飛天夢永不失重 科學夢張力無限 中國載人航天工程首次太空授課的設計與實現(xiàn)

林麗琴 張光

？太空授課

2013年6月20日10：04—10：54，在距離地面343 km的天宮1號，中國神舟10號飛船的3名航天員王亞平、聶海勝、張曉光為全國青少年上了一堂精彩的“太空一課”。這堂課由王亞平主講，其他2名航天員擔任助教和攝像。活動過程中，王老師開展了質(zhì)量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球5項實驗，展示了失重環(huán)境下物體運動、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，使中小學生了解失重條件下物體運動的特點，了解液體表面張力的作用，加深了對質(zhì)量、重量及牛頓定律等基本物理概念的理解。300名中小學生與中學物理教師在地面課堂聽講，并與航天員進行了互動交流。從首都北京到祖國的四面八方，8萬多所中學、數(shù)千萬名師生通過廣播、電視和網(wǎng)絡直播，共同收聽、收看航天員太空授課，一同領(lǐng)略奇妙的太空世界。

實驗1：質(zhì)量測量演示

“失重了，我們的身體質(zhì)量是不是也沒有了？”

失重環(huán)境下怎樣測量質(zhì)量呢？航天員用天宮1號上的質(zhì)量測量儀現(xiàn)身說法。他們從天宮1號的艙壁上打開一個支架形狀的裝置，航天員聶海勝把自己固定在支架一端，王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架便在彈簧的作用下回復原位。裝置上的LED屏顯示出數(shù)字：74.0，這表示聶海勝的實測質(zhì)量是74 kg。王亞平向同學們解釋了實驗原理后，還給同學們布置了1道課后思考題：除了運用牛頓第二定律，還有什么辦法可以在失重環(huán)境下測量物體的質(zhì)量？

實驗2：單擺運動演示

“太空中的單擺小球松手后會出現(xiàn)怎樣的情況呢？”

T型支架上，用細繩拴著1顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手，小球并沒有出現(xiàn)在地面上常見的往復擺動，而是停在了半空中。王亞平用手指沿切線方向輕推小球，給小球一個初始速度，奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了，小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動。

實驗4：水膜演示

“天宮里有沒有飛流直下的瀑布？”

王亞平拿起1個航天員飲用水袋，打開止水夾，水并沒有傾瀉而出。輕擠水袋，在飲水管端口形成了1顆晶瑩剔透的水珠，略微抖動水袋，水珠便懸浮在半空中，與天宮1號艙壁上鮮艷的五星紅旗交相輝映，更顯得美輪美奐。接著，她把1個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了1個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂，用力稍大才甩出1個小水滴。隨后，王亞平又往水膜表面貼上了1片畫有中國結(jié)圖案的塑料片，水膜依然完好。這些在地面難得一見的奇特景象，引起了地面課堂同學們的連聲驚嘆。

實驗5：水球演示

“用神奇的液體表面張力變個‘魔法！”

王亞平用金屬圈重新做了1個水膜，然后用飲水袋慢慢地向水膜上注水，不一會兒，水膜就變成了1個亮晶晶的大水球，水球中還有一串珍珠般的小氣泡，仿佛銀河系中的繁星點點。王亞平用注射器向水球內(nèi)注入空氣，在水球內(nèi)產(chǎn)生了2個標準的球形氣泡，氣泡既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起。水球也沒有爆裂。緊接著，王亞平又用注射器把少許紅色液體注入水球，紅色液體慢慢擴散開來，晶瑩透亮的水球變成了粉紅色，令人嘖嘖稱奇。

宇宙無限，探索無盡，不知不覺中，航天員們要和地面課堂的同學們說再見了。他們每人都為同學們送來了太空寄語——

聶海勝說：“愿同學們刻苦學習，增長知識，為‘中國夢添彩！”

張曉光說：“深邃太空，奧秘無窮，探索無止境，讓我們共同努力！”

王亞平說：“飛天夢永不失重，科學夢張力無限！”

