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    “天宫课堂”背后,究竟奥秘几何?

    发布日期:2022-10-30 18:29    点击次数:189

    “天宫课堂”背后,究竟奥秘几何?

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    10月12日,“天宫课堂”第三课再度以天地互动的方式在中国空间站开讲,新晋“太空教师”陈冬、刘洋、蔡旭哲为广大青少年带来一场精彩的太空科普课。

    此次展示的实验项目背后

    蕴含哪些 知识和科学原理?

    “天宫课堂”又是如何 备课的?

    “天宫课堂”为中小学开展科技教育带来哪些启示?

    微重力条件下探索生命的奥秘

    高颖

    北京市第八中学科技教育办公室主任、正高级教师

    侯越

    北京市第八中学一级教师

    本次“天宫课堂”展示的实验项目之一是进行的水稻种植和拟南芥种植研究。实验的目的是探究空间微重力条件下拟南芥和水稻从种子到种子全生命周期受到的影响和变化规律。科学家们希望实验能解答三个关键科学问题:“微重力怎样影响开花”“微重力影响植物开花的分子机理是什么”“能否利用微重力环境作用来控制植物的开花”。

    为了全面地了解太空环境对于生物整个生命周期的影响,就需要构建一个适宜的生命支持系统,使得生物在其中能够完成整个生命历程。现在,我们有了“问天实验舱”,可以实现这样的目的。研究有两种完全相反的出发点:一种是宏观角度,以生物个体(包括植物、动物等)为对象,开展生物的微重力效应和空间辐射效应研究,以及空间生态生命支持系统基础研究,揭示微重力对生物个体生长、发育与衰老的影响。用到的是“生命生态实验柜”,柜中配置了非常多的相关模块,用以观察目标生物样品在太空微重力环境中的变化。简单地说,就是一个“太空旅馆”,“邀请”一些生物到太空去做客,观察它们在太空中是否“住得习惯”。

    本次实验中,科学家将在太空中实现水稻的萌发、生长、开花、结实等全生命周期的实验,也就是所谓的“从种子到种子”的实验研究。可以想象,如果把水稻在太空环境下变化规律研究清楚,那太空农业可能就不再是梦想,未来航天员在深空探测中就可以吃上自己种的食物。“这个实验柜的成果,将帮助我们未来在月球乃至火星实现长期生活。”刘洋说。

    另一种是微观角度,生命是一个高度有机的复杂系统,一个典型的生命系统中,不同的器官、组织、细胞需要密切配合,才能够正确地执行生命活动,完成生物的生命周期。而任何生命活动的实现,都依赖于细胞内部发生的细微变化,例如基因的开关、蛋白质的折叠等。“生物技术实验柜”以生物组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象,观察这些生物样品在太空环境中的变化和结构特点,相当于太空中的一个小型生物实验室。陈冬介绍,它最厉害的地方是“全自动”——航天员只需将实验单元装载到实验模块中,启动实验,就可以开展细胞的增殖分化等实验,并且可以像看电影一样实时观察细胞样品的变化过程。

    微重力、强辐射等极端空间环境是生命“地外起源”的生命种子产生的本源环境,也恰好为人类提供了一个原始地球的类似环境。利用空间环境来探索生命起源具有重要的促进作用和现实意义,将为寻找和了解地外生命奠定科学理论基础。现代生命体中蛋白质的生物合成受遗传密码的调控,因此,利用空间站环境,观察密码子与氨基酸成肽的对应关系,研究微重力对遗传信息传递的影响,可以更好地理解生命的化学起源分子机制,并为地外生命探索提供科学依据。

    科学手套箱与低温存储柜共同组成了另一个实验柜,科学手套箱是航天员和科学家在太空中的手和眼,它为科学实验提供了一个密闭、清洁的操作环境,其中还配备了用于微观操作的显微系统。手套箱下的低温存储柜可以提供4℃、-20℃、-80℃三种不同条件的存储环境,可以将实验的样品按不同的要求存放,以便回到地球后进行进一步研究。

    太空实验让“不可能”成为现实

    宋诗伟

    北京市第二十中学正高级教师

    海淀区名师工作站物理学科组组长

    在本次“天宫课堂”中,航天员通过演示微重力环境下毛细效应实验、水球变“懒”实验、太空趣味饮水、会调头的扳手等神奇现象,带给我们对科技世界的无限遐想。

    在微重力环境下毛细效应的实验中,航天员展示的微重力环境下液体毛细现象非常显著,与地面上的毛细效应实验现象有很大区别。地面上的毛细效应现象中液面上升缓慢,而且粗细不同的毛细管液面上升的最终高度是不同的;但在微重力环境下毛细效应现象中液面上升迅速,而且粗细不同的毛细管液面上升的最终高度是一样的!这种实验现象过去我们是无法想象的,而太空实验则让“不可能”成为了现实。航天员还为我们介绍到,这个实验看起来虽然简单,但里面涉及的原理比较复杂,航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了这种毛细作用,所以太空微重力下的实验是非常重要的科学技术应用实验场景。

