歡迎來到“太空教師”的“天宮課堂”

一堂奇妙又精彩的太空科普課

——記中國空間站首次太空授課活動

光明日報記者 章文

時隔8年之后，中國航天員再次進行太空授課。

12月9日，中國空間站首次太空授課活動以天地互動的方式，在中國空間站和設(shè)在中國科技館的地面主課堂，以及設(shè)在廣西南寧、四川汶川、香港、澳門的地面分課堂同步進行。

在距地球表面400公里以外的中國空間站天和核心艙內(nèi)，神舟十三號飛行乘組3名“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富為全國青少年帶來了一堂奇妙又精彩的太空科普課。當(dāng)天下午，記者來到設(shè)在中國科技館的地面主課堂，與在場的中小學(xué)生一起，現(xiàn)場聆聽“太空教師”講課。

香港小學(xué)生在認(rèn)真聽課。新華社記者?王申攝

“太空教師”驚喜亮相

“歡迎來到‘天宮課堂’！”15時54分許，隨著不斷旋轉(zhuǎn)的陀螺，航天員王亞平出現(xiàn)在大屏幕中，揭開了“天宮課堂”的序幕。

“嗨！同學(xué)們好！我是指令長翟志剛。”“感覺良好”乘組的指令長翟志剛兼職“攝像師”，精神飽滿地與同學(xué)們打招呼。

“同學(xué)們好！我是航天員葉光富。”身著“企鵝服”的葉光富顯得有些“與眾不同”。“這是我們的一件‘秘密武器’。”翟志剛為大家進行了揭秘——分布在“企鵝服”胸部、腰部、腿部的多條彈力拉帶，可將航天員的身體束縛緊，使肌肉長時間保持張力，可以有效預(yù)防失重導(dǎo)致的肌肉萎縮。

在屏幕里，3位“太空教師”看上去有些“胖胖的”，王亞平解釋，這是由于微重力導(dǎo)致血液上涌所致。她依次展示了3名航天員的睡眠區(qū)，在她的睡眠區(qū)里，粘貼著她和家人的照片還有喜歡的小物品，顯得格外溫馨。

太空跑臺、太空廚房物品、太空自行車……跟隨王亞平的鏡頭，孩子們“參觀”了太空家園，時不時發(fā)出驚嘆的聲音。

神奇實驗別開生面

在約60分鐘的互動交流授課過程中，3名“太空教師”演示了失重環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實驗、物體運動、液體表面張力等現(xiàn)象，天地間不斷響起掌聲和笑聲。

在失重環(huán)境下，細(xì)胞會有何種神奇的變化？

葉光富將細(xì)胞樣本放到顯微鏡的鏡頭下面，然后利用筆記本電腦的軟件對細(xì)胞進行觀測。從屏幕上可以看到，心肌細(xì)胞在熒光顯微鏡的觀察下，出現(xiàn)了一個類似于心臟的跳動，隨著細(xì)胞跳動，熒光一閃一閃的。此外細(xì)胞跳動的畫面也非常神奇，它們以成片的形式在收縮，就像心肌那樣一動一動，很有節(jié)律地在運動。

“天宮課堂”實驗。新華社記者?王申攝

北京航空航天大學(xué)教授劉紅告訴記者，這是心肌細(xì)胞的一個生物電的反應(yīng)。心肌細(xì)胞在太空生長后，形成了一個網(wǎng)，這些細(xì)胞都是活的，它們都有生命，會產(chǎn)生生物電，生物電可以激發(fā)熒光，呈現(xiàn)出大家所看到的一閃一閃的效果。“這對于我們研究在太空中人的心血管系統(tǒng)變化等，提供了很好的實驗平臺。”劉紅說。

當(dāng)?shù)孛嬲n堂學(xué)生問到在空間站里能否像地面一樣走路時，王亞平不是簡單回答，而是請葉光富進行現(xiàn)場教學(xué)來解答：隨即葉光富開始展示太空走路和太空轉(zhuǎn)身，這些原本在地面上難度系數(shù)為零的普通動作，在太空中卻變得十分困難。只見葉光富飄浮在空中，沒有借助把手的他上半身向左旋轉(zhuǎn)的時候，下半身就會朝右旋轉(zhuǎn)，上半身朝右旋轉(zhuǎn)，下半身就會朝左轉(zhuǎn)，上下總是擰著。當(dāng)他舉起右手，在空中畫圈，隨著圈越畫越快，他開始緩慢地旋轉(zhuǎn)了！而當(dāng)他將手臂展開時，旋轉(zhuǎn)開始變慢，手臂收回時旋轉(zhuǎn)變得快了起來。“幫助葉老師完成轉(zhuǎn)身的這個動作和角動量相關(guān)。”王亞平解釋道。

