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撰文 | 龐之浩

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中國首個(gè)太空科普教育品牌“天宮課堂”第一課，將在明天下午15:40開始，神舟13號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富將在中國空間站核心艙內(nèi)進(jìn)行太空授課，現(xiàn)已吸引了億萬目光和期待。

本次太空授課活動(dòng)采取天地互動(dòng)方式進(jìn)行，在中國科技館設(shè)置地面主課堂，在廣西南寧、四川汶川、香港、澳門設(shè)置地面分課堂。屆時(shí)3名航天員將在軌介紹展示中國空間站工作生活場(chǎng)景，演示微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)、浮力消失實(shí)驗(yàn)、水膜張力實(shí)驗(yàn)、水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)、泡騰片實(shí)驗(yàn)等物體運(yùn)動(dòng)、液體表面張力等現(xiàn)象，并與地面課堂進(jìn)行實(shí)時(shí)交流。

空間站作為國家太空實(shí)驗(yàn)室，也是重要的太空科普教育基地，蘊(yùn)含著得天獨(dú)厚的豐富教育資源，對(duì)激發(fā)社會(huì)大眾特別是青少年弘揚(yáng)科學(xué)精神、熱愛航天事業(yè)具有特殊優(yōu)勢(shì)。

早在2013年6月20日，神舟10號(hào)航天員王亞平在聶海勝、張曉光協(xié)助下在天宮1號(hào)目標(biāo)飛行器內(nèi)進(jìn)行了中國首次太空授課，當(dāng)時(shí)全國6000余萬中小學(xué)生觀看授課直播，產(chǎn)生巨大社會(huì)反響，在一代人心中播下追逐航天夢(mèng)想的種子。

眾所周知，在太空飛行的載人航天器內(nèi)與地面有天壤之別，最顯著的特點(diǎn)是存在地面難以模擬的長期失重環(huán)境。在那里人人好像都會(huì)輕功，可以像游泳一樣隨意飄來飄去；航天員各個(gè)均能成為大力士，可毫不費(fèi)力的舉起任何東西，甚至能輕松表演“一指禪”；他們的睡覺也不分上下，可以站著睡，也能倒立睡，高興時(shí)還可不固定睡袋，當(dāng)一回“夜游神”；吃東西時(shí)也能像小鳥一樣，把食物放在空中后用嘴去接著吃……

當(dāng)然，失重環(huán)境也給航天員搞個(gè)人衛(wèi)生帶來麻煩，如刮胡子、理發(fā)等都不容易，尤其是上廁所要使用抽氣馬桶，它需通過大量訓(xùn)練才能熟練掌握，使用太空馬桶時(shí)要小心翼翼，否則會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的“天女散花”。

在載人航天器內(nèi)的失重環(huán)境中，液體中密度不同的成分不會(huì)發(fā)生沉淀和對(duì)流；水和蠟燭燃燒都會(huì)呈球狀；許多成語比如：腳踏實(shí)地、飛流直下、危如累卵和搖擺不定等成語在失重環(huán)境中都不適用了，在那里水不再往低處流，甚至可以用竹籃也可以打水。

利用失重環(huán)境，開展太空科學(xué)研究對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展等能起到積極的促進(jìn)作用，甚至出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。例如，在失重環(huán)境中混合物可以均勻地混合，由此能制成地面上不能得到的特種合金；也能制成一種新的泡沫金屬，其基本原理是在液態(tài)金屬中通以氣體，失重環(huán)境可使氣泡不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣就能制成輕得像軟木塞似的泡沫鋼，用它做機(jī)翼又輕又結(jié)實(shí)。

再如，失重環(huán)境可使熔化了的金屬的液滴形狀呈絕對(duì)球形，冷卻后可以成為理想的滾珠，非常耐磨損，而在受重力的影響地面上很難制造出絕對(duì)球形的滾珠。

又如，在太空生產(chǎn)的半導(dǎo)體和蛋白質(zhì)的晶體都比在地面生長的體積更大、純度更高、更加均勻、沒有缺陷，有望引起電子技術(shù)的重大突破，等等。

所以，在載人航天器上開展太空教育具有重要意義，它可以使青少年及公眾走近航天、了解航天、熱愛航天，激發(fā)孩子們對(duì)科學(xué)的興趣，開拓他們的眼界，從而對(duì)航天更加向往。

美國航空航天局已把太空教育確定為自己的三大使命之一。其三大使命是：“理解并保護(hù)我們賴以生存的行星；探索宇宙，找到地球外的生命；啟示我們的下一代去探索宇宙”。美國航空航天局要求在其各項(xiàng)任務(wù)中都要加入太空教育的內(nèi)容，并每年為此投入1億～1.5億美元經(jīng)費(fèi)。

現(xiàn)在，“國際空間站”的空間應(yīng)用項(xiàng)目主要包括醫(yī)學(xué)與生物學(xué)研究、生物工程、空間技術(shù)、材料科學(xué)、教育活動(dòng)、地球物理學(xué)及對(duì)地觀測(cè)等7個(gè)方面的科技研究性應(yīng)用。由此可見，太空教育已成為載人航天的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是連接青少年學(xué)生與載人航天事業(yè)的最好橋梁，因而已受到越來越多國家的重視。

