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生講課，一時間圈粉無數。聆聽了那一堂太空課的6000多萬名學生中，有的現在已經成為優秀的航天人。近期，正在中國空間站執行任務的王亞平，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”號進入國際空間站，完成了人類歷史上的第一次太空授課。

“當年，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。”全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩認為，我國的太空授課與美國有明顯差異。美國太空授課的內容是介紹和演示太空生活，而我國太空授課的內容是介紹和演示失重環境下的物理概念。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，我國首次太空授課開始。神舟十號航天員王亞平通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等5個實驗，展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象，并回答了學生們關于航天器用水、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，根據科學性、安全性、操作性、可視性、即時性、趣味性等綜合因素考量，經過集思廣益、反復篩選、嚴格論證，最終確定進行2個方面的物理實驗，即物體運動特性和液體表面張力；隨后，又對確定的實驗項目進行了精心細致的研究，力求給學生們最好的‘課堂’感受。”龐之浩說，實踐證明，授課專家組最終制定的授課教案達到甚至超過了預期效果，獲得圓滿成功。

“太空授課挑戰不小。”中國航天科工二院研究員楊宇光表示，在有限的時間、空間和物資條件下，僅教具的選擇和運送就非常考究，太空物資運送成本很高，1公斤物品的運輸成本遠超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象，還要講明白物理原理，對于備課和臨場組織調配要求極高。

課程選擇有講究

事實上，物理、化學和生物實驗都可以在太空進行。為什么中國載人航天史上首次太空授課的內容,最終選擇了5個物理實驗？

龐之浩揭秘說，太空授課的“選題”條件是實驗所需的材料和設備必須安全可靠、質量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環境等；當然，也要考慮創意新穎、簡單可行、不需要花費航天員很多時間等因素。

“當時還設計了一個磁鐵實驗，但考慮到磁鐵可能對航天器內部儀器和設備產生影響，所以這個實驗被放棄了。”龐之浩補充道，此外，化學實驗有一定的危險性，為了安全起見，太空里的化學實驗通常在實驗柜或者手套柜進行，難以向地面學生呈現，因此挑選物理實驗作為太空授課的內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，當年中國載人航天工程辦公室聯合教育部、中國科學技術協會等部門對活動進行了系統、周密的策劃，完成了課件、教具制作和地面課堂的準備工作，航天員還為此進行了專題準備。

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慎，既不能動作幅度太大，干擾到正常飛行，還要當心漂浮的實驗器材、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。她精心準備授課內容，向專業教師虛心請教講課技巧。指令長聶海勝擔任太空課堂的助教，負責配合王亞平管理教具，維護課堂秩序。航天員張曉光幾乎是被“捆”在艙壁上聽完這堂課的，因為擔任攝像師的他，要想在失重環境下保持平衡，必須用束縛帶把自己固定在艙壁上，才能在用手持攝像機的情況下，保持長時間穩定拍攝，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、更新穎的實驗內容和形式。例如天地對比實驗，比較蠶或蜘蛛在太空與地面吐絲的區別，觀察蝴蝶在太空中如何飛舞等。”龐之浩介紹，我國有關部門也已開始組織青少年設計太空實驗，并定期請專家評審，優秀的實驗方案未來有望在中國空間站上實施。

穩定清晰靠天鏈

中國首次太空授課活動持續約40分鐘。這一天地互動過程是在我國中繼衛星的支持下實現的，它的亮相同時標志著我國新一代載人航天測控網基本建成。

“地面上網課，最難的是網絡通暢，在天上這個問題更難保證。”楊宇光說，如何確保高碼數率、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最大、難度最高、不確定因素最多的環節。

楊宇光進一步解釋道，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星進行支持，以地面測控站、海面遠望號測量船作為備份，但是地面測控支持比例不高，這是因為天宮一號、空間站多數時間不在我國本土上空。

無線電通信的一個基本原理，是傳輸的數據碼速率越高，那么傳輸的能量消耗及對傳輸設備的靈敏度要求越高。

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

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同工作。

“2013年王亞平第一次太空授課時，教育部負責組織學生，中國科協負責設計準備課程，中國載人航天工程辦公室負責航天員和通信系統。”龐之浩說。

“測控通信系統進行中繼星的切換也是重要的天地協同。此外，王亞平在天上演示的物理實驗，地面老師也在做相同的實驗，天地對比實驗幾乎同步呈現在視頻畫面中。”楊宇光表示。

關鍵詞： 要做 又要 天宮