    在水球变“懒”实验中,当航天员用注射器推出的空气来驱动限制在金属圈上的纯水球时,在表面张力的作用下水球并没有脱离金属圈,但在金属圈上发生了较为剧烈震动;然后航天员又把一个金属小球推入水球中,金属球在水的表面张力下被束缚在水球里,再用注射器推出的空气来驱动“嵌入”金属球的水球时,水球的震动变得微弱了,水球好像变“懒”了!这一实验现象让我们看到,在没有微重力的环境下,液体与液固混合体在相同冲击作用下震动的巨大差异。

    在太空趣味饮水实验中,航天员还展示了在空间站内微重力环境下,使用一根长达两米的饮水管,仅仅依靠吮吸的力量就喝到了两米以外饮水袋中的饮料,这在地面上我们是无法实现的,因为在地面上由于重力的影响,同样粗细的吸管越长,液体产生的压力差越大,我们吸入到口中的液体会越困难,仅仅靠吮吸的力量无法喝到两米长管外的饮料,而在外太空的微重力下就会变得轻而易举。这种微重力下的实验,也为人类今后在月球和火星的生活以及植物种植提供了很好的实验基础。

    在“会调头的扳手”实验中,航天员为我们展示了微重力环境下扳手旋转时会自动翻转,这个现象在地面上是很难看到的。这一现象是苏联航天员贾尼别科夫在空间站偶然发现的,所以也叫“贾尼别科夫效应”。研究发现,这个现象与扳手的旋转方式和它的质量分布有关系。由于在太空实验舱里几乎不受重力的影响,这种在转动时由于质量分布不均而产生的自动翻转现象就很容易观察到。

    三位航天员还展示了在中国空间站开展的水稻和拟南芥种植研究情况,并首次展示了空间站植物研究项目的科学实验操作,展现了我们国家的空间站作为国家太空实验室的强大科研能力,展现了微重力环境下太空实验无限的科学魅力。

    “天宫课堂”的集体备课门道多

    陈征

    北京交通大学物理科学与工程学院副教授

    “天宫课堂”授课科普专家组成员

    这次天宫授课项目主要分为两类,一类是趣味性的,我将其称之为“趣味担当”。这类实验相对安全,天地对比明显且现象比较有趣,能启发青少年观察和思考。另一类是知识性的,我们将其称之为“教育担当”。这类实验的设计前提也是要确保安全,其内容主要由航天员将太空实验以科普的方式表现出来。

    为什么这次“天宫课堂”的物理实验居多呢?这实际上是由空间站里的客观条件决定的,绝大部分生物实验的周期比较长,而化学实验通常又会涉及到危险性化学药品以及废液处理等,有可能会影响空间站的安全。此外,地面上一些反应明显且生动的化学实验,在空间站里做起来与地面差异不大。再加之空间站最关键的核心因素是其微重力条件,所以涉及物理学科的实验内容就相对多了一点。

    在“天宫课堂”讲授部分,更多的是鼓励青少年观察和思考,而不是强调灌输知识。因为有些实验涉及的原理比较复杂,比如“会调头的扳手”实验就涉及到了“贾尼别科夫效应”,“水球变‘懒’实验”会涉及流体振动,而这些知识在大学的普通物理课程中甚至都学不到。这些现象本身很有趣,可以启发他们去观察和思考,对青少年来说,培养善于观察思考的习惯比传授一些难懂的知识原理更有价值。

    在问天实验舱生命生态实验柜中,展示了中科院分子植物科学卓越创新中心选育的拟南芥、水稻两种植物。今年9月9日,中国载人航天办公室等单位共同主办了“天地共播一粒种”活动,让青少年在地面上种植同种植物,然后观察它们的生长过程,并和天宫实验室的植物进行对比,使孩子们有一个更加完整的参与过程。在问天实验舱诸多实验中,生命科学是比较重要的一个组成模块,这个实验也是为了让大家了解航天员在做哪些研究,进而窥一斑而知全豹。

    看似简单的“天宫课堂”汇聚了科研人员、教育工作者和青少年的诸多想法,再由专家组整合设计成相关的知识和实验内容,最后由航天员讲授呈现出来。航天系统专家、高校教师、科研人员以及来自科技馆的科技辅导员和中小学老师和等共同参与“天宫课堂”备课和授课,也给我们带来很多启示。

    加强大中小学教师之间的交流,有助于提高中小学教师对学科的理解。因为,高校从事科研、科教和科普工作的老师对学科知识体系底层逻辑的理解以及学科前沿的了解可能更深入。中小学教师要加强对学科本身逻辑体系的理解,把底层的科学思想、科学方法传递给学生,同时还要加强对科学史、科学哲学和科学方法论的关注,在授课过程中要传递知识更要教授科学的思想方法,培养学生举一反三、突破创新的能力。

    物理和化学等大多数的自然科学都是实验科学。随着教学实验的条件越来越好,老师在开展理论教学的同时,还要增加实验实践的内容,只有通过演示实验、定量实验、创新性实验等不同形式的实验,才能帮助学生建立对科学知识的直观感性认识,进而掌握具体的实践技能。只有理论和实践相辅相成的教学,才能让学生做到知行合一,才能让自然科学在学生心里真正扎根。

    策划:赵艳国

    编辑:张秋颖

    编审:郝彬

    终审:王宇 苏金柱

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