美籍華裔航天員盧杰演示失重環(huán)境下水滴的形狀，盧杰和水滴的鏡像同時(shí)出現(xiàn)在照片中，很有趣

太空教育有多種形式，其中在太空授課是最典型、最直接的一種方式，在那里稱得上是世界上最高的課堂，可對(duì)培養(yǎng)青少年探索太空的興趣也產(chǎn)生了積極的影響。

美國女航天員巴巴拉·摩根曾于2007年在“國際空間站”上對(duì)地面青少年進(jìn)行過世界第一次太空授課。摩根是美國首名太空女教師克麗斯塔·麥考利夫的替補(bǔ)，麥考利夫于1986年在乘挑戰(zhàn)者號(hào)上天時(shí)因航天飛機(jī)爆炸而犧牲了。2007年摩根實(shí)現(xiàn)了麥考利夫未完成的遺愿，在太空利用失重環(huán)境向?qū)W生授課，產(chǎn)生了較大影響。

在摩根的太空授課活動(dòng)中，一個(gè)學(xué)生想了解航天員是如何在太空中鍛煉身體的，摩根沒有直接回答，而是將身旁2個(gè)身材魁梧的航天員舉了起來，一手一個(gè)，并裝出一副很吃力的樣子。另一個(gè)學(xué)生想知道如何在太空喝水，摩根便從一個(gè)特制的飲水袋中擠出幾個(gè)水珠，然后她和同事們用嘴接住四處飄動(dòng)的水珠并吞下去。學(xué)生問摩根，航天員在太空中如何保持個(gè)人衛(wèi)生，摩根馬上往自己的臉上噴射肥皂水，演示她是怎么洗臉的；另一個(gè)航天員還演示了如何刷牙：漱口水需要吐到專用毛巾上，因?yàn)樵谔瘴⒅亓Νh(huán)境下，水不會(huì)往低處流。

2013年6月20日，神舟10號(hào)航天員王亞平在天宮1號(hào)內(nèi)通過電視直播的形式進(jìn)行了約40分鐘的太空授課。這是中國第1次、世界第2次太空授課。

王亞平圓滿向地面的全國青少年進(jìn)行了質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺、水膜和水球共5項(xiàng)太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體運(yùn)動(dòng)特性、液體表面張力特性等特殊物理現(xiàn)象，從而激發(fā)了青少年的興趣，加深了對(duì)質(zhì)量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解，對(duì)太空有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

由此不難看出，中國的太空授課與美國的太空授課有明顯的差異，美國太空授課的內(nèi)容是介紹和演示太空生活，而中國太空授課的內(nèi)容是介紹和演示物理概念，所以中國太空授課的科技含量較高，但難度也較大。

2013年6月13日，世界第一位太空女教師摩根致信即將在天宮1號(hào)上授課的女航天員王亞平：“親愛的王亞平：在你環(huán)繞地球而行并準(zhǔn)備從太空授課之際，我代表全世界的教師和學(xué)生向你致以榮耀和愛的問候。我們?yōu)槟泸湴痢Ｎ覀兿Ｍ愫湍愕某藛T組同事平安和成功。你在那里一定非常忙碌，但請(qǐng)記得花些時(shí)間望向窗外。中國和這個(gè)世界美麗迷人。您真誠的芭芭拉·摩根”。

摩根對(duì)記者說：“學(xué)生們正在熱切盼望著這次太空授課，正如我一樣。” “教育太重要，太空探索太重要，希望這一課程能夠通過互聯(lián)網(wǎng)全程播放，好讓全世界都可以看到”。摩根也指出，因?yàn)樘战處熍c學(xué)生不在一個(gè)房間，所以在太空授課一定會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，但她相信王亞平“一定會(huì)非常出色地完成這項(xiàng)任務(wù)”。

2013年6月20日，王亞平在結(jié)束太空授課后，立即從天宮1號(hào)通過電子郵件給摩根發(fā)了回信，信中寫道：

“親愛的芭芭拉·摩根女士：在遙遠(yuǎn)的太空收到您的來信，我和我的同事感到很高興，謝謝您對(duì)我們的關(guān)心和祝愿，對(duì)您為世界載人航天和教育事業(yè)做出的貢獻(xiàn)表示敬佩和敬意。今天，我們順利完成了太空授課活動(dòng)，與億萬中國學(xué)生一起分享了太空的神奇和美妙，收獲了知識(shí)和快樂，希望您和世界各地的教師、學(xué)生看到后能夠喜歡。飛行期間，我經(jīng)常會(huì)通過舷窗遙望我們美麗的家園。太空寄托著人類美好的向往，知識(shí)是走向太空的階梯。我們?cè)概c您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛科學(xué)、探索宇宙的夢(mèng)想共同努力?！?/span>

