雷國靜

（中國科學(xué)技術(shù)館，中國 北京100012）

太陽照射在地球上，地球上的物體就會有影子。無論白天在陽光下，還是晚上在月光或燈光下，我們都可以看到樹影、人影、車影等等各種物體的影子。其實我們每個時刻都處在光與影相隨相行的美妙景象中。有關(guān)光與影的知識不僅是學(xué)生科學(xué)課程中的重要內(nèi)容之一，同時也成為我們開展科普展覽、科普教育等等工作時所熱衷選擇的題材之一。

在法國拉維萊特科學(xué)與工業(yè)城的一層有一個光與影的臨時展覽，該展覽主要面向5～12歲的兒童開放。此展覽的展出時間為一年半（2007年6月至2008年年底）。整個展覽以阿奇博爾德的家為背景，讓觀眾體驗光與影的神奇和美妙。通過展覽我們會發(fā)現(xiàn)阿奇博爾德是一個聰明但是有點瘋狂的科學(xué)家，他把自己的家變成了一個光影實驗室。在這里我們完全融入在光與影的世界里，每走一步都似乎在與光和影進(jìn)行無聲而有趣地溝通和交流。

1 光與影主題展覽內(nèi)容歸納

1）展覽入口處是家中門廳的布局，四周均是白色。隨著門廳往里走，我們看到懸掛在衣架上的一件真實的工作服。地板上黑色的區(qū)域則顯示的是這件工作服和衣架的影子。我們就從這里進(jìn)入到了光與影的探索之門。

2）順著往里走進(jìn)入大會客廳，站在客廳中央，你會很奇怪地發(fā)現(xiàn)，在地面上同時存在著我們自己的三個不同角度的影子。當(dāng)我們在客廳中央來回穿梭移動時，地面上的三個影子也隨著我們身體的移動而發(fā)生著變化。這種好奇必然會激發(fā)你去思考這其中的奧秘，如果我抬頭觀察就會發(fā)現(xiàn)在墻面上設(shè)有三個不同角度的光源照射到我們身上。我們知道光源是形成影子的第一要素，光源的含義廣泛它包括火把、蠟燭、電燈、恒星等等可以發(fā)出光的物體，而這里的光源指的是懸掛在墻壁上的白熾燈。不透明的物體是形成影子的第二要素，此時參與的觀眾就是不透明的物體，而地面或者墻面等等不同的背景是作為影子形成的第三要素。當(dāng)這三個要素同時存在時，光線在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，光源發(fā)出的光照射在不透明的物體上時，光線被物體擋住了，在物體的后面就形成一個暗的陰影區(qū)域，這個陰影區(qū)域就叫做物體的本影，也就是我們通常說的影子。

3）走過一個長廊，光源的位置即光源照射的高度是固定的，但是光源旋轉(zhuǎn)通過不同角度照射在我們不停移動的身體上，我們會發(fā)現(xiàn)我們留在墻上的影子也在不斷變化。而當(dāng)我們站立在某個位置上固定不動，光源通過不同角度照射變化時，我們的影子也在不斷變化。這樣的參與仿佛是我們在與影子進(jìn)行游戲。這仍然是在充分揭示著光源、物體和影子之間的奇妙關(guān)系。當(dāng)物體與光源兩者均移動，或者其中之一移動而背景不變時產(chǎn)生的影子一個代替一個，不斷發(fā)生著永恒地變化。

4）當(dāng)我們對影子知識有一些初步認(rèn)識和了解的時候，就可以開始進(jìn)入實驗室動手做一些實驗了。雖然名稱是實驗室，但其實是一個開放的空間，只要觀眾有興趣都可以動手參與其中。我們可以把鐵絲圍一個人形，拿一個燈對著這個人形的鐵絲進(jìn)行照射，觀察墻上影子的變化。我們會發(fā)現(xiàn)當(dāng)光源距離物體越近時,影子就會越大。當(dāng)光源距離物體很遠(yuǎn)時,影子就會越小。我們也可以拿形狀相同但大小不同的兩個杯子，此時大杯子在光的照射下形成了影子,而小物體的輪廓由于比大物體輪廓小,沒有受到光的照射,這樣小杯子就藏到大杯子的影子里面，這里再一次深刻地揭示了物體、光、影三者之間的聯(lián)系。

