據中國載人航天工程辦公室消息，為發揮中國空間站的綜合效益，中國首個太空科普教育品牌“天宮課堂”即将正式推出，中國空間站首次太空授課活動将于9日面向全球進行直播。這将是繼王亞平2013年在“天宮一号”首次太空授課之後中國進行的第二次太空授課，課上将為我們帶來哪些新奇有趣的實驗很是令人期待。

從世界範圍來看，太空教育已成為連接青少年學生與載人航天事業的最好橋梁，受到越來越多國家的重視。我們特邀中國首次太空授課專家組成員龐之浩，帶大家去領略一番太空課堂的奧妙。

我國首次太空授課時的地面課堂。

（1）失重的課堂，水滴繞毛衣針飛舞

載人航天器内的失重環境，給人們最直觀的感受是，那裡的物理世界變得不一樣了。演示失重環境下不一樣的物理現象，能幫助青少年更好地理解物理概念、物理規律，自然是太空課堂中的重要内容。

在我國進行第一次太空授課前，根據“科學性、教育性、趣味性、可行性、可視性、即時性、操作性和安全性”等原則，最終确定進行兩個方面的物理實驗，即物體運動特性和液體表面張力，具體實驗包括質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球5項，還有兩項備份實驗。當時王亞平老師向地面的6000多萬中小學生展示了失重條件下的特殊物理現象，從而激發青少年的興趣，加深對質量、重量以及牛頓定律等基本物理概念和規律的理解。

在失重科學實驗方面，國外已開發了不少面向青少年授課的太空實驗。例如，2012年航天員佩蒂特在“國際空間站”内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。

我們都知道，水燒開時會出現沸騰現象，這是因為水在被加熱時，底部的水先變成蒸汽，使容器底部産生小氣泡，并被重力引起的對流帶到容器上部，當容器中的水受熱超過其飽和溫度時，在水的内部和表面同時發生劇烈汽化的現象，整個水就沸騰了。但在失重狀态下，由于沒有對流和浮力，加熱産生的氣泡會一直附着在容器底部停留很長時間，最後形成一個大氣泡，漂浮在水中。研究失重環境中的沸騰現象對太空或地面工程中的散熱設計很有用，可防止出現“空氣鎖”。

有重力時，流體具有沿重力方向沉積或分層的趨勢，密度大的在下面，密度小的在上面。不相溶的幾種液體混合時，重的在下層，輕的在上層。地面上酒吧裡的調酒師正是根據這個道理魔術般地調制出五彩缤紛的雞尾酒。而在失重環境中，不同密度的介質不再相對地沉澱而分層，而呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀态。所以，即使是調酒大師在太空也調制不出雞尾酒。

所有這些現象，都是太空課堂特有的重要内容，對青少年學生更好地理解物理規律非常有幫助。

由于太空授課的次數和時間十分有限，太空實驗也能采用錄制教育演示視頻的方式進行，即航天員在載人航天器内錄制學生感興趣的太空實驗，然後把教育演示視頻傳回地面，由老師在課堂播放，并與地面實驗進行對比。學生們也可通過網絡直接下載航天員演示視頻。

王亞平在“天宮一号”上演示物理實驗。

地面沸騰現象（左圖）與太空沸騰現象（右圖）的對比。

地面蠟燭火焰（左）與太空蠟燭火焰（右）的形狀和顔色都有明顯不同。

（2）在太空中，螞蟻瘋狂挖隧道

在太空課堂中，除了進行失重條件下的物理科學實驗外，還經常開展一些生物實驗。

例如，2003年美國“哥倫比亞号”航天飛機開展了一項太空螞蟻實驗，目的是了解太空失重環境對螞蟻的行為和築巢有什麼影響。可惜的是，“哥倫比亞号”航天飛機在返回途中失事。不過，在“哥倫比亞号”飛行的16天中，航天員每天多次觀察和拍攝螞蟻的行為和築巢進程，并将實驗的情況及時地傳送到地面。原先預計在失重環境中，螞蟻會分不清上下行動遲緩，築巢的速度也會減慢，但通過發回的照片和錄像發現，太空螞蟻更活躍，會發瘋地挖隧道，但挖隧道的方式與地面螞蟻不同。地面螞蟻是沿着螞蟻工坊的四周挖隧道，而太空螞蟻挖隧道的方向沒有規律，更随意。

