“天宫课堂”9日要开第一课了!太空开课堂有啥不一样?

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  据中国载人航天工程办公室消息,为发挥中国空间站的综合效益,中国首个太空科普教育品牌“天宫课堂”即将正式推出,中国空间站首次太空授课活动将于9日面向全球进行直播。这将是继王亚平2013年在“天宫一号”首次太空授课之后中国进行的第二次太空授课,课上将为我们带来哪些新奇有趣的实验很是令人期待。

  从世界范围来看,太空教育已成为连接青少年学生与载人航天事业的最好桥梁,受到越来越多国家的重视。我们特邀中国首次太空授课专家组成员庞之浩,带大家去领略一番太空课堂的奥妙。

我国首次太空授课时的地面课堂。

  (1)失重的课堂,水滴绕毛衣针飞舞

  载人航天器内的失重环境,给人们最直观的感受是,那里的物理世界变得不一样了。演示失重环境下不一样的物理现象,能帮助青少年更好地理解物理概念、物理规律,自然是太空课堂中的重要内容。

  在我国进行第一次太空授课前,根据“科学性、教育性、趣味性、可行性、可视性、即时性、操作性和安全性”等原则,最终确定进行两个方面的物理实验,即物体运动特性和液体表面张力,具体实验包括质量测量、单摆运动、陀螺、水膜和水球5项,还有两项备份实验。当时王亚平老师向地面的6000多万中小学生展示了失重条件下的特殊物理现象,从而激发青少年的兴趣,加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念和规律的理解。

  在失重科学实验方面,国外已开发了不少面向青少年授课的太空实验。例如,2012年航天员佩蒂特在“国际空间站”内给地球上的学生演示了一个十分有趣的实验——水滴绕毛衣针在太空飞舞,以验证带静电的毛衣针在太空如何影响水滴运动。

  我们都知道,水烧开时会出现沸腾现象,这是因为水在被加热时,底部的水先变成蒸汽,使容器底部产生小气泡,并被重力引起的对流带到容器上部,当容器中的水受热超过其饱和温度时,在水的内部和表面同时发生剧烈汽化的现象,整个水就沸腾了。但在失重状态下,由于没有对流和浮力,加热产生的气泡会一直附着在容器底部停留很长时间,最后形成一个大气泡,漂浮在水中。研究失重环境中的沸腾现象对太空或地面工程中的散热设计很有用,可防止出现“空气锁”。

  有重力时,流体具有沿重力方向沉积或分层的趋势,密度大的在下面,密度小的在上面。不相溶的几种液体混合时,重的在下层,轻的在上层。地面上酒吧里的调酒师正是根据这个道理魔术般地调制出五彩缤纷的鸡尾酒。而在失重环境中,不同密度的介质不再相对地沉淀而分层,而呈彼此悬浮和均匀分散的空间分布状态。所以,即使是调酒大师在太空也调制不出鸡尾酒。

  所有这些现象,都是太空课堂特有的重要内容,对青少年学生更好地理解物理规律非常有帮助。

  由于太空授课的次数和时间十分有限,太空实验也能采用录制教育演示视频的方式进行,即航天员在载人航天器内录制学生感兴趣的太空实验,然后把教育演示视频传回地面,由老师在课堂播放,并与地面实验进行对比。学生们也可通过网络直接下载航天员演示视频。

王亚平在“天宫一号”上演示物理实验。

地面沸腾现象(左图)与太空沸腾现象(右图)的对比。

地面蜡烛火焰(左)与太空蜡烛火焰(右)的形状和颜色都有明显不同。

  (2)在太空中,蚂蚁疯狂挖隧道

  在太空课堂中,除了进行失重条件下的物理科学实验外,还经常开展一些生物实验。

  例如,2003年美国“哥伦比亚号”航天飞机开展了一项太空蚂蚁实验,目的是了解太空失重环境对蚂蚁的行为和筑巢有什么影响。可惜的是,“哥伦比亚号”航天飞机在返回途中失事。不过,在“哥伦比亚号”飞行的16天中,航天员每天多次观察和拍摄蚂蚁的行为和筑巢进程,并将实验的情况及时地传送到地面。原先预计在失重环境中,蚂蚁会分不清上下行动迟缓,筑巢的速度也会减慢,但通过发回的照片和录像发现,太空蚂蚁更活跃,会发疯地挖隧道,但挖隧道的方式与地面蚂蚁不同。地面蚂蚁是沿着蚂蚁工坊的四周挖隧道,而太空蚂蚁挖隧道的方向没有规律,更随意。

