6月20日，在南開中學航天體驗館，學生們通過弧形屏幕觀看中國首次太空授課。
當日，神舟十號航天員在天宮一號開展基礎物理實驗，為青少年進行太空授課，全國8萬餘所中學6000餘萬名師生同步收看。
遊思行攝
（新華社供圖）
本報記者 朱廣清 周熙檀
「面對浩瀚的宇宙，我們都是學生。」神舟十號飛船出徵之前女航天員王亞平意味深長的話語，一直縈繞在人們的耳畔。作為中國首位「太空教師」，6月20日，她赫然站在了最高的講臺上。
2011年9月，在天宮一號目標飛行器升空之前，關於太空授課的想法已經開始醞釀。隨後，這一創意被多次討論，並於2012年「神九」發射前被採納。當年11月初，太空授課活動被正式列入「神十」飛行大綱。
此後，來自不同領域的航天人、科學家、教育工作者廣泛參與其中，設計實驗內容、準備教案、研製教具。「神十」乘組出徵之前，航天員們參與的正式天地授課演練不下5次。
這是一次絕無僅有的授課活動。其意義不僅僅在於王亞平所站講臺的高度以及我國青少年因此得到的太空知識，更在於它向世界傳遞了我國在
航天科技(
000901,
股吧)方面的獨特探索正如此次太空授課圍繞「微重力」這一太空科學重大命題所設計的實驗活動，既是航空
科技的基礎，也一直是各國太空科技競賽的主題。
1「亞平老師」講解牛頓第二定律
在距離地面300多千米的天宮一號上，6月20日上午，航天員王亞平變身「亞平老師」，進行了中國首次太空授課。
10時11分，北京航天飛行控制中心報告，已建立與航天員的雙向
通信鏈路。王亞平在「助教」聶海勝、「攝像」張曉光的幫助下，向天宮一號艙內攝像機鏡頭緩緩「飛」來。鏡頭背後，是設在人大附中的地面課堂。
來自北京16所學校的335名學生，用熱烈掌聲歡迎他們的亞平老師。與此同時，全國8萬餘所中學6000餘萬名師生同步組織收聽收看了太空授課活動實況。
「生活中如何測量質量？」王亞平以提問的方式開始講課。地面課堂的同學們有的說用天平，有的說用電子秤，還有人提到用「曹衝稱象」的辦法。但是，這些方法在太空失重的環境下都將「失靈」，那麼航天員如何測體重？
王亞平用天宮一號上的質量測量儀現身說法。他們從艙壁上打開一個支架形狀的裝置，聶海勝把自己固定在支架一端。王亞平拉開支架，一放手，支架便在彈簧的作用下回復原位。裝置上的LED屏上顯示出數字：74.0，這表示聶海勝的實測質量是74千克。
王亞平向同學們解釋，天宮一號中的質量測量儀，應用的物理學原理是牛頓第二運動定律：F（力）=m（質量）×a（加速度）。質量測量儀上的彈簧能夠產生一個恆定的力F，同時用光柵測速裝置測量出支架復位的速度v和時間t，計算出加速度（a=v／t），就能夠計算出物體的質量（m=F／a）。
演示完質量測量，王亞平又取出一個物理課上常見的實驗裝置單擺。王亞平沿切線方向輕推小球，奇妙的現象出現了，小球開始繞著T形支架的軸心做圓周運動而在地面對比試驗中，需要施加足夠的力，給小球一個較大的初速度，才能使它繞軸旋轉。
原來，這也是因為在太空中重力消失，系統不具有回覆力，在獲得初速度後，單擺不會做往復運動而只做圓周運動。
接下來的陀螺試驗顯示，高速旋轉的陀螺具有很好的定軸特性，在太空失重環境下，這一特性更加直觀地呈現出來。
王亞平介紹說，高速旋轉陀螺的定軸特性在航天領域用途廣泛。在天宮一號目標飛行器上，就裝有各式各樣的陀螺定向儀，以精準地測量太空飛行器的飛行姿態。
本次太空授課最令學生感到震撼的是失重環境下液體表面
張力的演示。王亞平也吊足了學生們的胃口，用「見證奇蹟的時刻」來引發更大期待。
她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂。王亞平利用水膜造了一個大水球，並向水球內注入空氣，在水球內形成兩個球形氣泡。隨後，奇特的現象發生了，兩個氣泡各自遊移，並未融合。
