【科普創(chuàng)作評論】科普模型設計與制作的三個要點

隨著科技的不斷進步，科普創(chuàng)作與科學傳播的形式與手段也日趨多元化，科普模型便是其中之一?？破漳Ｐ?，簡而言之就是運用工藝與藝術的手法制作的，旨在向公眾演示科學原理、科學技術的科學藝術品。科普模型一般運用在科普場館、展覽會，面對的是廣大觀眾，是進行科學技術普及的一種重要手段。我國的科普模型起步于20世紀80年代末，興起于20世紀90年代。從1978年全國科學大會帶來“科學的春天”到1995年“科教興國”戰(zhàn)略實施，這期間全社會掀起崇尚科學、普及科學的熱潮。一時間，全國各地爭相舉辦各種科學技術交流會和科技展覽會，一些科研院所應邀參加，不少國家重點科研項目與成果首次被介紹到觀眾面前，引起了公眾的高度關注。但是受制于當時的傳播手段，展會上面對觀眾的只有展板和宣傳單，大大制約了科普效果。受房地產售樓模型的啟發(fā)，一些初創(chuàng)者便嘗試著自己動手設計制作科普模型，筆者便是其中一員。最初制作的模型都是靜態(tài)的，且只追求形似，這遠遠滿足不了科普模型的要求。隨著對外交流的增加、眼界的開闊及經驗的積累，設計者們又開始嘗試讓模型“動”起來。這些年，通過設計者們的不斷努力，以及新技術的不斷應用，我國目前的科普模型得到了長足的發(fā)展。

如何才能設計制作好科普模型？結合多年制作科普模型的經歷，筆者認為，首先，科普模型的設計制作者應具有科學精神，肩負科學傳播的使命感；同時，在科普模型的設計制作中，還要堅守科學性、藝術性和趣味性。

一、恪守科學性

劉嘉麒院士指出：“科學性是科普作品的內涵，是科普的靈魂。如果科學性出了問題，即使表現(xiàn)手法再好、藝術性再高、趣味性再強，這樣的作品也是不合格的，甚至具有欺騙性?！盵1]科普模型是對科學原理及成果的再現(xiàn)，這就要求在模型的設計制作中，要恪守科學的真實性，做到如實地反映科學流程，只有真實地展示，才能讓傳播更為準確，最終將抽象的科學原理與前沿成果用簡單易懂的形式傳達給廣大觀眾。

（一）追求真實，準確再現(xiàn)

科學研究是認真探索的科學過程，來不得半點虛假，科普模型也同樣要真實再現(xiàn)所要展示的科學內容。科普模型的設計制作者應對真實性、科學性給予深刻認識與高度重視，并確保將其貫徹于模型設計制作的始終。這需要模型的設計制作者在實施之初與科研人員進行交流，對所要展示的科學裝置與科學成果展開詳細調研，細致了解所展現(xiàn)的科學內容的原理、流程、方法及意義。特別是要對關鍵部位開展深入細致的研究，反復揣摩與推敲。模型設計制作的過程同時也是學習的過程，只有將所要展示科學項目的科學原理弄懂吃透，才能在模型的實際制作中做到準確把握、真實展現(xiàn)。

2006年中國國際高新技術成果交易會上展出的“北京正負電子對撞機模型”（見圖1）是依據中國科學院1988年建成的北京正負電子對撞機（BEPC）設計制作的。這一國家重大科學實驗裝置是一個使正負電子產生對撞的設備，是通過電子打靶、加速、碰撞、記錄等一系列科學實驗來實現(xiàn)的，所得出的實驗數(shù)據供科學家研究分析，以期尋找到新的粒子，是一個處于世界先進水平的、研究物質微觀結構的科學裝置，是中華人民共和國成立以來繼原子彈、氫彈之后的科技大工程之一。該實驗裝置直線長202m，環(huán)線周長400m，由成千上萬的零部件組成。在模型設計制作過程中，一方面要把這么龐大的科研裝置按比例縮小1/100，放在長不過6m、寬不超過1.5m的展示臺上；另一方面又要做到模型與科研設備從外形到主要部件形象逼真、演示步驟與原科研設備的科研實驗步驟相一致，并表現(xiàn)出大科學裝置的宏大和精密，絕非易事。為此，模型的設計制作采用了現(xiàn)代化技術，如數(shù)字加工、精細雕刻、計算機程控及3D打印等，力爭最大限度確保模型的真實與準確。制作關鍵部位時，還要在工藝與材料的加工和使用上進行革新，如利用光纖、發(fā)光二極管演示電子運行軌跡。為了準確再現(xiàn)科研過程步驟，運用微控制系統(tǒng)對演示電子運行流程進行控制，對電子注入、打靶、運行、碰撞及同步光的相互關系時間進行精準把握，力爭與實際運行相符，做到逼真。制作中還將正負電子、碰撞、同步光等用不同顏色的光加以區(qū)別，便于公眾理解。