中國首次太空授課大放異彩。不過，它也來之不易。為了準(zhǔn)備這堂太空授課的內(nèi)容，專門成立了太空授課專家組。

太空授課專家組先后研究了“竹籃打水”、“乒乓球”（展示伯努利原理）、“回旋鏢”、“溜溜球”和“跳繩”等20多種方案。然后根據(jù)“科學(xué)性、教育性、趣味性、可行性、可視性、即時(shí)性、操作性和安全性”等原則，經(jīng)過集思廣益、反復(fù)篩選、嚴(yán)格論證，最終確定進(jìn)行2個(gè)方面的物理實(shí)驗(yàn)，即物體運(yùn)動(dòng)特性和液體表面張力。

具體實(shí)驗(yàn)包括質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺、水膜和水球5項(xiàng)，還有2項(xiàng)備份實(shí)驗(yàn)。接著，對(duì)確定的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了精心細(xì)致的研究，例如，對(duì)用于制作水膜的金屬圈的大小和形狀、單擺是用繩還是用桿連接小球等進(jìn)行了反復(fù)論證。實(shí)踐證明，太空授課專家組最終制定的授課教案達(dá)到了甚至超過了預(yù)期效果，獲得了圓滿成功。

事實(shí)上，物理、化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)都可以在太空進(jìn)行。為什么中國首次太空授課的內(nèi)容，最終選擇了5項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)？這是因?yàn)樘帐谡n的“選題”條件是實(shí)驗(yàn)所需的材料和設(shè)備必須安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對(duì)航天員健康無影響、不會(huì)污染座艙環(huán)境等；當(dāng)然，也要考慮創(chuàng)意新穎、簡(jiǎn)單可行、不需要花費(fèi)航天員很多時(shí)間等因素。

例如，當(dāng)時(shí)有人建議進(jìn)行磁鐵吸人實(shí)驗(yàn)，但后來考慮到磁鐵可能對(duì)航天器內(nèi)部?jī)x器和設(shè)備產(chǎn)生影響，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)被放棄了。此外，由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，為了安全起見，太空里的化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常在實(shí)驗(yàn)柜或者手套柜進(jìn)行，難以向地面學(xué)生呈現(xiàn)，因此挑選物理實(shí)驗(yàn)作為太空授課的內(nèi)容更具安全性和可視性。

至今，全球已利用載人航天器中得天獨(dú)厚的失重環(huán)境進(jìn)行許多有趣的太空實(shí)驗(yàn)，其中不少是青少年參與實(shí)施的。它有多種形式，例如：

①參加航天部門的研究實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)時(shí)讓一些學(xué)生負(fù)責(zé)其中一些力所能及的工作，從而培養(yǎng)學(xué)生的興趣和能力。

②為學(xué)生設(shè)立、由學(xué)生獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在有關(guān)人員的指導(dǎo)下自己提出實(shí)驗(yàn)課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

③參加載人航天工程活動(dòng)。專家為學(xué)生設(shè)立研究課題，其中一些是為了航天工程任務(wù)的需要，讓學(xué)生參加硬件或軟件的研制，另一些是在為學(xué)生舉辦的創(chuàng)意大賽中獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目，之后在載人航天器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

④在教室中完成的太空實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們?cè)诮淌彝瓿赡M太空相應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)，或者進(jìn)行空間站上專業(yè)研究人員正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，目的是通過對(duì)比地面實(shí)驗(yàn)和太空實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，讓學(xué)生們找出它們之間的差異。

⑤教育性示范活動(dòng)。航天員在太空進(jìn)行簡(jiǎn)單有趣的太空實(shí)驗(yàn)，并將它拍攝下來，做成視頻教材，提供給學(xué)生們，以便進(jìn)行航天教育。

在美國航天飛機(jī)服役期間，專門在航天飛機(jī)的大貨艙內(nèi)安裝了用于太空實(shí)驗(yàn)的“搭載箱”，想在航天飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可租用它。“搭載箱”可放置用于實(shí)驗(yàn)的“零星搭機(jī)實(shí)驗(yàn)”專用容器，根據(jù)大小和質(zhì)量的不同分3種型號(hào)，收費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)分別為10000美元、5000美元和3000美元。有些國家為了培養(yǎng)青少年對(duì)太空科學(xué)的興趣，為其學(xué)生租下“搭載箱”進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)。

目前，在“國際空間站”的各國實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，也有進(jìn)行植物發(fā)育實(shí)驗(yàn)的“太空溫室”、對(duì)植物生長的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確控制的先進(jìn)航天培養(yǎng)皿、觀察外太空對(duì)材料影響的“手提箱”、可完成各種生理實(shí)驗(yàn)的“實(shí)驗(yàn)架”、能進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的“手套箱”等各種太空實(shí)驗(yàn)設(shè)備。除用于航天員進(jìn)行預(yù)定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生們可以根據(jù)自己實(shí)驗(yàn)的需要申請(qǐng)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。如果需要特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以或在有關(guān)科研單位的協(xié)助下研制。

 “國際空間站”俄羅斯溫室內(nèi)，水珠借助附著力停留在植物的葉片上

其實(shí)，早在“國際空間站”建造初期，駐守其間的航天員就意識(shí)到了太空生活、失重環(huán)境下的種種奇妙現(xiàn)象對(duì)于學(xué)生的巨大吸引力。所以，他們?cè)诜泵Φ墓ぷ髦啾M可能地抽出時(shí)間和學(xué)生交流，甚至親自做一些實(shí)驗(yàn)演示。

