6月20日，在南開中學(xué)航天體驗館，學(xué)生們通過弧形屏幕觀看中國首次太空授課。
當(dāng)日，神舟十號航天員在天宮一號開展基礎(chǔ)物理實驗，為青少年進行太空授課，全國8萬余所中學(xué)6000余萬名師生同步收看。
游思行攝
�。ㄐ氯A社供圖）
■本報記者 朱廣清 周熙檀
“面對浩瀚的宇宙，我們都是學(xué)生。”神舟十號飛船出征之前女航天員王亞平意味深長的話語，一直縈繞在人們的耳畔。作為中國首位“太空教師”，6月20日，她赫然站在了最高的講臺上。
2011年9月，在天宮一號目標(biāo)飛行器升空之前，關(guān)于太空授課的想法已經(jīng)開始醞釀。隨后，這一創(chuàng)意被多次討論，并于2012年“神九”發(fā)射前被采納。當(dāng)年11月初，太空授課活動被正式列入“神十”飛行大綱。
此后，來自不同領(lǐng)域的航天人、科學(xué)家、教育工作者廣泛參與其中，設(shè)計實驗內(nèi)容、準(zhǔn)備教案、研制教具。“神十”乘組出征之前，航天員們參與的正式天地授課演練不下5次。
這是一次絕無僅有的授課活動。其意義不僅僅在于王亞平所站講臺的高度以及我國青少年因此得到的太空知識，更在于它向世界傳遞了我國在航天科技方面的獨特探索——正如此次太空授課圍繞“微重力”這一太空科學(xué)重大命題所設(shè)計的實驗活動，既是航空科技的基礎(chǔ)，也一直是各國太空科技競賽的主題。
1“亞平老師”講解牛頓第二定律
在距離地面300多千米的天宮一號上，6月20日上午，航天員王亞平變身“亞平老師”，進行了中國首次太空授課。
10時11分，北京航天飛行控制中心報告，已建立與航天員的雙向通信鏈路。王亞平在“助教”聶海勝、“攝像”張曉光的幫助下，向天宮一號艙內(nèi)攝像機鏡頭緩緩“飛”來。鏡頭背后，是設(shè)在人大附中的地面課堂。
來自北京16所學(xué)校的335名學(xué)生，用熱烈掌聲歡迎他們的亞平老師。與此同時，全國8萬余所中學(xué)6000余萬名師生同步組織收聽收看了太空授課活動實況。
“生活中如何測量質(zhì)量？”王亞平以提問的方式開始講課。地面課堂的同學(xué)們有的說用天平，有的說用電子秤，還有人提到用“曹沖稱象”的辦法。但是，這些方法在太空失重的環(huán)境下都將“失靈”，那么航天員如何測體重？
王亞平用天宮一號上的質(zhì)量測量儀現(xiàn)身說法。他們從艙壁上打開一個支架形狀的裝置，聶海勝把自己固定在支架一端。王亞平拉開支架，一放手，支架便在彈簧的作用下回復(fù)原位。裝置上的LED屏上顯示出數(shù)字：74.0，這表示聶海勝的實測質(zhì)量是74千克。
王亞平向同學(xué)們解釋，天宮一號中的質(zhì)量測量儀，應(yīng)用的物理學(xué)原理是牛頓第二運動定律：F（力）=m（質(zhì)量）×a（加速度）。質(zhì)量測量儀上的彈簧能夠產(chǎn)生一個恒定的力F，同時用光柵測速裝置測量出支架復(fù)位的速度v和時間t，計算出加速度（a=v／t），就能夠計算出物體的質(zhì)量（m=F／a）。
演示完質(zhì)量測量，王亞平又取出一個物理課上常見的實驗裝置——單擺。王亞平沿切線方向輕推小球，奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了，小球開始繞著T形支架的軸心做圓周運動——而在地面對比試驗中，需要施加足夠的力，給小球一個較大的初速度，才能使它繞軸旋轉(zhuǎn)。
原來，這也是因為在太空中重力消失，系統(tǒng)不具有回復(fù)力，在獲得初速度后，單擺不會做往復(fù)運動而只做圓周運動。
接下來的陀螺試驗顯示，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有很好的定軸特性，在太空失重環(huán)境下，這一特性更加直觀地呈現(xiàn)出來。
王亞平介紹說，高速旋轉(zhuǎn)陀螺的定軸特性在航天領(lǐng)域用途廣泛。在天宮一號目標(biāo)飛行器上，就裝有各式各樣的陀螺定向儀，以精準(zhǔn)地測量航天器的飛行姿態(tài)。
本次太空授課最令學(xué)生感到震撼的是失重環(huán)境下液體表面張力的演示。王亞平也吊足了學(xué)生們的胃口，用“見證奇跡的時刻”來引發(fā)更大期待。
她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂。王亞平利用水膜造了一個大水球，并向水球內(nèi)注入空氣，在水球內(nèi)形成兩個球形氣泡。隨后，奇特的現(xiàn)象發(fā)生了，兩個氣泡各自游移，并未融合。
在提問環(huán)節(jié)，史家小學(xué)四年級學(xué)生邱甜的提問，則將現(xiàn)場帶入了童趣的幻想：“星星會閃爍嗎？能看到UFO嗎？”
