航天服探秘与设计

唐瑞鹤　吕恺悦　郭晓丽等

航天服是一种保障航天员生命安全的必备系统，要求其既能保护航天员免受极端温度、辐射、微流星体等恶劣太空环境的侵害，又能提供良好生存环境；且在太空作业时，需具备通信及手动操作等方面的支持能力[1]。随着人类对太空的不断探索，以及航天任务的多样化，各国设计了可满足不同功能需求的航天服，如舱内航天服、舱外航天服、太空舱内／舱外兼用航天服等，其中舱外航天服作为出舱活动必备的个人防护装备，更是成为评价载人航天技术先进性的重要标志之一[2]。

本项目选择以“航天服探秘与设计”为契机，让学生针对太空环境需求，自主设计满足太空生存与活动需要的创意航天服。在本项目中，学生需要经历舱外航天服功能需求分析、明确客观限制条件、聚焦设计问题、方案设计或局部功能的原型论证等过程，并以手抄报或实验论证方式呈现项目作品。学生在探索设计舱外航天服的过程中，激发对载人航天的兴趣，并逐步形成可迁移的设计思路和方法，培养设计思维和类比思维。

项目简介

航天员在太空活动时，为什么必须要穿航天服？ 1 套航天服价值3 000 万元人民币，为何造价这么贵？航天服要达到怎样的功能，都有哪些部分组成？为何说这些部分都是不可或缺的呢？

本项目以上述一系列问题激发学生兴趣和探索意愿，借机提出驱动性问题“如何设计一款实用而有创意的航天服”。那么，该如何解决这一问题呢？

首先，学生需要对需求进行界定，比如太空环境是什么样的，对航天服设计有何影响，航天服需要满足怎样的功能，在设计时有何客观限制条件等。

其次，学生需要明确项目的具体程序，规划项目进程，针对航天服的某一具体功能需求，进行创意结构构思，聚焦设计，提出解决方案。

最后，学生绘制航天服设计方案手抄报，或用实验论证进行某局部功能的原型实现，并进行班级内推广展示、比对优化和产品迭代，进而在校内展示优秀作品。

本项目驱动性问题明确，解决路径清晰，即需要基于太空环境明确航天服功能需求，设计航天服结构。在问题驱动下，学生需要充分认识结构与功能的关系，进行方案设计或原型呈现。项目内容开放，成果形式多样，且紧紧围绕航天服所要面临的太空环境需要和要实现的功能需求展开，凸显了“实现目标、产品设计类”科技创新项目式学习特点。

项目规划

参照“如何设计项目的展开思路”[3]，本项目解决流程如图1 所示。

第1 步，同理心思考 将学生带入太空情境，亲身模拟体验高真空、零重力／微重力、巨大温差、强辐射等极端环境，才能有足够的同理心思考航天员面临的生存威胁，进而明白为什么航天员在太空活动时需要穿航天服，体会航天服作为航天员身处恶劣太空环境的最后一道防护屏障的重要性。

第2 步，需求定义，明确目标 航天服需要具备哪些功能和关键技术？学生需要从航天员的生理需求、生命需求、活动轨迹和可能面临的应急情况界定[4]。为了实现这些功能，航天服需要具备怎样的结构？由哪些部件构成？尤其是舱外航天服，除了具有舱内航天服所有的功能外，还需要增加防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能，学生需要对航天服的功能和结构进行进一步思考，选择局部功能模块，明确目标，进行设计。

第3 步，创意构思 在确定想要设计的航天服功能，以及要实现该功能所需解决的具体问题之后，就进入了创意构思，也即方案设计。

第4 步，原型实现 在完成航天服设计方案讨论基础上，用手抄报方式对方案进行展示，这个过程需要版面设计、细节实现、整体美化等，同时鼓励不同小组对所选择航天服模块的具体功能展开实践探究。

第5 步，推广营销、测试评估 学生在完成自己方案设计和原型实现后，要对成果进行宣传与推广，这个过程涉及小组展示、组间互评，共同帮助将设计方案和原型作品优化得更好。

第6 步，比对优化，局部解释 在设计完航天服局部模块之后，学生对航天服的完整结构进行探秘，学习整体航天服需要包括哪些模块、具备怎样的结构，同时对局部模块进行探秘，进而将本组航天服设计方案与真实的优秀航天服设计方案比对，从结构和功能方面反思可改进之处。