圖 1 北京正負電子對撞機模型

在追求模型真實性方面，除了利用模型本體對科學裝置進行模擬再現(xiàn)外，還有多種創(chuàng)意方法?！把虬司畤H宇宙線觀測站”位于西藏羊八井雪域高原，那里獨特的氣候條件使其成為世界上為數(shù)不多的研究和捕捉來自宇宙高能粒子的實驗站之一。為了更好地體現(xiàn)真實性，“中歐科技年”展會上不僅展示了“羊八井宇宙線觀測站模型”，還運用網絡及遠程控制技術，實時將遠在幾千公里之外“羊八井宇宙線觀測站”的實驗現(xiàn)場與數(shù)據引入到展會模型的顯示屏上，實現(xiàn)觀測站現(xiàn)場的科研人員與相隔幾千公里展臺前的觀眾進行交流互動，讓觀眾真切感受到科研的氛圍，實現(xiàn)科技與觀眾的“零”距離接觸。

圖 2 工業(yè)電子輻照加速器模型

（二）大膽取舍，突出重點

位于科學前沿的大科學裝置由眾多子單元和成千上萬的零部件組成，構造極其復雜精密，給模型設計制作帶來不小的難度。模型既要保證與原科學裝置形似，準確展現(xiàn)科學流程，又要確保突出科研重點設備與部件。為了揚長避短，需要針對性地對所展現(xiàn)的內容進行大膽取舍，弱化或去除影響主體核心表達的部分。這不僅需要與科研人員進行溝通，多聽取他們的意見和建議，還要對具體內容的工藝實施有自己的理解，這樣才能使模型對原裝置的表達盡可能完美。

“工業(yè)電子輻照加速器模型”（見圖2）的設計制作就體現(xiàn)了取舍的重要性。這臺儀器是利用放射源作為探測手段，對封閉的車廂、貨柜、貨倉中的檢測物進行無損探測甄別的先進探測設備，較之以往的X射線探測儀在效能上有很大的提高，屬于核技術范疇，是現(xiàn)代探測的先進手段。相關技術的應用十分廣泛，在工業(yè)生產探傷，以及海關、機場、碼頭、物流等場所對走私物與違禁品的探測發(fā)揮著重要作用。根據這個項目的特點，在模型設計制作時對它的探測器系統(tǒng)進行強化處理，放大探測系統(tǒng)單元，使核心部位的作用得到突顯。用色彩裝飾與LED閃爍光使主探測器成為展示焦點，同時運用電磁技術將模型的輸送系統(tǒng)巧妙地遮蔽在模型臺面之下，使模型生動地展現(xiàn)出輸送、探測、甄別、報警、分揀、移出等工藝流程。一方面，將機柜、貨倉等設施進行弱化或部分剖視處理，弱化或舍去相對不重要的部分，用以突出主題；另一方面，對探測部件做了突出與剖視處理，使得觀眾能夠看見原本封閉的探測過程，并且與之互動，達到良好的科普展示效果。2007年中國國際工業(yè)博覽會期間，這個模型前總是圍著許多觀眾，他們對輸送線上自動飄移的代表檢測物的小木塊十分好奇，把這些被制作者“動過手腳”的小木塊拿在手上反復琢磨，似要探究出其“動”的奧秘，成為展會上有趣的一景。

二、凸顯藝術性

科普模型屬于藝術的范疇，卻又不同于其他藝術形式。它既要有科學的真實性，又有審美的藝術性，是二者的統(tǒng)一。比利時科學史教授喬治·薩頓（George Sarton）認為：“理解科學需要藝術，而理解藝術同樣也需要科學?？茖W與藝術相輔相成。”[2]著名物理學家李政道也曾說：“科學和藝術是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面?！?/p>