“這真是個奇妙的問題。”王亞平微笑著說，他們沒有看到過UFO，由于航天器脫離了大氣層，沒有光的散射，所以看到的星星格外明亮，但是不會閃爍。
“告訴大家一件奇妙的事情，我們每天可以看到16次日出，因為我們每90分鐘繞地球轉(zhuǎn)一圈。”同學(xué)們聽到亞平老師的描述，非常震驚。 時針指向10：50，王亞平以一句“飛天夢永不失重，科學(xué)夢張力無限”結(jié)束了首次太空授課。
2中科院專家解讀實驗原理
“‘神十’航天員王亞平在太空授課中所做的5項科學(xué)實驗，‘瞄準(zhǔn)’的是微重力環(huán)境下物體運動的兩種特性——測質(zhì)量、單擺運動以及陀螺的動態(tài)與靜態(tài)實驗，展示的是失重環(huán)境中的剛體動力學(xué)特性；水膜及水球?qū)嶒�，展示的是失重環(huán)境中液體表面張力作為‘主導(dǎo)因素’的奇異特征。”
在太空授課前夕，參與在軌科學(xué)實驗演示論證的兩位力學(xué)專家——中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實驗室副主任、研究員康琦和研究員趙建福，向《中國科學(xué)報》記者詳細闡述了微重力科研的獨特價值及其對人類未來的意義。
“很多重大基礎(chǔ)物理問題，都需要在太空環(huán)境中進行驗證。”康琦解釋，比如冷原子物理中的冷原子需要太空低溫環(huán)境，以使其沉降；而科學(xué)界所熟知的愛因斯坦的廣義相對論也需要在太空環(huán)境中予以驗證。
微重力科學(xué)涉及一個龐大的學(xué)科體系，這難免會讓公眾產(chǎn)生理解上的困惑。然而，提起“微重力”的另一個稱謂——“失重”，大家則不會感到陌生了。
“乘電梯時電梯加速下降的感覺，就是一種典型的失重體驗。”康琦解釋說，而如果在電梯加速下降時用彈簧秤稱體重，彈簧秤的讀數(shù)會大大減��；反之，電梯加速上升則屬于超重，彈簧秤的讀數(shù)會大大增加。
那么，在失重環(huán)境中，液體會發(fā)生怎樣的變化？最直接的答案是，阿基米德的浮力定律將失效。
趙建福向記者解釋，浮力定律最大前提是重力作用。重力導(dǎo)致水中存在靜壓梯度，即水越深，壓力越大。而一旦失重，靜壓梯度將不復(fù)存在，容器內(nèi)的流體壓力趨于一致，浸沒其中的物體周圍受到水的壓力合力為零，也就不會有浮力。
“在地面環(huán)境中，重力作用是主要的，表面張力的作用經(jīng)常被掩蓋；而在太空微重力條件下，表面張力則上升為主導(dǎo)因素，同時呈現(xiàn)與地面完全不同的奇異特征。”
如水膜實驗所展示的，在太空失重環(huán)境下，水的表面張力成為控制流體形態(tài)的主要作用力。表面張力使水形成水膜、使水團成為球狀。
對公眾而言，此次太空科學(xué)實驗授課無疑是一次新奇的體驗和難得的科普經(jīng)歷，然而其背后蘊藏的對于我國載人航天工程的特殊意義，人們對其則知之甚少。
比如，航天器在飛行過程中，設(shè)備和燃料都涉及液體管理和熱管理，特別是航天員生存所必需的氧氣和水的供應(yīng)，都離不開對液體形貌的控制。
“航天員出艙活動時需要對航天服內(nèi)部的濕度進行控制，如果出汗產(chǎn)生的水蒸氣導(dǎo)致航天服內(nèi)部濕度過大，就會影響到宇航員的體能與動作。因此，這就須將水蒸氣冷凝變成液體排掉，而氣與液之間的界面在常重力與微重力情況下會有很大差異，需要我們認(rèn)真研究。”康琦說。
事實上，在國外載人航天的發(fā)展歷程中，嘗試在微重力狀態(tài)下進行科學(xué)研究一直貫穿始終，并且是重要內(nèi)容之一。
20世紀(jì)60年代，美蘇展開太空競賽，微重力實驗成為兩國角力的焦點。此后，前蘇聯(lián)率先發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，較早地開展了一系列微重力實驗研究，但其研究成果大多處于保密狀態(tài)。
“美國早期的微重力實驗，是在天花板上吊起實驗裝置，下面是沙坑或床墊，讓實驗裝置自由下落，從而產(chǎn)生零點幾秒鐘的失重時間。”趙建福介紹說，正是當(dāng)初這些簡陋的實驗，使科學(xué)家得以了解在微重力條件下流體運動與傳熱的規(guī)律，為人類的航天科技發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
3授課列入“神十”飛行大綱
此次太空授課活動，由中國載人航天工程辦公室聯(lián)合教育部、中國科協(xié)共同主辦。然而，據(jù)記者了解，太空授課從僅是想法到成為現(xiàn)實，也是幾經(jīng)倡議的結(jié)果。
