飞天梦永不失重 科学梦张力无限 中国载人航天工程首次太空授课的设计与实现

林丽琴 张光

？太空授课

2013年6月20日10：04—10：54，在距离地面343 km的天宫1号，中国神舟10号飞船的3名航天员王亚平、聂海胜、张晓光为全国青少年上了一堂精彩的“太空一课”。这堂课由王亚平主讲，其他2名航天员担任助教和摄像。活动过程中，王老师开展了质量测量、单摆运动、陀螺、水膜和水球5项实验，展示了失重环境下物体运动、液体表面张力特性等物理现象，使中小学生了解失重条件下物体运动的特点，了解液体表面张力的作用，加深了对质量、重量及牛顿定律等基本物理概念的理解。300名中小学生与中学物理教师在地面课堂听讲，并与航天员进行了互动交流。从首都北京到祖国的四面八方，8万多所中学、数千万名师生通过广播、电视和网络直播，共同收听、收看航天员太空授课，一同领略奇妙的太空世界。

实验1：质量测量演示

“失重了，我们的身体质量是不是也没有了？”

失重环境下怎样测量质量呢？航天员用天宫1号上的质量测量仪现身说法。他们从天宫1号的舱壁上打开一个支架形状的装置，航天员聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架便在弹簧的作用下回复原位。装置上的LED屏显示出数字：74.0，这表示聂海胜的实测质量是74 kg。王亚平向同学们解释了实验原理后，还给同学们布置了1道课后思考题：除了运用牛顿第二定律，还有什么办法可以在失重环境下测量物体的质量？

实验2：单摆运动演示

“太空中的单摆小球松手后会出现怎样的情况呢？”

T型支架上，用细绳拴着1颗明黄色的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现在地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中。王亚平用手指沿切线方向轻推小球，给小球一个初始速度，奇妙的现象出现了，小球开始绕着T型支架的轴心做圆周运动。

实验4：水膜演示

“天宫里有没有飞流直下的瀑布？”

王亚平拿起1个航天员饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出。轻挤水袋，在饮水管端口形成了1颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中，与天宫1号舱壁上鲜艳的五星红旗交相辉映，更显得美轮美奂。接着，她把1个金属圈插入装满饮用水的自封袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了1个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，用力稍大才甩出1个小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴上了1片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。这些在地面难得一见的奇特景象，引起了地面课堂同学们的连声惊叹。

实验5：水球演示

“用神奇的液体表面张力变个‘魔法！”

王亚平用金属圈重新做了1个水膜，然后用饮水袋慢慢地向水膜上注水，不一会儿，水膜就变成了1个亮晶晶的大水球，水球中还有一串珍珠般的小气泡，仿佛银河系中的繁星点点。王亚平用注射器向水球内注入空气，在水球内产生了2个标准的球形气泡，气泡既没有被挤出水球，也没有融合到一起。水球也没有爆裂。紧接着，王亚平又用注射器把少许红色液体注入水球，红色液体慢慢扩散开来，晶莹透亮的水球变成了粉红色，令人啧啧称奇。

宇宙无限，探索无尽，不知不觉中，航天员们要和地面课堂的同学们说再见了。他们每人都为同学们送来了太空寄语——

聂海胜说：“愿同学们刻苦学习，增长知识，为‘中国梦添彩！”

张晓光说：“深邃太空，奥秘无穷，探索无止境，让我们共同努力！”

王亚平说：“飞天梦永不失重，科学梦张力无限！”

？太空授课活动的策划与设计

电视和网络是目前最有影响力的传播媒体。中央电视台作为中国国家级电视台，是中国受众最多、影响力最大的电视媒体。中央电视台从授课活动策划开始就高度关注、主动参与，并结合电视传播的特点对授课的内容和形式提出了很多建议。在活动开始之前，进行了多角度的宣传，吸引观众的注意。授课活动中进行了同步直播，并组织了多个专题节目，邀请著名科学家对此次活动的内容进行全方位地详细解读和阐释，进一步拓展了授课活动的影响。中国众多网络媒体在互联网上对活动的全过程进行了视频直播，全世界的观众都可以通过网络看到授课活动。网络传播使得授课活动的覆盖面进一步扩大，并得以持续和多次传播，使得很多没有及时观看电视直播的观众得以通过网络观看活动的视频。此外，很多报纸、期刊也对授课活动进行了及时且翔实的报道。

为吸引青少年关注此次太空授课活动，今年3—5月，中国科协在全国范围内举办了“全国青少年航天科技知识竞赛”。竞赛组织专家围绕太空基本知识设计了竞赛题目。全国30多个省区2 000余所学校的30余万名青少年积极参与。中国载人航天工程网在授课活动前也举办了“我问航天员——太空授课大型问题征集”活动，收集中小学生对载人航天科技、航天飞行、空间科学及航天员太空工作、生活等领域的提问，征集到数千个相关问题。这些活动的开展为授课活动进行了预热，激发了很多孩子对太空授课活动的好奇心，为授课活动作了知识上和心理上的铺垫。

这次太空授课是一次成功的科学传播活动案例。成功之处体现在：一是参与人数多。中国有6 000万名中小学生及公众通过电视和互联网直播收看了授课活动，总共约有1亿中国人观看了这次授课活动。中国以外的中小学生和公众也都可以通过互联网观看此次授课活动的视频。二是效果好。授课内容形式生动有趣，给公众留下了深刻的印象。航天员在太空中演示的5个实验现象是地面上无法实现的，展示了太空失重环境下的有趣现象，王老师的讲解轻松活泼，大大激发了中小学生和公众的好奇心和求知欲，激发了青少年热爱太空、探索太空的热情。

？太空授课背后的科技实力保障

太空授课看似是很简单的一项任务，但鲜为人知的是，这需要强大的航天测控能力在背后进行支持，特别是数据中继卫星的支持。神舟—天宫组合体运行在距离地面大约343 km的高度，属于近地轨道航天器，绕地球运行1圈的时间约为90分钟。受地球曲率影响，地面或海面单个测控站对343 km高度的神舟—天宫组合体的测控、通讯范围很小，如果要保持不间断的通联，理论上需要布设100多个站点并均匀分布在地表，这在经济上、政治上都是不可能的。此次太空授课的时长是50分钟，从上课开始到结束，这期间神舟—天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多，依靠地面测控站进行不间断视频直播的话，最理想情况也需要10多个测控站，我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。我国分别在2008年、2011年和2012年发射了天链1号数据中继卫星的01、02和03星，由此建立第1代数据中继卫星系统。细心的观众可以发现，在央视对神舟10号发射的直播中，屏幕右上角有时会出现“天链”字眼，这是表示当时的视频信号来自天链1号数据中继卫星的转发。数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星，太空授课实则是对我国航天测控实力的一次展示。■