至今，一批又一批航天員用自己的經(jīng)歷和行動(dòng)，鼓舞和啟迪著全世界數(shù)百萬計(jì)的學(xué)生?！皣H空間站”現(xiàn)已完成了幾十項(xiàng)學(xué)校與學(xué)生的科研項(xiàng)目，在太空開展了教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，設(shè)置虛擬課堂和虛擬演示驗(yàn)證課。

例如，把蝴蝶、蜘蛛等送到“國際空間站”，以作為一項(xiàng)教育實(shí)驗(yàn)的一部分。2012年，美國“龍”飛船把全美多所高校學(xué)生參與的23項(xiàng)研究運(yùn)送到太空，后又帶回地面。這些學(xué)生的研究項(xiàng)目是“學(xué)生航天飛行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的一部分，該計(jì)劃給學(xué)生提供機(jī)會(huì)，設(shè)計(jì)微重力下物理、化學(xué)和生物學(xué)方面的研究項(xiàng)目。

在“國際空間站”上進(jìn)行的太空培育大豆植物生長實(shí)驗(yàn)

太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)有多種，如材料加工實(shí)驗(yàn)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)和生命實(shí)驗(yàn)、對(duì)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)等。王亞平首次太空授課的主要內(nèi)容是有關(guān)失重科學(xué)的實(shí)驗(yàn)，另外，她當(dāng)時(shí)還進(jìn)行了多項(xiàng)醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，國外已進(jìn)行了不少有關(guān)物理和化學(xué)等方面的太空實(shí)驗(yàn)，例如，在“國際空間站”上，美國航天員佩蒂特做過的液體實(shí)驗(yàn)十分有趣：他先從飲水袋出水口慢慢擠出一些水來，由于水在失重環(huán)境中不受重力的影響，液體表面張力起主導(dǎo)作用，所以水能漂浮在空中，且不呈水滴狀，而呈球狀。

接著，他用注射器向水球中間注入了一些氣體，形成了水氣球；之后他又借助于針頭小心翼翼地將水注入邊緣，結(jié)果里面的泡泡發(fā)生旋轉(zhuǎn)；然后他將有色飲料注入水球，制作出彩色水氣球；最后他用激光照射水球，展示了彩色水氣球，它有許多小泡泡發(fā)生彈跳并反射光線。

這一現(xiàn)象非常有趣，且可以維持很長時(shí)間，但只有在失重條件下才能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)完成后，佩蒂特在視頻中向?qū)W生提出問題：將水注入水氣球邊緣后，里面的泡泡為何發(fā)生旋轉(zhuǎn)？

太空失重環(huán)境使充滿氣泡的液珠旋轉(zhuǎn)起來，氣泡因密度低集中在轉(zhuǎn)軸附近呈柱狀，液珠在垂直于轉(zhuǎn)軸方向被拉長

2012年，航天員佩蒂特在“國際空間站”內(nèi)還給地球上的學(xué)生演示了一個(gè)十分有趣的實(shí)驗(yàn)——水滴繞毛衣針在太空飛舞，以驗(yàn)證帶靜電的毛衣針在太空如何影響水滴運(yùn)動(dòng)。

在載人航天器內(nèi)還可實(shí)現(xiàn)“竹籃打水水不空”的夢(mèng)想，這也是水只受自身表面張力而不受重力影響在作怪。液體的表面張力是一種物理效應(yīng)，它可使液體表面總是試圖獲得最小的光滑面積。在失重狀態(tài)下，水和籃子接觸時(shí)，水可以在籃子表面自由延展，其表面張力也加劇了水的浸潤性，另外，籃子可以起到表面張力附著點(diǎn)的作用而鎖住水，所以水就可以留在有較大空隙的竹籃中。

眾所周知，水燒開時(shí)會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，這是因?yàn)樗诒患訜釙r(shí)，底部的水先變成蒸汽，使容器底部產(chǎn)生小氣泡，并被重力引起的對(duì)流帶到容器上部，當(dāng)容器中的水受熱超過其飽和溫度時(shí)，在水的內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生劇烈汽化的現(xiàn)象，整個(gè)水就沸騰了。

但在失重狀態(tài)下，由于沒有對(duì)流和浮力，加熱產(chǎn)生的氣泡會(huì)一直附著在容器底部停留很長時(shí)間，最后形成一個(gè)大氣泡，飄浮在水中。研究失重環(huán)境中的沸騰現(xiàn)象對(duì)太空或地面工程中的散熱設(shè)計(jì)很有用，可以防止出現(xiàn)“空氣鎖”。

在地面重力環(huán)境中，當(dāng)水被加熱，底部開始沸騰，在容器底部產(chǎn)生小氣泡，被重力引起的對(duì)流帶到容器上部（左圖）。在太空失重環(huán)境中，缺少了對(duì)流和浮力，加熱產(chǎn)生的氣泡一直附著在容器底部停留很長時(shí)間（右圖），最后形成一個(gè)大氣泡，飄浮在水中