科普模型正是科學與藝術相融合的結晶。一方面，它是將復雜科學儀器與成果的原理通過優(yōu)化、提煉，以藝術加工制作的科普演示系統(tǒng)，目標是使觀眾能夠理解所展現(xiàn)的科學內容，從而傳播科學知識；另一方面，科普模型的設計制作過程也是通過工藝來實現(xiàn)的藝術創(chuàng)作過程。

（一）創(chuàng)新工藝手法

科普模型是眾多藝術表現(xiàn)形式之一，具有展示與傳播的屬性。在模型的設計制作中融入藝術元素，運用藝術的語言來強化所要傳達的科學內容。不同于其他藝術形式，藝術性在科普模型上的運用有著獨特的表現(xiàn)特點。它兼具繪畫的線條與色彩、雕塑的造型與質感、舞臺的布景與效果，是一門綜合的藝術形式。設計制作模型時要考慮諸多因素的影響，包括展示臺位、展示主體、展示環(huán)境等因素，意在使科普模型所展現(xiàn)科學內容的傳播效果最大化。目前在模型的設計制作中運用的工藝手法多種多樣，既有傳統(tǒng)的木工機加、雕刻彩繪等，也有計算機程控、3D打印及LED等現(xiàn)代技術，形成聲光電多維立體展示。在設計制作中要做到細致入微，達到神似，這就要求設計制作者下功夫去揣摩，才能使所展現(xiàn)的藝術性完美地展現(xiàn)科學內容。目前，科普模型還是小眾領域，相關資料在網上幾乎查不到，許多問題都要靠自己去解決。在制作過程中，要根據每個模型所展示的具體內容，在材料選取、工藝手法和展現(xiàn)形式上進行開發(fā)與創(chuàng)新。

“微型北京正負電子對撞機模型”是作為長期展品而設計的，它比上文提到的北京正負電子對撞機模型要小許多，根據展館的要求，尺寸僅120cm×40cm。但麻雀雖小，五臟俱全，該有的重點顯示一點也不能少。為此，制作中運用了新型復合材料，關鍵部位運用手工雕刻的技法來實現(xiàn)。而在制作“電子束輸運線磁鐵單元模型”時，既要表現(xiàn)比頭發(fā)絲還細小百倍的電子運行時的狀態(tài)，同時又要讓觀眾理解所展示的科學內容。經過反復嘗試，最后利用光敏材料與光纖的特性研制出發(fā)光單元，使問題得到完美解決。同時還根據科學裝置的工作流程，對各部分使用不同色彩來進行藝術處理，以在視覺上得到區(qū)分，并強化關鍵部件的色彩，以達到醒目的效果。使用閃爍的LED光器件，并通過計算機操控，循環(huán)展示科學裝置的整體和子單元的科學實驗過程。為了達到更好的傳播效果，在模型上方還設置了一個屏幕，播出與模型演示同步的動畫，便于觀眾理解科學實驗過程。

（二）注重渲染烘托

在科普模型的設計制作中，良好的藝術渲染可以使模型富有感染力，提升模型的科學傳播效果，激發(fā)公眾對科學探索的興趣，便于公眾對科學知識的理解?？破漳Ｐ驮O計制作中，可以使用傳統(tǒng)的工藝與表現(xiàn)方式來起到渲染烘托效果，而隨著計算機、新材料等技術的發(fā)展，聲光電及多媒體技術目前已成為重要的渲染和烘托手段。

2007年中國江蘇首屆產學研合作成果展示洽談會上展出的“正電子發(fā)射斷層掃描儀模型”（見圖3）是根據我國研制的PET掃描儀設計制作的。PET掃描儀能夠實現(xiàn)對病人血流、代謝、生化、受體密度等變化過程的成像，為人類重大疾病的早期篩查、診斷及發(fā)病機理探尋提供重要依據，是現(xiàn)代醫(yī)學中重要的醫(yī)學影像設備。該模型通過利用機械裝置、計算機程控模擬原設備的抬升和輸送，并通過現(xiàn)代多媒體光學技術，利用計算機程序控制光的藝術效果，展現(xiàn)其對受檢人體掃描與檢測過程。特別是在展現(xiàn)檢測臺輸送人體，人體抵達檢測區(qū)及象征檢測正在進行的遞進式閃光時，不僅逐環(huán)節(jié)清晰展示了儀器診斷的過程，還渲染出了科技的神秘感。

