“天宮課堂”點燃孩子們科學(xué)夢

北京日報記者 劉蘇雅

北京時間9日15時40分，“天宮課堂”第一課正式開講，這是時隔8年之后，中國航天員再次進行太空授課。“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這也是中國空間站首次太空授課活動。

此次太空授課活動進行了全程現(xiàn)場直播，在中國科技館設(shè)地面主課堂，在廣西南寧、四川汶川、香港、澳門分設(shè)4個地面分課堂，共有1420名中小學(xué)生代表參加了現(xiàn)場活動。

寄語

太空科技，奧秘?zé)o窮，未來屬于你們！——翟志剛

飛天夢，永不失重；科學(xué)夢，張力無限！——王亞平

星空浩瀚無比，探索永無止境，希望同學(xué)們張開夢想的風(fēng)帆，向無盡的宇宙遠航！——葉光富

課堂

神舟一號返回艙現(xiàn)身現(xiàn)場

2013年，神舟十號航天員王亞平在聶海勝、張曉光的配合下，進行了第一次太空授課。在40多分鐘的授課過程中，開展了陀螺演示、單擺運動展示、水膜演示、水球演示等太空實驗，激發(fā)了無數(shù)青少年對科技、航天領(lǐng)域的興趣。

9日，在中國科學(xué)技術(shù)館地面課堂現(xiàn)場，太空元素隨處可見。神舟一號返回艙、長征五號系列運載火箭“胖五”的發(fā)動機，甚至一件真實的天和核心艙結(jié)構(gòu)件都在現(xiàn)場亮相，陪伴著“太空班”的孩子們一同享受這難忘的一課。

200余名“太空班”的孩子們安靜落座。每個小組都配備了一套實驗器材，玻璃球、泡騰片等模擬太空環(huán)境的道具，讓孩子們能和航天員一起，天、地同步做實驗。

授課

“太空步”好看不中用

9日15時40分，距離地面400公里的中國空間站天和核心艙。

“太空探索永無止境，隨著不斷旋轉(zhuǎn)的陀螺，我們已經(jīng)從神十任務(wù)進入了空間站時代。歡迎來到‘天宮課堂’！”王亞平親切的開場白，拉開了本次“天宮課堂”的序幕。

翟志剛、王亞平、葉光富三人熱情地向“太空班”的孩子們問好，并通過鏡頭帶著孩子們參觀了本次活動的教室——天和核心艙，介紹了航天員在太空為保護身體健康，在軌鍛煉時所使用的太空跑臺、太空自行車等，展示了餐飲區(qū)配備的冰箱、微波爐、飲水機，并講解了前期開展的細胞實驗的部分觀察研究結(jié)果。翟志剛介紹，為了防止失重導(dǎo)致航天員肌肉萎縮，除了配備鍛煉設(shè)備外，航天員日常所穿的“企鵝服”也暗藏玄機，可以通過拉帶調(diào)節(jié)松緊，防止肌肉萎縮。

“自行車不光能鍛煉下肢，還能鍛煉上臂。”王亞平一邊說著，一邊在太空自行車上輕松倒立起來，推動滾輪，解鎖了新的使用方式。

鏡頭一轉(zhuǎn)，葉光富邁著“太空步”走了起來。不過，雖然他看上去十分努力地邁開腿，身體卻始終保持在原地不動。王亞平介紹，在太空中，航天員處于失重環(huán)境，需要借助身邊的裝置才能移動。

隨后，葉光富又嘗試在不借助外力的情況下轉(zhuǎn)身。畫面中，他的上半身向右旋轉(zhuǎn)，下身卻轉(zhuǎn)向左邊，反之亦然。隨后他又嘗試了蛙泳、模仿噴氣機吹氣反推等方式，依然無法轉(zhuǎn)動。

在王亞平的“指導(dǎo)”下，葉光富慢慢舉起右手，開始在空中畫圈，并且越畫越快。神奇的是，他的身體真的開始往反方向緩慢旋轉(zhuǎn)起來，這與角動量原理有關(guān)。

