奇妙的太空課堂

第一章 航天教育縱觀
一、NASA的航天教育 / 2
在世界各航天大國的航天教育中，美國航空航天局（NASA）表現(xiàn)得最出色，它將航天教育作為自己的三大使命之一，規(guī)定了“教育優(yōu)先”的原則，要求在宇航局的各項任務(wù)中都加入航天教育的內(nèi)容。它通過創(chuàng)辦NASA教育網(wǎng)站、制訂和實施形形色色的航天教育計劃、開發(fā)教育網(wǎng)游、積極參與國家提出的“創(chuàng)新夏季計劃”等方式激發(fā)青少年對航天科學(xué)技術(shù)的興趣，為未來的航天事業(yè)培養(yǎng)接班人。
NASA 的教育網(wǎng)站 / 3
形形色色的航天教育計劃 / 5
創(chuàng)新夏季計劃 / 8
開發(fā)教育網(wǎng)游 / 10
二、歐空局的航天教育 / 12
像NASA一樣，歐空局也十分重視對學(xué)生進(jìn)行航天知識教育。歐空局主要采用以下四種形式進(jìn)行航天教育：安排學(xué)生進(jìn)行太空實驗、為大學(xué)生提供航天實踐大舞臺、開發(fā)航天教育產(chǎn)品、與航天員交流。
因人施教 / 13
歐空局學(xué)生的太空實驗 / 13
為大學(xué)生提供航天實踐大舞臺 / 17
開發(fā)航天教育產(chǎn)品 / 21
與航天員交流 / 21
三、中國的航天教育 / 22
盡管中國載人航天的起步比較晚，但是中國對學(xué)生的航天教育一直是比較重視的。為了激發(fā)我國青少年對航天科學(xué)技術(shù)的興趣，為航天事業(yè)培養(yǎng)接班人，我國從很多方面、采用了不同形式對學(xué)生進(jìn)行航天知識教育：鼓勵中小學(xué)生參加搭載實驗、為學(xué)生敞開航天任務(wù)大門、開展廣泛的航天知識教育活動。
鼓勵中小學(xué)生參加搭載實驗 / 22
為學(xué)生敞開航天任務(wù)大門 / 24
開展廣泛的航天知識教育活動 / 25
第二章 來自太空的教育
一、太空教室 / 36
要進(jìn)行太空教育，“太空教室”在何處？航天飛機和國際空間站不僅是科學(xué)家們進(jìn)行太空實驗的“天堂”，也是世界各國學(xué)生們的“太空教室”，從那里學(xué)生們學(xué)習(xí)到地面無法學(xué)到的知識，也激發(fā)了他們從事航天研究的興趣，不久將來，其中的一些人將成為航天隊伍里的專家和工程師。
兩個“太空教室” / 36
太空教學(xué)計劃 / 38
二、太空教師 / 41
在“太空教室”中為地面孩子們上課的教師有不同的身份，有的是教師出身的專職航天員，也有的是熱心的“太空編外教師”。他們都希望通過自己的授課和示范，擴(kuò)展孩子們的知識，增加孩子們探索太空的興趣。
壯烈犧牲的太空女教師 / 41
首位太空教師―摩根 / 43
第二位太空女教師 / 46
編外太空教師 / 49
三、生動的太空生物課 / 54
生物學(xué)，這門與生命現(xiàn)象密切相關(guān)的學(xué)科一直是促進(jìn)人類文明進(jìn)步的主要力量?，F(xiàn)在，生物課不再局限于地面，已將生物實驗課開設(shè)到太空。在航天飛機和國際空間站上的實驗架上，專門為生物實驗課提供了一席之地，學(xué)生們可以像真正的研究員一樣，在上面進(jìn)行自己設(shè)計的生物實驗。這些實驗不僅使學(xué)生學(xué)到更多的知識，而且也直接為太空生物學(xué)的研究作出貢獻(xiàn)。
將生物實驗課搬到太空 / 54
漫長艱巨的備課過程 / 55
三堂“太空生物課” / 57
四、學(xué)生參與地理課教學(xué) / 64
