簡(jiǎn)單而巧妙的科普儀器設(shè)計(jì)與制作探討

黃顯吞，李龍文，農(nóng)仕藝，伍天寶

(百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

在當(dāng)前大力提出鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略背景下，地方院校作為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)進(jìn)行科普工作的重要陣地場(chǎng)所和實(shí)驗(yàn)開發(fā)開放場(chǎng)地，通過自主設(shè)計(jì)與自行制作科普儀器設(shè)備進(jìn)行科普教育，是高?？破展ぷ靼l(fā)揮重要作用的可行之路和有效方法[1]。而且，地方院校的優(yōu)勢(shì)是可憑借自身具有科研和教學(xué)雙重任務(wù)特點(diǎn)，具備將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為科普資源的潛在功能和巨大效能，成為簡(jiǎn)單而巧妙科普儀器設(shè)計(jì)與制作的切入點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)[2]。特別是地方院校具有豐富的當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)思想、務(wù)實(shí)實(shí)驗(yàn)方法和巧妙實(shí)驗(yàn)手段，不僅提供綜合性很強(qiáng)的基本科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，而且是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新能力和提高學(xué)生科普綜合素質(zhì)的極其重要基礎(chǔ)性探究場(chǎng)所和實(shí)驗(yàn)開發(fā)開放基地[3-5]。然而，縱觀現(xiàn)階段的科普資源建設(shè)水平狀況與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略目標(biāo)要求極不匹配。為了能更好地充分發(fā)揮地方院校在服務(wù)科普資源開發(fā)過程中的獨(dú)特作用，進(jìn)行科普儀器設(shè)計(jì)與制作探討，探究如何把簡(jiǎn)單而巧妙的設(shè)計(jì)與制作思想融入到當(dāng)?shù)乜破召Y源開發(fā)與開放當(dāng)中，這將是一項(xiàng)鄉(xiāng)村振興新形勢(shì)背景下科普工作及內(nèi)容建設(shè)的有益嘗試和深度探索。

1 研究意義

地處祖國西南邊陲桂西大石山區(qū)的廣西百色市擁有面積達(dá)3.63萬平方公里、人口400多萬，以及與越南的邊境線長(zhǎng)達(dá)360.5公里，是廣西面積最大的“老、少、邊、山、窮、庫”邊境少數(shù)民族地級(jí)市。自然資源環(huán)境惡劣且經(jīng)濟(jì)落后，廣大基層人民群眾對(duì)科學(xué)技術(shù)知識(shí)了解甚微，不僅科學(xué)知識(shí)普及率極低，而且廣大農(nóng)村中小學(xué)校基礎(chǔ)設(shè)施落后，科普實(shí)驗(yàn)儀器非常短缺，大部分中小學(xué)校及幼兒園的科普實(shí)驗(yàn)器材極少，幾乎沒有一件像樣或順眼的科普實(shí)驗(yàn)器材，更不用說有點(diǎn)“現(xiàn)代”或“先進(jìn)”的科普實(shí)驗(yàn)儀器了。這不僅主要是由于當(dāng)?shù)乜破諏?shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)極其短缺，買不起昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，而且即使用買來那些所謂“現(xiàn)代”或“先進(jìn)”的儀器設(shè)備，人們對(duì)其原理和機(jī)制又知之甚少，未能達(dá)到預(yù)期的設(shè)想和效果，只能是陌生的“先進(jìn)技術(shù)”和神秘的“現(xiàn)代模型”。

特別是廣大農(nóng)村中小學(xué)生存在接觸現(xiàn)代技術(shù)機(jī)會(huì)少、基礎(chǔ)差以及科學(xué)操作技能不高等，農(nóng)村中小學(xué)校科普資源的開發(fā)、設(shè)計(jì)與制作大多都還停留在一些簡(jiǎn)單、零碎以及片面的工作技術(shù)內(nèi)容上，以致現(xiàn)在大部分農(nóng)村中小學(xué)校都只能在課本上“講”簡(jiǎn)單模仿的科普，在黑板上“畫”乏味單調(diào)的科普，在屏幕上“描”枯燥難懂的科普；科普器材的激發(fā)智慧功能與技術(shù)普及效果不高，還沒真正形成一整套系統(tǒng)的農(nóng)村中小學(xué)科普教育完整技術(shù)體系。那么，在當(dāng)前鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略新形勢(shì)大背景下地方院校研究如何進(jìn)行科普資源設(shè)計(jì)、制作與開發(fā)來促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，從而帶動(dòng)本領(lǐng)域乃至整個(gè)地區(qū)科學(xué)知識(shí)的普及，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)知識(shí)普及發(fā)展是地方院校義不容辭的光榮責(zé)任和技術(shù)擔(dān)當(dāng)。為此，針對(duì)廣大農(nóng)村中小學(xué)生和當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷目破帐顷P(guān)鍵和重點(diǎn)，特別是從中探索出一條符合我國當(dāng)?shù)厍闆r、行之有效的科普儀器設(shè)計(jì)與制作之路是重中之重。

