从中国首次太空算起来已经8年了，就在中国空间站全面建设期，我们将迎来“最美太空教师”王亚平第二次“太空授课”，而这一次意义更加重大，因为我们在自己的空间站上开展太空课程。
2013年，王亚平在天宫一号进行单摆实验
8年前的5项物理实验，让荧幕前6000多万青少年和老师，欢欣鼓舞，激发他们探索科学的热情，一些中学生看完直播就迎来了中考，而航天梦的种子已经扎在心里，引领以后他们走上航天事业，成为栋梁之材。
2013年6月20日，王亚平在天宫一号进行陀螺试验
与上次一样，中国空间站的首次授课课程经过精心安排，细心的朋友会发现：这一次多了3项，加入了浮力、光学实验，而上次的“水膜张力实验”、“水球实验”被保留下来。而汤洪波特别想看的“泡腾片实验”被加入了进来。那么在8项科学实验是如何选定的，有什么特殊含义吗？为何保留与水相关的实验？这些实验背后有什么样的科学原理呢？
2021年12月9日中国空间站首次授课课程表
本文一次性讲清楚，也请观众姥爷们耐心看完，了解一些新知识。
载人航天重要任务之一：科学实验和太空科普
早在2013年6月20日，神舟十号航天员王亚平在聂海胜、张晓光的协助下，在距离地球400公里的天宫一号飞行组合体中开展了太空首次授课，全国8万多所中小学，6000万师生观看了直播。
当时我国的天链中继卫星系统刚刚完成一年，深空测控网网络通信覆盖能力从20%一下子提升到98%，这为直播提供了通信保障。
天链中继卫星示意图
作为载人航天的重要目标之一：科学实验，得以展示在公众面前。太空环境下的失重、真空、洁净、安静、深冷等条件都是地球上无法获得或者营造模拟成本太高的资源。作为首次授课就将容易呈现天地差异的实验被选择了出来，失重演示首当其冲。
太空给人直观的感觉得人人会“轻功”，航天员可以像鱼儿在水中畅游，力举千钧也不在话下……失重给我们的感受十分深刻。同时，失重环境下一些物理规律就与重力环境下差异巨大。
例如：液体的自然对流会基本消失；液体的浮力会基本消失；液体的约束力主要来自表面张力；浸润现象和毛细现象加剧……
国际空间站航天员演示拧毛巾
利用失重条件，科学实验可以为以后的“太空制造”提供实验数据，能实现什么，就取决于人类的想象力，所以太空授课是在激发各行各业的想象力。
在失重环境下，混合物可以更加均匀，从而制造地球上无法获得的特种合金材料；融化金属，充入空气进入液态金属内部，我们就能得到气泡均匀分布的泡沫金属；融化状态的金属，只要控制体积，就能获得绝对球形的滚珠，十分耐磨损……
可以说，单就太空的失重条件，进行富有想象力的科学实验，最终都能推动人类科技发展、制造工艺实现突飞猛进。
王亚平在中国空间站飞翔
所以，进行太空科普课程，一方面激发青少年科学热情，另一方面让各行各业开拓眼界，思考太空资源与行业的结合点。
就拿目前现在竞争激烈的半导体芯片行业，如果在太空进行晶圆生产，获得的产品要比地球上更加均匀，没有缺陷。
目前，人类在太空开展了众多科研项目，如太空医学和生物学研究、生物工程、空间技术、材料科学、教育活动、地球物理学及对地观测等7个方面的科技研究性应用。
太空结晶试验
由此可见，太空教育已经成为载人航天不可或缺的一部分。
多方考虑选定课程，直观、安全、便捷最重要
2013年6月20日，中国实现了中国首次，世界第二次太空授课，航天员利用质量测量、单摆运动、陀螺、水膜和水球这5项太空科学实验，直观的演示失重环境下的天地规律异同。
青少年通过观看太空授课过程，加深了对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解，对太空有了更深刻的认识。
2013年6月20日，王亚平在天宫一号进行水球试验
就内容深度上来说，我国的首次太空授课更加有深度，科技含量更高，因为美国的授课内容主要是太空日常生活的展示，而我国的课程是从生活中常见的物理现象出发，在太空进行对比实验，从而产生深刻影响的科学实验。
不过，这些课程设置十分不容易，对于选择那些项目在太空课堂上进行实验，太空授课专家组费了不少心。总的来说，按照以下原则：
首先，选择直观感觉对比明显。太空与地球环境差异巨大，对比强烈的失重条件最为适合；
其次，选择安全可靠的实验项目。在太空中物理、化学、生物等实验都可以进行，但是选择实验器材安全可靠、质量小、体积小、功耗小、对航天员健康无影响、不会污染座舱环境。
2013年，地面课堂学生在观看太空授课
最后，选择创意新颖和简单可行的项目。
太空科学实验有多种，如材料加工实验、生物学实验、失重科学实验、医学和生命实验、对地观测实验等。王亚平首次太空授课的主要内容是有关失重科学的实验，另外，她当时还进行了多项医学和生命科学实验。
中小学生观看首次太空授课
