模型铁路与工程启蒙

基于市场的分析

By 本身，这个问题赢得了掌声。
当时我们正参加一场关于制造业未来的会议，与会的政策制定者们一直在讨论世界需要培养更多技术人才来支持制造业。他们提出的建议切实可行但不出所料：增加对社区学院的资金投入、推广非传统培训方式（如可汗学院的课程），以及为无法上大学的人提供学徒机会。最后，一位听众站起来提问，是否可以利用创客运动来鼓励年轻人为工程与制造领域的职业生涯做好准备。对于这个问题，全场听众报以热烈掌声。听到这阵掌声，人们很容易得出这样一个结论：似乎从来没有人想到过可以用玩具和业余爱好来教育儿童。

创客运动

创客运动是一个使用高科技工具制造消费品的业余爱好者社区的名称。它既是一种新颖的现象，又具有永恒的特征。创客运动通过拥抱三维打印和其他形式的增材制造而获得了大量关注。然而，它的根源可以追溯到20世纪50年代的电子爱好者、20世纪20年代的业余机械车间，甚至维多利亚时代的实用知识传播协会。这个社区值得深入研究，因为它很可能被证明是工程人才的一个深厚来源。

技术爱好会随着时间而演变，并在其发展过程中传授不同的工程知识。最能体现这些不断变化的技术知识的业余爱好，莫过于电动玩具火车。

模型火车的兴起

玩具火车，或通常所说的模型火车，是最原始的电动消费产品之一。它们于1900年出现，当时纽约商人约书亚·利奥尼尔·科恩开始制造一种名为利奥尼尔特快的小型电动火车。他将这些火车作为展示品推销给百货商店，用以吸引人们对商店橱窗或商品陈列的关注。然而，私人个体也开始对这种火车产生兴趣，并提出购买请求。
在运营的第一年，科恩售出了12套利奥尼尔特快套装，由此开启了美国的模型火车产业。他的公司利奥尼尔将在接下来的65年里主导这一领域。

利奥尼尔的电动火车要求业余爱好者掌握一定的技术知识。这些火车使用了一种电池和一个原本设计用于驱动风扇的电动机。业余爱好者需要了解电路知识，并运用这些知识设计出不会造成短路的轨道布局，而在利奥尼尔的原始设计中很容易出现短路问题。然而，利奥尼尔的火车实际上延续了一种专注于模型制作的业余爱好，即以小比例复制大型物体。
这种业余爱好最早由德国公司马克林在19世纪90年代创立。那个年代的马克林火车由发条弹簧驱动。但在1900年之后，该公司迅速采用了电动机。

模型的工程与微型火车的工程有很大不同。模型需要明确的目标定义、对细节的关注，以及对例外情况的协调处理，以确保模型能够实际运行。
最初，这类工作由微型火车公司自身完成：利奥尼尔、马克林、美国飞行者和艾维斯。在20世纪的最初几十年里，马克林和利奥尼尔是激烈的竞争对手，他们试图通过竞争而非合作来解决这些问题。马克林为模型火车制定了一套标准，称为I型轨道、II型轨道和III型轨道。利奥尼尔则无视这些标准，创建了自己略小于马克林II型轨道的轨道规格，并随后发起了一场积极的营销活动，宣称其产品遵循“世界标准”。

玩具工程

引入模型铁路设计标准
作为一种技术性业余爱好，模型铁路经历了两次重大的创新浪潮：20世纪20年代和20世纪50年代。这两次浪潮都伴随着经济扩张和标准化进程。在20世纪20年代，标准化主要由利奥尼尔推动。
由于这家火车制造商将其产品宣传为“标准轨距”，其他制造商也纷纷调整自家产品以符合利奥尼尔的标准。当时所有美国公司都遵循着相似的基本营销策略：通过销售基础套装来开拓业务，然后通过提供新的车厢、新的轨道和新的配件，鼓励消费者不断扩展他们的模型铁路。各方都因销售兼容设备而受益。

在此期间，由于技术相对简单，该行业并未涌现出重要的工程师。同时，它也未能鼓励业余爱好者深入探索技术细节，或对模型火车套装进行除扩展轨道布局之外的其他改装。事实上，消费者似乎更关注模型的真实感，而非技术性能。利奥尼尔在此期间常因生产的模型火车缺乏足够的真实感而受到批评。

