天地同步實(shí)驗(yàn)　點(diǎn)亮航天夢(mèng)想

孫偉強(qiáng)　謝柯欣　劉枝靈

2021年12月9日l(shuí)5時(shí)40分，“天宮課堂”第1課正式開(kāi)講，這是中國(guó)空間站首次太空授課活動(dòng)。在這次授課活動(dòng)中，神舟十三號(hào)飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富展示了空間站工作生活場(chǎng)景，演示了微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)并展示了太空轉(zhuǎn)身、浮力消失、水球光學(xué)、泡騰片等神奇科學(xué)現(xiàn)象。這些實(shí)驗(yàn)“新奇”的現(xiàn)象引發(fā)了社會(huì)各界，尤其是青少年對(duì)于載人航天、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的極大興趣。中國(guó)科學(xué)技術(shù)館作為地面主課堂，參與到整個(gè)地面課堂的組織實(shí)施當(dāng)中。地面主課堂力求通過(guò)構(gòu)建一個(gè)沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵(lì)每位同學(xué)親自動(dòng)手，在太空教師的帶領(lǐng)下同步開(kāi)展地面實(shí)驗(yàn)，通過(guò)天地對(duì)比的現(xiàn)象差異，直觀地了解每個(gè)實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)原理。

地面主課堂環(huán)境設(shè)計(jì)

天宮課堂與普通的學(xué)校課堂有很大的區(qū)別，首先體現(xiàn)在空間的錯(cuò)位。3位太空教師位于距離地面約400 km高的中國(guó)空間站，而主課堂的學(xué)生則位于中國(guó)科技館地面課堂。教師與學(xué)生并不處于同一空間當(dāng)中，教師并不能“直接”看到學(xué)生。在這樣一個(gè)差異的空間，引起天地之間生活體驗(yàn)的不同，如重力水平、晝夜變化等方面，將處在不同空間的教師與學(xué)生組織在同一時(shí)間下，會(huì)出現(xiàn)非常多的認(rèn)知之間的“碰撞”與“沖突”，突破以往的學(xué)習(xí)、生活場(chǎng)景，這也正是太空授課的魅力所在。因此，環(huán)境布置如何能夠?qū)⑦@些差異很好地展現(xiàn)、協(xié)調(diào)、利用，是課堂環(huán)境設(shè)計(jì)非常重要的一方面。

其次是授課地點(diǎn)的特殊性。此次地面課堂的地點(diǎn)位于中國(guó)科技館l層西大廳，與傳統(tǒng)教室非常不同。中國(guó)科技館的理念是“體驗(yàn)科學(xué)，啟迪創(chuàng)新”，通過(guò)營(yíng)造在實(shí)踐中學(xué)習(xí)科學(xué)的情境，通過(guò)互動(dòng)、體驗(yàn)等方式，引導(dǎo)公眾進(jìn)入探索與發(fā)現(xiàn)科學(xué)的過(guò)程[1]?？萍拣^是開(kāi)展科學(xué)普及和科學(xué)教育的場(chǎng)所，通過(guò)眾多的互動(dòng)展品創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情景，是科技館所具有的獨(dú)特價(jià)值。但此次太空授課的重點(diǎn)是在中國(guó)空間站，如何將科技館獨(dú)特的學(xué)習(xí)情景與空間站協(xié)調(diào)起來(lái)，對(duì)天宮課堂形成一個(gè)很好的輔助和襯托，這是課堂環(huán)境設(shè)計(jì)需要考慮的另一方面。

如何能夠拉近學(xué)生與學(xué)生之間的距離，是地面課堂現(xiàn)場(chǎng)布置的關(guān)鍵一環(huán)。此次地面主課堂共有約200名師生參與，他們來(lái)自北京各區(qū)縣的不同學(xué)校;即使同一學(xué)校的學(xué)生，很多也在不同年級(jí)，彼此之間并不熟悉。而在天宮課堂當(dāng)中，不同學(xué)校的學(xué)生是一個(gè)整體，在授課過(guò)程中，學(xué)生之間還需要相互配合，如果環(huán)境設(shè)計(jì)在這方面沒(méi)有處理好，就會(huì)造成一定的割裂和產(chǎn)生一些問(wèn)題。例如，同一個(gè)學(xué)校的學(xué)生更愿意坐在一起，身高較高的同學(xué)可能位于身高較矮的學(xué)生的前面會(huì)遮擋視線，還有可能在課程當(dāng)中相互爭(zhēng)搶實(shí)驗(yàn)器材、引起沖突。