  “太空蛋白质晶体生长”实验是载人航天活动中的重要项目,各国都很重视。因为蛋白质是生命的物质基础,要解开生物体的奥秘和研制特效的新药,首先要有优质蛋白质结晶,才能了解它们结构和功能的秘密。但在地面上,由于受重力影响,很难制成大而纯的蛋白质晶体。在失重条件下,蛋白质晶体可以比在地球上生长得更纯净、更大。通过对这些晶体的分析,科学家们能更好地了解蛋白质、酶和病毒的性质,也许会因此而研制出新药和更好地了解生命的基本构造。其实验结果已促使全球许多制药公司与航天部门合作,以研究治疗癌症、糖尿病、肺气肿和免疫系统失调的药品或方法。

  目前,在“国际空间站”上也开展了促进蛋白质晶体增长实验,目的之一是生产大量不同的生物大分子结晶,目的之二是让青少年学生参与500多个蛋白质样本的准备,使学生了解什么是结晶、结晶的分析方法、结晶的先进生物工艺、结晶在医学和生物学研究中的作用。

  (3)奇思妙想,青少年也能设计太空实验

  青少年还可以自己设计太空实验,争取送到载人航天器上进行实验的机会。

  太空实验的入选条件是所需要的材料和设备必须安全可靠、质量小、体积小、功耗小、对航天员健康无影响、不会污染座舱环境等,当然也要创意新颖、简单可行、不需要花费航天员很多时间。

  太空科学实验本身有多种,如材料加工实验、生物学实验、失重科学实验、医学和生命实验、对地观测实验等。

  我国曾从全国各地征集的上万份提案中评选出5项由中小学生提出的上天方案,它们是:用胶粘法控制航天飞机舱内垃圾;液态混合物的凝固;微重力环境对草履虫生长和繁殖的影响;失重环境中固-液表面间的相互作用;蚕吐丝织茧实验。这5项实验先后登上美国的航天飞机,但最后结局不完全相同。前4项实验中除了草履虫实验由于电池工作寿命限制未获得成功外,其余3个方案都取得很好的结果。最不幸的是第5项蚕宝宝实验,由于“哥伦比亚号”航天飞机在返回过程中解体,中国的蚕宝宝也香消玉殒了。

  为了实现学生们的心愿,我国航天部门让蚕宝宝登上中国的第22颗返回式人造卫星。太空蚕回到地面后,学生们与科学家一起分析太空飞行对蚕宝宝和它们后代的影响。这是中国航天器首次搭载由孩子们自己设计的实验,对中国航天科技的发展具有开创性意义。

  在2009年我国发射的“希望一号”卫星上,专门为青少年装载着3种设备:“天圆地方”五色土实验、摄影和无线通信,这3项任务均已实现。

  我国青少年开展太空实验活动不仅锻炼了青少年的独创能力和实验设计能力,而且激发了青少年热爱航天事业、献身航天事业的热情和斗志,例如,被采纳的前4项航天飞机实验的学生在中学毕业后,都免试进入北京航空航天大学和哈尔滨工业大学,毕业后有的学生还加入到中国航天的队伍中。因此,这项活动的意义已远远超出了它本身,为中国的航天事业培养了接班人。

  我国有关部门已组织青少年设计太空实验方案,并定期请专家评审,优秀的青少年科学实验方案未来有望在中国空间站上实施。

中国学生设计的蚕吐丝结蚕茧试验装置,研究失重环境对蚕行为的影响。

  (4)天地对话,带来的不仅仅是乐趣

  与载人航天器上的航天员进行视频通话也是太空教育的一项内容,意在鼓励学生学习和从事科学事业。该活动是完全免费的公益性教育活动。目前,仅“国际空间站”就进行了700多次业余无线电通话活动,共有40多个国家、数百万学生参与。我国组织过4次青少年与“国际空间站”航天员的对话。参与视频通话的学校一般要在当地业余电台爱好者的帮助下在校内设立一个临时地面站,当“国际空间站”从举办地上空飞过时,大约有10分钟时间与地面通话。它给青少年带来无穷的乐趣,并提高了交往意识、语言表达等综合能力。

  与“国际空间站”举办视频通话,需要举办方通过美国航空航天局现场互动媒体服务频道连接至美国航空航天局电视台,此外还需要两条专用的电话线路以及配套的广播设备。通话为双向音频、单向视频,学生可以通过视频看到航天员的实时影像,通过音频和航天员对话。

  太空教育还有多种方式,如举办太空教育网站,其内容有适合于教师的,也有适合于学生或儿童的。对航天教育感兴趣的教师们也可从网上获得适合自己教学所需要的教材和教学用具,而且可以了解最近航天部门为学生们提供参加航天活动的计划,有心的教师有可能通过它为自己的学生争取到参加太空实验的机会。

  2022年,我国将建成“天宫”空间站,可以预见,届时我国的太空教育会更加丰富多彩。

责编:巩小龙
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