在地面有重力時(shí)，流體具有沿重力方向沉積或分層的趨勢(shì)，密度大的在下面，密度小的在上面。不相溶的幾種液體混合時(shí)，重的在下層，輕的在上層。地面上酒吧里的調(diào)酒師正是根據(jù)這個(gè)道理魔術(shù)般地調(diào)制出五彩繽紛的雞尾酒。而在太空失重環(huán)境中，不同密度的介質(zhì)不再相對(duì)地沉淀而分層，而呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態(tài)。所以，即使是調(diào)酒大師在太空也調(diào)制不出雞尾酒。

同理，在地面將加熱的蜂蜜倒入盛著水的容器中，由于蜂蜜的密度大于水，所以會(huì)在重力的作用下很快沉淀到容器底部，但如果在載人航天器內(nèi)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，可以看到蜂蜜不再往下沉，而是懸浮在水中。在失重環(huán)境中，水和油也能很容易的混合在一起，出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，即由于表面活性劑的作用，使本來不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起的現(xiàn)象。

燃燒是一種常見現(xiàn)象，但其過程與重力有很大關(guān)系可能一般人沒想過的，常見的淚珠狀火焰就是因?yàn)橹亓σ鸬膶?duì)流產(chǎn)生的。蠟燭在地面燃燒時(shí)，由于加熱后的周圍氣體密度低而上升、較冷的氣體從下面補(bǔ)充進(jìn)來形成的對(duì)流作用，將蠟燭的火焰拉長呈淚珠狀，并且由于碳黑來不及充分燃燒就被帶走，使火焰呈紅黃色。在太空失重環(huán)境中，沒有了對(duì)流現(xiàn)象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，且其火焰呈球狀，碳黑也能夠充分燃燒，使火焰呈藍(lán)色。

地面蠟燭火焰（左）與太空蠟燭火焰（右）在形狀和顏色都有明顯不同

由于太空授課的次數(shù)和時(shí)間十分有限，而太空實(shí)驗(yàn)對(duì)青少年又有很好的啟迪作用，所以上述太空實(shí)驗(yàn)除了可采用太空授課的方式進(jìn)行演示外，目前還常采用視頻傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行演示，即航天員在載人航天器內(nèi)錄制學(xué)生感興趣的太空實(shí)驗(yàn)，然后在通信信道不忙時(shí)把教育演示視頻用中繼衛(wèi)星傳輸?shù)降孛?，被廣泛用于全世界的教育者進(jìn)行科學(xué)演示，學(xué)生們也可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載航天員演示視頻。

 學(xué)生與航天員進(jìn)行天地視頻通話

現(xiàn)在，有些被稱為“星期六工程師”的航天員在空閑時(shí)常錄制進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)的教育演示視頻，在“國際空間站”已錄制了數(shù)以百計(jì)的教育演示視頻，其中不少是演示物理定義和規(guī)律，如演示失重環(huán)境中物體的質(zhì)心、旋轉(zhuǎn)、共鳴、波動(dòng)、水滴、牛頓定律、質(zhì)量和重量、線性動(dòng)量、角動(dòng)量守恒、液體表面張力、速度與能量和做功、伯努利定律、向心力與加速度等。

這些演示視頻豐富多彩，除了拍攝航天員的太空生活——睡眠、工作、科研活動(dòng)外，更多的是借助“國際空間站”奇妙的失重力環(huán)境和現(xiàn)有器材，進(jìn)行基本定律的演示。為了更加形象地演示這些規(guī)律，同時(shí)也為了使航天員更加有興趣參與，每次演示都需要用到一些教具，為此，陀螺、跳繩、足球、回旋鏢、溜溜球、紙飛機(jī)、曲棍球等很多地面的運(yùn)動(dòng)、游戲和玩具都被搬到了空間站上。

制作這些視頻雖然不需要耗費(fèi)額外的能源或者特別的硬件設(shè)備，但需要至少2名航天員配合，他們一個(gè)負(fù)責(zé)攝像設(shè)備，一個(gè)負(fù)責(zé)演示。教育演示視頻已成為“國際空間站”一項(xiàng)成功的太空教育活動(dòng)，它只需要簡(jiǎn)單的教具和利用失重環(huán)境，就可把物體運(yùn)動(dòng)特性、液體表面張力等在地球上不容易理解的概念講的生動(dòng)有趣，并讓更多的學(xué)生參與到真正的太空任務(wù)和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中來，接觸前沿航天設(shè)備，獲得前所未有的體驗(yàn)，極大地激發(fā)了學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力。

除了進(jìn)行失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)以外，學(xué)生還常進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)。例如，太空螞蟻實(shí)驗(yàn)，目的是為了了解太空失重環(huán)境對(duì)螞蟻的行為和筑巢有什么影響，只可惜2003年美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回途中失事，包括15只來自紐約州錫拉丘茲市福勒中學(xué)學(xué)生們的螞蟻和機(jī)中的其它實(shí)驗(yàn)生物都無一生還。