什么是角動量？中國科技館科普講師團副團長陳征介紹，角動量是描述物體轉(zhuǎn)動的物理量。這個試驗所展現(xiàn)的是在微重力的環(huán)境中，航天員在不接觸空間站的情況下，類似于理想狀態(tài)下驗證“沒有外力矩，物體會處于角動量守恒”。航天員上半身向左轉(zhuǎn)動時，按照角動量守恒的原則，下半身就會向右轉(zhuǎn)，“另一個動作是航天員伸展身體的時候，因為質(zhì)量分布得離旋轉(zhuǎn)軸比較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動慣性比較大，所以角速度就減慢，通俗地說就是轉(zhuǎn)得慢了。而當(dāng)把四肢收回時，轉(zhuǎn)動慣性小，角速度就會增加，直觀感受就是轉(zhuǎn)動速度變快了。”陳征說。

“因為有浮力，船才能在大海上航行。”王亞平一邊說，一邊把一顆乒乓球放入塑料瓶并壓入水中，乒乓球沒有浮起，反而沒入水中，引得現(xiàn)場同學(xué)嘖嘖稱奇。陳征介紹，“浮力消失”這項實驗所展現(xiàn)的是浮力和重力伴生的現(xiàn)象。浮力來源于重力引起的液體在不同深度的壓強差。當(dāng)重力消失時，液體內(nèi)部壓強相同，浮力也就消失了。不過地球表面難以讓浮力消失，這個試驗很難直觀地展示出來。在空間站的微重力條件下，浮力和重力之間的伴生關(guān)系就可以非常清楚地顯現(xiàn)。

在水膜張力實驗中，王亞平先用金屬環(huán)從飲水袋中取出一個水膜，緩慢注水制作成厚水膜，看起來就像是一個放大鏡。接著，她拿出一朵和女兒在地球上一起完成的折紙花貼在水膜上，花朵慢慢舒展開來，在“太空之家”盛開。“看到這朵花，我就想到了我的女兒。”王亞平動情地說，“同學(xué)們，你們都是祖國的花朵，含苞待放；未來是你們的，希望你們的夢想，都能在這廣袤的宇宙中綻放。”

甘肅省隴南市康縣城關(guān)第二小學(xué)學(xué)生在觀看“天宮課堂”。新華社記者?陳斌攝

王亞平接著往水膜上注水，不一會兒，水膜就變成了一個亮晶晶的大水球。用注射器向水球內(nèi)注入空氣，在水球內(nèi)產(chǎn)生了一個標(biāo)準(zhǔn)的球形氣泡，還能看到一正一反兩個成像，“這是氣泡將水球分割成了兩部分，分別成像的結(jié)果”。精彩的畫面，讓現(xiàn)場的同學(xué)們都舍不得眨眼。

幾個實驗下來，“太空教師”們風(fēng)趣幽默，天地互動問答自如，課堂進行得非常流暢。

最后一個實驗，是本次太空授課中的一項趣味性實驗——做一個“太空歡樂球”。

只見王亞平將準(zhǔn)備好的顏料加入水球中，一個漂亮的藍(lán)色水球誕生了！隨著橙色泡騰片加入水球中，泡騰片在水球中不斷產(chǎn)生橙色的小氣泡。神奇的是，在失重環(huán)境下，這些氣泡只是不斷產(chǎn)生，并沒有離開水球。陳征介紹，在地面環(huán)境中，將泡騰片扔進水球里，就能看到氣泡上浮，可在中國空間站的失重環(huán)境中，因為浮力的消失，泡騰片扔進水中產(chǎn)生的氣泡不再上浮，而是相互擠壓，所以這個水球也會被氣泡撐得更大，就能看到水球一點點膨脹的效果。

“這個藍(lán)色小球是不是很像我們的地球，地球是我們?nèi)祟愒谟钪嬷械膿u籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。”王亞平說，“如今我們擁有了自己的空間站，相信未來中國人的腳步一定會踏入月球、火星和更遠(yuǎn)深空！”