中學(xué)的地理課常常使人感到枯燥無味。面對著一張張世界各國的地圖，只能靠死記硬背的方法來記住各地的名稱和地理特點。往往是學(xué)時清楚，學(xué)后就忘。為了增加學(xué)生們學(xué)習(xí)地理課的興趣，美國利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和照相技術(shù)，開展了一項名為“向中學(xué)生傳播地理知識”（EarthKAM）的教育計劃。這是NASA贊助的一項教育計劃，目的是使數(shù)以千計的學(xué)生以一個太空工作人員的身份對地球進(jìn)行拍照和研究。
EarthKAM計劃的提出 / 64
EarthKAM計劃的實施 / 66
EarthKAM計劃獲得的效益 / 68
五、趣味橫生的物理課 / 72
通過太空玩具物理學(xué)實驗，不僅可以增加孩子們的科學(xué)知識，使他們對科學(xué)實驗更感興趣，還可以使他們掌握一些科研方法，知道應(yīng)該如何進(jìn)行實驗?？赡芡ㄟ^這些實驗，在不久的將來，一些科學(xué)家就從他們之中產(chǎn)生了。
航天飛機上的玩具 / 72
國際空間站上的物理學(xué)實驗 / 76
六、熱心教育的航天員  / 78
在參加過飛行的航天員中，很多人熱心于航天教育，最突出的就是美國航天員唐?佩蒂特。他在太空飛行期間，進(jìn)行了多次有趣的太空實驗，并將它們拍攝下來，做成視頻教材，提供給學(xué)生們，進(jìn)行航天教育。
唐?佩蒂特 / 78
空間站上的“憤怒的小鳥” / 79
大泡泡套小泡泡 / 81
有魔力的編織針 / 82
星期六早晨的科學(xué)實驗 / 83
太空杯 / 85
第三章 小科學(xué)家的太空實驗
一、不同形式的學(xué)生太空實驗 / 88
小科學(xué)家們可以采用不同的形式進(jìn)行太空實驗，有的是作為太空實驗的主角，自己提出實驗設(shè)計，進(jìn)行實驗和總結(jié)；有的是當(dāng)配角，在大科學(xué)家的實驗中做力所能及的一些工作；有的是參與航天局的任務(wù)，直接為航天任務(wù)作出貢獻(xiàn)。
二、火星探險任務(wù) / 91
每個人都有自己的理想和事業(yè)。當(dāng)你回首往事時，你可以想想在22歲的時候你在做什么？也許你剛剛開始或完成大學(xué)學(xué)業(yè)？也許你找到了你的第一份工作？但是，很少人會做尼克爾?斯潘娜維希正在做的事情，她正在操縱火星上的“流浪者”號探測器。
參加火星探險任務(wù) / 91
工作中的訓(xùn)練 / 92
一支強有力的團(tuán)隊 / 93
返回原來的崗位 / 94
三、來自空間站的禮物 / 96
科學(xué)家們期待了4年之后，剛剛得到他們經(jīng)過太空考驗的行李，這件行李不僅對科學(xué)家們來說是一件十分珍貴的禮物，也是參加這次實驗的學(xué)生們急切盼望得到的寶貴禮品。
急切地等待 / 96
MISSE實驗 / 97
初步結(jié)果 / 99
四、航天服衛(wèi)星 / 101
太空中飄浮著一套奇怪的航天服，這是一顆專門為學(xué)生“發(fā)射”的衛(wèi)星。學(xué)生們通過它將增加無線電和航天知識，提高對太空探險的興趣，一些人可能因此而產(chǎn)生終生從事航天事業(yè)的想法，成為今后航天事業(yè)的接班人。
航天服變衛(wèi)星 / 101
SuitSat計劃 / 102
SuitSat-1的結(jié)構(gòu)和“發(fā)射” / 103
SuitSat-1的下傳信息 / 104
SuitSat-1信號的接收 / 105
五、太空螞蟻 / 107
“太空螞蟻”實驗不僅使學(xué)生們了解太空失重環(huán)境對螞蟻行為和筑巢的影響，而且能夠引領(lǐng)一些孩子從此走上研究自然、探究太空生命科學(xué)的道路。
“哥倫比亞”號的殉葬者 / 107