圖 3 正電子發(fā)射斷層掃描儀模型

在科普模型制作中，對細節(jié)的把握也十分重要，一些看著不起眼的小配件對模型主體有著十分重要的烘托作用。比如在模型上添加一個道具人、幾棵道具樹、幾輛道具汽車等，就能襯托出科學裝置的龐大。還可以根據不同科學裝置的特點，選用不同的聲、光、電效果。用以營造出科學特有的神秘感，從而達到引人關注的目的。

此外，符合大眾審美情趣的渲染效果更容易得到接受。應注意，設計制作中不要濫用色彩及閃光，尤其是裝飾部分不要過分渲染，以免喧賓奪主。過分的渲染不但達不到科普宣傳的效果，反而顯得刺眼、俗氣，削弱了科學的高深感與神奇感，會影響科普模型的展示效果。

三、激發(fā)趣味性

捷克教育家夸美紐斯（Jan Amos Komensky）曾說，“一切知識都是從感官的感知開始的”[3]。科普模型是與觀眾近距離接觸的展出方式，它有著其他類型的科普創(chuàng)作所不可比擬的優(yōu)勢。為吸引觀眾，達到傳播科學知識的目的，在模型設計制作中，增加與觀眾零距離接觸和互動體驗顯得尤為重要，更是吸引觀眾最為有效的方法。目前，具有視、聽、觸功能的科普模型正在成為科普模型設計制作的主流。

（一）通過擬人化處理提升趣味性

科普模型在展示中能夠做到吸引人，除了要給人以視覺沖擊外，還要有趣味性，而對科普模型進行擬人化處理正是讓科普變得生動有趣的方式之一。

中國科學院公眾開放日多次展出的“高能小子機器人模型”（見圖4）因目標受眾是中小學生，所以在外形設計上采用孩子們喜愛的卡通人物形象，有著一雙大大的、閃著藍光的眼睛，全身披戴著夢幻鎧甲，充滿了神秘感，手臂還擺出一個孩子們都熟悉的象征勝利的招牌動作。同時，模型胸前還配有一塊觸摸屏，屏幕上的3D卡通小人不但能為觀眾講解相關的科學知識，還能向觀眾提問，觀眾可以通過觸摸屏來回答問題。如回答正確，屏幕上的卡通小人便會歡呼雀躍；答錯了也沒關系，卡通小人會給小觀眾們鼓勵的話；若全部答對，便會從模型胸前彈出一張知識卡作為獎勵。每次展出時，這個模型周圍總是圍著一大群孩子，是名副其實的“孩子王”。這個模型符合目標受眾的興趣，充滿童趣，采用孩子們喜歡的、輕松的娛樂方式進行科普，用獎勵機制激發(fā)孩子們的好勝心，促使他們?yōu)樘岣叽痤}正確率而認真對待模型所介紹的知識，從而加深對科學的理解，達到了良好的科普效果。

圖 4 高能小子機器人模型

“心理與健康測試模型”是一臺對人進行心理分析的科普模型，其外表就像是一名坐診的醫(yī)生，胸前是一個可以進行人機交互的屏幕，一根導線從模型上伸出，連接著模型內部可感知人體脈搏的分析儀。測試時，觀眾坐在這位“醫(yī)生”前，只需將手腕部扣上導線一端的特制軟夾，然后回答屏幕上的問題，模型會根據受試者在回答屏幕上問題時的脈搏心律來進行心理分析，而分析的結果會以陽光明媚、藍天白云、鮮花盛開、幽暗黑夜、電閃雷鳴、落葉蕭瑟等場景在屏幕上呈現(xiàn)出來。其間，“醫(yī)生”會提供心理輔導提示，而隨著受試者脈搏的改變，屏幕上的場景也會相應地發(fā)生變化：枯萎的花慢慢抬起頭煥發(fā)出生機，雷雨交加的黑夜?jié)u漸散去，雨過天晴，黃沙漫漫寸草不生的沙漠生長出綠洲，干涸河床上掙扎的魚終于迎來清澈的水……測試期間，“醫(yī)生”還會根據屏幕上的變化顯示出“加油！”“堅持！”等贊許、鼓勵的文字。正是由于模型設計制作上運用數(shù)字技術，讓模型得以通過實時收集到的脈搏數(shù)據完成與觀眾的互動，才能讓觀眾得到私人化的體驗，切身感受到自身心理的變化，從而對心理學有進一步了解。同時，擬人化設計容易讓模型獲得觀眾的信任，吸引更多觀眾參與體驗，更好地達成傳播心理學知識的目的。