5）在廚房里我們會發(fā)現(xiàn)有一個有趣的小模型。這個小模型猶如一個農(nóng)家田園的微縮場景，模型中有高低不同的房子、房頂有長方形、錐形等等不同的形狀、還有各種樹木以及層次分明、高低起伏的梯田等等。模型上方的光源照射的位置和角度固定不變，一架小飛機(jī)懸吊在點光源和模型之間，此時我們會觀察到空中的小飛機(jī)在不同背景上（即房子、樹木、田地等凹凸不平的表面）形成的影子的形狀形態(tài)各異。這告訴我們在光源和物體的位置都相對固定的情況下，背景不同形成影子的形狀也不同。

6）最后到達(dá)花園，我們既可以在樹叢邊的小屋聽故事，也可以傾聽樹上的貓頭鷹講故事，再次回顧我們在此次展覽中學(xué)習(xí)到的光與影的知識。出口附近是一個自動機(jī)械控制的馬戲團(tuán)木偶表演項目，這幾乎把整個光與影的展覽推向了高潮。在這里我們可以看到各種動物的集合，他們穿著色彩鮮亮十分漂亮的服裝，各個小巧精致。在機(jī)械地自動有序地控制中，伴隨著歡快的鑼鼓聲，中心場地表演的木偶們在空中上下翻騰，而坐在看臺上的木偶們配合著臺上的表演也躍躍欲試鼓掌叫好。表演場地四周均布設(shè)有不同角度的光源，此時我們無論在墻面上還是在地面上都可以觀察到這些可愛動物木偶的影子。這里簡直就是光與影交錯輝映的娛樂世界。如此輕松快樂的氛圍不僅使孩子們沉浸在其中，連家長們都會停留駐足思考其中的奧秘。

2 基于對此展覽內(nèi)容的分析，總結(jié)了以下幾個特點

2.1 以家為背景，所有場景的營造非常貼切

家是我們每個人都熟悉的環(huán)境。展覽以家為背景，給參觀者一種親切的感覺。從門廳、會客廳、長廊、廚房、后花園到出口整個展覽參觀流暢，不需要特殊的引導(dǎo)，參觀路線非常清晰和明了。在這個展示空間里，光影就是一個主題和核心，與它相關(guān)的知識都自然地與不同場景的布局融合在一起，充分利用展示空間與展示內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合。

2.2 主題鮮明，科學(xué)概念得到了清晰闡釋

整個展覽始終圍繞光在均勻介質(zhì)中沿著直線進(jìn)行傳播形成影子的特征進(jìn)行全面解析。主題式的展開方式使人們對事物的認(rèn)識更加全面和系統(tǒng)。該展覽將生活當(dāng)中相關(guān)的光與影的知識進(jìn)行展示，參觀者始終圍繞光與影展開聯(lián)想和進(jìn)行參觀。這里不僅揭示了形成光與影的三個必要條件，即首先要有光源，然后要有不透明的遮光物體，還要有一個能顯示出影子的背景環(huán)境。而且告訴了觀眾當(dāng)形成影子的三個條件即光源、物體及背景三者其中一個或者兩個條件發(fā)生變化時,會產(chǎn)生截然不同的光影效果。

2.3 展覽內(nèi)容層次遞進(jìn)，井然有序

先是通過門廳的衣架和影子進(jìn)入視線，帶觀眾進(jìn)入一個光與影的世界，使觀眾對光與影有一個模糊而宏觀的感覺。接著與影子做游戲，使觀眾對光與影之間的奧秘的探索興趣全然調(diào)動起來；隨后可以通過自己的親自參與做相關(guān)小實驗，揭示隱藏在光與影現(xiàn)象背后的答案和奧秘，從而使得觀眾建立了對光與影的知識體系；最后在花園里回顧整個參觀過程，加深了對此次展覽內(nèi)容的更深認(rèn)識。整個參觀過程引導(dǎo)著觀眾認(rèn)識事物從宏觀了解、逐漸清晰到具體分析、再到回顧總結(jié)的過程。