第7 步，产品反思与迭代——通过前面系列步骤，学生对本组创意航天服的设计方案进行反思、优化、迭代，完善产品设计。

本项目完整的任务拆解与活动规划过程如表1 所示。

活动设计

项目导引：开启航天服探秘与设计之旅

活动1. 明确航天服探秘与设计的任务 主要通过太空舱体验活动或相关视频资料为学生创设情境，让学生认识太空环境与人类生存所在的地面环境之间的极大差异，感受航天员在太空中面临的高真空、微重力、極端温度、辐射、微流星体等所产生的生存威胁，进而产生同理心，意识到航天服对于航天员生命安全和工作保障的重要性，引发学生思考：“假如你是一名设计师，你会如何设计航天服？你认为航天服需要具备哪些功能？”

活动2. 组建团队 在明确设计任务后，则需要组建团队，可以寻找身边热爱航天事业、好奇太空探索，具有创作激情、拥有共同愿景的小伙伴，组建合作团队，共同开启本次航天服探秘与设计之旅。

活动3. 明确项目具体程序，规划项目进程 在本活动中，需要引导学生拆解项目任务并完成活动进程规划（如图2）。在任务1 中需要引导学生进行需求分析，探寻航天服所具备的功能，明确航天服设计的客观限制条件。任务2 需要基于任务1 进行的需求分析，选定所要设计实现的功能模块任务，整理问题解决思路，并构思设计方案。同时，引导学生以手抄报的形式呈现航天服设计方案，鼓励学生进行关键模块的原型实现和实验论证。在任务3中，学生将进行设计方案展示与组间互评，进而推广营销与测试评估；教师引导学生对已经投入使用的航天服进行对比，探索航天服的整体结构和局部功能模拟；最后，学生将归纳总结航天服设计方案的优化思路，并进行自我评价。

任务1. 探秘航天服的功能需求

活动1. 探寻航天服要满足怎样的功能，即需求定义 这得从航天员的生理需求和生命需求界定。从航天员的活动轨迹出发，在航天器发射、进入太空后出舱活动、从太空返回这3 个过程均需要航天服，但由于所处环境不同，对航天服的要求又有差异。按照航天服的用途，可以将其分为舱内航天服和舱外航天服[5]。舱外航天服比舱内航天服要更为复杂和精细。航天员出舱活动时，如果直接暴露在太空环境中，会面临失重、缺氧、巨大温差和强辐射4 种危险，以及微重力、空间垃圾等诸多影响。因此，航天员进行太空漫步时必须穿舱外航天服。舱外航天服相当于一个小型载人航天器，能把航天员的身体与太空恶劣环境隔离开，并向航天员提供一个相当于地面的环境，同时提供氧气、正常气压、排放二氧化碳等维持生命所需的各种条件。舱外航天服除了具有舱内航天服所有的功能外，还增加了防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能，并在服装内增加了液冷系统。

活动2. 明确航天服设计的客观限制条件 航天服的功能与太空环境有什么关系呢？太空环境如何影响舱外航天服的设计呢？通过前面的介绍，我们可以知道太空环境具有零重力／微重力、高真空、强辐射、巨大温差等特征，航天服作为航天员在太空中的最后一道防线，应当满足太空恶劣环境的需求，在人体周围创造与地面相似的生活环境和条件。

任务2. 设计航天服

活动1. 聚焦设计问题（创意构思） 学生明确功能模块设计任务，以及实现功能模块需解决的具体问题。通过前面的内容，学生已经了解了舱外航天服的结构、功能，以及为何要这样设计。以具体功能模块为例，激发学生思考，究竟想针对哪个具体问题进行设计，是供氧调压，还是保温散热，或是抵御辐射？作为设计师，该如何设计实现这一功能？请学生用表格（如表2）的形式描述所选择的舱外航天服功能，并罗列出实现该功能所需解决的具体问题。

