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“天宫课堂”要开课啦!

2021-12-07 10:47:02 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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  8年前,中国首位“太空教师”王亚平在太空给地面学生讲课,一时间圈粉无数。聆听了那一堂太空课的6000多万名学生中,有的现在已经成为优秀的航天人。12月9日,正在中国空间站执行任务的航天员翟志刚、王亚平、叶光富,将再次为孩子们进行太空授课。

  成功授课不简单

  太空教育是世界载人航天活动的组成部分。美国女宇航员芭芭拉·摩根于2007年8月乘坐“奋进”号进入国际空间站,完成了人类历史上的第一次太空授课。

  “当年,芭芭拉主要讲述太空生活的衣食住行。中国首次太空授课则是真正的太空物理课。”全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩认为,我国的太空授课与美国有明显差异。美国太空授课的内容是介绍和演示太空生活,而我国太空授课的内容是介绍和演示失重环境下的物理概念。所以,我国太空授课的科技含量较高,难度也更大。

  2013年6月20日上午10点,我国首次太空授课开始。神舟十号航天员王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个实验,展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象,并回答了学生们关于航天器用水、太空垃圾、失重对抗和太空景色等问题。

  “我们先后研究了‘竹篮打水’‘乒乓球’‘回旋镖’‘溜溜球’和‘跳绳’等20多种方案,根据科学性、安全性、操作性、可视性、即时性、趣味性等综合因素考量,经过集思广益、反复筛选、严格论证,最终确定进行2个方面的物理实验,即物体运动特性和液体表面张力;随后,又对确定的实验项目进行了精心细致的研究,力求给学生们最好的‘课堂’感受。”庞之浩说,实践证明,授课专家组最终制定的授课教案达到甚至超过了预期效果,获得圆满成功。

  “太空授课挑战不小。”中国航天科工二院研究员杨宇光表示,在有限的时间、空间和物资条件下,仅教具的选择和运送就非常考究,太空物资运送成本很高,1公斤物品的运输成本远超1公斤黄金的价值。更重要的是,40多分钟的时间里,既要在太空演示物理现象,还要讲明白物理原理,对于备课和临场组织调配要求极高。

  课程选择有讲究

  事实上,物理、化学和生物实验都可以在太空进行。为什么中国载人航天史上首次太空授课的内容,最终选择了5个物理实验?

  庞之浩揭秘说,太空授课的“选题”条件是实验所需的材料和设备必须安全可靠、质量小、体积小、功耗小、对航天员健康无影响、不会污染座舱环境等;当然,也要考虑创意新颖、简单可行、不需要花费航天员很多时间等因素。

  “当时还设计了一个磁铁实验,但考虑到磁铁可能对航天器内部仪器和设备产生影响,所以这个实验被放弃了。”庞之浩补充道,此外,化学实验有一定的危险性,为了安全起见,太空里的化学实验通常在实验柜或者手套柜进行,难以向地面学生呈现,因此挑选物理实验作为太空授课的内容更具安全性和可视化。

  为做好中国首次太空授课科普教育活动,当年中国载人航天工程办公室联合教育部、中国科学技术协会等部门对活动进行了系统、周密的策划,完成了课件、教具制作和地面课堂的准备工作,航天员还为此进行了专题准备。

  由于天宫一号是精密飞行器,航天员的授课活动必须小心谨慎,既不能动作幅度太大,干扰到正常飞行,还要当心漂浮的实验器材、液滴影响到航天器安全。

  作为主讲人的航天员王亚平,在备课时没少下功夫。她精心准备授课内容,向专业教师虚心请教讲课技巧。指令长聂海胜担任太空课堂的助教,负责配合王亚平管理教具,维护课堂秩序。航天员张晓光几乎是被“捆”在舱壁上听完这堂课的,因为担任摄像师的他,要想在失重环境下保持平衡,必须用束缚带把自己固定在舱壁上,才能在用手持摄像机的情况下,保持长时间稳定拍摄,把太空授课的精彩图像传回地面课堂。

  “未来的太空授课将会有更多、更新颖的实验内容和形式。例如天地对比实验,比较蚕或蜘蛛在太空与地面吐丝的区别,观察蝴蝶在太空中如何飞舞等。”庞之浩介绍,我国有关部门也已开始组织青少年设计太空实验,并定期请专家评审,优秀的实验方案未来有望在中国空间站上实施。

  稳定清晰靠天链

  中国首次太空授课活动持续约40分钟。这一天地互动过程是在我国中继卫星的支持下实现的,它的亮相同时标志着我国新一代载人航天测控网基本建成。

  “地面上网课,最难的是网络通畅,在天上这个问题更难保证。”杨宇光说,如何确保高码数率、高保真视频流的通信链路完全畅通,是太空授课过程中挑战最大、难度最高、不确定因素最多的环节。

  杨宇光进一步解释道,太空授课的高清视频传输,我国主要依靠居高临下的天链中继卫星进行支持,以地面测控站、海面远望号测量船作为备份,但是地面测控支持比例不高,这是因为天宫一号、空间站多数时间不在我国本土上空。

  无线电通信的一个基本原理,是传输的数据码速率越高,那么传输的能量消耗及对传输设备的灵敏度要求越高。

  “太空授课对音视频的码数率要求较高。”杨宇光解释道,为此天链中继卫星使用高增益天线,使得波束非常窄,以保证能量集中,顺利传输高码数率的视频数据。另一端我国空间站上设置有蝶形天线,指向中继卫星进行配合。这样一来,理论上任何时候都有一颗中继卫星能够“看”到我国空间站,确保授课过程通信畅通。“太空授课的时延仅约0.3秒。”他说。

  不仅如此,太空授课及授课前的全要素演练,均涉及广泛的天地协同工作。

  “2013年王亚平第一次太空授课时,教育部负责组织学生,中国科协负责设计准备课程,中国载人航天工程办公室负责航天员和通信系统。”庞之浩说。

  “测控通信系统进行中继星的切换也是重要的天地协同。此外,王亚平在天上演示的物理实验,地面老师也在做相同的实验,天地对比实验几乎同步呈现在视频画面中。”杨宇光表示。

  延伸阅读

  太空实验,孩子们也有机会参与

  中国空间站首次太空授课活动将面向全球进行直播,王亚平再次变身“王老师”为孩子们进行太空实验。

  其实,在国内外进行的大大小小的太空实验中,孩子们不仅是旁观者,也是参与者。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示,青少年参与太空实验的形式多种多样,主要有5种。

  一是参加专业的研究实验。科学家进行太空实验时让一些学生负责其中一些力所能及的工作,从而培养学生的兴趣和能力。

  二是为学生设立、由学生独立完成的实验。学生在有关人员的指导下自己提出实验课题进行实验设计和实施,收集实验数据、分析实验结果,最后写出实验报告。

  三是参加载人航天工程活动。一些是为了航天工程任务的需要,让学生参加硬件或软件的研制;另一些是学生创意大赛中的获奖项目在载人航天器上进行实验。

  四是在教室中完成的太空实验。学生们在教室完成模拟太空相应条件的实验,或者进行空间站上专业研究人员正在进行的实验,目的是通过对比地面实验和太空实验的结果,让学生们找出它们之间的差异。

  五是教育性示范活动。航天员在太空进行简单有趣的太空实验,并将它拍摄下来,做成视频教材,提供给学生,以便进行航天教育。(唐 芳)

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