2.4 展覽內(nèi)容科學(xué)性與趣味性并存

科學(xué)性是科技館展覽內(nèi)容的根本屬性，也是科技館展覽內(nèi)容具有生命力的地方。在這個光與影的臨時展覽內(nèi)容中，有很多有關(guān)光和影相關(guān)的科學(xué)知識包含在其中。而趣味性使得觀眾通過與影子做游戲等方式參與展品的過程，感受著一次愉快的科學(xué)之旅。兩者的有效結(jié)合增強(qiáng)了展覽的展示效果，激發(fā)了觀眾去思考游戲背后的科學(xué)知識，使得動手參與和動腦思考充分結(jié)合起來。

2.5 臨時展覽同樣注重互動性

芬蘭科學(xué)中心的航海展區(qū)也是一個臨時展覽，展覽展出時間是從2007年9月到2009年11月。它分為船、港口、導(dǎo)航和航海家的生活四個部分，其中有很多互動的項目讓觀眾體驗和感受航海家的生活是很吸引人的。與光和影的展覽進(jìn)行對比和分析，我們會發(fā)現(xiàn)他們之間有一些相似性，即展廳內(nèi)均設(shè)立有一個相對固定的區(qū)域進(jìn)行臨時展覽的展示。雖然臨時展覽的時間維持在一年到兩年內(nèi)相對較短，與常設(shè)展覽的長期性無法相比，但是展覽設(shè)計人員在設(shè)計內(nèi)容時,同樣注重通過互動性的展覽激發(fā)觀眾對科學(xué)的興趣和熱愛。

2.6 科學(xué)與藝術(shù)的美妙結(jié)合

光和影本身就是一種特殊性質(zhì)的藝術(shù)，當(dāng)陽光透過樹梢，地面灑下一片光斑，疏疏密密隨風(fēng)變幻，這種藝術(shù)魅力是難以用語言表達(dá)的。又如月光下的粉墻竹影和風(fēng)雨中搖曳著的吊燈的影子，卻又是一番滋味。自然界的光影由太陽月光來安排，而室內(nèi)的光影藝術(shù)就要靠設(shè)計者來打造和創(chuàng)造。在整個主題展廳內(nèi),設(shè)計者以生動的光影效果豐富室內(nèi)的空間，恰如其分地突出了光和影的展示主題。

3 對該臨時展覽的思考

人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長而曲折的過程。光與影的奇妙以及光的折射反射等等特性猶如藝術(shù)效果般給我們帶來了視覺上的享受和心靈上的震撼。關(guān)于人類對光的探索足跡可以用一個足夠大的展廳去敘說，但是這里抓住了一個核心主題即光在均勻介質(zhì)中沿著直線傳播形成影子,且采用幽默詼諧的方式來告訴觀眾光影的世界是多么奇妙。

筆者認(rèn)為此展示內(nèi)容是一個非常精彩而精致的臨時展覽。雖然展覽面積僅為兩百平方米左右，但是參觀之后會讓人記憶猶新而且回味無窮，這個展覽不僅告訴了我們基本科學(xué)知識，而且從不同程度影響和改變我們?nèi)リP(guān)心和探索身邊光與影的奇妙，甚至在改變著我們的思考方式。這一點正是科普展覽的魅力所在。除這里的展覽內(nèi)容以外，運(yùn)用光在均勻介質(zhì)中沿著直線傳播形成影子的這一原理可以解釋生活中的一些現(xiàn)象：

1）為什么月亮?xí)嘘幥鐖A缺的變化？

月亮本身不發(fā)光，只是把照射在它上面的太陽光的一部分反射出來，這樣對于地球上的觀測者來說，隨著太陽、月亮、地球相對位置的變化，在不同日期里月亮呈現(xiàn)出不同的形狀，這就是月相的周期變化。雖然月亮被太陽照射時，總有半個球面是亮的，但由于月亮在不停地繞地球公轉(zhuǎn)，時時改變著自己的位置，所以它正對著地球的半個球面與被太陽照亮的半個球面有時完全重合，有時完全不重合，有時一小部分重合，有時一大部分重合，這樣月亮就表現(xiàn)出了陰晴圓缺的變化。

2）什么是日食和月食?