活动2. 提出解决方案（创意构思） 学生整理问题解决思路并构思设计方案。在已经确定想要设计的舱外航天服功能，以及实现该功能所需解决的具体问题后，需要围绕航天服的功能开展深入探究，构思设计方案的具体内容。设计方案是对特定产品设计过程的总结与概览。在创意航天服设计方案中应该包括方案名称、设计目标、拟解决的问题、问题解决思路、方案可行性，以及目标效果等内容。学生制订完整的设计方案，需要从设计目标出发，明确需要解决的问题，设身处地地思考作为航天服的设计者要如何解决这些问题。在此过程中，教师可以引导学生利用强大的网络资源或图书资料等检索相关内容，为制订明确的设计方案和问题解决提供思路与依据。

活动3. 实验论证或手抄报呈现（原型实现） 学生以手抄报的形式呈现航天服设计方案，教师鼓励学生进行关键模块的实验论证。通过前面的活动，学生已经有了属于自己的航天服设计方案，现在需要用手抄報展示设计。对于关键功能模块，鼓励学生用实验对功能的实现进行验证。为了使展示更加规范，学生在教师引导下进行手抄报的设计与制作，包括深入了解手抄报元素，确定所用素材及整体色调。在素材挑选过程中，整体色调要和谐，选用的色彩要能够突出主题。

任务3. 优化航天服

活动1. 小组展示，组间互评（推广营销，测试评估） 学生进行设计方案展示与组间互评，进而推广营销与测试评估，发现本组方案的亮点与不足。在完成航天服设计之后，学生需要以组为单位，与同伴一起回顾开展航天服探秘与设计活动以来每个阶段的收获，为手抄报作品写1 份3 分钟左右的展示稿。展示活动需要包括对舱外航天服结构与功能的认识，需讲解小组制订的航天服设计方案，以及构思重点选取哪些内容进行呈现。小组展示完毕后，需要针对舱外航天服设计方案与手抄报进行组间互评，评价维度既包括方案的完整性、可行性、创意性，也包括手抄报的主题、内容与设计，评价量表如表3 所示。除逐项给出打分之外，还要提出建设性意见，写在评语栏中，以此激发不同小组学生互相学习、共同进步。

活动2. 航天服完整结构探秘（与优秀产品比对） 学生了解航天服的完整结构及优秀航天服设计方案，通过比对，进一步认识到本组设计方案的不足。在设计完航天服的局部模块之后，学生一起了解完整的航天服都包括哪些模块、具备怎样的结构。航天服主要由服装、头盔、手套和航天靴等组成。从功能上看，航天服有舱内航天服和舱外航天服两种；从服装内压上看，有低压航天服和高压航天服之分；从结构上看，可分为软式、硬式和软硬结合航天服。无论哪种航天服都由多层组成，它们互相连接形成一个整体服装，但要求各层的质量要高、要轻、不能过厚，以避免影响航天员的行动。教师将以中国自主研发设计的航天服为例，分别展示舱内和舱外航天服的完整结构和每一层的功能。舱内航天服包括通风散热层、气密层和承压层；舱外航天服除有舱内航天服的所有层外，还有真空隔热层、液冷层和最外层。学生仔细学习与体会航天服每一层的重要功能和不可或缺性。除了航天服主体部分，教师还为学生呈现航天服的重要组成部分——头盔，由头盔壳、面窗结构和颈圈等组件构成。此外，航天服还配有可随时连接的手套和靴子；在航天服内部还设有废物收集装置，用于紧急情况下废物的收集、贮存和输送。

活动3. 航天服局部模块探秘（局部解释与模拟充气、温控系统） 学生通过高真空实验演示和简易温控装置搭建，进一步了解航天服的局部功能模块设计。首先是模拟充气环节。航天服看起来稍显笨重，像是充气后的气球，而且这样的设计也不利于航天员的活动与工作，那航天服为何要充气呢？在地面环境中，人身体内部的压力与外界大气压是持平的；而太空是高真空环境，也就是说没有空气，人体内部压力会远远大于外部。因此，为了保持内外气压平衡，航天服必须充气。在高真空实验演示和《加油！向未来》等节目中，航天员杨利伟与主持人撒贝宁共同模拟了无保护人体在海拔不断升高、周边气压不断降低时人体各个部位的变化。直观形象的实验有助于学生深入理解航天服充气的原因。其次是温度调控功能。太空环境非常恶劣，在面向太阳的地方和背光的地方存在巨大温差，因此航天服需要具备温度调控功能，既能防寒保温，又能通风散热。航天服中具备温控系统，能够灵活调控温度，为航天员构造与地面相似的环境，保证航天员能够正常活动，完成航天任务。由此可见，温度调控也是航天服不可或缺的功能之一。可以让学生利用生活中的常见材料设计制作一个简易控温装置，此环节需要教师对学生进行方法引导，通过观察、总结温度计的结构与功能，寻找可以替代温度计各组成部分的材料，设计温度在规定范围的触发装置。除此以外，还可引入传感器与Arduino 编程，提高温控系统的智能化。