八年后水膜上“開花”了

在八年前的神舟十號太空課堂中，王亞平曾在太空成功制作了一張漂亮的水膜，并在水膜上貼上了一個印著中國結(jié)的小道具。

在“天宮課堂”，王亞平再次演示了水膜實驗，但這次做好水膜后，她拿出的是提前折疊好的一個花朵折紙。她將折好的紙花小心翼翼地放置在水膜上，令人驚訝的現(xiàn)象出現(xiàn)了——花朵在晶瑩剔透的水膜上緩慢“開放”了。

“希望你們的夢想都能在廣袤的宇宙中綻放！”王亞平寄語孩子們。

隨后，水球?qū)嶒炓脖粡?fù)現(xiàn)，地面上的孩子和八年前一樣，再一次透過太空中的水球看到了“倒立”的王老師。孩子們還拿起桌上的玻璃球，體驗到了同樣的視覺效果。不同的是，這次實驗增加了一個“雙像”環(huán)節(jié)，在水球中注入空氣，鏡頭前便出現(xiàn)了一正一反兩個“王老師”，一個來自水的倒像，一個來自空氣的正像。

“哇！”這個奇妙的畫面，引得現(xiàn)場的孩子們連連驚嘆。

“太空歡樂球”帶來無限歡樂

在進行浮力實驗前，王亞平先請地面課堂的孩子們將乒乓球放在水中，乒乓球密度小，自然是漂浮在水面。而在太空中，王亞平也準備了一杯水，她輕輕將乒乓球放進水中，球卻沒有上浮，而是穩(wěn)穩(wěn)地停在了水杯中央。

王亞平解釋，在太空失重環(huán)境下浮力幾乎消失，因此乒乓球不能上浮。隨后，她蓋上杯蓋，并將水杯拋向葉光富。一拋一接之間，乒乓球依然在水中紋絲不動。

水球?qū)嶒炛校鮼喥揭惭埡⒆觽円黄痼w驗。在地面上，當(dāng)孩子們把準備好的泡騰片放入水杯中，泡騰片迅速生成大量氣泡，躥向水面并消失了。而在太空中，王亞平向水球內(nèi)注入藍色顏料，然后取出一顆泡騰片，放進水球內(nèi)。水球“沸騰”了！無數(shù)氣泡在其中產(chǎn)生，但由于太空的失重環(huán)境，氣泡沒有離開水球，而是逐漸將水球充滿。

“水球變成了充滿歡樂小氣泡的氣泡球。”王亞平為它取名“太空歡樂球”。

12月9日下午，中國空間站“天宮課堂”第一課開講，北京陳經(jīng)綸中學(xué)勁松分校聚沙校區(qū)的同學(xué)們圍在大屏幕前津津有味地觀看直播課。本報記者 和冠欣攝

保障

高清不卡頓是如何實現(xiàn)的？

通訊員 王然 鄒芳

9日下午15時40分，當(dāng)穩(wěn)定清晰的畫面和清脆響亮的聲音從九天之外傳來，中國科技館內(nèi)直播授課地面課堂爆發(fā)出熱烈的掌聲。與此同時，神舟十三號乘組也能通過空間站內(nèi)的液晶屏幕，清楚地看到地面課堂內(nèi)孩子們的一舉一動，并實時進行“天地對話”。

同學(xué)們與航天員之間的溝通延遲程度很小，對話幾乎是“無縫銜接”。在“天”與“地”順暢連通的背后，是中國航天人的密切配合協(xié)作。

航天科技集團五院空間站系統(tǒng)測控與通信分系統(tǒng)主任設(shè)計師易予生介紹，此次天地授課基于我國天鏈中繼系統(tǒng)，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展，艙內(nèi)采用多臺高清攝像機通過中繼高速鏈路將高清視頻實時傳送至地面，地面上行兩路高清圖像送至艙內(nèi)顯示器，從而實現(xiàn)雙向視頻傳輸。