在提問環節，史家小學四年級學生邱甜的提問，則將現場帶入了童趣的幻想：「星星會閃爍嗎？能看到UFO嗎？」
「這真是個奇妙的問題。」王亞平微笑著說，他們沒有看到過UFO，由於太空飛行器脫離了大氣層，沒有光的散射，所以看到的星星格外明亮，但是不會閃爍。
「告訴大家一件奇妙的事情，我們每天可以看到16次日出，因為我們每90分鐘繞地球轉一圈。」同學們聽到亞平老師的描述，非常震驚。 時針指向10：50，王亞平以一句「飛天夢永不失重，科學夢張力無限」結束了首次太空授課。
2中科院專家解讀實驗原理
「"神十"航天員王亞平在太空授課中所做的5項科學實驗，"瞄準"的是微重力環境下物體運動的兩種特性測質量、單擺運動以及陀螺的動態與靜態實驗，展示的是失重環境中的剛體動力學特性；水膜及水球實驗，展示的是失重環境中液體表面張力作為"主導因素"的奇異特徵。」
在太空授課前夕，參與在軌科學實驗演示論證的兩位力學專家中國科學院力學研究所國家微重力實驗室副主任、研究員康琦和研究員趙建福，向《中國科學報》記者詳細闡述了微重力科研的獨特價值及其對人類未來的意義。
「很多重大基礎物理問題，都需要在太空環境中進行驗證。」康琦解釋，比如冷原子物理中的冷原子需要太空低溫環境，以使其沉降；而科學界所熟知的愛因斯坦的廣義相對論也需要在太空環境中予以驗證。
微重力科學涉及一個龐大的學科體系，這難免會讓公眾產生理解上的困惑。然而，提起「微重力」的另一個稱謂「失重」，大家則不會感到陌生了。
「乘電梯時電梯加速下降的感覺，就是一種典型的失重體驗。」康琦解釋說，而如果在電梯加速下降時用彈簧秤稱體重，彈簧秤的讀數會大大減小；反之，電梯加速上升則屬於超重，彈簧秤的讀數會大大增加。
那麼，在失重環境中，液體會發生怎樣的變化？最直接的答案是，阿基
米德的浮力定律將失效。
趙建福向記者解釋，浮力定律最大前提是重力作用。重力導致水中存在靜壓梯度，即水越深，壓力越大。而一旦失重，靜壓梯度將不復存在，容器內的流體壓力趨於一致，浸沒其中的物體周圍受到水的壓力合力為零，也就不會有浮力。
「在地面環境中，重力作用是主要的，表面張力的作用經常被掩蓋；而在太空微重力條件下，表面張力則上升為主導因素，同時呈現與地面完全不同的奇異特徵。」
如水膜實驗所展示的，在太空失重環境下，水的表面張力成為控制流體形態的主要作用力。表面張力使水形成水膜、使水團成為球狀。
對公眾而言，此次太空科學實驗授課無疑是一次新奇的體驗和難得的科普經歷，然而其背後蘊藏的對於我國載人航天工程的特殊意義，人們對其則知之甚少。
比如，太空飛行器在飛行過程中，設備和燃料都涉及液體管理和熱管理，特別是航天員生存所必需的氧氣和水的供應，都離不開對液體形貌的控制。
「航天員出艙活動時需要對航天服內部的溼度進行控制，如果出汗產生的水蒸氣導致航天服內部溼度過大，就會影響到太空人的體能與動作。因此，這就須將水蒸氣冷凝變成液體排掉，而氣與液之間的界面在常重力與微重力情況下會有很大差異，需要我們認真研究。」康琦說。
事實上，在國外載人航天的發展歷程中，嘗試在微重力狀態下進行科學研究一直貫穿始終，並且是重要內容之一。
20世紀60年代，美蘇展開太空競賽，微重力實驗成為兩國角力的焦點。此後，前蘇聯率先發射了第一顆人造地球衛星，較早地開展了一系列微重力實驗研究，但其研究成果大多處於保密狀態。
「
美國早期的微重力實驗，是在天花板上吊起實驗裝置，下面是沙坑或床墊，讓實驗裝置自由下落，從而產生零點幾秒鐘的失重時間。」趙建福介紹說，正是當初這些簡陋的實驗，使科學家得以了解在微重力條件下流體運動與傳熱的規律，為人類的航天科技發展奠定了基礎。
3授課列入「神十」飛行大綱
此次太空授課活動，由中國載人航天工程辦公室聯合
教育部、中國科協共同主辦。然而，據記者了解，太空授課從僅是想法到成為現實，也是幾經倡議的結果。
