超越地球視角，太空教育“帶飛”科學(xué)夢(mèng)想

龐之浩

2021年12月9日15時(shí)40分，中國首個(gè)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(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在天和核心艙內(nèi)進(jìn)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(hào)”進(jìn)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(xué)課又一次喚醒了無數(shù)中小學(xué)生對(duì)宇宙的向往。

空間站作為國家太空實(shí)驗(yàn)室，也是重要的太空科普教育基地，蘊(yùn)含著得天獨(dú)厚的豐富教育資源，對(duì)激發(fā)社會(huì)大眾特別是青少年弘揚(yáng)科學(xué)精神、熱愛航天事業(yè)具有特殊優(yōu)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(yè)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(jīng)過精心設(shè)計(jì)

與8年前相比，此次太空授課講臺(tái)更大、互動(dòng)更多、“新課表”內(nèi)容更豐富。短短60分鐘的太空授課，每分鐘都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，每一步都來之不易。

事實(shí)上，太空授課的“選題”條件相當(dāng)苛刻。比如，實(shí)驗(yàn)所需的材料和設(shè)備必須安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對(duì)航天員健康無影響、不會(huì)污染座艙環(huán)境等。當(dāng)然，同時(shí)還要考慮創(chuàng)意新穎、簡單可行、不需要花費(fèi)航天員很多時(shí)間等因素。

早在2013年6月20日，神舟十號(hào)航天員王亞平在聶海勝、張曉光協(xié)助下，在“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器內(nèi)進(jìn)行了中國首次太空授課。當(dāng)時(shí)，全國6000余萬中小學(xué)生觀看授課直播，社會(huì)反響巨大。這堂課在一代人心中播下追逐航天夢(mèng)想的種子。

為了準(zhǔn)備這堂太空授課的內(nèi)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(jù)科學(xué)性、教育性、趣味性、可行性、可視性、即時(shí)性、操作性和安全性等原則，經(jīng)過集思廣益、反復(fù)篩選、嚴(yán)格論證，最終確定進(jìn)行兩個(gè)方面的物理實(shí)驗(yàn)，即物體運(yùn)動(dòng)特性和液體表面張力。

接下來，專家組還要對(duì)確定的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精心細(xì)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(shí)驗(yàn)是用繩還是用桿連接小球？這些實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)都需反復(fù)進(jìn)行論證。

作為在軌載人航天器最直接明顯的特色，失重環(huán)境一直激發(fā)著各國航天員的奇思妙想。他們經(jīng)常會(huì)利用空閑時(shí)間，錄制太空實(shí)驗(yàn)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(jī)、曲棍球等很多地面的運(yùn)動(dòng)、游戲和玩具搬到了空間站上，演示了包括失重環(huán)境中物體的質(zhì)心、旋轉(zhuǎn)、共鳴、波動(dòng)，牛頓定律、質(zhì)量和重量、線性動(dòng)量、角動(dòng)量守恒、液體表面張力、伯努利定律、向心力與加速度等在內(nèi)的諸多物理概念和定律。

制作這些視頻雖然不需要耗費(fèi)額外的能源或者特別的硬件設(shè)備，但需要至少兩名航天員配合，他們一個(gè)負(fù)責(zé)攝像，一個(gè)負(fù)責(zé)演示。教育演示視頻已成為國際空間站一項(xiàng)成功的太空教育活動(dòng)。它只需要簡單的教具，利用失重環(huán)境，就可把物體運(yùn)動(dòng)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(dòng)有趣，并讓更多學(xué)生參與到真正的太空任務(wù)和實(shí)驗(yàn)中來，接觸前沿航天設(shè)備，獲得前所未有的體驗(yàn)，極大激發(fā)了學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力。

太空教育還有多種方式，如創(chuàng)辦太空教育網(wǎng)站、與載人航天器上的航天員進(jìn)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(xù)開展太空授課活動(dòng)，中國太空教育的形式和內(nèi)容將會(huì)更加豐富多彩。

失重環(huán)境

——空間站調(diào)不出雞尾酒

載人航天器內(nèi)的失重環(huán)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(huán)境下不一樣的物理現(xiàn)象，能幫助青少年更好地理解物理概念、物理規(guī)律。這次太空授課，幾乎所有實(shí)驗(yàn)都與失重相關(guān)。

在失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，國外已開發(fā)了不少面向青少年授課的太空實(shí)驗(yàn)。2007年，美國女航天員巴巴拉·摩根在國際空間站上對(duì)地面青少年進(jìn)行了世界上首次太空授課。根據(jù)學(xué)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(gè)舉了起來。2012年，航天員佩蒂特在國際空間站內(nèi)給地球上的學(xué)生演示了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)——水滴繞毛衣針在太空飛舞，以驗(yàn)證帶靜電的毛衣針在太空如何影響水滴運(yùn)動(dòng)。

