“天宫课堂”讲了哪些“高能”知识点

樊巍

“天宫课堂”第二课开讲

在约45分钟的授课中，翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，生动演示微重力环境下太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验，深入浅出讲解实验现象背后的科学原理，同时展示部分空间科学设施，介绍在空间站的工作生活情况。授课期间，航天员通过视频通话形式与地面课堂师生进行互动交流。

中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟在接受《环球时报》记者采访时表示，与中国空间站第一次太空授课不同的是，第二次太空授课中，中国空间站的实验机柜也参与到授课过程中，3名航天员将日常生活中的一些科学知识和航天员在太空中的研究结合起来进行演示。

在首先进行的太空“冰雪”实验中，“太空教师”王亚平演示了失重状态下的饱和液体结晶现象。据《环球时报》记者了解，这项实验由中科院空间应用工程与技术中心提交，主要是利用过饱和无水醋酸钠溶液结晶来呈现“点水成冰“的效果。

中科院物理研究所研究员魏红祥在接受《环球时报》记者采访时表示，在空间站的微重力环境中开展这项实验，它的结晶状况跟地面上开展实验的差别很大，空间站中并未使用容器，最终结晶为圆球状，还可以往外发展，但如果在地面使用容器开展实验，受容器限制，只能往内结晶。

来自中国科技馆“地面课堂”的吴老师介绍，这项实验所引出的空间站上的无容器材料实验柜堪称是研究材料的“大国重器”。

据《环球时报》记者了解，无容器材料科学实验柜通过静电场精确控制样品位置，利用激光加热可使样品最高温度达3000摄氏度，可以开展金属及非金属化合物材料物性的研究。可揭示各类材料的特性及生长规律，攻克在地面条件下材料制备无法解决的难题，开发出具有新型功能的材料。、实验成果可在高温单晶合金(航空发动机和燃气轮机叶片)、核电站高温材料、新型铁基超导材料、新型红外遥感探测材料、医学探测器材料等领域获得应用。

在液桥演示实验中，王亚平演示了失重环境下水的表面张力作用。天宫课堂地面主课堂授课教师李晓彤介绍称，在地面上无法做出空间站上这么大的液桥，而“太空老师”们就可以更加形象地展现这个实验，让同学们对手液体表面张力有更加直观和深刻的认识。“太空授课的液桥实验一方面是书本知识的一种非常好的实践和补充，让同学们在头脑中靠想象才能理解的图像得以放大和实现，从而更加深刻地去理解这个概念。”在水油分离实验中，王亚平演示的是失重环境下水油分层现象消失、通过旋转产生离心力实现分层的现象。吴老师介绍称，这些实验共同展示的现象都是密度分层的消失，原因就在于空间站中的微重力环境。

微重力环境有什么作用？吴老师解释称，如果在空间站的微重力环境下，向熔融的合金中注入气体，就可以得到高质量的泡沫金属，利用的正是侬重力环境没有密度分层这个优势。这却泡沫金属是重要的航空航天材料，在能源和环保领域也非常重要。而这还只是微重力环境一个简单直观的应用。

在最后开展的太空抛物实验中，王亚平用冰墩墩演示了天地之间抛物的区别。天宫课堂地面主课堂授课老师张健介绍称，通过这项实验可以引申出牛顿的高山大炮实验和第一宇宙速度的概念。七牛顿的高山大炮实验是一种思想实验，如果掌握了思想实验，就可以在逻辑力量的支配下去探索未知的世界。”张健称。▲

国际空间站如何开展太空授课

在载人航天器上开展太空授课具有十分重要的意义，许多国家都对太空授课项目高度重视。国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光在接受《环球时报》记者采访时表示，如果不限于形式，目前很多国家都开展过“太空授课”活动，“比如俄罗斯、加拿大、韩国和马来西亚等国的宇航员都曾在太空中录制视频，然后带回地面展示”，但如果严格按照天地连线的形式定义太空授课，目前全世界仅有中美两国实现了太空授课的直播。