這條“信息天路”的暢通，是由北京空間信息傳輸中心全力保障的。

“受地球曲率的影響，要想實現(xiàn)對中國空間站的長時間持續(xù)測控，必須有覆蓋范圍廣、傳輸速率高的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持。”北京空間信息傳輸中心總工程師單長勝說。中心總體室工程師秦銘晨介紹，空間站繞地球一周約90分鐘，假設(shè)開始授課時中國空間站正好運行到了中國正上方，到授課結(jié)束時，它已經(jīng)飛到了地球的另一面。而依靠運行在距地面30000多公里的中繼衛(wèi)星，不僅可以精準捕獲中國空間站，還可以進行圖像、話音等高速數(shù)據(jù)傳輸。

答疑

天上的夢有什么不一樣？

孩子們關(guān)心航天員在空間站的生活。葉光富透露，他們能發(fā)郵件、看電視，并和地面進行視頻通話。王亞平說，在空間站看窗外，太空的天是深邃的，星星更亮，卻因為沒有了大氣層的阻隔而不會“眨眼”了。在天和核心艙每天能看到16次日出，因為每90分鐘，他們就會繞地球一圈。

在被孩子們問“天上的夢有什么不一樣”時，王亞平回答，雖然宇航員在工作時常常飄來飄去，但睡覺時為了防止磕碰、保證安全，天和核心艙睡眠區(qū)配備了睡袋。不過，由于處在失重環(huán)境，無論用什么姿勢睡去，都會有站著睡覺的感覺。

王亞平說，在太空睡覺時，她經(jīng)常會做夢，而每次醒來的感覺是很特別的，“每次睜開眼睛，感受到四肢的力量、懸浮的睡袋，反而有一種做夢的感覺。”

解讀

特別設(shè)計為孩子們種下科學(xué)思維的種子

“陀螺的開場，意味著一種傳承。”中國科技館科普講師團副團長陳征說，從首次太空授課，到今天我們有了一個太空的常駐“教室”，這是一個特別的設(shè)計。

針對本次授課的實驗設(shè)計，陳征表示，“天宮課堂”進行的一系列實驗，設(shè)計主旨都是圍繞“天地之間、不同現(xiàn)象”的思路進行的，要實現(xiàn)天地之間的互動，而不是單向的授課。在保障空間站安全的前提下，盡可能實現(xiàn)明顯的實驗對比效果，且操作盡量簡潔，最終才選定了這些實驗項目。

“我們不是簡單地講授知識，而是種下一顆科學(xué)思維的種子。”陳征說，今天設(shè)計的實驗都是為孩子們展示一個神奇的現(xiàn)象，讓孩子們仔細觀察、思考，后續(xù)再加上學(xué)校老師的持續(xù)講解、引導(dǎo)，相信不同年齡的孩子會有不同的收獲。

“今天看到我們有這么豪華的‘科學(xué)教室’，我感覺十分自豪！”讓中科院物理研究所魏紅祥印象最深刻的，是三位航天員在開場時，首先帶領(lǐng)孩子們參觀了天和核心艙。“我們敢于向全球直播，這證明了我們的實力和信心。”魏紅祥說，這次實驗的設(shè)計，以展示微重力條件下的現(xiàn)象為主，直觀地展示出了太空與地面環(huán)境的差別。為什么這次要重復(fù)進行水球試驗？魏紅祥說，八年前授課時，雖然也進行了水球注入空氣的實驗，但當(dāng)時“雙像”并沒有被清晰地呈現(xiàn)在鏡頭前。這次授課時，航天員特意進行了“運鏡”設(shè)計，讓孩子們能更清楚地看到奇妙的現(xiàn)象。

魏紅祥還透露，葉光富的轉(zhuǎn)身實驗可以部分在地面“復(fù)現(xiàn)”，例如人在游泳池中，或站立在一個可旋轉(zhuǎn)的圓盤上，都能夠?qū)崿F(xiàn)上身左轉(zhuǎn)、下身右轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