？太空授課活動的策劃與設計

電視和網(wǎng)絡是目前最有影響力的傳播媒體。中央電視臺作為中國國家級電視臺，是中國受眾最多、影響力最大的電視媒體。中央電視臺從授課活動策劃開始就高度關(guān)注、主動參與，并結(jié)合電視傳播的特點對授課的內(nèi)容和形式提出了很多建議。在活動開始之前，進行了多角度的宣傳，吸引觀眾的注意。授課活動中進行了同步直播，并組織了多個專題節(jié)目，邀請著名科學家對此次活動的內(nèi)容進行全方位地詳細解讀和闡釋，進一步拓展了授課活動的影響。中國眾多網(wǎng)絡媒體在互聯(lián)網(wǎng)上對活動的全過程進行了視頻直播，全世界的觀眾都可以通過網(wǎng)絡看到授課活動。網(wǎng)絡傳播使得授課活動的覆蓋面進一步擴大，并得以持續(xù)和多次傳播，使得很多沒有及時觀看電視直播的觀眾得以通過網(wǎng)絡觀看活動的視頻。此外，很多報紙、期刊也對授課活動進行了及時且翔實的報道。

為吸引青少年關(guān)注此次太空授課活動，今年3—5月，中國科協(xié)在全國范圍內(nèi)舉辦了“全國青少年航天科技知識競賽”。競賽組織專家圍繞太空基本知識設計了競賽題目。全國30多個省區(qū)2 000余所學校的30余萬名青少年積極參與。中國載人航天工程網(wǎng)在授課活動前也舉辦了“我問航天員——太空授課大型問題征集”活動，收集中小學生對載人航天科技、航天飛行、空間科學及航天員太空工作、生活等領(lǐng)域的提問，征集到數(shù)千個相關(guān)問題。這些活動的開展為授課活動進行了預熱，激發(fā)了很多孩子對太空授課活動的好奇心，為授課活動作了知識上和心理上的鋪墊。

這次太空授課是一次成功的科學傳播活動案例。成功之處體現(xiàn)在：一是參與人數(shù)多。中國有6 000萬名中小學生及公眾通過電視和互聯(lián)網(wǎng)直播收看了授課活動，總共約有1億中國人觀看了這次授課活動。中國以外的中小學生和公眾也都可以通過互聯(lián)網(wǎng)觀看此次授課活動的視頻。二是效果好。授課內(nèi)容形式生動有趣，給公眾留下了深刻的印象。航天員在太空中演示的5個實驗現(xiàn)象是地面上無法實現(xiàn)的，展示了太空失重環(huán)境下的有趣現(xiàn)象，王老師的講解輕松活潑，大大激發(fā)了中小學生和公眾的好奇心和求知欲，激發(fā)了青少年熱愛太空、探索太空的熱情。

？太空授課背后的科技實力保障

太空授課看似是很簡單的一項任務，但鮮為人知的是，這需要強大的航天測控能力在背后進行支持，特別是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的支持。神舟—天宮組合體運行在距離地面大約343 km的高度，屬于近地軌道航天器，繞地球運行1圈的時間約為90分鐘。受地球曲率影響，地面或海面單個測控站對343 km高度的神舟—天宮組合體的測控、通訊范圍很小，如果要保持不間斷的通聯(lián)，理論上需要布設100多個站點并均勻分布在地表，這在經(jīng)濟上、政治上都是不可能的。此次太空授課的時長是50分鐘，從上課開始到結(jié)束，這期間神舟—天宮組合體已經(jīng)圍繞地球飛行了半圈多，依靠地面測控站進行不間斷視頻直播的話，最理想情況也需要10多個測控站，我國的地面測控體系現(xiàn)在也缺乏這個條件。我國分別在2008年、2011年和2012年發(fā)射了天鏈1號數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的01、02和03星，由此建立第1代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。細心的觀眾可以發(fā)現(xiàn)，在央視對神舟10號發(fā)射的直播中，屏幕右上角有時會出現(xiàn)“天鏈”字眼，這是表示當時的視頻信號來自天鏈1號數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以稱得上是當今技術(shù)含量最高的通訊衛(wèi)星，太空授課實則是對我國航天測控實力的一次展示?！?/p>