“太空蛋白質晶體生長”實驗是載人航天活動中的重要項目，各國都很重視。因為蛋白質是生命的物質基礎，要解開生物體的奧秘和研制特效的新藥，首先要有優質蛋白質結晶，才能了解它們結構和功能的秘密。但在地面上，由于受重力影響，很難制成大而純的蛋白質晶體。在失重條件下，蛋白質晶體可以比在地球上生長得更純淨、更大。通過對這些晶體的分析，科學家們能更好地了解蛋白質、酶和病毒的性質，也許會因此而研制出新藥和更好地了解生命的基本構造。其實驗結果已促使全球許多制藥公司與航天部門合作，以研究治療癌症、糖尿病、肺氣腫和免疫系統失調的藥品或方法。

目前，在“國際空間站”上也開展了促進蛋白質晶體增長實驗，目的之一是生産大量不同的生物大分子結晶，目的之二是讓青少年學生參與500多個蛋白質樣本的準備，使學生了解什麼是結晶、結晶的分析方法、結晶的先進生物工藝、結晶在醫學和生物學研究中的作用。

（3）奇思妙想，青少年也能設計太空實驗

青少年還可以自己設計太空實驗，争取送到載人航天器上進行實驗的機會。

太空實驗的入選條件是所需要的材料和設備必須安全可靠、質量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環境等，當然也要創意新穎、簡單可行、不需要花費航天員很多時間。

太空科學實驗本身有多種，如材料加工實驗、生物學實驗、失重科學實驗、醫學和生命實驗、對地觀測實驗等。

我國曾從全國各地征集的上萬份提案中評選出5項由中小學生提出的上天方案，它們是：用膠粘法控制航天飛機艙内垃圾；液态混合物的凝固；微重力環境對草履蟲生長和繁殖的影響；失重環境中固-液表面間的相互作用；蠶吐絲織繭實驗。這5項實驗先後登上美國的航天飛機，但最後結局不完全相同。前4項實驗中除了草履蟲實驗由于電池工作壽命限制未獲得成功外，其餘3個方案都取得很好的結果。最不幸的是第5項蠶寶寶實驗，由于“哥倫比亞号”航天飛機在返回過程中解體，中國的蠶寶寶也香消玉殒了。

為了實現學生們的心願，我國航天部門讓蠶寶寶登上中國的第22顆返回式人造衛星。太空蠶回到地面後，學生們與科學家一起分析太空飛行對蠶寶寶和它們後代的影響。這是中國航天器首次搭載由孩子們自己設計的實驗，對中國航天科技的發展具有開創性意義。

在2009年我國發射的“希望一号”衛星上，專門為青少年裝載着3種設備：“天圓地方”五色土實驗、攝影和無線通信，這3項任務均已實現。

我國青少年開展太空實驗活動不僅鍛煉了青少年的獨創能力和實驗設計能力，而且激發了青少年熱愛航天事業、獻身航天事業的熱情和鬥志，例如，被采納的前4項航天飛機實驗的學生在中學畢業後，都免試進入北京航空航天大學和哈爾濱工業大學，畢業後有的學生還加入到中國航天的隊伍中。因此，這項活動的意義已遠遠超出了它本身，為中國的航天事業培養了接班人。

我國有關部門已組織青少年設計太空實驗方案，并定期請專家評審，優秀的青少年科學實驗方案未來有望在中國空間站上實施。

中國學生設計的蠶吐絲結蠶繭試驗裝置，研究失重環境對蠶行為的影響。

（4）天地對話，帶來的不僅僅是樂趣

與載人航天器上的航天員進行視頻通話也是太空教育的一項内容，意在鼓勵學生學習和從事科學事業。該活動是完全免費的公益性教育活動。目前，僅“國際空間站”就進行了700多次業餘無線電通話活動，共有40多個國家、數百萬學生參與。我國組織過4次青少年與“國際空間站”航天員的對話。參與視頻通話的學校一般要在當地業餘電台愛好者的幫助下在校内設立一個臨時地面站，當“國際空間站”從舉辦地上空飛過時，大約有10分鐘時間與地面通話。它給青少年帶來無窮的樂趣，并提高了交往意識、語言表達等綜合能力。

與“國際空間站”舉辦視頻通話，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台，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航天員的實時影像，通過音頻和航天員對話。

太空教育還有多種方式，如舉辦太空教育網站，其内容有适合于教師的，也有适合于學生或兒童的。對航天教育感興趣的教師們也可從網上獲得适合自己教學所需要的教材和教學用具，而且可以了解最近航天部門為學生們提供參加航天活動的計劃，有心的教師有可能通過它為自己的學生争取到參加太空實驗的機會。

2022年，我國将建成“天宮”空間站，可以預見，屆時我國的太空教育會更加豐富多彩。

部分圖片來自視覺中國

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