實驗對象―收獲蟻 / 108
螞蟻工坊 / 109
太空螞蟻實驗的歷程 / 110
獲得的結(jié)果 / 111
六、太空蟑螂 / 113
蟑螂這個令人嫌惡的小昆蟲，卻有幸被俄羅斯沃羅涅日醫(yī)學(xué)院的學(xué)生選中，成為“太空游客”，進(jìn)行為期12天的太空飛行。為了進(jìn)行這次太空蟑螂實驗，學(xué)生們可是付出了辛勤的汗水。他們讓蟑螂遨游太空的目的是為了研究太空的失重環(huán)境對蟑螂成蟲及其后代的影響，為今后動物和人在太空是否能生兒育女的研究奠定基礎(chǔ)。
蟑螂的“功”與“過” / 113
太空蟑螂家族誕生 / 114
重要意義 / 117
七、太空生產(chǎn)蛋白質(zhì)晶體 / 119
在國際空間站上，美國進(jìn)行了4次氣態(tài)氮促進(jìn)蛋白質(zhì)晶體增長實驗，此實驗?zāi)康闹皇菍嵤┮粋€稱為“學(xué)生接觸太空”的教育計劃，在這個計劃中，美國的中學(xué)和高校的學(xué)生參與500多個蛋白質(zhì)樣本的準(zhǔn)備。通過此計劃，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)晶的知識和分析方法，了解先進(jìn)的結(jié)晶生物工藝，認(rèn)識蛋白質(zhì)結(jié)晶在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究中的作用。
解開生命奧秘 / 119
太空的蛋白質(zhì)晶體生長實驗 / 120
參與的學(xué)生 / 121
八、太空植物“模特兒”―擬南芥 / 123
擬南芥不僅是地面植物研究的寵兒，也是太空植物研究的“模特兒”。在國際空間站上，科學(xué)家和學(xué)生們利用擬南芥這個“模特兒”進(jìn)行了一些實驗，研究微重力環(huán)境對它生長發(fā)育和基因的影響，并且用它來對學(xué)生進(jìn)行航天知識教育。
植物研究的“模特兒” / 123
太空植物研究的先鋒 / 125
學(xué)生實驗 / 126
九、酵母菌上太空 / 130
酵母菌是太空生物實驗的“寵兒”，除了登上航天飛機外，還多次登上國際空間站，科學(xué)家們對酵母菌在太空的表現(xiàn)、基因變化進(jìn)行了深入的研究。在這些研究中，同樣有學(xué)生參與，他們在其中起到很重要的作用。
神奇的酵母菌 / 130
太空啤酒 / 131
空間站上的酵母菌 / 133
十、尋找減輕航天員運動紊亂的方法 / 137
長期的太空生活使航天員不能適應(yīng)地球重力環(huán)境。在太空進(jìn)行的一項“減輕長期飛行后運動紊亂防護(hù)措施的研究”中，一些學(xué)生參與了地面的研究工作、飛行數(shù)據(jù)的處理和分析，其結(jié)果為今后防護(hù)措施的研究提供了重要依據(jù)。學(xué)生們通過親身參與航天醫(yī)學(xué)的研究，不僅大大豐富了他們的學(xué)識，而且學(xué)會了進(jìn)行航天醫(yī)學(xué)實驗的方法，為他們今后獨立承擔(dān)研究課題奠定了基礎(chǔ)。
感覺-運動系統(tǒng)的適應(yīng)和再適應(yīng) / 137
研究方案的提出 / 140
方案的實施 / 141
第四章 培養(yǎng)未來的航天工程師
一、航天工程學(xué)院計劃 / 144
在NASA的支持下，得克薩斯州農(nóng)業(yè)和機械大學(xué)的飛船技術(shù)中心實施了一項“航天工程學(xué)院”計劃。此計劃可以吸收更多的大學(xué)生和研究生參加NASA的各項任務(wù)，這樣不但可以豐富工程專業(yè)學(xué)生的教育，而且為美國航空航天界培養(yǎng)了接班人。
SEI計劃的設(shè)立 / 144
SEI計劃的實施 / 145