奇思妙想點燃科學(xué)夢想

授課期間，航天員通過視頻通話形式與地面課堂師生進行了實時互動交流，一個個創(chuàng)意滿滿的太空問答也滿足了孩子們的好奇心。

“我們可以給你們發(fā)郵件嗎？”面對澳門同學(xué)的提問，葉光富笑著回答，雖然目前無法直接傳輸郵件到天上，但很歡迎孩子們在網(wǎng)站上給他們留言。

汶川的同學(xué)提問：“在太空能看到閃爍的星星嗎？有沒有UFO？天也是那么藍(lán)嗎？”王亞平回答說：“透過舷窗，我們可以看到地球，也可以看到日月星辰，但是沒有看到過UFO。由于沒有大氣對光的散射作用，我們看到的太空不是藍(lán)色的，而是深邃的黑色。”

“太空教師”王亞平在空間站授課。李源龍攝/光明圖片

“乘坐飛船，是不是和坐過山車一樣刺激？”北京的同學(xué)提問。“坐飛船可比坐過山車要更刺激，飛船的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過山車。”翟志剛笑著說。

“在空間站中，氧氣和二氧化碳如何進行循環(huán)？”“在太空中睡覺會飄來飄去嗎？會做夢嗎？做的夢和在地球上有什么不用？”面對孩子們的提問，王亞平的解答充滿了幽默：“在太空中睡覺，無論什么姿勢都有種站著睡覺的感覺。每次睜開眼睛，看見自己懸浮在睡袋里，反而有種做夢的感覺。”

歡樂的時光總是過得很快，不知不覺，課堂接近尾聲。在依依不舍中，3位“太空教師”分別為同學(xué)們送上一句太空寄語——

翟志剛說：“太空科技，奧秘?zé)o窮！未來屬于你們！”

“星空浩瀚無比，探索永無止境！希望同學(xué)們張開夢想的風(fēng)帆，向無盡的宇宙遠(yuǎn)航！”葉光富說。

“飛天夢永不失重，科學(xué)夢張力無限！同學(xué)們，期待再次見面！”王亞平的寄語與8年前相同，又有所不同，這其中，更多了一份期待。

“此次授課最顯著的特點是天地互動，師生在交流互動中展示有趣的科學(xué)現(xiàn)象，來激發(fā)孩子們的好奇心和求知欲，在孩子們心中埋下科學(xué)思維的種子。”陳征表示，在看完這些實驗的內(nèi)容后，孩子們可以再去進行探索，在地面上嘗試更多可能的方案，甚至以后可以把他們的奇思妙想帶到太空去。來自北京市朝陽師范學(xué)校附屬小學(xué)四年二班的陳浩初興奮地說：“‘天宮課堂’太精彩了！我一定要好好學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，將來努力探索宇宙的奧秘。”

超長待機的天地通話如何實現(xiàn)

光明日報記者 崔興毅 光明日報通訊員 王雪姣

12月9日15時40分，“天宮課堂”第一課在空間站正式開課。神舟十三號飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在軌展示了中國空間站工作生活場景，演示微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實驗、物體運動、液體表面張力等現(xiàn)象，并與地面課堂進行實時交流。

學(xué)生們在中國科技館設(shè)立的地面主課堂聽課。新華社記者?金立旺攝

為實現(xiàn)天地互聯(lián)互通、即時通話，中國電科研制的通信測控系統(tǒng)在天地之間打造了一條高效、穩(wěn)定的通信傳輸“天路”，滿足超長待機需求。

這場天地通信傳輸高速“天路”是如何建立的？“在陸上測控站、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中，中國電科從不同維度編織了一條實現(xiàn)100%覆蓋的測控通信網(wǎng)。”中國電科測控專家陳建民告訴記者，遍布各個測控站點的統(tǒng)一測控系統(tǒng)，與架設(shè)在太空36000公里的中繼衛(wèi)星組網(wǎng)運行，在天與地之間打造了一條通信傳輸“天路”，提供天地之間的圖像傳輸。

中國電科研制的天鏈一號地面終端站是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，是保證天地信息傳輸?shù)年P(guān)鍵。陳建民介紹，為適應(yīng)空間站任務(wù)需求，中國電科對天鏈一號地面終端站進行了升級改造，實現(xiàn)了鏈路資源的自動化分配及故障自動處置，提高了任務(wù)運行的可靠性，縮短了任務(wù)準(zhǔn)備和故障處置時間。

“天地鏈路的互為備份，可保證無論飛船飛行軌道和位置如何變化，都能讓地面穩(wěn)定地接收信號，支撐完成太空授課。”陳建民說。

即時通信的實時交互又是如何實現(xiàn)呢？衛(wèi)星通信裝備作為天地間的“順風(fēng)耳”和“千里眼”，是天地話音圖像的管理和指揮中心，負(fù)責(zé)將各測控站點的話音、圖像、測控等關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送至中心，為指揮決策提供支持。

