天地同步实验 点亮航天梦想

孙伟强　谢柯欣　刘枝灵

2021年12月9日l5时40分，“天宫课堂”第1课正式开讲，这是中国空间站首次太空授课活动。在这次授课活动中，神舟十三号飞行乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富展示了空间站工作生活场景，演示了微重力环境下细胞学实验并展示了太空转身、浮力消失、水球光学、泡腾片等神奇科学现象。这些实验“新奇”的现象引发了社会各界，尤其是青少年对于载人航天、科学实验的极大兴趣。中国科学技术馆作为地面主课堂，参与到整个地面课堂的组织实施当中。地面主课堂力求通过构建一个沉浸式的学习环境，鼓励每位同学亲自动手，在太空教师的带领下同步开展地面实验，通过天地对比的现象差异，直观地了解每个实验背后的科学原理。

地面主课堂环境设计

天宫课堂与普通的学校课堂有很大的区别，首先体现在空间的错位。3位太空教师位于距离地面约400 km高的中国空间站，而主课堂的学生则位于中国科技馆地面课堂。教师与学生并不处于同一空间当中，教师并不能“直接”看到学生。在这样一个差异的空间，引起天地之间生活体验的不同，如重力水平、昼夜变化等方面，将处在不同空间的教师与学生组织在同一时间下，会出现非常多的认知之间的“碰撞”与“冲突”，突破以往的学习、生活场景，这也正是太空授课的魅力所在。因此，环境布置如何能够将这些差异很好地展现、协调、利用，是课堂环境设计非常重要的一方面。

其次是授课地点的特殊性。此次地面课堂的地点位于中国科技馆l层西大厅，与传统教室非常不同。中国科技馆的理念是“体验科学，启迪创新”，通过营造在实践中学习科学的情境，通过互动、体验等方式，引导公众进入探索与发现科学的过程[1]。科技馆是开展科学普及和科学教育的场所，通过众多的互动展品创设学习情景，是科技馆所具有的独特价值。但此次太空授课的重点是在中国空间站，如何将科技馆独特的学习情景与空间站协调起来，对天宫课堂形成一个很好的辅助和衬托，这是课堂环境设计需要考虑的另一方面。

如何能够拉近学生与学生之间的距离，是地面课堂现场布置的关键一环。此次地面主课堂共有约200名师生参与，他们来自北京各区县的不同学校;即使同一学校的学生，很多也在不同年级，彼此之间并不熟悉。而在天宫课堂当中，不同学校的学生是一个整体，在授课过程中，学生之间还需要相互配合，如果环境设计在这方面没有处理好，就会造成一定的割裂和产生一些问题。例如，同一个学校的学生更愿意坐在一起，身高较高的同学可能位于身高较矮的学生的前面会遮挡视线，还有可能在课程当中相互争抢实验器材、引起冲突。

最终现场效果及布置如封面图所示，具体做法如下。

→构建场景

地面课堂位于中国科技馆l层西大厅，在场地搭建之前如图l所示。作为教室来说空间很大，可容纳的学生很多，不会拥挤;但同时也可以明显看出其与太空授课的整个气氛并不相同。因此场景构建需要在利用好整个环境空间的同时，更好地与太空主题相契合。

地面 原大厅地面在灯光照射下会有强烈反光，影响地面课堂的授课效果。因此，在地面铺设蓝色地垫，营造出太空深邃的感觉，同时也很好地处理了地面反光对上课的干扰。

墙面在东侧墙面悬挂3幅由科技馆员工王赫所创作的巨幅航天主题图案，从左至右分别展示了火箭飞天、航天员太空出舱和即将建成的中国空间站组合体：火箭飞天是载人航天任务建设的第1步，它把航天器包括人员和物资从地面运送到既定轨道;航天员是空间站的灵魂，在整个场景中居中，也希冀青少年能够以航天员为榜样，关注航天，热爱航天;中国空间站是航天员们的“家”，是未来我们进一步探索太空的基地。

屏幕与灯光本质上整个场景是个课堂，重点是构建出上课的环境。通过地面、墙面的设计，打通太空与地面的界限，构建一个太空学习的环境。因此，屏幕与灯光的设计与正常的课堂保持一致，并没有采用浮夸的视觉特效和舞美灯光效果，营造正常上课的灯光环境和视觉感受（如专题栏目跨页图）。

→利用好科技馆内的航天实物

科技馆拥有很多重量级的航天实物，这些实物本身会“说话”，能够对太空授课形成很好的辅助和衬托。现场布置神舟一号返回舱实物（图2）、长征五号系列芯一级运载火箭发动机实物YF-77（图3），以及中国空间站天和核心舱结构验证件（图4）三大中国科技馆“镇馆之宝”，分别代表航天事业的过去、现在和未来。

