在“世界最高課堂”里演示刷牙洗臉

2013年，我國航天活動精彩紛呈，其中太空授課活動在全國乃至世界產生了較大影響，至今令人難忘。2013年6月20日上午，神舟10號航天員王亞平通過聶海勝、張曉光協助在天宮1號目標飛行器實驗艙內進行了約40分鐘的太空授課活動，圓滿為全國青少年進行了質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球共5項太空科學實驗，拉開了我國在自己的載人航天器上開展太空教育的序幕。

得天獨厚很奇妙

眾所周知，在太空飛行的載人航天器內與地面有天壤之別，最顯著的特點是存在地面難以模擬的長期失重環境。在那里人人好像都會輕功，可以像游泳一樣隨意飄來飄去。6月13日，航天員聶海勝、張曉光和王亞平都是以這種方式先后從神舟10號飛船飄入天宮1號目標飛行器內的；航天員各個均能成為大力士，可毫不費力地舉起任何東西，甚至能輕松表演“一指禪”；他們的睡覺也不分上下，可以站著睡，也能倒立睡，高興時還可不固定睡袋，當一回“夜游神”；吃東西時也能像小鳥一樣，把食物放在空中后用嘴去接著吃……

載人航天器內的失重環境不僅使航天員的生活變得十分奇妙，對物理、化學、材料、生物、醫學等領域也會產生重要影響。在那里，液體中密度不同的成分不會發生沉淀和對流；水和蠟燭燃燒都會呈球狀；許多成語也要修改了，比如：腳踏實地、飛流直下、空中樓閣、危如累卵、搖擺不定等成語在失重環境中都不適用了，在那里水不再往低處流，甚至用竹籃也可以打水。真可謂“不一樣的世界，不一樣的感受”。

為了引起學生們和老師們對太空探索的興趣， 激發他們在科學、技術、工程和數學領域方面研究的興趣和靈感，吸引更多的學生今后加入到這些領域和航天事業的隊伍中來，美國航空航天局已將太空教育確定為自己的三大使命之一。其三大使命是：“理解并保護我們賴以生存的行星；探索宇宙，找到地球外的生命；啟示我們的下一代去探索宇宙”。 美國航空航天局要求在其各項任務中都要加入太空教育的內容，并每年為此投入1億～1.5億美元經費。

現在，載人航天的空間應用項目主要包括醫學與生物學研究、生物工程、空間技術、材料科學、教育活動、地球物理學及對地觀測等7個方面的科技研究性應用。由此可見，太空教育已成為載人航天的一項重要內容，是連接青少年學生與載人航天事業的最好橋梁，因而已受到越來越多國家的重視。

世界最高課堂

太空教育有多種形式，其中在太空授課是最典型的一種方式，那里稱得上是世界上最高的課堂，可對培養青少年探索太空的興趣產生積極影響。

此前，全球只有美國女航天員巴巴拉·摩根曾于2007年在“國際空間站”上對地面青少年進行過一次授課。在摩根的太空授課活動中，一個學生想了解航天員是如何在太空中鍛煉身體的，摩根沒有直接回答，而是將身旁2個身材魁梧的航天員舉了起來，一手一個，并裝出一副很吃力的樣子。另一個學生想知道如何在太空喝水，摩根便從一個特制的飲水袋中擠出幾個水珠，然后她和同事們用嘴接住四處飄動的水珠并吞下去。學生問摩根，航天員在太空中如何保持個人衛生，摩根馬上往自己的臉上噴射肥皂水，演示她是怎么洗臉的。另一個航天員還演示了如何刷牙：漱口水需要吐到專用毛巾上，因為在太空微重力環境下，水不會往低處流。

我國原定由神舟9號航天員在太空為青少年授課，但后來因任務緊張而取消了。神舟10號航天員王亞平在天宮1號內通過電視直播的形式進行了我國第一次、世界第二次太空授課，向地面的中小學生展示失重條件下的特殊物理現象，了解液體表面張力的作用，從而激發青少年的興趣，加深對質量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解。由此不難看出，我國的太空授課與美國的太空授課有明顯的差異，美國太空授課的內容是介紹和演示太空生活，而我國太空授課的內容是介紹和演示物理概念，所以我國太空授課的科技含量較高，難度也較大。

2013年6月13日，世界第一位太空女教師摩根致信即將在“天宮”上授課的女航天員王亞平：“親愛的王亞平：在你環繞地球而行并準備從太空授課之際，我代表全世界的教師和學生向你致以榮耀和愛的問候。我們為你驕傲。我們希望你和你的乘員組同事平安和成功。你在那里一定非常忙碌，但請記得花些時間望向窗外，因為中國和這個世界美麗迷人。您真誠的芭芭拉·摩根。”

