超越地球視角，太空教育“帶飛”科學夢想

龐之浩

2021年12月9日15時40分，中國首個太空科普教育品牌“天宮課堂”正式推出。通過面向全球的直播，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在天和核心艙內進行了中國空間站的首次太空授課。

從“太空第一課”到“天宮課堂”第一課，中國用了8年。8年前，王亞平在“天宮一號”進行的中國首次太空授課成為一代人心中珍藏的記憶。8年后，來自中國空間站的這堂科學課又一次喚醒了無數中小學生對宇宙的向往。

空間站作為國家太空實驗室，也是重要的太空科普教育基地，蘊含著得天獨厚的豐富教育資源，對激發社會大眾特別是青少年弘揚科學精神、熱愛航天事業具有特殊優勢。從世界范圍來看，太空教育已成為連接青少年與載人航天事業的最好橋梁，受到越來越多國家的重視。

天宮課堂

——每分鐘都經過精心設計

與8年前相比，此次太空授課講臺更大、互動更多、“新課表”內容更豐富。短短60分鐘的太空授課，每分鐘都經過精心設計，每一步都來之不易。

事實上，太空授課的“選題”條件相當苛刻。比如，實驗所需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，同時還要考慮創意新穎、簡單可行、不需要花費航天員很多時間等因素。

早在2013年6月20日，神舟十號航天員王亞平在聶海勝、張曉光協助下，在“天宮一號”目標飛行器內進行了中國首次太空授課。當時，全國6000余萬中小學生觀看授課直播，社會反響巨大。這堂課在一代人心中播下追逐航天夢想的種子。

為了準備這堂太空授課的內容，我國專門成立了太空授課專家組，筆者也是該專家組成員。太空授課專家組先后研究了“竹籃打水”“乒乓球”“回旋鏢”“溜溜球”“跳繩”等20多種方案，再根據科學性、教育性、趣味性、可行性、可視性、即時性、操作性和安全性等原則，經過集思廣益、反復篩選、嚴格論證，最終確定進行兩個方面的物理實驗，即物體運動特性和液體表面張力。

接下來，專家組還要對確定的每項實驗進行精心細致的研究。例如，用于制作水膜的金屬圈的大小和形狀，哪種更合適？單擺實驗是用繩還是用桿連接小球？這些實驗細節都需反復進行論證。

作為在軌載人航天器最直接明顯的特色，失重環境一直激發著各國航天員的奇思妙想。他們經常會利用空閑時間，錄制太空實驗的教育演示視頻。這些被稱為“星期六工程師”的航天員們將陀螺、足球、紙飛機、曲棍球等很多地面的運動、游戲和玩具搬到了空間站上，演示了包括失重環境中物體的質心、旋轉、共鳴、波動，牛頓定律、質量和重量、線性動量、角動量守恒、液體表面張力、伯努利定律、向心力與加速度等在內的諸多物理概念和定律。

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，但需要至少兩名航天員配合，他們一個負責攝像，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，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，并讓更多學生參與到真正的太空任務和實驗中來，接觸前沿航天設備，獲得前所未有的體驗，極大激發了學生的好奇心和創造力。

太空教育還有多種方式，如創辦太空教育網站、與載人航天器上的航天員進行視頻通話等。2022年，我國將建成“天宮”空間站，“天宮課堂”將持續開展太空授課活動，中國太空教育的形式和內容將會更加豐富多彩。

失重環境

——空間站調不出雞尾酒

載人航天器內的失重環境給人們最直觀的感受是，“那里的物理世界變得不一樣了”。演示失重環境下不一樣的物理現象，能幫助青少年更好地理解物理概念、物理規律。這次太空授課，幾乎所有實驗都與失重相關。

在失重科學實驗方面，國外已開發了不少面向青少年授課的太空實驗。2007年，美國女航天員巴巴拉·摩根在國際空間站上對地面青少年進行了世界上首次太空授課。根據學生想了解太空怎樣鍛煉的要求，她將身旁兩位航天員一手一個舉了起來。2012年，航天員佩蒂特在國際空間站內給地球上的學生演示了一個有趣的實驗——水滴繞毛衣針在太空飛舞，以驗證帶靜電的毛衣針在太空如何影響水滴運動。

此外，水的沸騰現象在失重環境中也與地面大相徑庭。在失重狀態下，由于沒有對流和浮力，加熱產生的氣泡會附著在容器底部，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”。

更有趣的是，在失重環境中，不同密度的介質不再相對沉淀并分層，而是呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態。所以，即使是調酒大師，在太空也調制不出雞尾酒。

離開重力場，燃燒也變得不同，這是一般人沒想過的。常見的淚珠狀火焰就是因重力引起的對流而產生的。在太空失重環境下，沒有了對流現象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，碳黑也能夠充分燃燒，從而呈現出藍色的球狀火焰。

所有這些現象，都是太空課堂特有的，對青少年更好理解物理規律非常有幫助。

除了進行失重條件下的物理科學實驗外，太空課堂還經常開展一些生物實驗。例如，2003年，美國“哥倫比亞號”航天飛機曾開展過一項太空螞蟻實驗。在航天飛機飛行的16天中，航天員發現，在太空中，螞蟻變得更活躍，會拼命挖隧道，而且挖掘方向變得沒有規律。

又如，“太空蛋白質晶體生長”實驗是載人航天活動中的重要項目，各國都很重視。在地面上，由于受重力影響，很難制成大而純的蛋白質晶體。在失重條件下，蛋白質晶體可以比在地球上生長得更純凈，體積也更大。目前，在國際空間站上也開展了促進蛋白質晶體增長的實驗，其中有500多個蛋白質樣本的準備有青少年參與，這可使學生了解什么是結晶、結晶的分析方法、結晶的先進生物工藝、結晶在醫學和生物學研究中的作用等。

太空實驗

——學生們的科學心愿可上天

除了在地面觀看視頻，青少年還可以自己設計太空實驗，爭取送到載人航天器上進行實驗的機會。

在美國航天飛機服役期間，航天飛機的大貨艙內專門安裝有用于太空實驗的“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“零星搭機實驗”專用容器，根據不同的大小和質量，收費標準分別為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，有進行植物發育實驗的“太空溫室”、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。

太空科學實驗多種多樣，如材料加工實驗、生物學實驗、失重科學實驗、醫學和生命實驗、對地觀測實驗等。迄今為止，國際空間站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。

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。

我國曾從全國各地征集的上萬份提案中，評選出五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。

這五項實驗先后登上美國的航天飛機，前四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，其余三個方案都取得了很好的結果。最不幸的是蠶寶寶實驗，由于“哥倫比亞號”航天飛機在返回過程中失事，中國的蠶寶寶也隨之“香消玉殞”。

為了實現學生們的心愿，我國航天部門于2005年讓蠶寶寶登上了中國第22顆返回式人造衛星。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。這是中國航天器首次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。

我國有關部門已組織青少年設計太空實驗方案，并定期請專家評審。未來，優秀的青少年科學實驗方案有望在中國空間站上實施。

（注：作者系中國首次太空授課專家組成員）

（摘自2021年12月16日《文匯報》）