12月9日下午，中國空間站“天宮課堂”第一課開講，北京陳經(jīng)綸中學(xué)勁松分校聚沙校區(qū)的同學(xué)們一邊觀看直播課，一邊在老師的指導(dǎo)下做相關(guān)的科學(xué)小實驗。本報記者 和冠欣攝

互動

小學(xué)生與“太空教師”隔空做實驗

北京日報記者 牛偉坤

將鉛筆插進裝滿水的袋子、用泡騰片演示火山噴發(fā)、將水滴滴在硬幣上觀察水的表面張力……9日下午，在陳經(jīng)綸中學(xué)勁松分校聚沙校區(qū)，孩子們對照著“天宮課堂”的課表，與“太空教師”一起隔空做起了實驗。

“1，2，3……28！‘小水池’溢出來了！”小學(xué)三年級的科學(xué)課堂上，一名男生手持滴管，一邊小心翼翼地將水滴滴在硬幣上，一邊大聲地數(shù)著數(shù)字。這是科學(xué)老師白燕為孩子們設(shè)計的“硬幣小水池”實驗。“滴在硬幣上的水滴為什么沒有立刻流出來，而是形成了‘小水池’呀？”有學(xué)生不解。“這是因為像水這種液體會產(chǎn)生一種使表面盡可能縮小的力，這個力被稱為‘表面張力’。”白燕適時給孩子們補充科學(xué)知識。

“‘天宮課表’一公布，我就開始備課了。”白燕說，她最關(guān)注的是課表中的“水膜張力實驗”，“我們前期已經(jīng)帶領(lǐng)學(xué)生們了解了有關(guān)水的知識，水膜的張力實驗將會是我們前期學(xué)習(xí)的很好拓展”。白燕將實驗的目標定位在讓學(xué)生在趣味實踐中了解水的表面張力，感受表面張力在地面與太空的不同魅力。除了“硬幣小水池”之外，她還準備了“洗潔精推動紙船”“鉛筆插進水袋不會漏”等實驗項目供學(xué)生們選擇。“太空是一個微重力的環(huán)境，微重力會讓表面張力更顯神威。”感受著太空與地面實驗的不同，孩子們被表面張力的神奇魅力所折服。

將色素倒進水杯，攪拌后再倒入食用油，用鑷子夾起泡騰片投入杯中，霎時間氣泡翻騰起來……四年級的科學(xué)課堂上，孩子們歡呼過后滿滿的困惑，“老師，我們的泡騰片實驗怎么跟屏幕上的實驗不一樣呀？”科學(xué)老師范海艷同孩子們一樣興奮，“在空間站微重力的環(huán)境下，浮力消失了，泡騰片扔進水中產(chǎn)生的氣泡也不再上浮，而是相互擠壓，水球也會被氣泡撐得越來越大。”孩子們恍然大悟。

“科學(xué)實在太神奇了，我真想當(dāng)個航天員呀！”四年級學(xué)生岳翊璇語氣中充滿了期待，夢想的種子在心中悄然種下。六年級學(xué)生周欣瑤則對太空授課中企鵝服的展示印象深刻，“我覺得特別震撼，原來航天員在太空中是這樣生活的，這次授課讓我對科學(xué)和航天的興趣更濃厚了。”六年級學(xué)生李浩瑋則充滿了自豪，“‘天宮課堂’背后展示的是我們國家的科技實力，我覺得特別的驕傲，希望自己未來也能為科學(xué)發(fā)展作出貢獻。”

該校德育主任劉亞琨介紹，在得知太空授課的消息后，學(xué)校就謀劃著如何更好地將“天宮課堂”轉(zhuǎn)化為學(xué)生科學(xué)教育的資源。“前期在科技月等系列活動中，我們已經(jīng)對學(xué)生進行了航天知識的科普，孩子們都有著濃厚的興趣。”過去幾天，老師們集思廣益，綜合考慮實驗材料的可獲得性、實驗的可操作性、小學(xué)生的接受能力等，從“天宮課表”中選取了多項地面互動實驗。學(xué)校設(shè)想，未來，要將航天科普教育以“給宇航員寫封信”等形式延續(xù)下去。