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)他們探索科學的熱情，一些中學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，細心的朋友會發(fā)現(xiàn)：這一次多了3項，加入了浮力、光學實驗，而上次的“水膜張力實驗”、“水球?qū)嶒灐北槐Ａ粝聛?。?span id="uzxh3jo" class="candidate-entity-word" data-gid="182637393">湯洪波特別想看的“泡騰片實驗”被加入了進來。那么在8項科學實驗是如何選定的，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，6000萬師生觀看了直播。

當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之一：科學實驗，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，進行富有想象力的科學實驗，最終都能推動人類科技發(fā)展、制造工藝實現(xiàn)突飛猛進。

王亞平在中國空間站飛翔

所以，進行太空科普課程，一方面激發(fā)青少年科學熱情，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)在競爭激烈的半導體芯片行業(yè)，如果在太空進行晶圓生產(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)學和生物學研究、生物工程、空間技術(shù)、材料科學、教育活動、地球物理學及對地觀測等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識。

2013年6月20日，王亞平在天宮一號進行水球試驗

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)，在太空進行對比實驗，從而產(chǎn)生深刻影響的科學實驗。

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、生物等實驗都可以進行，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。

太空科學實驗有多種，如材料加工實驗、生物學實驗、失重科學實驗、醫(yī)學和生命實驗、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)失重科學的實驗，另外，她當時還進行了多項醫(yī)學和生命科學實驗。

中小學生觀看首次太空授課

當時，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，學生在店進行對比實驗

專家組根據(jù)“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，經(jīng)過集思廣益、反復篩選、嚴格論證，最終確定進行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，探索科學的熱情。8年后，經(jīng)典的水膜、水球試驗被保留了下來，并且增加了新的學科和實驗項目延生。

繼往開來，8項實驗背后的科學原理

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行太空授課

二、項目涉及的學科更加豐富，涵蓋了生物學、物理學、生命科學等學科。

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?？梢詫崿F(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)學習物理課程的朋友做下受力分析就能明白其中的科學原理。而新加入的“水球光學試驗”實際上8年前就已經(jīng)展示過，只是當時王亞平老師主要在講解水球表面張力，和顏色擴散知識，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)生大量的二氧化碳氣泡，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“兼職科學家”向全面科學家轉(zhuǎn)變。

一些專業(yè)領(lǐng)域的科學家有望登陸太空，在太空環(huán)境下進行更為先進的科學研究。空間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，為科學事業(yè)辛勤奉獻。

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的孩子們獲得新知識，也不斷地激發(fā)他們的學習熱情。

2013年，王亞平在太空中與青少年進行了天地問答，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行太空教育只是一個開始，以后將進入常態(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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