最終現(xiàn)場(chǎng)效果及布置如封面圖所示，具體做法如下。

→構(gòu)建場(chǎng)景

地面課堂位于中國(guó)科技館l層西大廳，在場(chǎng)地搭建之前如圖l所示。作為教室來(lái)說(shuō)空間很大，可容納的學(xué)生很多，不會(huì)擁擠;但同時(shí)也可以明顯看出其與太空授課的整個(gè)氣氛并不相同。因此場(chǎng)景構(gòu)建需要在利用好整個(gè)環(huán)境空間的同時(shí)，更好地與太空主題相契合。

地面 原大廳地面在燈光照射下會(huì)有強(qiáng)烈反光，影響地面課堂的授課效果。因此，在地面鋪設(shè)藍(lán)色地墊，營(yíng)造出太空深邃的感覺(jué)，同時(shí)也很好地處理了地面反光對(duì)上課的干擾。

墻面在東側(cè)墻面懸掛3幅由科技館員工王赫所創(chuàng)作的巨幅航天主題圖案，從左至右分別展示了火箭飛天、航天員太空出艙和即將建成的中國(guó)空間站組合體：火箭飛天是載人航天任務(wù)建設(shè)的第1步，它把航天器包括人員和物資從地面運(yùn)送到既定軌道;航天員是空間站的靈魂，在整個(gè)場(chǎng)景中居中，也希冀青少年能夠以航天員為榜樣，關(guān)注航天，熱愛(ài)航天;中國(guó)空間站是航天員們的“家”，是未來(lái)我們進(jìn)一步探索太空的基地。

屏幕與燈光本質(zhì)上整個(gè)場(chǎng)景是個(gè)課堂，重點(diǎn)是構(gòu)建出上課的環(huán)境。通過(guò)地面、墻面的設(shè)計(jì)，打通太空與地面的界限，構(gòu)建一個(gè)太空學(xué)習(xí)的環(huán)境。因此，屏幕與燈光的設(shè)計(jì)與正常的課堂保持一致，并沒(méi)有采用浮夸的視覺(jué)特效和舞美燈光效果，營(yíng)造正常上課的燈光環(huán)境和視覺(jué)感受（如專題欄目跨頁(yè)圖）。

→利用好科技館內(nèi)的航天實(shí)物

科技館擁有很多重量級(jí)的航天實(shí)物，這些實(shí)物本身會(huì)“說(shuō)話”，能夠?qū)μ帐谡n形成很好的輔助和襯托?，F(xiàn)場(chǎng)布置神舟一號(hào)返回艙實(shí)物（圖2）、長(zhǎng)征五號(hào)系列芯一級(jí)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物YF-77（圖3），以及中國(guó)空間站天和核心艙結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件（圖4）三大中國(guó)科技館“鎮(zhèn)館之寶”，分別代表航天事業(yè)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。

神舟一號(hào)返回艙神舟一號(hào)是我國(guó)第一艘無(wú)人試驗(yàn)飛船，于1999年II月20日6時(shí)30分在酒泉發(fā)射升空，是中國(guó)載人航天工程的首次飛行，標(biāo)志著中國(guó)在載人航天飛行技術(shù)上的重大突破。它的成功發(fā)射為后續(xù)的載人飛行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

YF-77火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)征五號(hào)芯一級(jí)運(yùn)載火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國(guó)目前推力最大的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗娜剂鲜且簹浜鸵貉?，所以它燃燒的產(chǎn)物是水。因此和其他常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比其燃燒產(chǎn)物零污染且單位質(zhì)量反應(yīng)放出的能量高于一般火箭推進(jìn)劑。