“為適應(yīng)空間站和神舟飛船任務(wù)對通信系統(tǒng)的要求，中國電科新建了多套固定站、車載站和便攜站，并對衛(wèi)星通信設(shè)備硬件及軟件進行了升級改造。”陳建民說，“在新建和升級后的系統(tǒng)中，采用自主研制生產(chǎn)的大功率功放等設(shè)備，系統(tǒng)傳輸容量提升5～10倍，衛(wèi)星通信傳輸能力大大提升，可滿足空間站長期在軌運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆！?/p>

科技人員在核對數(shù)據(jù)，確保“天鏈”中繼衛(wèi)星與空間站間的鏈路傳輸穩(wěn)定。王貝攝/光明圖片

“要想在電視上看到清楚畫面，需要天地圖像編解碼終端對音視頻進行編碼壓縮。”陳建民介紹，中國電科新研制的多種天地圖像編解碼終端，可適應(yīng)載人空間站多艙、多場景天地圖像傳輸要求，完成低速圖像、高清圖像及全景圖片等各類圖像信息的傳輸，為天地之間聯(lián)通構(gòu)建可視化平臺。

（光明日報北京12月9日電）

天地互動的太空授課怎樣做到

光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 龐丹

12月9日下午，神舟十三號飛行乘組航天員于中國空間站進行了天地互動太空授課。當(dāng)穩(wěn)定的畫面和清晰的聲音從太空傳來后，不少中小學(xué)生通過參加直播授課地面課堂，或者在線觀看，體驗了這堂奇妙而生動的“太空一課”。

如何確保跨越天地的“天宮課堂”成功實現(xiàn)？為助力太空授課順利進行，空間站有哪些分系統(tǒng)會發(fā)揮作用？讓我們聽聽航天專家怎么說……

據(jù)航天科技集團五院空間站系統(tǒng)測控與通信分系統(tǒng)主任設(shè)計師易予生介紹，此次“天宮課堂”基于天鏈中繼系統(tǒng)，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展。艙內(nèi)采用多臺高清攝像機，通過中繼高速鏈路將高清視頻實時傳送至地面，地面的情況則由地面上行兩路高清圖像送至艙內(nèi)顯示器，從而實現(xiàn)天地間雙向視頻傳輸。“為確保‘天宮課堂’能夠順利進行，研制團隊此前對授課過程與天地協(xié)同程序進行了多次全流程協(xié)同演練。授課過程中，地面工作人員會實時監(jiān)視空間站上各設(shè)備和天地鏈路的狀態(tài)，確保參與授課的所有設(shè)備正常工作。”易予生說。

在空間站系統(tǒng)中，儀表與照明分系統(tǒng)是最具有航天員參與特點的分系統(tǒng)之一。它具備人機交互功能，既可以為航天員在空間站的操作提供交互平臺，也可以為航天員在軌期間的工作、生活、出艙活動、交會對接等任務(wù)提供環(huán)境照明。

“天宮課堂”開始后，地面上的學(xué)生們認(rèn)真聽講的畫面實時同步出現(xiàn)在空間站核心艙內(nèi)的太空教室里。通過一個大的液晶顯示屏，“太空教師”們能夠清楚地看到孩子們的一舉一動。別小看這塊液晶顯示屏，它可是儀表與照明分系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，屬于新一代分布式數(shù)字化遠(yuǎn)程終端設(shè)備。“它可以為航天員顯示空間站的‘健康狀態(tài)’，從而為空間站的平穩(wěn)運行和航天員的安全保駕護航。”航天科技集團五院空間站系統(tǒng)儀表與照明分系統(tǒng)主任設(shè)計師李皖玲說。

航天員在空間站的工作、生活均離不開照明設(shè)備，照明子系統(tǒng)可以為空間站組合體提供艙內(nèi)、艙外照明支持，相應(yīng)的照明產(chǎn)品主要有情景照明、便攜照明和艙外泛光照明等。“空間站照明子系統(tǒng)是我國首次在空間飛行器上應(yīng)用情景模式可調(diào)照明技術(shù)，也是世界上首次在大型載人航天器內(nèi)全范圍應(yīng)用情景照明技術(shù)。”李皖玲表示。

航天員長期在軌工作和生活，單一的照明模式容易造成航天員工作效率降低、生物鐘紊亂以及睡眠障礙等，而情景照明可以通過對色溫、亮度、照明區(qū)域的可控調(diào)節(jié)，解決上述諸多問題。

（光明日報北京12月9日電）

《光明日報》（ 2021年12月10日?08版）

標(biāo)簽： 天宮課堂