神舟一号返回舱神舟一号是我国第一艘无人试验飞船，于1999年II月20日6时30分在酒泉发射升空，是中国载人航天工程的首次飞行，标志着中国在载人航天飞行技术上的重大突破。它的成功发射为后续的载人飞行积累了宝贵的经验，并对未来的发展奠定了坚实的技术基础。

YF-77火箭发动机长征五号芯一级运载火箭的主发动机，是我国目前推力最大的氢氧火箭发动机。因为它的燃料是液氢和液氧，所以它燃烧的产物是水。因此和其他常规发动机相比其燃烧产物零污染且单位质量反应放出的能量高于一般火箭推進剂。

中国空间站天和核心舱验证件2021年4月29日II时23分，长征五号B遥二运载火箭在海南文昌成功发射，其搭载的天和核心舱的成功发射标志着我国空间站在轨组装建造全面展开。天和核心舱结构验证件与天上核心舱的尺寸是完全一样的，全长16.6米，如果把它竖起来，相当于6层楼的高度，未来还将与“问天”和“梦天”2个实验舱对接，以此实现中国空间站的三舱构型。

→以学生为主体

地面课堂整个场景希望给学生营造一种轻松舒适、自由探索、相互交流的环境。在学校的教室当中，桌椅是以横排纵列的方式摆放，好处是排布简单、管理方便，但与地面课堂场地的布置并不协调。现场整体设置是使每位学生都有自己独立活动的空间，同时通过圆台将一组组的学生进行组合。现场共设置12个大小不同的圆台散布在整个场地中，每一个圆台都代表着太空当中的小星球，寓意“宇宙并不孤独”，与此次天宫课堂相呼应。通过这样的布置将天地之间有机联系，同时也便于学生之间的相互交流。每一个圆台内座椅、桌子的位置和高度在正式授课前也经过学生亲身试坐、调整，达到最理想的状态。在正式授课开始前，地面课堂教师引导现场学生自我介绍、相互交流，并参加预热活动，打破不同学校、不同年级之间学生的界限。65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398

地面实验设计与实

实验是整个天宫课堂最核心的内容，地面课堂场景无论怎么设置，都是对实验开展的保障与衬托。在中国科技馆地面课堂，我们通过创设情境，引导学生通过互动、参与、体验的方式进行观察和学习。此次天宫课堂特别突出“天地对比”，是因为天上与地面的实验现象会有非常大的差异，对于学生最好的理解方式就是让学生自己亲身体验这些实验本身的差异。在地面课堂，每个桌子都配备了相应的地面实验材料（图5），通过太空教师的指引，学生自己动手观察、体验到不一样的科学现象，但背后的科学原理是一样的。

→太空细胞学研究实验

实验现象：在太空当中，航天员叶光富向学生介绍了在微重力条件下进行的相关细胞学研究。依托空间站中的医学样本显微观察记录装置，学生观察到心肌细胞有规律地收缩，像是在对大家说：“我们活得好着呢！”（图6）

实验目的：人类的脚步如果想迈向深空，就一定要了解失重环境下人体机能的变化情况。在失重环境下，人体心血管、骨骼、肌肉等都会发生变化，而构成大部分生物体的基本单位是细胞，了解细胞在失重环境下的变化规律和机制，对未来人类在太空生活具有重要的意义。

地面同步对比实验：对于低年级学生来说，并不了解什么是细胞。因此在地面课堂中配置了显微镜，学生通过观察，就可以了解细胞的形态、结构，认识到细胞的作用，从而更好地理解空间站心肌细胞实验的重要意义。

→太空转身

实验现象：航天员叶光富通过尝试不同的方式进行转身，发现在太空当中如果要完成转身是非常困难的。实验具体有以下3项内容。

·航天员首先尝试在不借助外力的情况下进行转身，直接转身或者用游泳姿势扑腾，以及使用吹气的方法都无法实现转身。

·航天员举起胳膊在空中画圈，实现了转身;如果胳膊朝反方向画圈，则沿着原来的方向转身回来（图7）。

·航天员模仿花滑运动员的旋转动作，通过张开和收回手臂，学生能明显观察到航天员自身转动速度的变化。当张开手臂，转速变慢;收回手臂，转速变快。

实验目的：帮助学生认识“角动量”这一重要物理概念，并认识到角动量在实际生活中所起到的重要作用。在地面上转身的时候，脚与地面所产生的摩擦力提供力矩，让人轻松转身。如果没有外力矩的情况下，航天员转身是很困难的。结合花样滑冰运动员的旋转动作帮助学生更好地理解角动量在实际生活中的应用。