中國(guó)空間站天和核心艙驗(yàn)證件2021年4月29日II時(shí)23分，長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭在海南文昌成功發(fā)射，其搭載的天和核心艙的成功發(fā)射標(biāo)志著我國(guó)空間站在軌組裝建造全面展開(kāi)。天和核心艙結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件與天上核心艙的尺寸是完全一樣的，全長(zhǎng)16.6米，如果把它豎起來(lái)，相當(dāng)于6層樓的高度，未來(lái)還將與“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接，以此實(shí)現(xiàn)中國(guó)空間站的三艙構(gòu)型。

→以學(xué)生為主體

地面課堂整個(gè)場(chǎng)景希望給學(xué)生營(yíng)造一種輕松舒適、自由探索、相互交流的環(huán)境。在學(xué)校的教室當(dāng)中，桌椅是以橫排縱列的方式擺放，好處是排布簡(jiǎn)單、管理方便，但與地面課堂場(chǎng)地的布置并不協(xié)調(diào)。現(xiàn)場(chǎng)整體設(shè)置是使每位學(xué)生都有自己獨(dú)立活動(dòng)的空間，同時(shí)通過(guò)圓臺(tái)將一組組的學(xué)生進(jìn)行組合?，F(xiàn)場(chǎng)共設(shè)置12個(gè)大小不同的圓臺(tái)散布在整個(gè)場(chǎng)地中，每一個(gè)圓臺(tái)都代表著太空當(dāng)中的小星球，寓意“宇宙并不孤獨(dú)”，與此次天宮課堂相呼應(yīng)。通過(guò)這樣的布置將天地之間有機(jī)聯(lián)系，同時(shí)也便于學(xué)生之間的相互交流。每一個(gè)圓臺(tái)內(nèi)座椅、桌子的位置和高度在正式授課前也經(jīng)過(guò)學(xué)生親身試坐、調(diào)整，達(dá)到最理想的狀態(tài)。在正式授課開(kāi)始前，地面課堂教師引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生自我介紹、相互交流，并參加預(yù)熱活動(dòng)，打破不同學(xué)校、不同年級(jí)之間學(xué)生的界限。65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398

地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)

實(shí)驗(yàn)是整個(gè)天宮課堂最核心的內(nèi)容，地面課堂場(chǎng)景無(wú)論怎么設(shè)置，都是對(duì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的保障與襯托。在中國(guó)科技館地面課堂，我們通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)互動(dòng)、參與、體驗(yàn)的方式進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)。此次天宮課堂特別突出“天地對(duì)比”，是因?yàn)樘焐吓c地面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)有非常大的差異，對(duì)于學(xué)生最好的理解方式就是讓學(xué)生自己親身體驗(yàn)這些實(shí)驗(yàn)本身的差異。在地面課堂，每個(gè)桌子都配備了相應(yīng)的地面實(shí)驗(yàn)材料（圖5），通過(guò)太空教師的指引，學(xué)生自己動(dòng)手觀察、體驗(yàn)到不一樣的科學(xué)現(xiàn)象，但背后的科學(xué)原理是一樣的。

→太空細(xì)胞學(xué)研究實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在太空當(dāng)中，航天員葉光富向?qū)W生介紹了在微重力條件下進(jìn)行的相關(guān)細(xì)胞學(xué)研究。依托空間站中的醫(yī)學(xué)樣本顯微觀察記錄裝置，學(xué)生觀察到心肌細(xì)胞有規(guī)律地收縮，像是在對(duì)大家說(shuō)：“我們活得好著呢！”（圖6）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模喝祟惖哪_步如果想邁向深空，就一定要了解失重環(huán)境下人體機(jī)能的變化情況。在失重環(huán)境下，人體心血管、骨骼、肌肉等都會(huì)發(fā)生變化，而構(gòu)成大部分生物體的基本單位是細(xì)胞，了解細(xì)胞在失重環(huán)境下的變化規(guī)律和機(jī)制，對(duì)未來(lái)人類在太空生活具有重要的意義。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：對(duì)于低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，并不了解什么是細(xì)胞。因此在地面課堂中配置了顯微鏡，學(xué)生通過(guò)觀察，就可以了解細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)到細(xì)胞的作用，從而更好地理解空間站心肌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的重要意義。