2013年6月20日，王亞平在結束太空授課后，立即從天宮1號通過電子郵件給摩根發了回信，信中寫道：“親愛的芭芭拉·摩根女士：在遙遠的太空收到您的來信，我和我的同事感到很高興，謝謝您對我們的關心和祝愿，對您為世界載人航天和教育事業做出的貢獻表示敬佩和敬意。今天，我們順利完成了太空授課活動，與億萬中國學生一起分享了太空的神奇和美妙，收獲了知識和快樂，希望您和世界各地的教師、學生看到后能夠喜歡。飛行期間，我經常會通過舷窗遙望我們美麗的家園。太空寄托著人類美好的向往，知識是走向太空的階梯。我們愿與您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛科學、探索宇宙的夢想共同努力。”

太空實驗有多種

至今，國外已利用載人航天器中得天獨厚的失重環境進行許多有趣的太空實驗，其中不少是青少年參與實施的。太空實驗的入選條件是所需要的材料和設備必須安全可靠、質量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環境等。當然，也要滿足創意新穎、簡單可行、不需要花費航天員很多時間等要求。

在美國航天飛機服役期間，專門在航天飛機的大貨艙內安裝了用于太空實驗的“搭載箱”，想在航天飛機上進行實驗的學生可租用它。“搭載箱”可放置用于實驗的“零星搭機實驗”專用容器，根據大小和質量的不同分3種型號，收費的標準分別為10000美元、5000美元和 3000美元。有些國家為了培養青少年對太空科學的興趣，為其學生租下“搭載箱”進行太空實驗。

目前，在“國際空間站”的各國實驗艙內，也有進行植物發育實驗的“太空溫室”、 對植物生長的環境參數進行精確控制的先進航天培養皿、觀察外太空對材料影響的“手提箱”、可完成各種生理實驗的“實驗架”、能進行各種實驗的“手套箱”等各種太空實驗設備。除用于航天員進行預定的科學實驗外，學生們可以根據自己實驗的需要申請現有的實驗設備。如果需要特殊的實驗設備，學生可以或在有關科研單位的協助下研制。

其實，早在“國際空間站”建造初期，駐守其間的航天員就意識到了太空生活、失重環境下的種種奇妙現象對于學生的巨大吸引力。所以，他們在繁忙的工作之余盡可能地抽出時間和學生交流，甚至親自做一些實驗演示。至今，一批又一批航天員用自己的經歷和行動，鼓舞和啟迪著全世界數百萬計的學生。“國際空間站”現已完成了幾十項學校與學生的科研項目，在太空開展了教學實驗活動，設置虛擬課堂和虛擬演示驗證課。例如，把蝴蝶、蜘蛛等送到“國際空間站”，以作為一項教育實驗的一部分。2012年，美國“龍”飛船把全美多所高校學生參與的23項研究運送到太空，后又帶回地面。這些學生的研究項目是“學生航天飛行實驗計劃”的一部分，該計劃給學生提供機會，設計微重力下物理、化學和生物學方面的研究項目。

失重科學較直觀

在失重科學實驗方面，國外已進行了不少有關物理和化學方面的太空實驗，例如，在“國際空間站”上，美國航天員佩蒂特做過的液體實驗十分有趣：他先從飲水袋出水口慢慢擠出一些水來，由于水在失重環境中不受重力的影響，液體表面張力起主導作用，所以水能飄浮在空中，且不呈水滴狀，而呈球狀；接著，他用注射器向水球中間注入了一些氣體，形成了水氣球；之后他又借助于針頭小心翼翼地將水注入邊緣，結果里面的泡泡發生旋轉；然后他將有色飲料注入水球，制作出彩色水氣球；最后他用激光照射水球，展示了彩色水氣球，它有許多小泡泡發生彈跳并反射光線。

眾所周知，水燒開時會出現沸騰現象，這是因為水在被加熱時，底部的水先變成蒸汽，使容器底部產生小氣泡，并被重力引起的對流帶到容器上部，當容器中的水受熱超過其飽和溫度時，在水的內部和表面同時發生劇烈汽化的現象，整個水就沸騰了。但在失重狀態下，由于沒有對流和浮力，加熱產生的氣泡會一直附著在容器底部停留很長時間，最后形成一個大氣泡，漂浮在水中。研究失重環境中的沸騰現象對太空或地面工程中的散熱設計很有用，可防止出現“空氣鎖”。

燃燒是一種常見現象，但其過程與重力有很大關系，可能是一般人沒想過的，常見的淚珠狀火焰就是因為重力引起的對流產生的。蠟燭在地面燃燒時，由于加熱后的周圍氣體密度低而上升、較冷的氣體從下面補充進來形成的對流作用，將蠟燭的火焰拉長呈淚珠狀，并且由于炭黑來不及充分燃燒就被帶走，使火焰呈紅黃色。在太空失重環境中，沒有了對流現象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，且其火焰呈球狀，炭黑也能夠充分燃燒，使火焰呈藍色。

失重環境還會改變動物的行為。例如，在2003年美國哥倫比亞號航天飛機失事前的16天中，航天員每天多次地觀察和拍攝螞蟻的行為和筑巢進程，共進行了80多次實驗，并將實驗的情況及時地傳送到地面，學生們每日從互聯網鏈接中下載數據，其中包括螞蟻行為的錄像和靜態照片。原先猜想在失重環境中，螞蟻會分不清上下，行動遲緩，筑巢的速度也會減慢，但通過發回的照片和錄像發現，太空螞蟻更活躍，會瘋狂地挖隧道，但挖隧道的方式與地面螞蟻不同。地面螞蟻是沿著螞蟻工坊的四周挖隧道，而太空螞蟻挖隧道的方向沒有規律，更隨意。