活动4. 反思与优化（产品迭代） 学生归纳总结航天服设计方案的优化思路，并进行自我评价。通过前面的活动，学生已经了解了航天服功能与结构设计的奥秘。通过对比真实的航天服，学生小组的设计方案大概率存在需要改进或优化的地方。比如航天服功能模塊中有些功能可能被学生忽略了，这就需要教师引导学生进行进一步精细设计，使航天服功能更完整。又如学生设计的某些创意功能模块，当前的航天服中还未涉及，这正是值得保护的学生创意所在。此时，教师可以引导学生从功能必要性、技术、成本等角度论证这些创意功能模块的可行性。总之，需要学生集合团队力量，开动脑筋，完成航天服设计方案优化清单（如表4）。

最后，在整个项目收尾之时，为了更好地检验学生在项目活动学习过程中的感悟和思考，项目组设计了自我评价表（如表5）。

项目特色

项目领域跨越多个学科

不同于传统课程，本项目涵盖物理、化学、信息科技、艺术等多个学科。学生在项目实践过程中，能够综合运用多个不同领域的知识和方法解决现实问题，从而指向学生科学素养、工程素养、信息素养、艺术素养等多学科培养的发展。

项目主题基于真实情境

从“1 套航天服价值3 000 万元人民币，为何造价这么贵？”这一学生感兴趣的真实问题出发，了解航天服对于航天员生命安全和正常工作的重要性，进而调研航天服设计的限制性条件，并进行功能设计和局部功能模块的模拟实现，最终形成自己的航天服设计方案。在本项目中，真实任务的情境立足于学生的所思所想，贴近学生的学习、生活实际，以具体真实的场景为载体呈现问题，可助推教、学、用的一致性。同时，项目中通过引导学生对比学习中国自主研发设计的航天服，了解我国航天领域的最新成果，让学生意识到自主创新对国家的重要性，综合发挥育人功能。

项目任务坚持实践创新导向

本项目选取“航天服探秘与设计”为主题，开展创意航天服设计活动，让每个学生在项目实践过程中，自主选择、设计不同功能的航天服，并鼓励学生进行原型实现，最终呈现个性化、创意化的项目成果。本项目采取方法线和任务线双线并行的方式推动项目进程，一方面引导学生总结提炼产品设计的思路和方法，一方面设计高开放度的任务推动学生科学思维和探究能力的提升，综合培养学生的迁移运用和创新实践能力。

使用建议

在面向年龄段方面，本项目课程适用于小学高年级到初中年级，适合对航天和太空感兴趣、具有一定科学探究基础的学生，如果有一定的绘画基础和编程基础，则更有助于航天服设计和局部功能的原型实现。

在实施过程方面，针对不同学生可以设定不同的项目目标。使用者可以根据学生的能力水平及学校的硬件配备设施情况，结合选修课、学生社团等实施场景，选择不同形式的进阶式项目成果。比如可以PPT 或手抄报形式展示设计方案，包括设计思路、设计图纸和设计说明等；除了设计方案之外，可以加上关键模块的实验验证，即通过实验论证设计的科学性和可行性；可以进行成果展览，给出适切的评价导向，请听众投票选择最佳设计。

在对学生的引导方面，需要保持开放度与科学性并重。在头脑风暴环节，对学生的发散性创意可以进行充分引导和肯定；在具体功能模块的设计中，则需要考虑科学性、可行性和创意性；整个项目重点培养学生对产品设计的思路方法的领悟。

本项目的优点在于航天服主题对学生具有很强的吸引力，能够促进学生充分理解太空环境，培养学生的工程思维、设计思维，提升综合能力。在实现目标、产品设计类项目中，教师与学生都可以借鉴本项目的框架思路，迁移和应用到其他主题。