原來，2011年9月天宮一號目標飛行器成功升空後，中國科協曾率先倡議開展太空授課活動；2012年6月「神九」發射前，中國科協再度倡議，並與載人航天工程主管方「一拍即合」。
2012年11月初，太空授課活動列入「神十」飛行大綱。
隨後，3家主辦單位有關部門組成工作協調組，負責太空授課活動的籌備工作。其中，中國科協在參與總體方案制定與實施的同時，主要負責組織授課專家組、提出授課內容、編寫教案腳本、準備課件等，同時負責協助天地演練。
授課專家組由航天領域的專家和航天員系統有關人員、教育專家及一線物理老師、科普專家組成。針對太空授課方案，從去年底至今年初，專家組進行了一系列論證。而在2012年12月18日、27日兩次論證會上，專家組提出的一些意見，最終被確定為此次太空授課的剛性原則。
中國工程院院士、教育部原副部長韋鈺表示，太空授課的重心一定要圍繞「核心概念」，按照目前國際科學教育最新理念進行。
「此前沿襲的僅要求獲得"知識點"的這一頁已經翻過去了。」韋鈺在上述會議上表示，必須讓授課對象學深學透一二十個「核心概念」，並使這些概念成為一種本能。
也就是說，此次太空授課的「核心概念」是微重力，教育方法則應是探究式的學習方法。
我國載人航天工程總設計師
周建平在會上也特別強調，在軌授課要突出科學探索精神，「一系列在軌實驗的科學原理，應成為青少年的終生認識」。
在經過反覆討論並綜合了各方面專家的意見後，授課專家組約定：太空授課要同中小學生常識與知識結構接軌，凡演示科學實驗涉及物理學概念時，必須使用通俗語言表述，比如用「失重」而不用「微重力」講解，使用「測體重」而不用「測質量」的說法……
在太空微重力環境中，液體表面張力主導效應會表現出不同於地面的奇異現象。有人曾提議，在做「水膜」實驗時實驗用具能否使用方形或其他形狀的。對此，參與實驗論證的力學專家們則表示：一定要用圓環！
趙建福解釋說，表面張力大小與表面張力係數和表面彎曲程度有關，尖銳夾角的實驗用具會因為流體表面張力的變化而拉破液膜，因而應該避免使用尖角用具。
4將向全國徵集太空實驗方案
太空授課結束後，王亞平在天宮一號上給世界第一位太空教師、美國前太空人芭芭拉·摩根發了一封電子郵件。郵件中，王亞平這位中國首位太空教師，向她的前輩描述了自己「與億萬中國學生一起分享了太空的神奇和美妙」的體驗。
據了解，伴隨我國載人航天工程三步走目標第二階段任務的實施，作為科普工作的主要社會力量，中國科協自2010年起與中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團共同面向青少年開展了「開啟天宮夢想」系列航天科普活動。而此次太空授課就是系列科普活動中的一項重要內容。
「學術上，太空失重環境使得一些在地面常重力環境中被掩蓋的次要因素或次級效應得以彰顯。科學家藉此可以觀測到不同於地面的獨特現象，揭示其內在規律。」關於此次太空授課的意義，趙建福如此評價。
太空授課專家組組長邸乃庸在接受《中國科學報》記者採訪時也表示，此次活動將帶領孩子們進入另外一個世界，豐富他們的想像力。「我們的未來源於科學幻想。孩子們幻想越豐富，人類社會的進步就會越快。」
北京十九中高一學生張雪飄是學校天文社成員，一直喜歡探索太空世界。當她得知自己成為學校能夠參與現場互動的15個學生之一，感到特別高興。看到水膜注水後形成的水球晶瑩剔透，她不由得聯想到電影《哈裡·波特》中的水晶球。
就在「神十」飛天之前，歷時3個月的全國青少年航天科技知識競賽活動剛剛落幕。明年，中國科協還將面向全國青少年廣泛徵集空間實驗室的實驗項目。
正如航天員王亞平說：「太空寄託著人類美好的嚮往，知識是走向太空的階梯。我們願與您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛科學、探索宇宙的夢想共同努力。」
《中國科學報》 (2013-06-21 第1版 要聞)
（責任編輯： HN666）