→太空轉(zhuǎn)身

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：航天員葉光富通過(guò)嘗試不同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)身，發(fā)現(xiàn)在太空當(dāng)中如果要完成轉(zhuǎn)身是非常困難的。實(shí)驗(yàn)具體有以下3項(xiàng)內(nèi)容。

·航天員首先嘗試在不借助外力的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)身，直接轉(zhuǎn)身或者用游泳姿勢(shì)撲騰，以及使用吹氣的方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身。

·航天員舉起胳膊在空中畫圈，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身;如果胳膊朝反方向畫圈，則沿著原來(lái)的方向轉(zhuǎn)身回來(lái)（圖7）。

·航天員模仿花滑運(yùn)動(dòng)員的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，通過(guò)張開(kāi)和收回手臂，學(xué)生能明顯觀察到航天員自身轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化。當(dāng)張開(kāi)手臂，轉(zhuǎn)速變慢;收回手臂，轉(zhuǎn)速變快。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簬椭鷮W(xué)生認(rèn)識(shí)“角動(dòng)量”這一重要物理概念，并認(rèn)識(shí)到角動(dòng)量在實(shí)際生活中所起到的重要作用。在地面上轉(zhuǎn)身的時(shí)候，腳與地面所產(chǎn)生的摩擦力提供力矩，讓人輕松轉(zhuǎn)身。如果沒(méi)有外力矩的情況下，航天員轉(zhuǎn)身是很困難的。結(jié)合花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作幫助學(xué)生更好地理解角動(dòng)量在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：地面對(duì)比實(shí)驗(yàn)分為2部分。第1部分為學(xué)生在航天員王亞平的指揮下，在地面很容易地就進(jìn)行了轉(zhuǎn)身，隨后觀察到天上想要轉(zhuǎn)身并不容易;第2部分為使用陀螺了解角動(dòng)量相關(guān)概念。在航天員剛?cè)雸?chǎng)的時(shí)候，展示了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，可以觀察到它在穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，陀螺是理解角動(dòng)量相關(guān)概念最好的實(shí)驗(yàn)教具。

→浮力消失實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在太空當(dāng)中，航天員王亞平將乒乓球放入水中，用吸管將它推到水面以下，而乒乓球并沒(méi)有像在地面上一樣向上浮起（圖8） 。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模焊×κ怯梢后w中的壓強(qiáng)差產(chǎn)生的，而液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生，正是由于液體受到了重力的作用。浮力是重力帶來(lái)的次級(jí)效應(yīng)。而在太空中，由于處于微重力環(huán)境，液體不再具有壓強(qiáng)，因此也無(wú)法產(chǎn)生浮力，所以乒乓球可以處于水中的任意位置，不浮出水面。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生更加深刻地了解浮力的相關(guān)概念。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：學(xué)生將乒乓球和鋼球依次放入水杯中，觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)鋼球沉入底部，乒乓球浮出水面，與天上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不相同。

→水膜張力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：航天員王亞平將水環(huán)伸入水袋然后取出，出現(xiàn)了一個(gè)水膜，隨著向水膜不斷加水，水膜不但沒(méi)有破裂，反而慢慢地增厚。當(dāng)王亞平將之前自己與女兒一起折疊好的紙花放置在水膜上時(shí)，紙花開(kāi)放并逐漸旋轉(zhuǎn)，水膜變得像一個(gè)萬(wàn)花筒一般（圖9）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕砻鎻埩κ俏⒂^上液體分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生更好地理解液體表面張力的作用。由于地面受到重力的影響，水的表面張力無(wú)法承受水的重力，水膜無(wú)法制作出來(lái)。 “太空開(kāi)花”是由于紙的成分主要是植物纖維，有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)紙花接觸水后，水通過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)入紙張纖維的縫隙中，導(dǎo)致纖維吸水膨脹，紙花的折痕處逐漸展開(kāi)，于是就出現(xiàn)了“花開(kāi)”的效果。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：學(xué)生將水環(huán)放入盛有水的盆中并慢慢提升出水面，發(fā)現(xiàn)無(wú)法制作出水膜。之后，學(xué)生通過(guò)折紙，將折疊好的紙花輕輕放置水面上，觀察花朵綻開(kāi)現(xiàn)象。