不過，在哥倫比亞號(hào)飛行的16天中，航天員每天多次地觀察和拍攝螞蟻的行為和筑巢進(jìn)程，共進(jìn)行了80多次實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)的情況及時(shí)地傳送到地面，學(xué)生們每日從互聯(lián)網(wǎng)鏈接中下載數(shù)據(jù)，其中包括螞蟻行為的錄像和靜態(tài)照片。原先預(yù)計(jì)在失重環(huán)境中，螞蟻會(huì)分不清上下，行動(dòng)遲緩，筑巢的速度也會(huì)減慢，但通過發(fā)回的照片和錄像發(fā)現(xiàn)，太空螞蟻更活躍，會(huì)發(fā)瘋地挖隧道，但挖隧道的方式與地面螞蟻不同。地面螞蟻是沿著螞蟻工坊的四周挖隧道，而太空螞蟻挖隧道的方向沒有規(guī)律，更隨意。

“太空蛋白質(zhì)晶體生長”實(shí)驗(yàn)是載人航天活動(dòng)中的重要項(xiàng)目，各國都很重視。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，要解開生物體的奧秘和研制特效的新藥，首先要有優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)晶，才能了解它們結(jié)構(gòu)和功能的秘密。但在地面上，由于受重力影響，很難制成大而純的蛋白質(zhì)晶體。

在失重力條件下，蛋白質(zhì)晶體可比在地球上生長得更純凈、更大。通過對(duì)這些晶體的分析，科學(xué)家們能更好地了解蛋白質(zhì)、酶和病毒的性質(zhì)，也許會(huì)因此而研制出新藥和更好地了解生命的基本構(gòu)造。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果已促使全球許多制藥公司與航天部門合作，以研究出治療癌癥、糖尿病、肺氣腫和免疫系統(tǒng)失調(diào)的藥品或方法。

目前，在“國際空間站”上也開展了促進(jìn)蛋白質(zhì)晶體增長實(shí)驗(yàn)，目的之一是生產(chǎn)大量各種不同的生物大分子結(jié)晶，目的之二是讓學(xué)生參與500多個(gè)蛋白質(zhì)樣本的準(zhǔn)備，使學(xué)生了解結(jié)晶、結(jié)晶的分析方法、結(jié)晶先進(jìn)生物的工藝、結(jié)晶在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究中的作用。

在地面生長的胰島素結(jié)晶不夠大（左），或者純凈度及順序不能滿足研究人員的要求。太空生長的胰島素結(jié)晶品質(zhì)高（右），研究人員從中可以獲得胰島素的生命形態(tài)，這對(duì)糖尿病人獲得更好的治療具有重要意義

與載人航天器上的航天員進(jìn)行視頻通話也是太空教育的一項(xiàng)內(nèi)容，意在鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和從事科學(xué)事業(yè)。該活動(dòng)是完全免費(fèi)的公益性教育活動(dòng)，教育部門、正式和非正式教育團(tuán)體都可以提交視頻通話申請(qǐng)。航天員攜帶業(yè)余無線電臺(tái)上天與地面業(yè)余無線電愛好者們聯(lián)系，幫助全球的青少年了解奇妙的宇宙和空間計(jì)劃、搭載實(shí)驗(yàn)、太空生活等問題。學(xué)生們還根據(jù)軟件跟蹤載人航天器軌跡，“竊聽”航天員在載人航天器上的交談。

“國際空間站”航天員通過“國際空間站業(yè)余無線電臺(tái)”與學(xué)生通話

目前，僅“國際空間站”就進(jìn)行了700多次業(yè)余無線電通話活動(dòng)，共有40多個(gè)國家、數(shù)百萬學(xué)生參與。中國已組織了至少4次青少年與“國際空間站”航天員的對(duì)話。

參與視頻通話的學(xué)校一般要在當(dāng)?shù)貥I(yè)余電臺(tái)愛好者的幫助下在校內(nèi)設(shè)立一個(gè)臨時(shí)地面站，當(dāng)“國際空間站”從舉辦地上空飛過時(shí)，大約有10分鐘時(shí)間與地面通話。它給青少年帶來無窮的樂趣，并提高了交往意識(shí)、視野，語言表達(dá)等綜合能力。

“國際空間站”業(yè)余電臺(tái)的呼號(hào)：NA1SS/RSOISS/OR4ISS，波長：2米，功率：10瓦（最大20瓦），天線：1/4波長直立天線?！皣H空間站”的業(yè)余無線電愛好者使用Ericsson MP-XS手持對(duì)講機(jī)和Ken Wood D-700。在業(yè)余無線電波傳輸期間，空間站必須避開地面上的通信裝置，這樣才能在空間站上的業(yè)余無線電愛好者設(shè)備和地面接收器之間轉(zhuǎn)播信號(hào)。在信號(hào)傳遞期間，平均可以提問18個(gè)問題，這取決于問題的復(fù)雜度。

如果想在家里與“國際空間站”通話，只需準(zhǔn)備下列無線電裝備：一個(gè)工作在波長2米的頻段、輸出功率在5瓦以上的電臺(tái)。如果能準(zhǔn)備一根全向天線、鞭狀天線等小型指向性天線，則會(huì)帶來更好的效果，大大增加成功的機(jī)會(huì)。“國際空間站業(yè)余無線電臺(tái)”使用FM145.8兆赫作為下行鏈路，所以身處聯(lián)通區(qū)域內(nèi)的人甚至可以使用簡(jiǎn)單帶掃描功能的收音機(jī)就可以收聽部分聯(lián)通內(nèi)容。