SEI計劃的收效 / 147
二、為學(xué)生搭建航天大舞臺 / 150
歐洲青年學(xué)生參加了歐空局為他們提供的航天大舞臺，在這個舞臺中，他們有人擔(dān)任編劇，有人當(dāng)導(dǎo)演，更多的人是演員，大家分工又合作，既學(xué)到了很多航天知識，也真正地參加了航天實踐。對于他們來說，航天不再是一個陌生的名詞，他們已經(jīng)親身參加到這個行列中了，通過這些活動，他們中的很多人將來可能成為航天隊伍中的專家和工程師。
歐洲學(xué)生太空探索及技術(shù)倡議（SSETI） / 150
歐洲學(xué)生國際空間站應(yīng)用創(chuàng)意大賽（SUCCESS） / 151
年輕工程師衛(wèi)星計劃（YES計劃） / 152
同溫層氣球升空實驗競賽（STRAPLEX競賽） / 153
學(xué)生拋物線飛行體驗（SPFC） / 154
“曙光女神”學(xué)生設(shè)計競賽 / 155
三、通過系繩返回地球的小艙 / 155
一顆被稱為“第二個年輕工程師衛(wèi)星”的YES-2衛(wèi)星實驗是為了實現(xiàn)“太空天梯”而進(jìn)行的第一次真正太空實驗。來自歐空局成員國以及俄羅斯、波蘭、日本、北美和澳大利亞等國的450多名學(xué)生參加了此項目，近200名學(xué)生參加了后階段硬件和軟件的開發(fā)和研制。
YES-2返回小艙命運未卜 / 155
尋找事故原因 / 157
YES-2計劃的實施 / 158
四、研究生的佳作 / 162
一個由十幾名研究生組成的設(shè)計團(tuán)隊承擔(dān)了研制納米衛(wèi)星的任務(wù)，在2～3年內(nèi)，每個團(tuán)隊要完成一顆納米衛(wèi)星的設(shè)計和開發(fā)，作為學(xué)生們獲得研究生學(xué)位的任務(wù)之一。學(xué)生們成功地克服了該工程帶來的成本和時間限制難題，勝利地完成了任務(wù)。通過這項任務(wù)，促進(jìn)了太空研究和探索的發(fā)展，同時培養(yǎng)了下一代航天工程師。
一箭十星 / 162
納米衛(wèi)星 / 164
CanX-2衛(wèi)星 / 167
五、國際空間站上的農(nóng)用照相機 / 169
2008年11月17日，美國“奮進(jìn)”號航天飛機（STS-126）抵達(dá)國際空間站，在航天飛機上攜帶了一臺簡稱為AgCam的農(nóng)用照相機，它將安裝在美國“命運”實驗艙的“窗口觀測研究設(shè)備”上，作為這個設(shè)備的一個配件。AgCam是由美國北達(dá)科他大學(xué)的大學(xué)生、研究生研發(fā)的，學(xué)生們在參加AgCam項目的過程中受益匪淺，研究生們也寫出了高質(zhì)量的論文并獲得了理想的工作。
AgCam簡介 / 169
AgCam的升級版 / 173
參加AgCam計劃的學(xué)生 / 174
六、閃閃發(fā)光的迪斯科球 / 176
太空中有幾顆任務(wù)特殊、模樣奇特的人造衛(wèi)星，與迪斯科舞廳中的迪斯科球幾乎一樣，它們都是全身披著閃閃發(fā)光的鏡子，如果將它們放在一起，簡直可以以假亂真，你一定會以為它們是一種新型的舞廳迪斯科球呢！而且，與一般人造衛(wèi)星不同，當(dāng)它在地球軌道上運行時，人們用肉眼可以很容易地看到它們。更令人驚奇的是這幾顆特殊衛(wèi)星的主要制造者和觀察者不是航天科技人員，而是一些學(xué)生，他們中最小的是小學(xué)生，最大的也才是高中生。
“星光計劃” / 176
五顆“迪斯科球”的命運 / 177
參加“星光計劃”的志愿者 / 179
七、中學(xué)生參加航天產(chǎn)品研制 / 182
