科学素质的提升，成为目前我国科技馆展品设计研发工作亟待解决的主要问题和重要任务。
（二）基础科学类展品研发难点
1.展示内容创新难。科学知识的海洋无边无际，科技馆也未能解读其冰山一角。虽未在科技馆展示的科学内容斗量车载，但易于转化为展品的基础科学内容已经被深入挖掘，被很多科技馆列为常规展品[3]。如何选取适于科技馆、易于运用科技馆擅长的展示形式进行直观展现的基础科学展示内容，使展品科学性、互动性极好的结合，是基础科学类展品内容创新的主要难点。
2.展示形式创新难。展品的展示形式对展品起着至关重要的作用，恰当的展示形式可以充分展现展品的科普效应。对已有的展项要努力设想更好的表现形式[4]，通过受众喜闻乐见、生动活泼的展示方式，把抽象、枯燥的科学理论知识进行表现，是基础科学类展品不断完善、优化的难点。
3.研发力量薄弱。基础科学类创新展品的研发，需要多学科人才共同参与，对研发人员的数量和质量有着较高的要求。虽然国家对科技馆建设给予了强大的支持，我国科技馆建设也在高速发展，但科普场馆内专业的研发人才及高素质、高学历人才比例偏低，且分布严重不足，制约了其创新能力的发展。
三、课题研发成果
经前期文献调研分析，课题组选取光学、数学、机电、力学、生命五个科技馆基础科学类展品研发设计重要领域展开研究，设计、研制6件受公众喜爱的创新展品，探索研究基础科学类展品的研发规律。
（一）展品研发流程
6件创新展品完全自主研发，展品研发主要流程是展示内容确定、展品方案确定、技术设计及制作。
根据创意确定展示内容，设计适宜的展示形式，完成展品设计方案，进行展品技术设计及制作。研发过程的每个环节均由相应专家把关，确保展品研发的可实施性，有效降低创新失败概率。展品制作完成后，经过多次反复测试，查找问题，不断改进完善，保证创新展品良好的展示效果。
（二）研发成果
1.光学全息互动体验展示技术研发。主要研究如何将专业光学全息技术转化为互动式科普展品，以互动的方式展示光学全息的知识，包括“全息摄影”展品。
展品“全息摄影”突破了以往只能在实验室中进行全息摄影的局限，研发出可在科普场馆展厅环境中进行全息摄影的新型展示技术，实现了全息摄影在科普场馆内全过程、可视化、快速化的展示。
2.几何特性互动展示技术研发。主要研究如何通过生动、形象的互动展示方式，将椭圆、双曲线、抛物线三种圆锥曲线的光学特性，以及双曲面中线与面的关系等抽象的数学知识直观地展现给观众，使观众在了解数学知识的同时，感受数学的趣味和魅力。该研究方向包括“圆锥曲线的光学性质”和“动态立体双曲面”两件展品。
展品“圆锥曲线的光学性质”通过对三种圆锥曲线模型的巧妙设计，使參与者运用小球发射装置等方式，观察三种曲线模型所形成的奇妙效果，从而直观地理解圆锥曲线的光学特性。
展品“动态立体双曲面”通过控制系统，使LED点阵扫描速率与旋转速率巧妙配合，利用人眼的视觉暂留特性，使高速旋转的LED点阵序列在空中呈现出多种不同的双曲面的造型。
3.传动机构集成互动展示技术研发。主要研究如何将机械、流体（水流、气动等）、电磁等多种传动方式巧妙地集成在一起，形成精彩的互动展示方式，包括“有趣的传递”展品。
展品“有趣的传递”，通过探究按顺序传递小球的展示，把最速降线、传动比、合作抓球等展品集成转化为传动探究环节，并巧妙结合机械、电磁等形式各异且结构有趣的传动机构，赋予小球传递类展品新的形式及内容。
4.载人气浮平台互动展示技术研发。主要研究如何利用气浮平台使观众通过亲身体验，更加真切地体会和理解牛顿第三运动定律，包括“随风而动”展品。
展品“随风而动”创新原有第三体验视角的传统展示形式，采用载人气浮平台为新型展示手段，使参与者以第一视角亲身体验，更加真切的体会和理解作用力与反作用力的特性。
5.竞赛式科普游戏互动展示技术研发。主要是研究可供多人同时参与的新型交互体验式科普展示技术，本研究方向将开发“健康竞赛”展品。