一名學(xué)生利用“‘國際空間站’業(yè)余無線電臺(tái)”與站上乘員進(jìn)行通話

與航天飛機(jī)或“國際空間站”舉辦視頻通話需要舉辦方通過美國航空航天局現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)媒體服務(wù)頻道連接至美國航空航天局電視臺(tái)，此外還需要兩條專用的電話線路以及配套的廣播設(shè)備。通話為雙向音頻、單向視頻，學(xué)生可以通過視頻看到航天員的實(shí)時(shí)影像，通過音頻和航天員對(duì)話。

其實(shí)，在王亞平進(jìn)行太空授課之前，中國已展開過多項(xiàng)太空教育活動(dòng)。例如，中國多次進(jìn)行了“中國青少年航天飛機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案”的征集活動(dòng)，并積極參加航天飛機(jī)和中國衛(wèi)星的搭載實(shí)驗(yàn)。

中國專門為青少年科技愛好者在2009年發(fā)射了希望1號(hào)科普公益小衛(wèi)星，并啟動(dòng)了希望1號(hào)衛(wèi)星搭載方案征集活動(dòng)。該小衛(wèi)星裝載著3種設(shè)備：“天圓地方”五色土實(shí)驗(yàn)、攝影和無線通信，這3項(xiàng)任務(wù)均已實(shí)現(xiàn)，輕型寬視場(chǎng)彩色CMOS相機(jī)進(jìn)行了太空攝影，數(shù)據(jù)下傳正常，圖像清晰，視覺效果良好；無線電通信30多個(gè)國家通聯(lián)成功；“天圓地方”科學(xué)實(shí)驗(yàn)攝影數(shù)據(jù)下傳正常，圖像清晰。

中國已經(jīng)組織中學(xué)生研制、發(fā)射了多顆中學(xué)生小衛(wèi)星；多次舉辦航天夏令營和體驗(yàn)營，對(duì)中小學(xué)生進(jìn)行航天知識(shí)教育；多所高等學(xué)校的學(xué)生參加航天硬件設(shè)計(jì)（如月球車）和太空實(shí)驗(yàn)；4次組織學(xué)生與“國際空間站”航天員通話等活動(dòng)。

中國曾從全國各地征集的上萬份提案中評(píng)選出5項(xiàng)由中、小學(xué)生提出的上天方案，它們是：用膠粘法控制航天飛機(jī)艙內(nèi)垃圾；液態(tài)混合物的凝固；微重力環(huán)境對(duì)草履蟲生長和繁殖的影響；失重環(huán)境中固—液表面間的相互作用；蠶吐絲織繭實(shí)驗(yàn)。

這5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)先后登上美國的航天飛機(jī)，但最后結(jié)局不完全相同。前4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中除了草履蟲實(shí)驗(yàn)由于電池工作壽命限制未獲得成功外，其余3個(gè)方案都取得很好的結(jié)果。最不幸的是第5項(xiàng)蠶寶寶實(shí)驗(yàn)，由于哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回過程中解體，中國的蠶寶寶也隨著7名航天員“為國捐軀”了。

 這是中國學(xué)生設(shè)計(jì)的蠶吐絲結(jié)蠶繭試驗(yàn)裝置，研究失重環(huán)境對(duì)蠶行為的影響

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生們的心愿，中國航天部門讓蠶寶寶登上中國的第22顆返回式人造地球衛(wèi)星。太空蠶回到地面后，學(xué)生們與科學(xué)家一起分析太空飛行對(duì)蠶寶寶和他們后代的影響。這是首次中國航天器搭載由孩子們自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)中國航天科技的發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。

中國青少年太空實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不僅鍛煉了青少年的獨(dú)創(chuàng)能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，而且激發(fā)了青少年們熱愛航天事業(yè)、獻(xiàn)身航天事業(yè)的熱情和斗志，例如，被采納的前4項(xiàng)航天飛機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在中學(xué)畢業(yè)后，都免試進(jìn)入北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后有的學(xué)生還加盟到中國航天的隊(duì)伍中。因此，這項(xiàng)活動(dòng)的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它的本身，它為中國的航天事業(yè)培養(yǎng)了接班人。

2016年，中國神舟11號(hào)航天員景海鵬和陳冬在天宮2號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用香港中學(xué)生太空科技設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)的雙擺實(shí)驗(yàn)裝置、薄膜成型實(shí)驗(yàn)裝置、太空養(yǎng)蠶實(shí)驗(yàn)裝置開展了航天科普活動(dòng)。

陳冬在天宮2號(hào)內(nèi)做實(shí)驗(yàn)

中國還開展過許多航天科普講座、太空美術(shù)展等多種形式的航天科普活動(dòng)。

太空教育還有多種方式，如辦太空教育網(wǎng)站，其內(nèi)容有適合于教師的，也有適合于學(xué)生或兒童的。對(duì)航天教育感興趣的教師們也能從網(wǎng)上獲得適合自己教學(xué)所需要的教材和教學(xué)用具，而且可以了解最近航天部門為學(xué)生們提供參加航天活動(dòng)的計(jì)劃，有心的教師有可能通過它為自己的學(xué)生爭(zhēng)取到參加太空實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