当时，太空授课专家组先后研究了很多实验方案，比如“磁铁吸人”、“太空点蜡烛”等实验，因为其具有危险性，最终被否决。筛选后的“竹篮打水”、“乒乓球”（展示伯努利原理）、“回旋镖”、“溜溜球”和“跳绳”等20多种方案。
2013年，学生在店进行对比实验
专家组根据“科学性、教育性、趣味性、可行性、可视性、即时性、操作性和安全性”等原则，经过集思广益、反复筛选、严格论证，最终确定进行2个方面的物理实验，即物体运动特性和液体表面张力。
选择水做试验材料，原因很简单：
一、航天员在太空生活必备，人们在地球上也是每天都接触，对比强烈。
二、失重环境下，水膜、水球实验连贯，可以演示液体的各种力学表现。
三、国际空间站以前做过类似的实验，我们在其基础上进行深化。
5项实验，给青少年留下了深刻的印象，也激发了他们的航天梦，激励着他们爱好科学，探索科学的热情。8年后，经典的水膜、水球试验被保留了下来，并且增加了新的学科和实验项目延生。
继往开来，8项实验背后的科学原理
对比2次实验项目，我们可以发现与水有关的实验都被保留了下来。并且在中国空间站上的项目有了重大变化：
一、项目增加了航天员在空间站生活、工作等情况的介绍，因为这是中国空间站全面建设的关键时期，我们都很关心航天英雄的生活和工作情况。
2013年，神舟十号航天员在进行太空授课
二、项目涉及的学科更加丰富，涵盖了生物学、物理学、生命科学等学科。
三、太空乘客更长了。从课程表来看，预计直播时间更长，这主要得益于我国天链中继卫星组网全面完成，深空测控网不断完善。可以实现高清、低时延的直播。
2013年，王亚平太空授课
课程设置的项目主要是演示失重环境下和地球上产生的对比，已经学习物理课程的朋友做下受力分析就能明白其中的科学原理。而新加入的“水球光学试验”实际上8年前就已经展示过，只是当时王亚平老师主要在讲解水球表面张力，和颜色扩散知识，没有作为重点来讲解。
太空中带有气泡的水球
我们可以看到制作水球时，从中可以清晰地看到王亚平老师的倒影，这是因为失重的原因，水球成为一个水晶球的一样的组合凹凸镜，光线穿过它时会发生两次折射，从而在另一边形成方向完全相反的图像。
空间站里重力几乎为零，如果没有气流扰动，水会在表面张力的作用下团成一个几乎完美的透明圆球，就像水晶球那样显示出倒影来。所以这些经典试验被保留了下来，这就是“温故而知新”
而让汤洪波特别想看的“泡腾片实验”也非常有意思，在地球上把泡腾片扔进放满水的杯子中，因为其含有碳酸氢钠和柠檬酸，遇到水会产生急剧反应，产生大量的二氧化碳气泡，不断升腾到杯口。
但是，在太空则完全不同，由于缺少对流和浮力，泡腾片产生的气泡一直附着在容器底部停留很长时间，最后形成一个大气泡，悬浮在水中。
太空中加热试验产生的气泡情况
其实，不光泡腾片的气泡出不来，因为没有重力，在太空不同的介质没有分层趋势，而呈彼此悬浮和均匀分散的空间分布状态，水和油很容易的混合在一起，出现乳化现象，即由于表面活性剂的作用，使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起的现象。
没有了对流现象，蜡烛不仅燃烧速度比地面慢得多，且其火焰呈球状，碳黑也能够充分燃烧，使火焰呈蓝色。
太空中蜡烛燃烧情况，左边是在地球上，右边为太空中
太空资源丰富，空间实验一举多得
太空的资源十分丰富，值得不断探索，而空间试验作为科学研究的重要手段，是空间应用系统十分重要的部分，随着中国空间站的全面建成，我们的航天员将从“兼职科学家”向全面科学家转变。
一些专业领域的科学家有望登陆太空，在太空环境下进行更为先进的科学研究。空间站作为我国在太空的母港，将满足他们在天然的高真空、微重力、超洁净环境下的众多科学研究。
太空科普课程也将成为不可或缺的一部分，从王亚平首次在太空授课，到航天员们每年都参与地面上各种太空科普活动，我们的航天员既是航天英雄，也是科普的先行者，为科学事业辛勤奉献。
王亚平在做科普活动
航天员在太空中与地面的青少年的互动问答能让热爱科学的孩子们获得新知识，也不断地激发他们的学习热情。
2013年，王亚平在太空中与青少年进行了天地问答，解答了诸多有趣的问题。2016年，神舟十一号航天员景海鹏和陈冬在天宫2号空间实验室内，用香港中学生太空科技设计大赛获奖的双摆实验装置、薄膜成型实验装置、太空养蚕实验装置开展了航天科普活动。
陈冬在天宫二号做科学实验
2021年，中国空间站首次太空授课，必将载入史册，因为这一刻，我们在世界上首个独立国家拥有的空间站上进行太空教育只是一个开始，以后将进入常态化，这是我们载人航天的重要成果，令人自豪。#中国空间站首次太空授课##王亚平太空授课#
2021年，中国空间站首次太空授课
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