從中國首次太空算起來已經(jīng)8年了，就在中國空間站全面建設(shè)期，我們將迎來“最美太空教師”王亞平第二次“太空授課”，而這一次意義更加重大，因為我們在自己的空間站上開展太空課程。

2013年，王亞平在天宮一號進(jìn)行單擺實驗

8年前的5項物理實驗，讓熒幕前6000多萬青少年和老師，歡欣鼓舞，激發(fā)他們探索科學(xué)的熱情，一些中學(xué)生看完直播就迎來了中考，而航天夢的種子已經(jīng)扎在心里，引領(lǐng)以后他們走上航天事業(yè)，成為棟梁之材。

2013年6月20日，王亞平在天宮一號進(jìn)行陀螺試驗

與上次一樣，中國空間站的首次授課課程經(jīng)過精心安排，細(xì)心的朋友會發(fā)現(xiàn)：這一次多了3項，加入了浮力、光學(xué)實驗，而上次的“水膜張力實驗”、“水球?qū)嶒灐北槐Ａ粝聛?。?span id="h8rsj28" class="candidate-entity-word" data-gid="182637393">湯洪波特別想看的“泡騰片實驗”被加入了進(jìn)來。那么在8項科學(xué)實驗是如何選定的，有什么特殊含義嗎？為何保留與水相關(guān)的實驗？這些實驗背后有什么樣的科學(xué)原理呢？

2021年12月9日中國空間站首次授課課程表

本文一次性講清楚，也請觀眾姥爺們耐心看完，了解一些新知識。

載人航天重要任務(wù)之一：科學(xué)實驗和太空科普

早在2013年6月20日，神舟十號航天員王亞平在聶海勝、張曉光的協(xié)助下，在距離地球400公里的天宮一號飛行組合體中開展了太空首次授課，全國8萬多所中小學(xué)，6000萬師生觀看了直播。

當(dāng)時我國的天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)剛剛完成一年，深空測控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋能力從20%一下子提升到98%，這為直播提供了通信保障。

天鏈中繼衛(wèi)星示意圖

作為載人航天的重要目標(biāo)之一：科學(xué)實驗，得以展示在公眾面前。太空環(huán)境下的失重、真空、潔凈、安靜、深冷等條件都是地球上無法獲得或者營造模擬成本太高的資源。作為首次授課就將容易呈現(xiàn)天地差異的實驗被選擇了出來，失重演示首當(dāng)其沖。

太空給人直觀的感覺得人人會“輕功”，航天員可以像魚兒在水中暢游，力舉千鈞也不在話下……失重給我們的感受十分深刻。同時，失重環(huán)境下一些物理規(guī)律就與重力環(huán)境下差異巨大。

例如：液體的自然對流會基本消失；液體的浮力會基本消失；液體的約束力主要來自表面張力；浸潤現(xiàn)象和毛細(xì)現(xiàn)象加劇……

國際空間站航天員演示擰毛巾

利用失重條件，科學(xué)實驗可以為以后的“太空制造”提供實驗數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)什么，就取決于人類的想象力，所以太空授課是在激發(fā)各行各業(yè)的想象力。

在失重環(huán)境下，混合物可以更加均勻，從而制造地球上無法獲得的特種合金材料；融化金屬，充入空氣進(jìn)入液態(tài)金屬內(nèi)部，我們就能得到氣泡均勻分布的泡沫金屬；融化狀態(tài)的金屬，只要控制體積，就能獲得絕對球形的滾珠，十分耐磨損……

可以說，單就太空的失重條件，進(jìn)行富有想象力的科學(xué)實驗，最終都能推動人類科技發(fā)展、制造工藝實現(xiàn)突飛猛進(jìn)。

王亞平在中國空間站飛翔

所以，進(jìn)行太空科普課程，一方面激發(fā)青少年科學(xué)熱情，另一方面讓各行各業(yè)開拓眼界，思考太空資源與行業(yè)的結(jié)合點。

就拿目前現(xiàn)在競爭激烈的半導(dǎo)體芯片行業(yè)，如果在太空進(jìn)行晶圓生產(chǎn)，獲得的產(chǎn)品要比地球上更加均勻，沒有缺陷。

