“天宮課堂”講了哪些“高能”知識點

樊巍

“天宮課堂”第二課開講

在約45分鐘的授課中，翟志剛、王亞平、葉光富相互配合，生動演示微重力環境下太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗，深入淺出講解實驗現象背后的科學原理，同時展示部分空間科學設施，介紹在空間站的工作生活情況。授課期間，航天員通過視頻通話形式與地面課堂師生進行互動交流。

中科院空間應用工程與技術中心應用發展中心主任張偉在接受《環球時報》記者采訪時表示，與中國空間站第一次太空授課不同的是，第二次太空授課中，中國空間站的實驗機柜也參與到授課過程中，3名航天員將日常生活中的一些科學知識和航天員在太空中的研究結合起來進行演示。

在首先進行的太空“冰雪”實驗中，“太空教師”王亞平演示了失重狀態下的飽和液體結晶現象。據《環球時報》記者了解，這項實驗由中科院空間應用工程與技術中心提交，主要是利用過飽和無水醋酸鈉溶液結晶來呈現“點水成冰“的效果。

中科院物理研究所研究員魏紅祥在接受《環球時報》記者采訪時表示，在空間站的微重力環境中開展這項實驗，它的結晶狀況跟地面上開展實驗的差別很大，空間站中并未使用容器，最終結晶為圓球狀，還可以往外發展，但如果在地面使用容器開展實驗，受容器限制，只能往內結晶。

來自中國科技館“地面課堂”的吳老師介紹，這項實驗所引出的空間站上的無容器材料實驗柜堪稱是研究材料的“大國重器”。

據《環球時報》記者了解，無容器材料科學實驗柜通過靜電場精確控制樣品位置，利用激光加熱可使樣品最高溫度達3000攝氏度，可以開展金屬及非金屬化合物材料物性的研究?？山沂靖黝惒牧系奶匦约吧L規律，攻克在地面條件下材料制備無法解決的難題，開發出具有新型功能的材料。、實驗成果可在高溫單晶合金(航空發動機和燃氣輪機葉片)、核電站高溫材料、新型鐵基超導材料、新型紅外遙感探測材料、醫學探測器材料等領域獲得應用。

在液橋演示實驗中，王亞平演示了失重環境下水的表面張力作用。天宮課堂地面主課堂授課教師李曉彤介紹稱，在地面上無法做出空間站上這么大的液橋，而“太空老師”們就可以更加形象地展現這個實驗，讓同學們對手液體表面張力有更加直觀和深刻的認識。“太空授課的液橋實驗一方面是書本知識的一種非常好的實踐和補充，讓同學們在頭腦中靠想象才能理解的圖像得以放大和實現，從而更加深刻地去理解這個概念?！痹谒头蛛x實驗中，王亞平演示的是失重環境下水油分層現象消失、通過旋轉產生離心力實現分層的現象。吳老師介紹稱，這些實驗共同展示的現象都是密度分層的消失，原因就在于空間站中的微重力環境。

微重力環境有什么作用？吳老師解釋稱，如果在空間站的微重力環境下，向熔融的合金中注入氣體，就可以得到高質量的泡沫金屬，利用的正是儂重力環境沒有密度分層這個優勢。這卻泡沫金屬是重要的航空航天材料，在能源和環保領域也非常重要。而這還只是微重力環境一個簡單直觀的應用。

在最后開展的太空拋物實驗中，王亞平用冰墩墩演示了天地之間拋物的區別。天宮課堂地面主課堂授課老師張健介紹稱，通過這項實驗可以引申出牛頓的高山大炮實驗和第一宇宙速度的概念。七牛頓的高山大炮實驗是一種思想實驗，如果掌握了思想實驗，就可以在邏輯力量的支配下去探索未知的世界。”張健稱?！?/p>

國際空間站如何開展太空授課

在載人航天器上開展太空授課具有十分重要的意義，許多國家都對太空授課項目高度重視。國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光在接受《環球時報》記者采訪時表示，如果不限于形式，目前很多國家都開展過“太空授課”活動，“比如俄羅斯、加拿大、韓國和馬來西亞等國的宇航員都曾在太空中錄制視頻，然后帶回地面展示”，但如果嚴格按照天地連線的形式定義太空授課，目前全世界僅有中美兩國實現了太空授課的直播。