据美国国家航空航天局（NASA）官网信息显示，美国的太空授课项目启动较早，但实现过程历经艰辛与磨难。1984年，时任美国总统里根宣布将开展一项名为“太空教师计划”的项目：该项目最初从1.1万多名申请者中选定美国高中社会研究课程教师克丽斯塔•麦考利夫和小学教师芭芭拉•摩根作为“太空教师计划”项目的首批参与者，并最终确定克丽斯塔・麦考利夫作为美国首位太空教师人选开展太空授课。不幸的是，那次承载着梦想的飞行任务却遭遇了人类航天史上的一次重大灾难。“挑战者”号航天飞机在升空过程中解体，包括克丽斯塔•麦考利夫在内的7名乘组成员全部遇难。之后，NASA终止了“太空教师计划”项目。作为此次任务备份的太空教师芭芭拉•摩根也继续自己的教学生涯。直到1998年，NASA重拾“太空授课”计划，以“教育家宇航员”项目取代“太空教师计划”项目，新项目的不同之处在于，被挑选参加飞行任务的太空教师不会在完成太空飞行任务后回归课堂，而是经过培训成为真正的宇航员，他们在担负常规飞行任务之外，还将与其他宇航员一起帮助地面的老师和学生探索太空。

颇具传奇色彩的是，2007年8月，芭芭拉•摩根以“职业宇航员”的身份搭乘“奋进”号航天飞机登上苗际空间站，并在此次飞行任务中圆了自己和麦考利夫的太空授课梦。全国空间探测首席科学传播专家庞之浩在接受《环球时报》记者采访时表示，载人航天器内的微重力环境，能帮助青少年更好地理解一些物理概念、物理规律，国际空间站也因此开发了不少面向青少年授课的太空失重科学实验。例如，2012年宇航员佩蒂特在国际空间站内给地球上的学生演示了一个十分有趣的实验——水滴绕毛衣针在太空飞舞,以验证带静电的毛衣针在太空如何影响水滴运动。

此外，与载人航天器上的宇航员进行通话也是太空教育的一项内容。成之浩介绍称，目前，仅国际空间站就进行了700多次业余无线电通话活动，共有40多个国家和地区、数百万学生参与。而与国际空间站举办视频通话，则需要举办方通过美国航空航天局现场互动媒体服务频道连接至美国航空航天局电视台，此外还需要两条专用的电话线路以及配套的广播设备。通话为双向音频、单向视频，学生可以通过视频看到宇航员的实时影像，通过音频和宇航员对话。这项活动深受青少年喜爱。▲

还会有更多“天宫授课”

航天大国为何都热衷于开展太空授课？

杨宇光表示，从大的背景而言，人类的航天活动发展到今天已经比较成熟，许多卫星每天都可以直接服务于我们的生活和国民经济，这些航天活动是有直接回报的。但载人航天活动，似乎没有直接经济回报，因此就需要大众去了解它的重要性、不可或缺性。“因此我们在中国空间站任务规划时，就会把科普作为它的一项重要职能，空间站有着非常特殊的环境，在空间站上进行的物理学演示，是地面上根本无法实现的，可以给学生一个非常好的教学效果。因此太空授课是一件很有价值的事情。”杨宇光称。

其次，杨宇光认为，太空授课能起到一个激励作用。“前段时间王亚平在中国空间站第一次太空授课时，已经有很多报道，找寻到2013年她在天宫一号进行中国第一次太空授课时的听课学生，他们中的很多人目前已经进入航天系统或科研领域工作，这一点非常重要。”杨宇光进一步举例称，在杨利伟第一次飞天以后，国家重点高校的航天专业生源都比过去有大幅提升，有更多优秀的学生选择航天领域，选择理工科，这对于国家的科技推动作用是不可估量的。

此外，杨宇光还提出太空授课的激励作用不限于科技人才，还有利于培养民众的爱国情怀。

在接受《环球时报》记者采访时，中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟透露，根据中国.空间站的工程任务安排，未来还会有生命科学实验柜、流体实验柜、燃烧实验柜：基础物理实验柜等十几个科学实验柜，随着实验舱I和实验舱U被送入太空。将开展包括细胞、植物、动物生命科学实验,此外还将开展流体实验，颗粒物、气体的燃烧实验，基础物理的实验等。随着后续大量实验将要陆续开展，-未来中国空间站太空授课的形式也将更为丰富多样。▲