【睡前消息525】学习NASA搞科普，改造天宫课堂

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大家好，2022年12月16日星期五，欢迎收看525期睡前消息，请静静介绍话题。

本月初，神舟14号载人飞船安全返回，之前的10月12日，神舟14号任务组三个人——陈冬、刘洋、蔡旭哲在中国空间站组织了第三次“天宫课堂”活动，也是中国第四次直播太空授课。

https://www.bilibili.com/video/BV1hd4y117cz/ 中国有条件的公立中小学普遍组织学生收看了太空课堂，还往往会留作业写观后感，督工你也是中学生的父亲，对中国的空间站授课怎么看？

类似的失重环境授课如果放到20年前，或者视频网站和智能手机还没兴起之前，的确有明显的教育意义。但放到2022年的今天，类似的教学就只能算是合格的宣传工作。

当然“宣传”工作也很重要。目前所有组织过太空课堂的国家，初始目的都是宣传。包括在人类历史上首次太空直播授课的美国，也包括其他录制太空视频授课的国家，比如苏联、俄罗斯、加拿大、韩国、马来西亚。

冷战时代，太空竞赛是美苏竞争的重要赛道，需要大量精英人力投入航天事业，也需要民意支持为航天事业争取拨款，所以美国和前苏联都制定了太空课堂计划。

一开始的航天员都是专业训练的飞行员，所以搞太空课堂是兼职。后来美国首先开发了航天飞机，减少了航天器进入轨道的冲击，允许普通人参加航天计划，所以可以考虑选拔专业教师。1984年，美国总统里根签署了太空教师计划（Teacher in Space Project，TISP），从全国招募教师进行航天员培训，在太空向美国的中小学生们进行直播授课。

但是太空教师运气不好， “挑战者”号航天危机爆炸了，第一位通过项目选拔的美国教师麦考利夫遇难。人类的第一场太空直播课堂推迟了20年。

在此之后，NASA提出了替代方案——航天员教育家计划（Educator Astronaut Programme，EPA），航天员可以接受教育培训，获得上天讲课的资格。

右：克丽丝塔·麦考利夫，左：芭芭拉·摩根 2007年8月，美国航天员芭芭拉·摩根在国际空间站进行了人类历史上首次直播授课，向十几名参与现场连线的学生展示了失重环境下运动、喝水的过程。芭芭拉·摩根曾经也是一位教师，当年和麦考利夫一起通过了太空教师计划的选拔，而且是麦考利夫的后备人选。

“挑战者”号航天飞机爆炸后，芭芭拉·摩根并没有放弃梦想，而是选择加入航天员教育家计划，最终在56岁成为NASA的全职航天员，也是首位专职教育航天员。

芭芭拉·摩根

芭芭拉·摩根太空课堂，2007年 https://www.youtube.com/watch?v=RVZlvnrn_Ho 现在比较中美两国的太空授课方案，可以看到，天宫课堂和美国早期的太空课堂计划比较类似，主要作用并不在于传授知识，而是希望普通学生能认识到航天项目距离自己并不遥远，引导一部分学生产生对航天行业的兴趣。所以我说宣传作用为主，传授知识是次要效果。

现在社交媒体上产生一些对天宫课堂的质疑，主要的矛盾也在这里——各级学校按照学科教育的方式推送视频，打断正常教学计划组织观看，还要布置读后感作业。但实际上授课提供的信息密度不高，不足以产生足够的教育效果。

就算只看宣传方面，因为近年类似的太空视频和影视作品已经很多，空间站直播授课并没有产生明显的冲击力，所以学生的反映也比较平淡，缺乏主动写读后感的愿望，必须以留作业的方式来完成任务。现在在搜索引擎上用“天宫课堂”作为关键词搜索，可以看到读后感基本上都是套路化的内容。这说明我们的太空授课不能再照搬美苏冷战时期的玩法，需要考虑时代背景，做一点修改。否则浪费一点航天员的时间是小事，影响几千万学生的价值观才是最大的社会成本。

http://scitech.people.com.cn/n/2013/0620/c1007-21904055.html 美国NASA也经常组织美国学生和空间站的连线，但是NASA很早就发现，对普通人搞全面推送，成本和效益不对等，还是应该对重点人群搞定向推送。所以，参加空间站连线活动的美国学校和学生，往往是因为在NASA组织的科学活动或竞赛中表现出类拔萃，才被邀请参加活动。这说明美国航天科普，已经渡过了向社会公众宣传航天概念的阶段，开始专注于具体的教育目标。

这两天正是世界杯决赛，用足球运动做对照，就是中国的太空课堂，还停留在组织全部学生看中国或者亚洲足球队比赛直播的阶段，希望能普遍培养兴趣。而美国已经在请一线运动员和爱好足球的学生做主题交流，为下一阶段“青训”做准备了。所以中国的太空教育还需要进一步改良。

https://www.youtube.com/watch?v=9Xx--5ut2Co

https://www.youtube.com/watch?v=5eMy0i8P954

https://www.youtube.com/watch?v=rNgWcLleeQc&t=549 结合最近的天宫课堂内容，督工你能说说具体的改良方向吗？

“天宫课堂”从开播到现在，有些进步还是肉眼可见的。比如天宫课堂第一课的时候，过早地把画面接到演播室，让航天员和学生都有点混乱，进一步降低了信息密度。后来几期就改善了。这一期刘洋介绍实验舱设备时，旁边配上了设备结构原理的CG短片，展示效果有进步。