→水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：航天員王亞平通過(guò)不斷往水膜當(dāng)中注水，形成1個(gè)水球，學(xué)生透過(guò)水球可以觀察到王亞平1個(gè)倒立的像。當(dāng)在水球中注入1個(gè)氣泡，則可以觀察到l正l倒2個(gè)像（圖10）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾罩行纬傻乃?，可以看作?個(gè)中間厚兩邊薄的凸透鏡。根椐凸透鏡成像的原理，當(dāng)人的位置遠(yuǎn)大于2倍焦距時(shí)，便會(huì)形成1個(gè)倒立的像。由于通過(guò)之前做的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以知道浮力會(huì)消失，因此水球內(nèi)氣泡并不會(huì)上浮。這個(gè)氣泡的存在會(huì)將水球分成2個(gè)中間薄兩邊厚一些的結(jié)構(gòu)，從而形成2個(gè)凹透鏡組成的光具組，成正立縮小的像，因此會(huì)看到l正l倒2個(gè)像。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：桌子上放置30mm水晶球，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，航天員引導(dǎo)學(xué)生舉起水晶球進(jìn)行相互觀察，學(xué)生可以看到1個(gè)倒立的像。

→泡騰片實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：航天員王亞平首先將藍(lán)色顏料注入水球當(dāng)中，然后將泡騰片放置其中，學(xué)生觀察到泡騰片與水快速反應(yīng)，生成大量氣泡。這些氣泡并沒(méi)有離開(kāi)水球，而是在水中不斷翻滾，水球被撐得越來(lái)越大。黃色的泡騰片與藍(lán)色的水球相互融合，看上去十分像我們的地球家園（圖II）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模号蒡v片實(shí)驗(yàn)為一個(gè)課程總結(jié)性實(shí)驗(yàn)，包含了課程中很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理，如液體的表面張力、浮力等。氣泡不會(huì)上浮是因?yàn)楦×ο?，氣泡無(wú)法突破水的表面則是由于水球表面張力的作用。氣泡不斷產(chǎn)生又無(wú)法離開(kāi)水球，因此水球的體積也會(huì)隨之增大。

地面同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)：學(xué)生將泡騰片放入杯中，觀察到杯中氣泡不斷產(chǎn)生，這些氣泡不斷地上浮、破裂，而杯子當(dāng)中液體的體積并沒(méi)有發(fā)生太大的改變。

總結(jié)

2021年12月9日，中國(guó)空間站首個(gè)太空科教品牌“天宮課堂”地面主課堂在中國(guó)科技館成功舉辦。如何在科技館中面向?qū)W生營(yíng)造出一種輕松、愉快的氛圍，經(jīng)過(guò)多輪的討論最終形成了如上方案。太空?qǐng)鼍暗脑O(shè)置與科技館展品中的3件鎮(zhèn)館之寶相互配合，既突出了科技館沉浸式體驗(yàn)的特點(diǎn)，又提供給學(xué)生一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。作為中國(guó)空間站的首次授課，此次授課一大亮點(diǎn)是進(jìn)行天地同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自己動(dòng)手觀察、體驗(yàn)天地實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異，深刻理解在現(xiàn)象的背后是同樣的科學(xué)規(guī)律起作用。通過(guò)天宮課堂整體場(chǎng)景設(shè)置及天地同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)亮每一位學(xué)生的航天夢(mèng)想。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)科技館，展覽介紹[EB/OL].https：//cstm.cdsm.cn/cszl/cszl.is/65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398