一提起航天產(chǎn)品，人們立即會想到的是一些高精尖的科研產(chǎn)品，它們的研制者一定是資深的航天工程技術(shù)人員。但是，殊不知其中一些產(chǎn)品是來自于中學(xué)生之手。為中學(xué)生提供參加航天產(chǎn)品研制機會的是NASA的“HUNCH”項目，它專門為7～12年級的中學(xué)生們提供參與航天產(chǎn)品和地面訓(xùn)練產(chǎn)品研制的良機，這種創(chuàng)新的教學(xué)形式，培養(yǎng)了未來社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。
什么是“HUNCH”項目 / 182
發(fā)展歷程 / 183
豐碩的成果 / 185
創(chuàng)新的教學(xué)方法 / 188
八、美國海軍學(xué)院研制的小衛(wèi)星 / 191
美國海軍學(xué)院是比哈佛等名校更牛的一所學(xué)院，它與美國載人航天任務(wù)有著千絲萬縷的聯(lián)系。NASA和美國國防部對此學(xué)校的學(xué)生十分信任，曾將研制多個小衛(wèi)星的任務(wù)交給這個學(xué)校的學(xué)生，本文僅介紹其中學(xué)生們研制的兩個衛(wèi)星。
美國海軍學(xué)院 / 191
標(biāo)準(zhǔn)通信衛(wèi)星系統(tǒng)-2（PCSat-2） / 192
MidStar衛(wèi)星 / 196
幾點體會 / 198
九、國際空間站上的球面衛(wèi)星大賽 / 200
2009年10月～2012年1月 ，遠(yuǎn)在地球400千米外的國際空間站上，上演了三場別開生面的“球面”零重力機器人大賽。來自美國和歐空局參加國的學(xué)生參賽隊，控制著他們的機器人進(jìn)行了一場場驚心動魄的太空爭奪戰(zhàn)。
三場比賽 / 200
引人注目的開場白 / 201
地面選拔賽 / 202
太空決賽 / 204
深遠(yuǎn)的意義 / 206
第五章 中國學(xué)生的太空實驗
一、航天飛機上的中國學(xué)生實驗 / 208
為了激發(fā)我國青少年對航天科學(xué)技術(shù)的興趣，為航天事業(yè)培養(yǎng)接班人，我國多次進(jìn)行了“中國青少年航天飛機科學(xué)實驗方案”征集活動，中國學(xué)生在航天飛機上進(jìn)行了6次搭載實驗。
天賜良機 / 208
上天實驗 / 212
巨大影響 / 214
二、我國首顆青少年實驗衛(wèi)星 / 216
2009年12月15日10時31分，隨著一聲“點火”的口令下達(dá)，長征四號丙運載火箭載著一大一小兩顆衛(wèi)星拔地而起，直刺蒼穹。“我們的衛(wèi)星起飛啦！”、“再見，小衛(wèi)星！”，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，數(shù)百名在發(fā)射場山梁上守候多時的小觀眾頓時歡呼雀躍起來。他們這么高興的原因是因為這個“希望一號”小衛(wèi)星是專門為我國青少年科技愛好者發(fā)射的首顆實驗衛(wèi)星。
專門為青少年發(fā)射的衛(wèi)星 / 216
肩負(fù)三大使命 / 218
小小設(shè)計者 / 219
不負(fù)所望 / 220
三、蝶飛“神九” / 223
“神九”飛船上天與盼望它多時的“天宮一號”相會了，在“神九”中有一群特殊的小客人，這就是蝴蝶卵，它們將隨“神九”上天，在太空完成自己下一步的發(fā)育過程：蝶卵將會破卵成蟲。令人特別關(guān)注的是這不是專門為科學(xué)家們搭載的太空科學(xué)實驗，而是為了對中國青少年進(jìn)行航天科普教育的一項活動。
我的夢想與“神九”同行 / 223
搭載動物的選擇 / 224
返回老家 / 226
四、“北航一號”火箭 / 228
