科技日報記者 唐 芳

8年前，中國首位“太空教師”王亞平在太空給地面學(xué)生講課，一時間圈粉無數(shù)。聆聽了那一堂太空課的6000多萬名學(xué)生中，有的現(xiàn)在已經(jīng)成為優(yōu)秀的航天人。近期，正在中國空間站執(zhí)行任務(wù)的王亞平，將為孩子們帶來太空第二課。

成功授課不簡單

太空教育是世界載人航天活動的組成部分。美國女宇航員芭芭拉·摩根于2007年8月乘坐“奮進(jìn)”號進(jìn)入國際空間站，完成了人類歷史上的第一次太空授課。

“當(dāng)年，芭芭拉主要講述太空生活的衣食住行。中國首次太空授課則是真正的太空物理課?！比珖臻g探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩認(rèn)為，我國的太空授課與美國有明顯差異。美國太空授課的內(nèi)容是介紹和演示太空生活，而我國太空授課的內(nèi)容是介紹和演示失重環(huán)境下的物理概念。所以，我國太空授課的科技含量較高，難度也更大。

2013年6月20日上午10點(diǎn)，我國首次太空授課開始。神舟十號航天員王亞平通過質(zhì)量測量、單擺運(yùn)動、陀螺運(yùn)動、水膜和水球等5個實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體運(yùn)動特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并回答了學(xué)生們關(guān)于航天器用水、太空垃圾、失重對抗和太空景色等問題。

“我們先后研究了‘竹籃打水’‘乒乓球’‘回旋鏢’‘溜溜球’和‘跳繩’等20多種方案，根據(jù)科學(xué)性、安全性、操作性、可視性、即時性、趣味性等綜合因素考量，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個方面的物理實(shí)驗(yàn)，即物體運(yùn)動特性和液體表面張力；隨后，又對確定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了精心細(xì)致的研究，力求給學(xué)生們最好的‘課堂’感受?！饼嬛普f，實(shí)踐證明，授課專家組最終制定的授課教案達(dá)到甚至超過了預(yù)期效果，獲得圓滿成功。

“太空授課挑戰(zhàn)不小?！敝袊教炜乒ざ貉芯繂T楊宇光表示，在有限的時間、空間和物資條件下，僅教具的選擇和運(yùn)送就非?？季浚瘴镔Y運(yùn)送成本很高，1公斤物品的運(yùn)輸成本遠(yuǎn)超1公斤黃金的價值。更重要的是，40多分鐘的時間里，既要在太空演示物理現(xiàn)象，還要講明白物理原理，對于備課和臨場組織調(diào)配要求極高。

課程選擇有講究

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。為什么中國載人航天史上首次太空授課的內(nèi)容,最終選擇了5個物理實(shí)驗(yàn)？

龐之浩揭秘說，太空授課的“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、對航天員健康無影響、不會污染座艙環(huán)境等；當(dāng)然，也要考慮創(chuàng)意新穎、簡單可行、不需要花費(fèi)航天員很多時間等因素。

“當(dāng)時還設(shè)計了一個磁鐵實(shí)驗(yàn)，但考慮到磁鐵可能對航天器內(nèi)部儀器和設(shè)備產(chǎn)生影響，所以這個實(shí)驗(yàn)被放棄了?！饼嬛蒲a(bǔ)充道，此外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)有一定的危險性，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化。

為做好中國首次太空授課科普教育活動，當(dāng)年中國載人航天工程辦公室聯(lián)合教育部、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會等部門對活動進(jìn)行了系統(tǒng)、周密的策劃，完成了課件、教具制作和地面課堂的準(zhǔn)備工作，航天員還為此進(jìn)行了專題準(zhǔn)備。

由于天宮一號是精密飛行器，航天員的授課活動必須小心謹(jǐn)慎，既不能動作幅度太大，干擾到正常飛行，還要當(dāng)心漂浮的實(shí)驗(yàn)器材、液滴影響到航天器安全。

作為主講人的航天員王亞平，在備課時沒少下功夫。她精心準(zhǔn)備授課內(nèi)容，向?qū)I(yè)教師虛心請教講課技巧。指令長聶海勝擔(dān)任太空課堂的助教，負(fù)責(zé)配合王亞平管理教具，維護(hù)課堂秩序。航天員張曉光幾乎是被“捆”在艙壁上聽完這堂課的，因?yàn)閾?dān)任攝像師的他，要想在失重環(huán)境下保持平衡，必須用束縛帶把自己固定在艙壁上，才能在用手持?jǐn)z像機(jī)的情況下，保持長時間穩(wěn)定拍攝，把太空授課的精彩圖像傳回地面課堂。

“未來的太空授課將會有更多、更新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式。例如天地對比實(shí)驗(yàn)，比較蠶或蜘蛛在太空與地面吐絲的區(qū)別，觀察蝴蝶在太空中如何飛舞等?！饼嬛平榻B，我國有關(guān)部門也已開始組織青少年設(shè)計太空實(shí)驗(yàn)，并定期請專家評審，優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案未來有望在中國空間站上實(shí)施。

穩(wěn)定清晰靠天鏈

中國首次太空授課活動持續(xù)約40分鐘。這一天地互動過程是在我國中繼衛(wèi)星的支持下實(shí)現(xiàn)的，它的亮相同時標(biāo)志著我國新一代載人航天測控網(wǎng)基本建成。

“地面上網(wǎng)課，最難的是網(wǎng)絡(luò)通暢，在天上這個問題更難保證。”楊宇光說，如何確保高碼數(shù)率、高保真視頻流的通信鏈路完全暢通，是太空授課過程中挑戰(zhàn)最大、難度最高、不確定因素最多的環(huán)節(jié)。

楊宇光進(jìn)一步解釋道，太空授課的高清視頻傳輸，我國主要依靠居高臨下的天鏈中繼衛(wèi)星進(jìn)行支持，以地面測控站、海面遠(yuǎn)望號測量船作為備份，但是地面測控支持比例不高，這是因?yàn)樘鞂m一號、空間站多數(shù)時間不在我國本土上空。

無線電通信的一個基本原理，是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼速率越高，那么傳輸?shù)哪芰肯募皩鬏斣O(shè)備的靈敏度要求越高。

“太空授課對音視頻的碼數(shù)率要求較高。”楊宇光解釋道，為此天鏈中繼衛(wèi)星使用高增益天線，使得波束非常窄，以保證能量集中，順利傳輸高碼數(shù)率的視頻數(shù)據(jù)。另一端我國空間站上設(shè)置有蝶形天線，指向中繼衛(wèi)星進(jìn)行配合。這樣一來，理論上任何時候都有一顆中繼衛(wèi)星能夠“看”到我國空間站，確保授課過程通信暢通?！疤帐谡n的時延僅約0.3秒?！彼f。

不僅如此，太空授課及授課前的全要素演練，均涉及廣泛的天地協(xié)同工作。

“2013年王亞平第一次太空授課時，教育部負(fù)責(zé)組織學(xué)生，中國科協(xié)負(fù)責(zé)設(shè)計準(zhǔn)備課程，中國載人航天工程辦公室負(fù)責(zé)航天員和通信系統(tǒng)?！饼嬛普f。

“測控通信系統(tǒng)進(jìn)行中繼星的切換也是重要的天地協(xié)同。此外，王亞平在天上演示的物理實(shí)驗(yàn)，地面老師也在做相同的實(shí)驗(yàn)，天地對比實(shí)驗(yàn)幾乎同步呈現(xiàn)在視頻畫面中?！睏钣罟獗硎?。

關(guān)鍵詞： 要做 又要 天宮