地面同步对比实验：地面对比实验分为2部分。第1部分为学生在航天员王亚平的指挥下，在地面很容易地就进行了转身，随后观察到天上想要转身并不容易;第2部分为使用陀螺了解角动量相关概念。在航天员刚入场的时候，展示了一个旋转的陀螺，可以观察到它在稳定地旋转，陀螺是理解角动量相关概念最好的实验教具。

→浮力消失实验

实验现象：在太空当中，航天员王亚平将乒乓球放入水中，用吸管将它推到水面以下，而乒乓球并没有像在地面上一样向上浮起（图8） 。

实验目的：浮力是由液体中的压强差产生的，而液体压强的产生，正是由于液体受到了重力的作用。浮力是重力带来的次级效应。而在太空中，由于处于微重力环境，液体不再具有压强，因此也无法产生浮力，所以乒乓球可以处于水中的任意位置，不浮出水面。通过这个实验帮助学生更加深刻地了解浮力的相关概念。

地面同步对比实验：学生将乒乓球和钢球依次放入水杯中，观察现象。发现钢球沉入底部，乒乓球浮出水面，与天上的实验现象并不相同。

→水膜张力实验

实验现象：航天员王亚平将水环伸入水袋然后取出，出现了一个水膜，随着向水膜不断加水，水膜不但没有破裂，反而慢慢地增厚。当王亚平将之前自己与女儿一起折叠好的纸花放置在水膜上时，纸花开放并逐渐旋转，水膜变得像一个万花筒一般（图9）。

实验目的：表面张力是微观上液体分子间相互作用力的宏观表现，通过这个实验帮助学生更好地理解液体表面张力的作用。由于地面受到重力的影响，水的表面张力无法承受水的重力，水膜无法制作出来。 “太空开花”是由于纸的成分主要是植物纤维，有较强的亲水性，当纸花接触水后，水通过毛细现象进入纸张纤维的缝隙中，导致纤维吸水膨胀，纸花的折痕处逐渐展开，于是就出现了“花开”的效果。

地面同步对比实验：学生将水环放入盛有水的盆中并慢慢提升出水面，发现无法制作出水膜。之后，学生通过折纸，将折叠好的纸花轻轻放置水面上，观察花朵绽开现象。

→水球光学实验

实验现象：航天员王亚平通过不断往水膜当中注水，形成1个水球，学生透过水球可以观察到王亚平1个倒立的像。当在水球中注入1个气泡，则可以观察到l正l倒2个像（图10）。

实验目的：太空中形成的水球，可以看作是1个中间厚两边薄的凸透镜。根椐凸透镜成像的原理，当人的位置远大于2倍焦距时，便会形成1个倒立的像。由于通过之前做的实验，学生可以知道浮力会消失，因此水球内气泡并不会上浮。这个气泡的存在会将水球分成2个中间薄两边厚一些的结构，从而形成2个凹透镜组成的光具组，成正立缩小的像，因此会看到l正l倒2个像。

地面同步对比实验：桌子上放置30mm水晶球，在实验过程中，航天员引导学生举起水晶球进行相互观察，学生可以看到1个倒立的像。

→泡腾片实验

实验现象：航天员王亚平首先将蓝色颜料注入水球当中，然后将泡腾片放置其中，学生观察到泡腾片与水快速反应，生成大量气泡。这些气泡并没有离开水球，而是在水中不断翻滚，水球被撑得越来越大。黄色的泡腾片与蓝色的水球相互融合，看上去十分像我们的地球家园（图II）。

实验目的：泡腾片实验为一个课程总结性实验，包含了课程中很多实验现象和原理，如液体的表面张力、浮力等。气泡不会上浮是因为浮力消失，气泡无法突破水的表面则是由于水球表面张力的作用。气泡不断产生又无法离开水球，因此水球的体积也会随之增大。

地面同步对比实验：学生将泡腾片放入杯中，观察到杯中气泡不断产生，这些气泡不断地上浮、破裂，而杯子当中液体的体积并没有发生太大的改变。

总结

2021年12月9日，中国空间站首个太空科教品牌“天宫课堂”地面主课堂在中国科技馆成功举办。如何在科技馆中面向学生营造出一种轻松、愉快的氛围，经过多轮的讨论最终形成了如上方案。太空场景的设置与科技馆展品中的3件镇馆之宝相互配合，既突出了科技馆沉浸式体验的特点，又提供给学生一个良好的学习环境。作为中国空间站的首次授课，此次授课一大亮点是进行天地同步对比实验。学生自己动手观察、体验天地实验现象的差异，深刻理解在现象的背后是同樣的科学规律起作用。通过天宫课堂整体场景设置及天地同步对比实验，点亮每一位学生的航天梦想。

参考文献

[1]中国科技馆，展览介绍[EB/OL].https：//cstm.cdsm.cn/cszl/cszl.is/65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398