这些改良说明，美国在冷战前后设计的太空教学培训计划是有道理的，当航天员是一门专业，设计课程和授课也是专业，不能直接默认航天员就适合做科普，也不能默认太空站的失重环境一定比各学校的实验室更适合演示科学规律。

https://www.bilibili.com/video/BV1hd4y117cz/

（天宫课堂第一课连线开始前这一段现场互动杀时间，实在是太尬了） https://www.bilibili.com/video/BV1AL4y1H7pe/ 比如说，这期天空课堂的第一个太空试验，展示失重环境下比较明显的毛细效应，越是细管子，液体受毛细效应的影响应该越明显。

航天员陈东把三根粗细不同的塑料管平行放在盛有水的培养皿中。从观众视角看，最细管子内的液面飞速前进，但是水面前进最慢的塑料管，并不是最粗一根，而是是中间不粗不细的管子。

这个效果，如果是原本设计的表现内容，显然需要做出一定的解释。如果不是，更应该做出解释。而无论是哪一种原因，都应该允许观众当场提出质疑，和航天员互动，甚至给出改善实验过程的建议。现在看来这些准备工作都没做，只是按部就班地推进授课。直播课失去了直播的意义，甚至还不如在地面的实验室里做演示。

https://www.bilibili.com/video/BV1hd4y117cz/

和地球环境相比，太空实验室最大的优势就是排除了重力干扰，可以演示一些和方向无关的物理规律。这一点，中国太空授课的航天员也想到了，之前的授课也优先选取了表面张力实验，展示液体在失重状态下自然收缩成球形。

但是，现在是视频时代，更是虚拟视频时代，中小学生早就从影视和游戏中见多了太空场景，对“重力消失”这种概念也不再有新鲜感。如果实验只是用来展示比较基本的物理、化学现象，传授知识的作用就会弱化。如果说空间站还有什么明显优势，就是它的失重环境是常态化的，具体化的，可以通过长期生活和测试，发现更多超越基本规律的有趣方面。这是太空授课需要寻找的展示点。

还是说表面张力实验，我们基于在地球上的生活经验，习惯于和液体的外表面打交道，比如说造船和游泳。哪怕是不稳定的外表面，我们也能做出很多花样，比如说冲浪和打水漂。但是对于液体内表面，就算是潜水员，也很少处理相关问题。这个思维模式传导到太空实验室，就是表面张力实验往往忽略了和液体内表面的互动。去年神舟13号王亚平做水的表面张力实验，只在水球内部吹了一个球形气泡，之后就基本就忽略液体内表面了。

2011年，美国航天员在国际空间站上发现，液体的内表面可以玩出很多花样。他们在失重环境下做出一个水球，也像王亚平那样，在水球内部充气形成一个气泡。然后，在这个气泡内部再注入许多小水球，又把气泡表面和振动器连起来。当振动器以特定的频率波形振动时，可以看到小水球在大水球的内表面上弹来弹去，而不是融为一体。

https://www.zhihu.com/zvideo/1572196973523980289

2014年，宇航员在国际空间站手搓水球 https://www.youtube.com/watch?v=9ZEdApyi9Vw 这个实验利用的基本原理，并未超出中国宇航员去年展示的内容，我们也展示了液滴之间的边界和融合。但是国际空间站的实验做在液体内表面上，对地面观众来说，显然更有新鲜感，而且也不会简单地看做变魔术。如果要搞太空教学，这类复杂一点的录播显然效果更好。

另外，航天员的生活细节也能给地面观众带来更多的信息。美国资深航天员哈德菲尔德讲过一个例子，他在一次出舱任务中流了眼泪，泪水因为浸润效应，聚集在眼眶周围，阻挡了视线。他穿着舱外航天服，没法用手擦眼泪。最后在地面指导下，他手动释放了部分氧气，在航天服内部制造了气流，才让眼泪蒸发，恢复了视力，摆脱了危险。

事后他又展示了一次泪水包裹眼眶的效果，这是地球居民翻物理书很难想到的问题。学生如果理解了他的故事，可以同时加深对科学和工程学的理解，比简单地看到一个悬浮水球更有兴趣。

https://www.youtube.com/watch?v=wEpRiF58pJc

（哈德菲尔德讲解并演示人在太空流眼泪会怎样） https://www.bilibili.com/video/BV1Df4y1f7zM/ 和美国航天员相比，我们的航天员在太空玩水的花样还有待增加。