20世纪50年代的扩展建立在一种更为传统的标准化进程之上，这一进程始于1935年国家模型铁路协会（NMRA）的成立。NMRA是一个行业组织，其成员包括制造商和业余爱好者。该协会开始对领域进行标准化，所采用的标准化流程借鉴了美国国家标准学会的共识标准流程，但将其简化为三个基本步骤：首先，NMRA标准委员会起草文件并分发给相关制造商；其次，在吸收制造商意见后，公布拟议的标准并向社区内所有人征求意见；最后，在整合公众意见后，将文件提交给董事会请求最终批准。
国家模型铁路协会已为模型铁路的许多方面制定了标准，但大多数标准涉及轨距。
轨道和车轮。车轮被证明是模型铁路中一个特别棘手的部分，因为它们无法成为真实车轮的完美比例模型，同时仍要承受模型火车产生的作用力。
模型铁路发展的第二个繁荣期在1957年达到顶峰，期间该领域出现了许多重大创新，包括遥控道岔、高牵引力机车以及模拟全尺寸列车运行的功能。这些创新大多来自行业内的火车设计者，而非业余爱好者。事实上，对大多数业余爱好者而言，模型铁路是一个封闭的系统。他们并不关心发动机或电源内部的构造，而是将时间花在建造具有逼真景观、建筑和道路的布局上。这一规律的主要例外可能是麻省理工学院的技术模型铁路俱乐部（TMRC）。

兴趣下降

技术模型铁路俱乐部（TMRC）成立于1948年，其成员中包括多位后来成名的工程师，如杰克·丹尼斯。杰克·丹尼斯是Multics项目的一名工程师，因对计算机工程的贡献于2013年获得IEEE约翰·冯·诺依曼奖章。TMRC成员对交通管理感兴趣，并应用了大量数字技术来控制他们的模型火车。然而，在麻省理工学院模型铁路俱乐部的任何理念传播到公众之前，模型铁路的受欢迎程度便已开始长期下降。

20世纪60年代对模型铁路并不友好，因为这标志着该业余爱好开始转型。它不再仅仅是儿童的流行活动，而是越来越多地成为成年人的一种消遣方式，尽管它通常也是成年人与儿童和孙辈共度时光的一种方式。由于多种原因，人们对这一爱好的兴趣逐渐下降。1960年以后，火车不再是现代交通运输方式，因此对儿童的吸引力也减少了。此外，儿童有了其他更令他们感兴趣的娱乐形式，例如模型汽车和火箭。然而，20世纪60年代也标志着第一代模型铁路先驱者的退休。

Lionel公司创始人约书亚·利奥尼尔·科恩将公司卖给了他的侄孙、纽约律师罗伊·科恩，后者因其与参议员约瑟夫·麦卡锡的合作而闻名。罗伊·科恩试图推动Lionel公司多元化发展，并利用其技术专长生产其他产品。但他的努力并未成功，最终Lionel公司破产。

今天的业余爱好者是明天的工程师吗？

那么，模型铁路是否是向儿童传授工程原理的好方法呢？这个问题的答案是复杂的。模型铁路确实具备向儿童展示某些工程原理的能力。我敢肯定，至少会有一些本专栏的读者毫不含糊地告诉我，他们最初对工程的兴趣正是源于利奥尼尔火车。令人惊讶的是，模型火车涵盖了大量工程实践内容，包括标准。因此，通过研究这一行业，我们可以深入了解工程师们的工作方式。然而，我怀疑大多数业余爱好者并未深入探究其技术，甚至根本未曾探究。他们几乎没有动力去拆开机车或对车厢进行改装。充其量，他们的关注点在于建模过程本身，即构建一个以某种方式代表成人世界铁路的系统。

然而，或许我们不应否认模型铁路作为工程启蒙的意义。尽管它可能并未向众多业余爱好者传授工程原理，但至少让他们接触了机械，使儿童接触到技术规格，并鼓励他们动手摆弄技术。在一个充满技术的世界里，我们却极少给予儿童拆解和重新组装事物的机会。而这或许已经足够了。

关于作者
大卫·艾伦·格里尔（grier@gwu.edu）是位于华盛顿特区的乔治·华盛顿大学国际科学技术政策教授。