2 科普儀器開發(fā)的內(nèi)容和方法

經(jīng)過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和探索操作表明，通過觀看或操作實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和對(duì)科學(xué)知識(shí)的普及是最簡(jiǎn)捷、最有效的途徑和方法，特別是簡(jiǎn)單而巧妙實(shí)驗(yàn)所隱藏的巨大科普教育功能和技術(shù)推動(dòng)作用。

2.1 研究?jī)?nèi)容

(1)提供專業(yè)技術(shù)服務(wù)，融入地方教育實(shí)際

通過專業(yè)技術(shù)教育指導(dǎo)并掌握科普實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作方法，同時(shí)融入地方教育實(shí)際，研究?jī)?nèi)容既有“高精尖”的現(xiàn)代技術(shù)作品，又有像陀螺、紙圈、可樂罐等這些日常用品成為講解運(yùn)動(dòng)學(xué)、熱力學(xué)以及材料科學(xué)等科普小教具。形成當(dāng)?shù)乇就两逃Y源的特色和優(yōu)勢(shì)，較好地推動(dòng)科普資源開發(fā)、應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)人們的智慧熏陶和科學(xué)啟迪具有獨(dú)到之處和地方特色，對(duì)廣大人民群眾的科技推廣、普及與應(yīng)用具有獨(dú)特作用和奇妙效果，很好地解決長(zhǎng)期以來困擾農(nóng)村基礎(chǔ)教學(xué)、科學(xué)普及和生產(chǎn)實(shí)踐中的許多疑難困惑問題和技術(shù)瓶頸。將科普實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與制作給人們提供接觸科學(xué)的機(jī)會(huì)和進(jìn)一步探討科學(xué)技術(shù)的空間，推動(dòng)與促進(jìn)思考與探索，研究并品嘗科學(xué)的美，認(rèn)識(shí)科學(xué)的精髓、奧秘與內(nèi)涵，激發(fā)人們?nèi)蘸蟾墒聞?chuàng)業(yè)的另一獨(dú)特視角和維度。

(2)發(fā)揮自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，凸顯地方區(qū)域特色

開創(chuàng)融地方性、趣味性與啟發(fā)性為一體的低成本高智慧特色的簡(jiǎn)單巧妙科普實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)與制作之路，開發(fā)一系列融科技原理、娛樂體驗(yàn)和趣味競(jìng)賽為一體的吸引力強(qiáng)的科普實(shí)驗(yàn)探究項(xiàng)目，讓廣大人民群眾發(fā)自內(nèi)心的踴躍探究并積極參與其中，增強(qiáng)自身的自主創(chuàng)新培養(yǎng)能力，使科普內(nèi)容更生動(dòng)、更豐富和更有吸引力。努力發(fā)揮自身學(xué)科教育優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，把構(gòu)思巧妙、原理深刻、技術(shù)先進(jìn)、效果明顯的簡(jiǎn)單而巧妙的科普實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)在人們面前，達(dá)到開闊眼界、啟迪思維、培養(yǎng)興趣和開發(fā)智力的作用。特別是研究?jī)?nèi)容注重凸顯地方區(qū)域教育特色，使人們更加崇尚科學(xué)與技術(shù)，反對(duì)謠言與迷信，認(rèn)識(shí)科學(xué)的精髓與本質(zhì)，激發(fā)人們創(chuàng)新思維并繼續(xù)深入探索科學(xué)的奧秘，從而推動(dòng)與提高本地區(qū)乃至整個(gè)國民的科學(xué)素養(yǎng)與水平，真正使科學(xué)探究與技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)形成一種具有新時(shí)代特色的科普教育新模式與典范。

