上課啦！人民視覺供圖
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。12月9日，正在中國空間站執行任務的航天員翟志剛、王亞平、葉光富，將再次為孩子們進行太空授課。
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·摩根於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透過質量測量、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，並回答了學生們關於航天器用水、太空垃圾、失重對抗和太空景色等問題。
“我們先後研究了‘竹籃打水’‘乒乓球’‘迴旋鏢’‘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、反覆篩選、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；隨後，又對確定的實驗專案進行了精心細緻的研究，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多分鐘的時間裡，既要在太空演示物理現象，還要講明白物理原理，對於備課和臨場組織調配要求極高。
課程選擇有講究
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事實上，物理、化學和生物實驗都可以在太空進行。為什麼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裝置必須安全可靠、質量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會汙染座艙環境等；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裝置產生影響，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，太空裡的化學實驗通常在實驗櫃或者手套櫃進行，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視覺化。
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、教具製作和地面課堂的準備工作，航天員還為此進行了專題準備。
由於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，把太空授課的精彩影象傳回地面課堂。
“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，並定期請專家評審，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援下實現的，它的亮相同時標誌著我國新一代載人航天測控網基本建成。
“地面上網課，最難的是網路通暢，在天上這個問題更難保證。”楊宇光說，如何確保高碼數率、高保真影片流的通訊鏈路完全暢通，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，太空授課的高畫質影片傳輸，我國主要依靠居高臨下的天鏈中繼衛星進行支援，以地面測控站、海面遠望號測量船作為備份，但是地面測控支援比例不高，這是因為天宮一號、空間站多數時間不在我國本土上空。
無線電通訊的一個基本原理，是傳輸的資料碼速率越高，那麼傳輸的能量消耗及對傳輸裝置的靈敏度要求越高。
“太空授課對音影片的碼數率要求較高。”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影片資料。另一端我國空間站上設定有蝶形天線，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，確保授課過程通訊暢通。“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訊系統。”龐之浩說。
“測控通訊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影片畫面中。”楊宇光表示。
延伸閱讀
太空實驗，孩子們也有機會參與
中國空間站首次太空授課活動將面向全球進行直播，王亞平再次變身“王老師”為孩子們進行太空實驗。
其實，在國內外進行的大大小小的太空實驗中，孩子們不僅是旁觀者，也是參與者。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示，青少年參與太空實驗的形式多種多樣，主要有5種。
一是參加專業的研究實驗。科學家進行太空實驗時讓一些學生負責其中一些力所能及的工作，從而培養學生的興趣和能力。
二是為學生設立、由學生獨立完成的實驗。學生在有關人員的指導下自己提出實驗課題進行實驗設計和實施，收集實驗資料、分析實驗結果，最後寫出實驗報告。
三是參加載人航天工程活動。一些是為了航天工程任務的需要，讓學生參加硬體或軟體的研製；另一些是學生創意大賽中的獲獎專案在載人航天器上進行實驗。
四是在教室中完成的太空實驗。學生們在教室完成模擬太空相應條件的實驗，或者進行空間站上專業研究人員正在進行的實驗，目的是透過對比地面實驗和太空實驗的結果，讓學生們找出它們之間的差異。
五是教育性示範活動。航天員在太空進行簡單有趣的太空實驗，並將它拍攝下來，做成影片教材，提供給學生，以便進行航天教育。