原來，2011年9月天宮一號目標(biāo)飛行器成功升空后，中國科協(xié)曾率先倡議開展太空授課活動；2012年6月“神九”發(fā)射前，中國科協(xié)再度倡議，并與載人航天工程主管方“一拍即合”。
2012年11月初，太空授課活動列入“神十”飛行大綱。
隨后，3家主辦單位有關(guān)部門組成工作協(xié)調(diào)組，負(fù)責(zé)太空授課活動的籌備工作。其中，中國科協(xié)在參與總體方案制定與實施的同時，主要負(fù)責(zé)組織授課專家組、提出授課內(nèi)容、編寫教案腳本、準(zhǔn)備課件等，同時負(fù)責(zé)協(xié)助天地演練。
授課專家組由航天領(lǐng)域的專家和航天員系統(tǒng)有關(guān)人員、教育專家及一線物理老師、科普專家組成。針對太空授課方案，從去年底至今年初，專家組進行了一系列論證。而在2012年12月18日、27日兩次論證會上，專家組提出的一些意見，最終被確定為此次太空授課的剛性原則。
中國工程院院士、教育部原副部長韋鈺表示，太空授課的重心一定要圍繞“核心概念”，按照目前國際科學(xué)教育最新理念進行。
“此前沿襲的僅要求獲得‘知識點’的這一頁已經(jīng)翻過去了。”韋鈺在上述會議上表示，必須讓授課對象學(xué)深學(xué)透一二十個“核心概念”，并使這些概念成為一種本能。
也就是說，此次太空授課的“核心概念”是微重力，教育方法則應(yīng)是探究式的學(xué)習(xí)方法。
我國載人航天工程總設(shè)計師周建平在會上也特別強調(diào)，在軌授課要突出科學(xué)探索精神，“一系列在軌實驗的科學(xué)原理，應(yīng)成為青少年的終生認(rèn)識”。
在經(jīng)過反復(fù)討論并綜合了各方面專家的意見后，授課專家組約定：太空授課要同中小學(xué)生常識與知識結(jié)構(gòu)接軌，凡演示科學(xué)實驗涉及物理學(xué)概念時，必須使用通俗語言表述，比如用“失重”而不用“微重力”講解，使用“測體重”而不用“測質(zhì)量”的說法……
在太空微重力環(huán)境中，液體表面張力主導(dǎo)效應(yīng)會表現(xiàn)出不同于地面的奇異現(xiàn)象。有人曾提議，在做“水膜”實驗時實驗用具能否使用方形或其他形狀的。對此，參與實驗論證的力學(xué)專家們則表示：一定要用圓環(huán)！
趙建福解釋說，表面張力大小與表面張力系數(shù)和表面彎曲程度有關(guān)，尖銳夾角的實驗用具會因為流體表面張力的變化而拉破液膜，因而應(yīng)該避免使用尖角用具。
4將向全國征集太空實驗方案
太空授課結(jié)束后，王亞平在天宮一號上給世界第一位太空教師、美國前宇航員芭芭拉·摩根發(fā)了一封電子郵件。郵件中，王亞平這位中國首位太空教師，向她的前輩描述了自己“與億萬中國學(xué)生一起分享了太空的神奇和美妙”的體驗。
據(jù)了解，伴隨我國載人航天工程三步走目標(biāo)第二階段任務(wù)的實施，作為科普工作的主要社會力量，中國科協(xié)自2010年起與中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團共同面向青少年開展了“開啟天宮夢想”系列航天科普活動。而此次太空授課就是系列科普活動中的一項重要內(nèi)容。
“學(xué)術(shù)上，太空失重環(huán)境使得一些在地面常重力環(huán)境中被掩蓋的次要因素或次級效應(yīng)得以彰顯�？茖W(xué)家借此可以觀測到不同于地面的獨特現(xiàn)象，揭示其內(nèi)在規(guī)律。”關(guān)于此次太空授課的意義，趙建福如此評價。
太空授課專家組組長邸乃庸在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時也表示，此次活動將帶領(lǐng)孩子們進入另外一個世界，豐富他們的想象力。“我們的未來源于科學(xué)幻想。孩子們幻想越豐富，人類社會的進步就會越快。”
北京十九中高一學(xué)生張雪飄是學(xué)校天文社成員，一直喜歡探索太空世界。當(dāng)她得知自己成為學(xué)校能夠參與現(xiàn)場互動的15個學(xué)生之一，感到特別高興。看到水膜注水后形成的水球晶瑩剔透，她不由得聯(lián)想到電影《哈里·波特》中的水晶球。
就在“神十”飛天之前，歷時3個月的全國青少年航天科技知識競賽活動剛剛落幕。明年，中國科協(xié)還將面向全國青少年廣泛征集空間實驗室的實驗項目。
正如航天員王亞平說：“太空寄托著人類美好的向往，知識是走向太空的階梯。我們愿與您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛科學(xué)、探索宇宙的夢想共同努力。”
《中國科學(xué)報》 (2013-06-21 第1版 要聞)