目前，人類在太空開展了眾多科研項目，如太空醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究、生物工程、空間技術(shù)、材料科學(xué)、教育活動、地球物理學(xué)及對地觀測等7個方面的科技研究性應(yīng)用。

太空結(jié)晶試驗

由此可見，太空教育已經(jīng)成為載人航天不可或缺的一部分。

多方考慮選定課程，直觀、安全、便捷最重要

2013年6月20日，中國實現(xiàn)了中國首次，世界第二次太空授課，航天員利用質(zhì)量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球這5項太空科學(xué)實驗，直觀的演示失重環(huán)境下的天地規(guī)律異同。

青少年通過觀看太空授課過程，加深了對質(zhì)量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解，對太空有了更深刻的認(rèn)識。

2013年6月20日，王亞平在天宮一號進(jìn)行水球試驗

就內(nèi)容深度上來說，我國的首次太空授課更加有深度，科技含量更高，因為美國的授課內(nèi)容主要是太空日常生活的展示，而我國的課程是從生活中常見的物理現(xiàn)象出發(fā)，在太空進(jìn)行對比實驗，從而產(chǎn)生深刻影響的科學(xué)實驗。

不過，這些課程設(shè)置十分不容易，對于選擇那些項目在太空課堂上進(jìn)行實驗，太空授課專家組費了不少心?？偟膩碚f，按照以下原則：

首先，選擇直觀感覺對比明顯。太空與地球環(huán)境差異巨大，對比強(qiáng)烈的失重條件最為適合；

其次，選擇安全可靠的實驗項目。在太空中物理、化學(xué)、生物等實驗都可以進(jìn)行，但是選擇實驗器材安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環(huán)境。

2013年，地面課堂學(xué)生在觀看太空授課

最后，選擇創(chuàng)意新穎和簡單可行的項目。

太空科學(xué)實驗有多種，如材料加工實驗、生物學(xué)實驗、失重科學(xué)實驗、醫(yī)學(xué)和生命實驗、對地觀測實驗等。王亞平首次太空授課的主要內(nèi)容是有關(guān)失重科學(xué)的實驗，另外，她當(dāng)時還進(jìn)行了多項醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)實驗。

中小學(xué)生觀看首次太空授課

當(dāng)時，太空授課專家組先后研究了很多實驗方案，比如“磁鐵吸人”、“太空點蠟燭”等實驗，因為其具有危險性，最終被否決。篩選后的“竹籃打水”、“乒乓球”（展示伯努利原理）、“回旋鏢”、“溜溜球”和“跳繩”等20多種方案。

2013年，學(xué)生在店進(jìn)行對比實驗

專家組根據(jù)“科學(xué)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，經(jīng)過集思廣益、反復(fù)篩選、嚴(yán)格論證，最終確定進(jìn)行2個方面的物理實驗，即物體運動特性和液體表面張力。

選擇水做試驗材料，原因很簡單：

一、航天員在太空生活必備，人們在地球上也是每天都接觸，對比強(qiáng)烈。

二、失重環(huán)境下，水膜、水球?qū)嶒炦B貫，可以演示液體的各種力學(xué)表現(xiàn)。

三、國際空間站以前做過類似的實驗，我們在其基礎(chǔ)上進(jìn)行深化。

5項實驗，給青少年留下了深刻的印象，也激發(fā)了他們的航天夢，激勵著他們愛好科學(xué)，探索科學(xué)的熱情。8年后，經(jīng)典的水膜、水球試驗被保留了下來，并且增加了新的學(xué)科和實驗項目延生。

繼往開來，8項實驗背后的科學(xué)原理

對比2次實驗項目，我們可以發(fā)現(xiàn)與水有關(guān)的實驗都被保留了下來。并且在中國空間站上的項目有了重大變化：

一、項目增加了航天員在空間站生活、工作等情況的介紹，因為這是中國空間站全面建設(shè)的關(guān)鍵時期，我們都很關(guān)心航天英雄的生活和工作情況。

2013年，神舟十號航天員在進(jìn)行太空授課

二、項目涉及的學(xué)科更加豐富，涵蓋了生物學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科。

三、太空乘客更長了。從課程表來看，預(yù)計直播時間更長，這主要得益于我國天鏈中繼衛(wèi)星組網(wǎng)全面完成，深空測控網(wǎng)不斷完善。可以實現(xiàn)高清、低時延的直播。