展品“健康竞赛”通过采用多功能互动座椅与竞赛游戏相结合的全新展示形式，增强了展品的互动性及趣味性，提升了观众的参与热情。展品具有一定的通用性，可作为基础平台以竞赛的方式展示更多领域的科普知识。
四、研发规律与建议
以展品科学性、趣味性、互动性及安全性作为设计前提进行6件创新展品研发，在研发的实践探索中提炼基础科学类展品的特性及研发规律。
（一）创新展示范围，重视基于基础科学原理的高新技术的解读及其应用的展示
展示内容不仅是对科学原理的解读，还应关注以基础科学技术为基础的科研成果及高新技术应用。展品“全息摄影”将基础科学高新技术的科研成果转化为科普展品，通过关注科研院校或企业的研究成果，捕捉易于转化为科技馆展品的基础科学类的最新科研成果，将其研究成果新型光致聚合物感光材料技术引入到展品中，降低了全息记录对环境的要求，成为全息技术在科普场馆展示基础。
（二）增大挖掘深度，对基础科学某一学科深入研究，加强对科学思想、方法的体现
通过对某一学科的深入学习，对其发展史和重要的科学概念等进行深入学习思考，挖掘展示点。以展品“圆锥曲线的光学特性”中双曲线的光学特性展示部分为例，通过对双曲线的光学性质的概念进行深入研究论证，并借鉴同类展品“椭圆焦点”展示形式，通过圆片运动轨迹的直观展示形式进行呈现。
（三）集成展示，展示内容相辅相成，提高展品的整体展教功能
在展品设计研发中，归纳具有相关特点、相似规律或相同类别的展示内容，并以某一集成规律进行组合和构造，以合理且更有趣的形式展示，形成集成创新展品。展品“圆锥曲线的光学特性”将椭圆、双曲线、抛物线的光学性质组合集成对比展示，使观众通过对比和多次互动的方式，认识三者之间的差别与联系，加深对科学内容的理解和认识。
（四）创新更优展示形式，引导观众主动探究
对已有的展项要努力设想更好的表现形式[4]，基于对原有相关展品的深入分析，对症下药，对其缺点和不足提出改进方案，创新更优的展示形式，使展品展示更直观，体验更具有吸引力，有利于引导观众的主动探究。展品“动态立体双曲面”“随风而动”“健康竞赛”，均突破传统展示形式，针对原有展示中枯燥、互动性弱等问题，创新展示形式，使展品更易于吸引观众参与体验，于体验中主动思考、探究。
（五）采用自上而下的设计流程，保证展品展教目标精准
展品设计中应采用自上而下的设计流程，根据明确的主题思想和教育目标规划展示内容。展品“有趣的传递”采用自上而下的方式设计，确定展品主题与教育目标为：展示不同传动方式的原理、特点，引导观众在亲身体验中观察传动现象，探究其中蕴含原理；围绕主题与教育目标，选择要展示的机构，确保所有展示的机构都有明确的教育目标。
（六）创新展示理念，合理引入探究式学习方法
科技馆虽然强调观众自主操作，主动探索，但现阶段展品设计还不能完全引入探究式方法。因此，展品设计之初应具有探究式学习理念，引导观众主动探究答案。6件展品均以探究式学习方法为设计理念，使展品成为探究学习中的教师，引导观众主动思考、尝试、探索。
五、结束语
本文针对基础科学类展品研发现状、难点进行调研分析，并根据课题研究过程，提炼总结基础科学类展品研发规律，提出对策建议，以期能为科技馆基础科学类展品研发起到参考和借鉴作用，促进我国基础科学类展品展示水平的提升，为科技馆展品研发的可持续发展提供有力保障。
参考文献
[1]唐罡.科技馆展品开发标准研究与思考[J].中国标准化，2016（2）：71-74.
[2]蔡文东，齐欣，朱幼文.科技馆体系下科技馆场馆建设研究[C].中国现代科技馆体系研究，2014.
[3]孙晓军.浅析科技馆基础科学展品的创新研发及教育活动设计——以展品“随风而动”为例[J].学会，2018（1）：62-64.
[4]黄体茂.关于科技馆展项创新的若干认识问题[J].科协论坛，2011（1）：33-37.