此外，水的沸騰現(xiàn)象在失重環(huán)境中也與地面大相徑庭。在失重狀態(tài)下，由于沒有對(duì)流和浮力，加熱產(chǎn)生的氣泡會(huì)附著在容器底部，停留很長時(shí)間，最后形成一個(gè)大氣泡，漂浮在水中。研究失重環(huán)境中的沸騰現(xiàn)象，對(duì)太空或地面工程中的散熱設(shè)計(jì)很有用，可防止出現(xiàn)“空氣鎖”。

更有趣的是，在失重環(huán)境中，不同密度的介質(zhì)不再相對(duì)沉淀并分層，而是呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態(tài)。所以，即使是調(diào)酒大師，在太空也調(diào)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(duì)流而產(chǎn)生的。在太空失重環(huán)境下，沒有了對(duì)流現(xiàn)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(xiàn)出藍(lán)色的球狀火焰。

所有這些現(xiàn)象，都是太空課堂特有的，對(duì)青少年更好理解物理規(guī)律非常有幫助。

除了進(jìn)行失重條件下的物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)外，太空課堂還經(jīng)常開展一些生物實(shí)驗(yàn)。例如，2003年，美國“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)曾開展過一項(xiàng)太空螞蟻實(shí)驗(yàn)。在航天飛機(jī)飛行的16天中，航天員發(fā)現(xiàn)，在太空中，螞蟻?zhàn)兊酶钴S，會(huì)拼命挖隧道，而且挖掘方向變得沒有規(guī)律。

又如，“太空蛋白質(zhì)晶體生長”實(shí)驗(yàn)是載人航天活動(dòng)中的重要項(xiàng)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(zhì)晶體。在失重條件下，蛋白質(zhì)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(jìn)蛋白質(zhì)晶體增長的實(shí)驗(yàn)，其中有500多個(gè)蛋白質(zhì)樣本的準(zhǔn)備有青少年參與，這可使學(xué)生了解什么是結(jié)晶、結(jié)晶的分析方法、結(jié)晶的先進(jìn)生物工藝、結(jié)晶在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究中的作用等。

太空實(shí)驗(yàn)

——學(xué)生們的科學(xué)心愿可上天

除了在地面觀看視頻，青少年還可以自己設(shè)計(jì)太空實(shí)驗(yàn)，爭取送到載人航天器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

在美國航天飛機(jī)服役期間，航天飛機(jī)的大貨艙內(nèi)專門安裝有用于太空實(shí)驗(yàn)的“搭載箱”，想在航天飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可租用它?！按钶d箱”可放置“零星搭機(jī)實(shí)驗(yàn)”專用容器，根據(jù)不同的大小和質(zhì)量，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)分別為10000美元、5000美元和3000美元。有些國家為了培養(yǎng)青少年對(duì)太空科學(xué)的興趣，為其學(xué)生租下“搭載箱”進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)。

目前，在國際空間站的各國實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，有進(jìn)行植物發(fā)育實(shí)驗(yàn)的“太空溫室”、觀察外太空對(duì)材料影響的“手提箱”、可完成各種生理實(shí)驗(yàn)的“實(shí)驗(yàn)架”、能進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的“手套箱”等各種太空實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)多種多樣，如材料加工實(shí)驗(yàn)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)和生命實(shí)驗(yàn)、對(duì)地觀測實(shí)驗(yàn)等。迄今為止，國際空間站已完成了幾十項(xiàng)學(xué)校與學(xué)生的科研項(xiàng)目，在太空開展了教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，設(shè)置虛擬課堂和虛擬演示驗(yàn)證課。

2012年，美國“龍”飛船把全美多所高校學(xué)生參與的23項(xiàng)研究運(yùn)送到太空，后又帶回地面。這些學(xué)生的研究項(xiàng)目是“學(xué)生航天飛行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的一部分，該計(jì)劃給學(xué)生提供機(jī)會(huì)，設(shè)計(jì)微重力下物理、化學(xué)和生物學(xué)方面的研究項(xiàng)目。

我國曾從全國各地征集的上萬份提案中，評(píng)選出五項(xiàng)由中小學(xué)生提出的上天方案。它們是：用膠粘法控制航天飛機(jī)艙內(nèi)垃圾、液態(tài)混合物的凝固、微重力環(huán)境對(duì)草履蟲生長和繁殖的影響、失重環(huán)境中固—液表面間的相互作用、蠶吐絲織繭實(shí)驗(yàn)。

這五項(xiàng)實(shí)驗(yàn)先后登上美國的航天飛機(jī)，前四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中除了草履蟲實(shí)驗(yàn)由于電池工作壽命限制未獲得成功外，其余三個(gè)方案都取得了很好的結(jié)果。最不幸的是蠶寶寶實(shí)驗(yàn)，由于“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在返回過程中失事，中國的蠶寶寶也隨之“香消玉殞”。

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)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(wèi)星。太空蠶回到地面后，學(xué)生們與科學(xué)家一起分析太空飛行對(duì)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(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)中國航天科技的發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。

我國有關(guān)部門已組織青少年設(shè)計(jì)太空實(shí)驗(yàn)方案，并定期請(qǐng)專家評(píng)審。未來，優(yōu)秀的青少年科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案有望在中國空間站上實(shí)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(bào)》）