（二）增強互動，優(yōu)化觀眾體驗

良好的互動體驗是激發(fā)公眾科學興趣的最有效的方式之一?？破漳Ｐ团c其他展示方式的最大區(qū)別在于模型是直觀的、可接近的，甚至是可觸的?？破漳Ｐ筒粦潜涞年惲衅?，給觀眾留下的不僅是視覺感受，還應有觸摸的體驗。2006年，在軍事博物館舉辦的一次科技博覽會上，來自法國的科普展臺給筆者留下了非常深刻的印象。在這個展臺，每件作品都是觀眾可以上手參與互動的。最讓人驚奇的是，這些互動道具都只是用管子、沙子、玻璃和木板等生活中不起眼的材料制作的，看似簡單，但設計非常精巧，觀眾在輕松的互動中能夠學到諸如“能量守恒”“熱電效應”“光電作用”“電化學反應”“電磁效應”“光合作用”等基礎科學知識。這與當時國內展品前“請勿靠近”“請勿觸摸”的牌子形成鮮明對照。

目前，我國的科普模型與國外的科普模型之間最大的區(qū)別在于我國的科普模型能夠與觀眾進行互動的依然較少，而互動恰恰是科普宣傳中最具實效的方式之一。不過，隨著科普理念的轉變，互動性越來越成為我國自主設計科普模型時所追求的目標?，F(xiàn)在，觀眾不僅可以與演示身邊科學原理小實驗的科普模型交互，還可以通過與大科學裝置的模型互動，直接體驗重要領域前沿科學運行原理。北京譜儀是我國重要的科學裝置，它有三層樓高，但精度極高，是用來探測和記錄粒子軌跡的工具。在設計制作“北京譜儀模型”（見圖5）時，運用機械與程控系統(tǒng)使其“動”起來，使模型能夠自動打開并進行90°旋轉，展現(xiàn)其精密復雜的內部構造，還能模擬譜儀內部正負電子碰撞、捕捉、記錄的場景，與觀眾發(fā)生互動。觀眾可以親自操縱開關，使模型完成演示過程，或停留在演示過程的某一環(huán)節(jié)上，并可以反復演示，從而加深理解。

圖 5 北京譜儀模型

隨著科技的進步，一些先進的技術已被應用到我國的科普模型制作中，以增強互動性。例如，現(xiàn)在一些展會上的科普模型運用了VR技術，參觀者可以在相應模型展臺戴上專用眼鏡，或是“走”入高科技實驗室，親自了解科學家的工作環(huán)境，或是“走”進大科學裝置內部，更加直觀地探索其內部構造和運轉過程，深化認識與理解。新技術為觀眾提供了與科學零距離互動的可能，這種身臨其境般的展示效果使科普變得更加引人入勝。

科普模型因其特殊性，愈發(fā)顯現(xiàn)出獨特的魅力。相信隨著科學技術的不斷進步，特別是在智能仿真、虛擬數(shù)字、腦機連接等新技術的加持下，未來的科普模型擁有廣闊的發(fā)展前景，在制作技術、展示效果等方面得到大幅提升，甚至或將會發(fā)生翻天覆地的變化，讓我們拭目以待。

通信作者：李博文，中國科學院高能物理研究所高級工程師，研究方向為科學傳播。

參考文獻

[1] 劉嘉麒 . 科學性是科普的靈魂[J]. 科普研究，2014，9(5)：5-6+13.

[2] 喬治·薩頓 . 科學的歷史研究 [M]. 陳恒六，劉兵，仲維光，編譯. 上海：上海交通大學出版社，2007.

[3] 夸美紐斯 . 大教學論 [M]. 傅任敢，譯 . 北京：人民教育出版社，1979.