“北航一號”只是一顆小小的探空火箭，但它的潛在應(yīng)用價值很大，它為我國廉價火箭的發(fā)展探到了新路子。這是由北京航天航空大學(xué)本科生獨立設(shè)計并成功發(fā)射的火箭，這在我國還是頭一次。
一飛沖天 / 228
組建團(tuán)隊 / 230
艱難的研制歷程 / 230
繼續(xù)下去 / 232
五、太空育種在校園開花結(jié)果 / 233
一天能長5千克的幾百千克巨型南瓜、像乒乓球一樣大汁多味甜的葡萄、1米多長的鮮嫩黃瓜、五顏六色的碩大甜玉米棒、600克重的番茄、250克重的甜青椒、開三百朵花的萬壽菊、綠色的雞冠花、帶黑色旋轉(zhuǎn)條紋的杜鵑花……你看到過如此奇特的植物嗎？這都是一些普通的種子在遨游太空變異后給人們帶來的驚喜，也是中國太空育種給人類帶來的福音。太空育種不僅遍及我國26個省市，而且走進(jìn)了校園，在校園中開花結(jié)果，成為學(xué)生們開展航天科普教育的好幫手。同時，學(xué)生們也成為小小的育種專家，為太空育種做出了貢獻(xiàn)。
太空育種 / 233
搭載種子落戶上海四平中學(xué) / 235
跳舞草種子上天 / 236
我給太空種子一個家 / 237
六、蠶寶寶終于回家了 / 238
2005年9月19日，在經(jīng)歷了18天的太空遨游后，搭載在我國發(fā)射的第22顆返回式衛(wèi)星上的“太空蠶”“走”出了衛(wèi)星返回艙。當(dāng)北京景山學(xué)校的學(xué)生們從中國空間技術(shù)研究所專家的手中接過返回的太空生物艙時，抑制不住自己激動的心情。歷時6年，幾經(jīng)波折的“太空蠶實驗”終于實現(xiàn)了。
出師不利 / 238
圓夢 / 242
凱旋 / 244
第六章 與航天員交流
一、業(yè)余無線電連接天和地 / 248
一個是在遠(yuǎn)離地球340千米太空的航天員，一個是在地面的學(xué)生，如何進(jìn)行交流呢？不用擔(dān)心，有業(yè)余無線電充當(dāng)了他們遙相呼應(yīng)的鵲橋。它為全世界的學(xué)生們提供一個與太空航天員進(jìn)行直接交流的機會，以此來激發(fā)青少年對科學(xué)、技術(shù)和知識的追求。
天地對話的鵲橋 / 248
航天飛機業(yè)余無線電 / 251
國際空間站業(yè)余無線電臺計劃  / 253
二、天地視頻通話 / 259
NASA的“飛行中教育頻道”計劃，為國際空間站航天員與地面學(xué)生和教育工作者提供了視頻互動問答的條件，使參與的學(xué)生們可以第一手地了解航天員在太空的生活和工作情況。這一活動利用人類太空飛行的獨特經(jīng)驗，促進(jìn)了學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，并激勵學(xué)生對自己今后職業(yè)生涯的選擇。
“飛行中教育頻道”  / 259
第一次“天地視頻”互動教學(xué) / 260
夫妻協(xié)力辦節(jié)目 / 261
“了解世界”教育周 / 263
三、與航天員面對面 / 265
與航天員面對面地交流也是對青少年進(jìn)行航天知識教育的一種好方式，這種方式的教育，可以使航天員與更多的學(xué)生進(jìn)行直接接觸，也有更多時間允許學(xué)生們提問和回答學(xué)生們的問題，因此是一種十分受學(xué)生歡迎的航天教育形式。每個上天的航天員都有義務(wù)或應(yīng)十分主動地與學(xué)生們見面，談自己參加飛行的感受，回答學(xué)生們感興趣的航天問題，鼓勵學(xué)生們努力學(xué)習(xí)，將來從事科學(xué)研究或成為航天事業(yè)的接班人。
摩根與孩子們 / 265
小天文迷“對話”航天員 / 266
中外航天員對話中國學(xué)生 / 269
結(jié)束語―航天教育的遠(yuǎn)景 / 271