從2010年3月起，美國航空航天局開始為公眾中的申請(qǐng)者提供到美國航空航天局實(shí)習(xí)或者參加科研工作的機(jī)會(huì)，藉此鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到科學(xué)技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)的研究和空間探索研究任務(wù)。其中，表現(xiàn)優(yōu)秀的申請(qǐng)者還可以獲得由美國航空航天局提供的高額獎(jiǎng)學(xué)金。更可貴的是，公眾參與過程十分簡(jiǎn)單和公開透明，所有申請(qǐng)者都可以在美國航空航天局網(wǎng)站上申請(qǐng)適合自己的職位。

歐洲航天局除了像美國一樣進(jìn)行教育性示范活動(dòng)和鼓勵(lì)學(xué)生參加太空實(shí)驗(yàn)外，還特別鼓勵(lì)大學(xué)生們自己制造衛(wèi)星、發(fā)射火箭，將創(chuàng)意和實(shí)驗(yàn)帶到空間站，并為他們提供了極好的實(shí)踐平臺(tái)，以培育未來的航天專家和航天工程師。

早在2000年，歐洲航天局就曾提出學(xué)生太空探索及技術(shù)倡議（SSETI），內(nèi)容包括完成4項(xiàng)研制任務(wù)：“學(xué)生太空探索及技術(shù)倡議快車”試驗(yàn)衛(wèi)星、歐洲學(xué)生地球軌道器、歐洲學(xué)生月球軌道器、研制月球登陸車。由歐盟14個(gè)國家15所大學(xué)的250名學(xué)生設(shè)計(jì)的“學(xué)生太空探索及技術(shù)倡議快車”是一顆低軌小衛(wèi)星，主要功能是拍攝地理圖片，進(jìn)行通信廣播聯(lián)系，以及測(cè)試“軌道調(diào)整器”等學(xué)生設(shè)計(jì)的各類小裝備。

歐洲航天局負(fù)責(zé)指導(dǎo)和協(xié)調(diào)學(xué)生們的工作，監(jiān)督實(shí)際工作中的設(shè)備研制以及組織衛(wèi)星發(fā)射工作。經(jīng)過18個(gè)月的研制，2005年10月27日，該衛(wèi)星成功升空并發(fā)回信號(hào)。

歐洲還開展過“歐洲學(xué)生國際空間站應(yīng)用創(chuàng)意大賽”、“年輕工程師衛(wèi)星計(jì)劃”、“同溫層（平流層）氣球升空實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽”、“學(xué)生拋物線飛行體驗(yàn)”、“曙光女神”學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

其中“曙光女神”學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽是面向歐洲和加拿大未畢業(yè)和已畢業(yè)的大學(xué)生，目的是為月球、火星和小行星設(shè)計(jì)登陸機(jī)器人和人探測(cè)方案，同時(shí)使學(xué)生們明白，除了要克服衛(wèi)星研制過程中的各種技術(shù)難關(guān)，還要向有關(guān)部門申請(qǐng)衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射頻率、組織運(yùn)輸、海關(guān)申報(bào)、技術(shù)專利保護(hù)等，學(xué)生在研制過程中積累了許多以往書本上沒學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

此次太空授課與首次太空授課有些不同，一是因?yàn)椤疤鞂m”空間站核心艙，比2013年首次太空授課的天宮1號(hào)目標(biāo)飛行器要大許多，而且更現(xiàn)代化，所以可以更方便、更精彩地演示太空實(shí)驗(yàn)和太空生活等；二是我國的測(cè)控通信系統(tǒng)的性能有了很大提高，依靠天鏈1號(hào)中繼衛(wèi)星星座提供的寬帶，可以把太空授課的高清視頻更流暢的傳回地面；三是這次不僅有物理實(shí)驗(yàn)，還有生物實(shí)驗(yàn)，因而可使青少年開闊眼界；四是王亞平已經(jīng)有太空授課的經(jīng)驗(yàn)了，因此這次會(huì)更加從容、淡定、有趣的為全球青少年演示奇妙的太空實(shí)驗(yàn)。

2022年，中國將建成體積大壽命長、功能強(qiáng)的大型長期載人空間站，可以相信，屆時(shí)中國的太空教育會(huì)更加豐富多彩，可以采用視頻傳輸、天地通話、搭載實(shí)驗(yàn)、參與研究等方式進(jìn)行，或在地面開展太空設(shè)計(jì)比賽、參觀體驗(yàn)和知識(shí)講座等活動(dòng)。中國有關(guān)部門幾年前就開始組織青少年設(shè)計(jì)青少年太空實(shí)驗(yàn)方案，并且每年都請(qǐng)專家進(jìn)行評(píng)審，其中優(yōu)秀的青少年太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案未來有望送到中國空間站青少年科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜內(nèi)實(shí)施。總之，未來太空教育的前景十分廣闊。