我們知道日食、月食也是光在天體中沿直線傳播的典型例證。日食是月球繞地球轉(zhuǎn)到太陽和地球中間時，如果太陽、月球、地球三者正好排成或接近一條直線，月球擋住了射到地球上去的太陽光，月球身后的黑影正好落到地球上，這時發(fā)生日食現(xiàn)象。而月食也是一種特殊的天文現(xiàn)象，指當(dāng)月球運(yùn)行至地球的陰影部分時，在月球和地球之間的地區(qū)會因為太陽光被地球所遮閉，就看到月球缺了一塊。也就是說，此時的太陽、地球、月球恰好(或幾乎)在同一條直線，因此從太陽照射到月球的光線，會被地球所掩蓋。

同時還有很多基于光在均勻介質(zhì)中沿著直線傳播形成影子的這一原理在生活中的應(yīng)用實例：

1）日晷

我們知道物體在太陽光下的影子是隨著時間而變化的，上午時物體的影子很長，并且影子在物體的西側(cè)，且逐漸向南移動。隨著時間的推移影子逐漸縮短，中午十分最短，此時太陽位于天空正中。下午以后影子又變長了，逐漸指向東方。影子隨著太陽在天空的位置（實際是地球相對與太陽的位置）改變方向和長度。根據(jù)以上光與影之間的關(guān)系，我們的祖先發(fā)明了日晷，它是利用太陽的影子來測定時間的一種儀器。我國古代的日晷，常用一個石制的圓盤做鐘面，圓盤中心有一個鐵針。日晷傾斜地安置在石座上，鐘面分成12個時辰，人們看到指針在鐘面上的投影，就知道是什么時間了。

2）醫(yī)學(xué)應(yīng)用

A無影燈：把高發(fā)光強(qiáng)度的光源在很大的燈盤上圓形地排列起來，燈光從不同的角度照射下來，下面就能產(chǎn)生無影的效果，醫(yī)生動起手術(shù)來，就可操作自如了。B、X光射線的應(yīng)用，骨折或者長了瘤子，就要用X光進(jìn)行診斷，實際上是利用X射線的強(qiáng)穿透性，使骨骼在底片上留下一個影子。通過這樣的方法我們可以了解人體器官的狀況。X光射線還可以用在安全檢查方面，我們不用打開箱子，只要箱子在X光射線下進(jìn)行掃描，里面的物品在電腦中就會一目了然。

3）文化藝術(shù)與影子的不解之緣

幻燈、電影、皮影戲以及攝影等都離不開光沿著直線傳播形成影子的原理。

皮影戲是我國一種民間藝術(shù)形式，其實質(zhì)是利用了光線直線傳播遇到障礙形成影子這一特性而制成的。漢朝初年，有一個叫齊少翁的人，用紙剪的人和物在白幕后面表演，并用燈光照射，人和物的影像就映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演，這和現(xiàn)在的電影的原理很相似，電影的構(gòu)成是光源、影片和銀幕三個基本部分。而我們古代皮影戲的光源、紙人（或木人、皮人）和帳幕正相當(dāng)于這三個基本部分，可以說我們古代的影戲是電影的始祖。

攝影、繪畫等等藝術(shù)形式將生活中光與影融合的自然美提取出來并且記錄下來。同樣一副畫面，從黎明到黃昏，在不同的時間呈現(xiàn)給我們的是不同的光與影的奇妙景象，通過一張張張貼在墻壁上的照片或者圖片的述說，我們不斷回憶和體會，會發(fā)現(xiàn)大自然竟然具有如此神奇的創(chuàng)造力。

4）如果將光和影在我們國內(nèi)作為一個展覽主題,我們還可以在其中適當(dāng)增加一些中國傳統(tǒng)的文化元素，例如與光和影相關(guān)的詩句有：“舉杯邀明月，對影成三人”、“床前明月光，疑是地上霜”等等。與光與影相關(guān)的成語有形影不離、如影隨形、刀光劍影等等。有這些元素的點綴和烘托,也許會達(dá)到意向不到的展覽效果。

總之，我們可以把光與影的基礎(chǔ)知識以及光與影在生活中的應(yīng)用等等融合在一起綜合進(jìn)行展示，以期望通過這種主題式的展覽建立觀眾的綜合思維和歸納能力。讓觀眾深刻理解原來大自然中有很多事物存在著如此奇妙和神秘的共性。當(dāng)我們一個一個進(jìn)行揭示的時候，所有的疑惑和懸念都悄無聲息地解開并被沉淀下來，而且它將成為我們腦海中永恒的知識和記憶。