據美國國家航空航天局（NASA）官網信息顯示，美國的太空授課項目啟動較早，但實現過程歷經艱辛與磨難。1984年，時任美國總統里根宣布將開展一項名為“太空教師計劃”的項目：該項目最初從1.1萬多名申請者中選定美國高中社會研究課程教師克麗斯塔?麥考利夫和小學教師芭芭拉?摩根作為“太空教師計劃”項目的首批參與者，并最終確定克麗斯塔?麥考利夫作為美國首位太空教師人選開展太空授課。不幸的是，那次承載著夢想的飛行任務卻遭遇了人類航天史上的一次重大災難。“挑戰者”號航天飛機在升空過程中解體，包括克麗斯塔?麥考利夫在內的7名乘組成員全部遇難。之后，NASA終止了“太空教師計劃”項目。作為此次任務備份的太空教師芭芭拉?摩根也繼續自己的教學生涯。直到1998年，NASA重拾“太空授課”計劃，以“教育家宇航員”項目取代“太空教師計劃”項目，新項目的不同之處在于，被挑選參加飛行任務的太空教師不會在完成太空飛行任務后回歸課堂，而是經過培訓成為真正的宇航員，他們在擔負常規飛行任務之外，還將與其他宇航員一起幫助地面的老師和學生探索太空。

頗具傳奇色彩的是，2007年8月，芭芭拉?摩根以“職業宇航員”的身份搭乘“奮進”號航天飛機登上苗際空間站，并在此次飛行任務中圓了自己和麥考利夫的太空授課夢。全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩在接受《環球時報》記者采訪時表示，載人航天器內的微重力環境，能幫助青少年更好地理解一些物理概念、物理規律，國際空間站也因此開發了不少面向青少年授課的太空失重科學實驗。例如，2012年宇航員佩蒂特在國際空間站內給地球上的學生演示了一個十分有趣的實驗——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，與載人航天器上的宇航員進行通話也是太空教育的一項內容。成之浩介紹稱，目前，僅國際空間站就進行了700多次業余無線電通話活動，共有40多個國家和地區、數百萬學生參與。而與國際空間站舉辦視頻通話，則需要舉辦方通過美國航空航天局現場互動媒體服務頻道連接至美國航空航天局電視臺，此外還需要兩條專用的電話線路以及配套的廣播設備。通話為雙向音頻、單向視頻，學生可以通過視頻看到宇航員的實時影像，通過音頻和宇航員對話。這項活動深受青少年喜愛?！?/p>

還會有更多“天宮授課”

航天大國為何都熱衷于開展太空授課？

楊宇光表示，從大的背景而言，人類的航天活動發展到今天已經比較成熟，許多衛星每天都可以直接服務于我們的生活和國民經濟，這些航天活動是有直接回報的。但載人航天活動，似乎沒有直接經濟回報，因此就需要大眾去了解它的重要性、不可或缺性?！耙虼宋覀冊谥袊臻g站任務規劃時，就會把科普作為它的一項重要職能，空間站有著非常特殊的環境，在空間站上進行的物理學演示，是地面上根本無法實現的，可以給學生一個非常好的教學效果。因此太空授課是一件很有價值的事情。”楊宇光稱。

其次，楊宇光認為，太空授課能起到一個激勵作用?！扒岸螘r間王亞平在中國空間站第一次太空授課時，已經有很多報道，找尋到2013年她在天宮一號進行中國第一次太空授課時的聽課學生，他們中的很多人目前已經進入航天系統或科研領域工作，這一點非常重要?！睏钣罟膺M一步舉例稱，在楊利偉第一次飛天以后，國家重點高校的航天專業生源都比過去有大幅提升，有更多優秀的學生選擇航天領域，選擇理工科，這對于國家的科技推動作用是不可估量的。

此外，楊宇光還提出太空授課的激勵作用不限于科技人才，還有利于培養民眾的愛國情懷。

在接受《環球時報》記者采訪時，中科院空間應用工程與技術中心應用發展中心主任張偉透露，根據中國.空間站的工程任務安排，未來還會有生命科學實驗柜、流體實驗柜、燃燒實驗柜：基礎物理實驗柜等十幾個科學實驗柜，隨著實驗艙I和實驗艙U被送入太空。將開展包括細胞、植物、動物生命科學實驗,此外還將開展流體實驗，顆粒物、氣體的燃燒實驗，基礎物理的實驗等。隨著后續大量實驗將要陸續開展，-未來中國空間站太空授課的形式也將更為豐富多樣。▲