中国科学报：讲述太空授课背后的“科学张力”

6月20日，学生们在南开中学的太空体验厅通过弧形屏幕观看了中国的首次太空演讲。

在那一天，神舟十号宇航员在天宫一号上进行了基础物理实验，向太空中的年轻人传授知识，来自8万多所中学的6000多万师生同时观看了实验。

由游思兴(新华社)拍摄

■我们的记者朱广庆和周希坦

"面对浩瀚的宇宙，我们都是学生."在神州10号宇宙飞船开战之前，女宇航员王亚萍有意义的话一直萦绕在人们的耳中。6月20日，作为中国第一位“太空教师”，她赫然站在最高的讲台上。

2011年9月，在天宫一号发射之前，太空教学的想法已经酝酿。后来，这个想法被讨论了很多次，并在2012年推出“神九”之前被采纳。同年11月初，太空教学活动被正式列入“上帝10号”飞行计划。

此后，来自不同领域的宇航员、科学家和教育工作者广泛参与了实验内容的设计、教案的编制和教具的开发。“神师”队出征前，宇航员参加了不少于五次正式的世界性教学演习。

这是一项独特的教学活动。其意义不仅在于王亚萍站立的平台的高度和我们年轻人从中获得的空间知识，还在于它向世界传达了我们对空间科学和技术的独特探索。正如本次空间教学中围绕空间科学中“微重力”这一重要命题而设计的实验活动一样，它不仅是航空科学技术的基础，也是各国空间科学技术竞赛的主题。

1“亚萍老师”解释牛顿第二定律

6月20日上午，在距离地面300多公里的天宫一号上，宇航员王亚萍变身为“亚萍老师”，给中国做了第一次太空演讲。

10时11分，北京航天控制中心报告说，与宇航员建立了双向通信联系。在“助教”聂海胜和“相机”张的帮助下，王亚萍慢慢“飞”向天宫一号舱的相机镜头。摄像机后面是全国人大附中的地面教室。

来自北京16所学校的335名学生用热烈的掌声欢迎他们的老师亚萍。与此同时，来自全国8万多所中学的6000多万师生同时组织观看了现场教学活动。

“如何衡量生活质量？”王亚萍以提问开始他的演讲。地面班的一些学生说使用天平，一些人说使用电子秤，还有一些人提到使用“曹冲称形象”的方法。然而，这些方法在太空失重状态下会“失败”。宇航员将如何测量他们的体重？

王亚萍用天宫一号上的质量测量仪为自己说话。他们从舱壁上打开一个支架状的装置，聂海胜把自己固定在支架的一端。王亚萍拉开支架，他一松手，支架就在弹簧的作用下回到原来的位置。设备上的发光二极管显示屏显示的数字为74.0，这意味着聂海胜的测量质量为74千克。

王亚平向同学们解释说，天宫一号质量测量仪的物理原理是牛顿第二运动定律:力=质量×加速度。质量测量仪上的弹簧可以产生一个恒定的力f，同时，光栅测速装置可以测量支架复位的速度v和时间t，并计算加速度(a = v/t)，从而可以计算物体的质量(m = f/a)。

在演示了质量测量之后，王亚萍拿出了物理课上另一个常见的实验装置——单摆。王亚萍把球沿着切线方向推了推，一个奇妙的现象出现了。球开始绕着T形支架的轴线做圆周运动——而在地面对比试验中，为了使球绕着轴线旋转，有必要施加足够的力使球具有较大的初始速度。

事实证明，这也是因为重力消失在空间中，系统没有恢复力。在获得初始速度后，钟摆将不再做往复运动，而只做圆周运动。

接下来的陀螺测试表明，高速旋转陀螺具有很好的定轴特性，这在太空失重环境下表现得更加直观。

王亚平说，高速旋转陀螺仪的定轴特性在空间领域得到广泛应用。天宫一号目标航天器装备有各种陀螺仪，以精确测量航天器的飞行姿态。

在这次太空演讲中，最让学生震惊的是失重状态下液体表面张力的演示。王亚萍也激起了学生们的食欲，并利用“见证奇迹的时刻”唤起了更大的期望。

她将一个金属环插入一个装满饮用水的自密封袋中，然后慢慢拉出金属环，形成一层水膜。轻轻摇动金属环不会打破水膜。王亚萍用水膜做了一个大水球，把空气注入水球，形成两个球形气泡。然后，一个奇怪的现象发生了。这两个气泡移动了，没有合并。