2013年，王亞平太空授課

課程設(shè)置的項目主要是演示失重環(huán)境下和地球上產(chǎn)生的對比，已經(jīng)學(xué)習(xí)物理課程的朋友做下受力分析就能明白其中的科學(xué)原理。而新加入的“水球光學(xué)試驗”實際上8年前就已經(jīng)展示過，只是當(dāng)時王亞平老師主要在講解水球表面張力，和顏色擴(kuò)散知識，沒有作為重點來講解。

太空中帶有氣泡的水球

我們可以看到制作水球時，從中可以清晰地看到王亞平老師的倒影，這是因為失重的原因，水球成為一個水晶球的一樣的組合凹凸鏡，光線穿過它時會發(fā)生兩次折射，從而在另一邊形成方向完全相反的圖像。

空間站里重力幾乎為零，如果沒有氣流擾動，水會在表面張力的作用下團(tuán)成一個幾乎完美的透明圓球，就像水晶球那樣顯示出倒影來。所以這些經(jīng)典試驗被保留了下來，這就是“溫故而知新”

而讓湯洪波特別想看的“泡騰片實驗”也非常有意思，在地球上把泡騰片扔進(jìn)放滿水的杯子中，因為其含有碳酸氫鈉和檸檬酸，遇到水會產(chǎn)生急劇反應(yīng)，產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀?，不斷升騰到杯口。

但是，在太空則完全不同，由于缺少對流和浮力，泡騰片產(chǎn)生的氣泡一直附著在容器底部停留很長時間，最后形成一個大氣泡，懸浮在水中。

太空中加熱試驗產(chǎn)生的氣泡情況

其實，不光泡騰片的氣泡出不來，因為沒有重力，在太空不同的介質(zhì)沒有分層趨勢，而呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態(tài)，水和油很容易的混合在一起，出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，即由于表面活性劑的作用，使本來不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起的現(xiàn)象。

沒有了對流現(xiàn)象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，且其火焰呈球狀，碳黑也能夠充分燃燒，使火焰呈藍(lán)色。

太空中蠟燭燃燒情況，左邊是在地球上，右邊為太空中

太空資源豐富，空間實驗一舉多得

太空的資源十分豐富，值得不斷探索，而空間試驗作為科學(xué)研究的重要手段，是空間應(yīng)用系統(tǒng)十分重要的部分，隨著中國空間站的全面建成，我們的航天員將從“兼職科學(xué)家”向全面科學(xué)家轉(zhuǎn)變。

一些專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)家有望登陸太空，在太空環(huán)境下進(jìn)行更為先進(jìn)的科學(xué)研究?？臻g站作為我國在太空的母港，將滿足他們在天然的高真空、微重力、超潔凈環(huán)境下的眾多科學(xué)研究。

太空科普課程也將成為不可或缺的一部分，從王亞平首次在太空授課，到航天員們每年都參與地面上各種太空科普活動，我們的航天員既是航天英雄，也是科普的先行者，為科學(xué)事業(yè)辛勤奉獻(xiàn)。

王亞平在做科普活動

航天員在太空中與地面的青少年的互動問答能讓熱愛科學(xué)的孩子們獲得新知識，也不斷地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

2013年，王亞平在太空中與青少年進(jìn)行了天地問答，解答了諸多有趣的問題。2016年，神舟十一號航天員景海鵬和陳冬在天宮2號空間實驗室內(nèi)，用香港中學(xué)生太空科技設(shè)計大賽獲獎的雙擺實驗裝置、薄膜成型實驗裝置、太空養(yǎng)蠶實驗裝置開展了航天科普活動。

陳冬在天宮二號做科學(xué)實驗

2021年，中國空間站首次太空授課，必將載入史冊，因為這一刻，我們在世界上首個獨立國家擁有的空間站上進(jìn)行太空教育只是一個開始，以后將進(jìn)入常態(tài)化，這是我們載人航天的重要成果，令人自豪。#中國空間站首次太空授課##王亞平太空授課#

2021年，中國空間站首次太空授課

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