(3)彰顯地方本土特色，服務(wù)基礎(chǔ)科普教育

通過自主研發(fā)與制作科普儀器，實(shí)行“自主式”主動(dòng)性設(shè)計(jì)與制作，增加當(dāng)?shù)乇就猎瓌?chuàng)的自制材料，以獨(dú)特視角和具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)科研成果(特色科普實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)以制作研究項(xiàng)目)激發(fā)人們創(chuàng)新思維,對(duì)廣大學(xué)生及人民群眾進(jìn)行潤(rùn)物細(xì)無聲般的智慧熏陶與科學(xué)啟迪，用極具活力并接地氣的科普實(shí)驗(yàn)厚植創(chuàng)新土壤與環(huán)境，以此推動(dòng)本地科普工作并提升整個(gè)國民的科學(xué)素養(yǎng)與水平。特別是融入當(dāng)?shù)乇就临Y源開展各項(xiàng)特色科普活動(dòng)，做到“在科學(xué)的堅(jiān)果上涂蜂蜜”，不僅表面吸引，而且內(nèi)部有料。使科普工作與自由輕松、有趣好玩融合，這樣科學(xué)就不再是冷酷冰冷和神秘可怕，而是變得甜蜜好看和溫暖可人，吸引著眾多普通老百姓的關(guān)注和求解。目的是讓更多公眾了解科學(xué)，也讓科學(xué)走進(jìn)公眾，吸引更多民眾參與，激發(fā)人們對(duì)科學(xué)的興趣。而且，科普儀器設(shè)計(jì)與制作注重內(nèi)涵發(fā)展，打造一系列具有創(chuàng)新特質(zhì)、可操作可復(fù)制的科普教育教學(xué)創(chuàng)新成果作品。使學(xué)生從關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作到關(guān)注創(chuàng)新舉措，把科普儀器設(shè)計(jì)與制作建設(shè)成為寶貴的科學(xué)物質(zhì)和精神財(cái)富的產(chǎn)品，很好促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

2.2 研究方法

(1)面對(duì)如此眾多與作用不同的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不可能“從猿到人類”毫不區(qū)分的進(jìn)行全部研究，但能夠敏銳意識(shí)到極個(gè)別問題的存在并緊緊抓住不放、扎扎實(shí)實(shí)地探究下去，充分挖掘身邊材料進(jìn)行獨(dú)特構(gòu)思與制作，用日常生活中非常常見的普通器材巧妙演示或突出非常深?yuàn)W的科學(xué)技術(shù)原理，使人們不僅覺得新鮮、有趣與親切，而且覺得簡(jiǎn)單易學(xué)并熱愛科學(xué)，認(rèn)識(shí)到科學(xué)并不是那么神秘莫測(cè)，其實(shí)就在自己身邊，是用最熟悉的簡(jiǎn)單而巧妙器件就能演示的科學(xué)陌生人。

(2)盡可能多考慮到廣大人民群眾的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)、學(xué)識(shí)水平和理解能力，本著簡(jiǎn)潔明快、精巧實(shí)用與效果明顯的設(shè)計(jì)理念和思想，通過簡(jiǎn)單而巧妙的設(shè)計(jì)以制作，使他們?cè)诓僮鲗?shí)驗(yàn)過程中不僅僅達(dá)到滿足于獲取某一種結(jié)論性的答案、結(jié)果或內(nèi)容，而是把重點(diǎn)放在如何掌握思維過程、技術(shù)技巧和科學(xué)方法的獲取上，品嘗科學(xué)的品味、品質(zhì)與美好，體驗(yàn)科學(xué)的魅力、多彩與樂趣，認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)、內(nèi)涵與精髓，達(dá)到“教是為了不教”的最高境界。

(3)通過結(jié)構(gòu)分析和原理探討科學(xué)研究的實(shí)質(zhì)與實(shí)質(zhì)，突出把相關(guān)科學(xué)性鑒別與學(xué)科原理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合和區(qū)別對(duì)待，由淺入深并深入揭示各種事物內(nèi)部隱含的深?yuàn)W科學(xué)原理和技術(shù)特點(diǎn)。通過深度加工和重組探究，重點(diǎn)抓住各個(gè)原理內(nèi)部特征和技術(shù)技巧處理方法，使得那些長(zhǎng)期以來原本很復(fù)雜、看起來一籌莫展的科學(xué)技術(shù)疑難問題得到迎刃而解，而當(dāng)揭示謎底時(shí)那些簡(jiǎn)單而巧妙的設(shè)計(jì)與制作給人以一種淋漓盡致、酣暢痛快的感受和近乎尖叫、直呼驚奇的感覺，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無聲”的最好效果。