在提问环节中，时嘉小学四年级学生邱田将这一场景带入了童稚的幻想:“星星会闪烁吗？你能看见不明飞行物吗？”

“这真是一个绝妙的问题。”王亚萍笑着说，他们没有见过不明飞行物。由于宇宙飞船脱离了大气层，没有光散射，他们看到的星星异常明亮，但并不闪烁。

“我想告诉你一件奇妙的事情，我们每天可以看到16天，因为我们每90分钟绕地球一周。”学生们听到亚萍先生的描述时非常震惊。时针指向10点50分，王亚萍以一句话结束了他的第一次太空演讲:“天空之梦永远不会减肥，科学之梦有无限的张力。”

中国科学院的专家解释实验原理

“‘神五十号’航天员王亚萍在太空教学中做了五个科学实验，‘瞄准’是微重力环境下物体运动的两个特征——质量测量、单摆运动和陀螺的动静态实验，展示了失重环境下刚体的动态特性；水膜和水球实验表明，液体表面张力的奇怪特性是失重的“主导因素”

在空间讲座前夕，中国科学院力学研究所国家微重力实验室副主任兼研究员康琦和研究员赵两位参加在轨科学实验演示的力学专家向《中国科学日报》记者阐述了微重力科学研究的独特价值及其对人类未来的意义。

"许多主要的基本物理问题需要在太空环境中得到验证."例如，康琦解释说，冷原子物理学中的冷原子需要一个低温的空间环境来使它们安定下来；科学界熟知的爱因斯坦广义相对论也需要在太空环境中得到验证。

微重力科学涉及一个庞大的学科体系，这不可避免地导致公众理解的混乱。然而，当提到“微重力”的另一个名称——“失重”时，每个人都不会感到奇怪。

"乘坐电梯时电梯加速和下降的感觉是一种典型的失重体验。"康琦解释说，如果电梯在加速下降时用弹簧秤称重，弹簧秤的读数会大大降低。相反，电梯的加速度过重，弹簧平衡的读数将大大增加。

那么，失重状态下的液体会怎么样呢？最直接的答案是阿基米德浮力定律将是无效的。

赵向记者解释说，浮力定律的最大前提是重力。重力会在水中产生静压梯度，即水越深，压力越大。然而，一旦发生失重，静态压力梯度将不再存在，容器中的流体压力将趋于一致，并且水下物体周围的水的合成压力将为零，因此将没有浮力。

“在地面环境中，重力是主要的作用力，表面张力的作用经常被掩盖。然而，在空间微重力条件下，表面张力作为主要因素上升，同时呈现出与地面完全不同的奇怪特征。”

水膜实验表明，在太空失重环境下，水的表面张力成为控制流体形态的主要力量。表面张力使水形成水膜，水团形成球。

对公众来说，这种空间科学实验教学无疑是一种新奇的体验，也是一种罕见的科普体验。然而，人们对它对中国载人航天工程的特殊意义知之甚少。

例如，在航天器的飞行过程中，设备和燃料涉及液体管理和热管理，特别是宇航员生存所必需的氧气和水的供应，这与液体形态的控制是分不开的。

“宇航员在舱外活动时需要控制宇航服内部的湿度。如果宇航服内的湿度因出汗产生的水蒸气而过高，会影响宇航员的身体健康和运动。因此，有必要将水蒸气冷凝成液体并排出。在正常重力和微重力条件下，气体和液体的界面会有很大的不同，这需要我们仔细研究。”康琦说道。

事实上，在国外载人航天发展过程中，开展微重力科学研究的尝试一直贯穿始终，并且是重要内容之一。

20世纪60年代，美国和苏联发起了一场太空竞赛，微重力实验成为两国角力的焦点。自那以后，前苏联率先发射了第一颗人造地球卫星，并在此前进行了一系列微重力实验，但其大部分研究成果都是保密的。

在美国早期的微重力实验中，一个实验装置悬挂在天花板上，下面有一个沙坑或床垫，让实验装置*下落，导致失重时间为十分之几秒赵说，正是这些原始实验使科学家们了解了微重力条件下流体运动和传热的规律，为人类空间科学技术的发展奠定了基础。