演示視頻最常用

由于太空授課的次數和時間十分有限，而太空實驗對青少年又有很好的啟迪作用，所以上述太空實驗除了可采用太空授課的方式進行演示外，目前還常采用視頻傳輸的方式進行演示，即航天員在載人航天器內錄制學生感興趣的太空實驗，然后在通信信道不忙時把教育演示視頻用中繼衛星傳輸到地面，被廣泛用于全世界的教育者進行科學演示，學生們也可通過網絡直接下載航天員演示視頻。

現在，有的航天員在空閑時常錄制進行太空實驗的教育演示視頻，在“國際空間站”已錄制了數以百計的教育演示視頻，其中不少是演示物理定義和規律，如演示失重環境中物體的質心、旋轉、共鳴、波動、水滴、牛頓定律、質量和重量、線性動量、角動量守恒、液體表面張力、速度與能量和做功、伯努利定律、向心力與加速度等。

這些演示視頻豐富多彩，除了拍攝航天員的太空生活——睡眠、工作、科研活動外，更多的是借助“國際空間站”奇妙的失重環境和現有器材，進行基本定律的演示。為了更加形象地演示這些規律，同時也為了使航天員更加有興趣參與，每次演示都需要用到一些教具，為此，陀螺、跳繩、足球、回旋鏢、溜溜球、紙飛機、曲棍球等很多地面的運動、游戲和玩具都被搬到了空間站上。

制作這些視頻雖然不需要耗費額外的能源或者特別的硬件設備，但需要至少2名航天員配合，他們一個負責攝像設備，一個負責演示。教育演示視頻已成為“國際空間站”一項成功的太空教育活動，它只需要簡單的教具和利用失重環境，就可把物體運動特性、液體表面張力等在地球上不容易理解的概念講得生動有趣，并讓更多的學生參與到真正的太空任務和實驗當中來，接觸前沿航天設備，獲得前所未有的體驗，極大地激發了學生的好奇心和創造力。

中國行動早開始

在王亞平進行太空授課之前，我國已展開過多項太空教育活動。例如，我國多次進行了“中國青少年航天飛機科學實驗方案”的征集活動，并積極參加航天飛機和我國衛星的搭載實驗；專門為我國青少年科技愛好者發射希望1號小衛星，并啟動了希望1號衛星搭載方案征集活動；多次舉辦航天夏令營和體驗營，對中小學生進行航天知識教育；多所高等學校的學生參加航天硬件設計（如月球車）和太空實驗；組織學生與“國際空間站”航天員通話等活動。

我國曾從全國各地征集的上萬份提案中評選出5項由中、小學生提出的上天方案，它們是：用膠粘法控制航天飛機艙內垃圾；液態混合物的凝固；微重力環境對草履蟲生長和繁殖的影響；失重環境中固?液表面間的相互作用；蠶吐絲織繭實驗。這5項實驗先后登上美國的航天飛機，但最后結局不完全相同。前4項實驗中除了草履蟲實驗由于電池工作壽命限制未獲得成功外，其余3個方案都取得了很好的結果。最不幸的是第5項蠶寶寶實驗，由于哥倫比亞號航天飛機在返回過程中解體，中國的蠶寶寶也隨著7名航天員“為國捐軀”了。為了實現學生們的心愿，我國航天部門讓蠶寶寶登上了中國的第22顆人造衛星。太空蠶回到地面后，學生們與科學家一起分析太空飛行對蠶寶寶和它們后代的影響。這是首次中國航天器搭載由孩子們自己設計的實驗，對中國航天科技的發展具有開創性意義。

我國還曾多次舉行過太空美術展、航天體驗營等多種航天科普活動。2013年6月21日，在中國科學技術館舉行了“航天科普大講堂”系列活動啟動儀式。2013年12月28日，“航天科普大講堂”全國系列巡講在上海科技館舉行，嫦娥3號探測器系統副總設計師張玉花、中國空間技術研究院研究員龐之浩以科普的方式向公眾介紹了世界探月技術的進展。

其實，在太空教育方面還有多種方式，如辦太空教育網站，其內容有適合于教師的，也有適合于學生或兒童的。對不同年齡的學生，提供不同的閱讀材料或者教材。對航天教育感興趣的教師們也可從網上獲得適合自己教學所需要的教材和教學用具，而且可以了解最近航天部門為學生們提供參加航天活動的計劃，有心的教師有可能通過它為自己的學生爭取到參加太空實驗的機會。由上述可見，太空教育的前景是十分廣闊的。

中國太空女教師王亞平的太空授課開辟了我國太空教育的新篇章。2020年前后，我國將建造空間站，可以相信，屆時我國的太空教育會更加豐富多彩。