2.3 技術(shù)路線

本方案技術(shù)路線如圖1所示用簡(jiǎn)單的器材做出不簡(jiǎn)單的物體：

圖1 技術(shù)路線圖

通過廣泛開展實(shí)地調(diào)查和開創(chuàng)研究，根據(jù)科學(xué)原理與構(gòu)造，進(jìn)行演示或操作實(shí)驗(yàn)，針對(duì)日常教學(xué)和科普工作中的各種疑問和困惑點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定課題的研究方案。收集資料并展開自主研究，構(gòu)思方案并創(chuàng)新設(shè)計(jì)由日常普通器材組成的簡(jiǎn)單裝置來完成深?yuàn)W的科學(xué)原理的展示，物化設(shè)計(jì)并巧妙利用簡(jiǎn)單器材把陌生的先進(jìn)技術(shù)變成熟悉的身邊技術(shù)，達(dá)到可復(fù)制可推廣效果。

3 設(shè)計(jì)與制作

通過充分挖掘日常用品以及身邊普通材料，主要以自制材料或器件為主，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與巧妙制作由簡(jiǎn)單普通器件組成的乖巧物體，開發(fā)出獨(dú)具特色、凝結(jié)著創(chuàng)新思維與創(chuàng)造性設(shè)計(jì)制作的簡(jiǎn)單而巧妙科普教具，不但能彌補(bǔ)現(xiàn)有科普教具的缺陷與不足，解決長(zhǎng)期以來困擾教學(xué)過程中和生產(chǎn)實(shí)踐中的許多疑難問題，又能充分展示巧妙利用科學(xué)原理解決生活生產(chǎn)實(shí)際問題的獨(dú)特功能與特色應(yīng)用，極大促進(jìn)廣大人民群眾對(duì)科學(xué)知識(shí)的了解和認(rèn)知。

圖2 磁懸浮的巧妙裝置

如圖2所示是磁懸浮巧妙演示裝置：這種磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置是將套有兩顆磁鐵的筆芯放在制作好的由四顆磁鐵組成的框架上，筆芯懸浮在其上方，利用懸浮磁力使物體處于一個(gè)無摩擦、無接觸的懸浮平衡狀態(tài)。這樣就給學(xué)生提供豐富的感性材料，更好理解磁懸浮原理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效激發(fā)學(xué)生的探究創(chuàng)造能力，既簡(jiǎn)單巧妙又有實(shí)際效果。

圖3 兩乒乓球的奇異相吸實(shí)驗(yàn)

圖4 兩乒乓球的奇異相吸實(shí)驗(yàn)

又比如用兩個(gè)乒乓球做相互吸引的奇異相吸實(shí)驗(yàn)(圖2)：往導(dǎo)軌上放兩只隔開的乒乓球，當(dāng)用吸管垂直往乒乓球中間吹一口氣(如圖3所示)，這時(shí)兩個(gè)乒乓球會(huì)自動(dòng)吸引并碰在一起，完成整個(gè)相吸運(yùn)動(dòng)過程(如圖4所示)。這樣學(xué)生就學(xué)會(huì)很好奇并激發(fā)探究原理，自然而然就領(lǐng)會(huì)氣體流速與壓強(qiáng)之間的關(guān)系，更好理解和領(lǐng)悟壓強(qiáng)差的概念，既簡(jiǎn)潔、巧妙又實(shí)用，科學(xué)原理一目了然。

4 結(jié) 語

科普儀器設(shè)備的自主開發(fā)與獨(dú)特設(shè)計(jì)是地方院校開展科普工作的有效切入點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)，在科普儀器設(shè)備特色開發(fā)與巧妙設(shè)計(jì)中，既要有能使人們?cè)诓僮鲗?shí)驗(yàn)中激發(fā)他們的想象力和創(chuàng)造力，又要有能帶動(dòng)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)或科學(xué)創(chuàng)造行為的設(shè)計(jì)制作作品，使簡(jiǎn)單巧妙的科學(xué)探究和技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)形成一種有當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)與時(shí)代特色的科普教育新模式。這樣學(xué)生就能透過較少而且比較熟悉的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)或技術(shù)細(xì)節(jié)就可領(lǐng)悟其中非常神秘、深?yuàn)W的科學(xué)原理，并深刻體會(huì)其中的獨(dú)特設(shè)計(jì)與創(chuàng)作技巧。讓學(xué)生感受這樣的原創(chuàng)本土特色科普教具，體驗(yàn)簡(jiǎn)單巧妙科普儀器設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作與應(yīng)用過程，達(dá)到激發(fā)創(chuàng)新思維教育和科學(xué)方法啟迪的雙重目的和事半功倍科普教育效果。