这个讲座包括在“上帝10号”飞行计划中。

这次空间教学活动是由中国载人航天工程办公室、教育部和中国科学技术协会联合主办的。然而，据记者了解，空间教学只是一个想法，成为现实，它也是几个倡议的结果。

原来，2011年9月天宫一号目标飞行器成功发射后，中国科协率先启动了空间教学活动。在2012年6月神九发射之前，中国科学技术协会再次提出并与载人航天工程负责人“一拍即合”。

2012年11月初，空间教学活动被纳入“上帝10号”飞行计划。

随后，三个组织者的相关部门组成了一个工作协调小组，负责空间教学活动的筹备工作。其中，中国科协在参与总体规划的制定和实施的同时，主要负责组织教学专家组，提出教学内容，编写教案脚本，制作课件等。，以及协助世界演习。

教学专家组由航天领域专家、航天员系统相关人员、教育专家、一线物理教师和科普专家组成。专家组从去年底到今年年初对空间教学计划进行了一系列论证。2012年12月18日和27日，专家组提出的一些意见最终被确定为空间教学的刚性原则。

中国工程院院士、前教育部副部长禹卫表示，空间教学的重点必须围绕“核心理念”，并以国际科学教育的最新理念为基础。

"只要求“知识点”的前一页已经翻过了."禹卫在上述会议上说，教学主体有必要通过10或20个“核心概念”来学习，并使这些概念成为一种本能。

换句话说，这次太空演讲的“核心概念”是微重力，教育方法应该是探究式学习方法。

中国载人航天工程总设计师周建平也在会上强调，在轨教学应突出科学探索精神，“一系列在轨实验的科学原理应成为青少年的终身知识”。

经过反复讨论和综合各方面专家的意见，教学专家组一致认为，空间教学应符合中小学生的常识和知识结构。在演示涉及物理概念的科学实验时，应使用通用语言，如“失重”而不是“微重力”解释，以及“重量测量”而不是“质量测量”...

在空间微重力环境中，液体表面张力的主导作用将表现出不同于地面上的奇异现象。有人建议在“水膜”实验中是否可以使用正方形或其他形状。作为回应，参加实验演示的力学专家说:必须使用圆环！

赵解释说，表面张力的大小与表面张力系数和表面弯曲程度有关。尖角的实验工具会因流体表面张力的变化而破坏液膜，因此应避免使用尖角工具。

4将向国家征集空间实验计划

太空讲座结束后，王亚萍在天宫一号上给世界第一位太空教师、前美国宇航员芭芭拉·摩根发了一封电子邮件。在邮件中，中国第一位太空教师王亚萍向她的前任描述了她“与数亿中国学生分享太空的神奇和美丽”的经历。

据了解，随着中国载人航天工程三步走目标第二阶段的实施，作为科普领域的一支重要社会力量，中国科协与中国载人航天工程办公室、中国航天科技集团自2010年起联合开展了一系列面向青少年的空间科普活动“开放天宫梦”。这次太空讲座是一系列科普活动的重要组成部分。

“从学术上讲，太空中的失重环境使隐藏在地面正常重力环境中的一些次要因素或次要影响显而易见。科学家可以观察到不同于地面的独特现象，并揭示它们的内在规律。”赵评论了这次太空演讲的意义。

在接受《中国科学》采访时，太空教学专家组组长狄乃勇也表示，这项活动将带领孩子们进入另一个世界，丰富他们的想象力。“我们的未来源于科学幻想。孩子们幻想的越多，人类社会进步就越快。”

张学朴，北京十九中的一名高中生，是该校天文学会的成员，一直热爱探索太空世界。当她得知自己是学校能够参与现场互动的15名学生之一时，她特别高兴。看到水膜注满水后形成的水球晶莹剔透，她不禁想起了电影《哈利·波特》中的水晶球。

就在“上帝10号”飞行之前，为期三个月的全国青年空间科技知识竞赛刚刚结束。明年，中国科学技术协会还将广泛征求全国各地年轻人的太空实验室的实验项目。

正如宇航员王亚萍所说:“太空承载着人类美好的愿望。知识是通向太空的阶梯。我们愿意与你们一起努力，为全世界热爱科学和探索宇宙的年轻朋友们打开梦想之门。”

中国科学新闻(2013-06-21，第一版集锦)