这些内容需要长时间的准备，恐怕不适合直播教学吧。

老师上课也是要长时间备课的，必须让宇航员接受专门的教育培训，有足够的准备，才能适应当前网络直播的风口，才能通过互动增加航天项目的关注度。比如说最近的太空课堂，就有观众提出来，说照本宣科的内容太多了，观众需要提问，比如说想问问航天员怎样上厕所，能不能得到现场回答呢？

这个质问看似找茬，实际上很切中要害。因为宇航员上厕所本来就是一个复杂的科学和工程问题，值得专门讲解。油管WIRED频道有NASA资深航天员克里斯·哈德菲尔德和麦克·马西米诺的访谈系列，GQ Taiwan频道上有这一系列视频的中文翻译。里面就有大段内容和宇航员上厕所相关。我们如果不为这一类问题做准备，就不可能提高太空授课的直播质量。

https://www.youtube.com/watch?v=TZkuQUCUYgM https://www.youtube.com/playlist?list=PLiyT3ZJaRwTufgJmmlnDREiFQNgdobyGE

航天“网红”麦克·马西米诺谈在失重环境下上厕所，是该话题下内容最详实的视频 https://www.youtube.com/watch?v=QQ7Ywzu0lhg

马西米诺谈太空伙食 https://www.youtube.com/watch?v=rrjn02GPRKw&list=PLiyT3ZJaRwTufgJmmlnDREiFQNgdobyGE&index=21 目前中国也在太空站常态化驻扎宇航员了，因为失重环境和资源限制，每一个宇航员的日常生活，背后都包含了千百万人的智慧和努力，也给未来更多的人进入太空积累生活经验。我现在还记得我父亲第一次坐飞机出门之后，我追着他问坐飞机各个流程的对话。当时我还不敢想象日常旅行可以随手订一张飞机票。

在我也坐过飞机之后，中国人用20年时间建立了自己的载人航天体系，下一代、下两代中国人乘坐各种航天器出门的概率，很可能就相当于当代中国人坐飞机出国的概率。所以，航天员的生活本身是最好的科普内容，也是最好的授课素材。中国航天员还可以更多地挖掘自己的太空生活细节。

翟志刚谈第一次出舱，视觉刺激太大了 https://www.bilibili.com/video/BV1jS4y1J7yU/ 这一点，其实中国观众早就提出需求了，而且对航天员的科普工作做出了民间打分。中国先后送了几十个人进入绕地球轨道，其中翟志刚被称为“太空梗王”原因是他面对采访，能比较自然地表达自己的感受，不会端着架子说话。这就是未来太空授课的正面参考资料。

比如说，翟志刚提到一个细节，他第一次出舱，不敢松开栏杆，原因是外面“啥也没有，太深邃了”。这就是非常重要的经验，说明人类在重力环境下生活太久了，面对无底的深渊总觉得自己会掉进去。人类必须克服自己对重力的本能反映，才能在太空三维空间自由移动。另外，这也说明宇宙的空旷对人类会产生强烈的心理冲击，一旦离开地球，必须给普通人安排足够的心理适应过程，才能冷静地面对宇宙空间。

翟志刚在当宇航员之前，是空军的飞行员教官，有丰富的开飞机经验，也肯定接受过跳伞训练。他尚且对3维运动和空旷的空间有恐惧心理，当代的普通学生如果想严肃地考虑从事航天事业，就不应该错过翟志刚的舱外活动细节。如果将来的航天员能在出舱之前备课，通过视频乃至虚拟现实技术向地面的人直播自己的体验，对中国2050年的航天事业肯定有明显的正面影响。现在NASA正在做这样的科普工作，中国的航天课堂也应该跟进。

NASA的科普体系是怎么规划的？

NASA每年有几十项青少年航天科普活动和教育项目，除了总部的教育机构之外，NASA下属有差不多10个航天中心，比如肯尼迪航天中心、阿姆斯特朗飞行研究中心，也都承担宣传和教育职能，组织学生和公众参与活动。

国际空间站建设过程 https://www.youtube.com/watch?v=oLrOnEmy_GA

传奇航天员苏妮塔·威廉姆斯带你看国际空间站内部 https://www.youtube.com/watch?v=06-Xm3_Ze1o 粗略地说，NASA提供的太空教育内容分为五类：我分别举例介绍一下。

第一种内容，是NASA利用独家信息开发的各类特色教育资源。

比如说如在国际空间站录制的视频，比如说和天文、航天、地球遥感相关的图文，比如说专门成立一个NASA TV频道，提供各类航天事件的新闻和科普内容。此外NASA还支持航天员开讲座、帮助出版航天员传记，做访谈节目。

NASA访谈节目的一大特点，就是经常让航天员采访另一个航天员。访谈者和被访谈对象都有太空生活的经验，很多话题交流起来效率更高，聊得更深入。

如果有可能，我也期待被送到空间站实习几个月，然后回来采访其他航天员。 NASA提供的教育资源都是有明确价值观导向的，首先宣传航天产业是创造英雄和奇迹的地方，然后通过航天员传记片告诉观众，航天员往往是名牌大学学霸、行业精英，经过努力才实现了太空梦。航天员接受访谈的时候，会明确说：中学最有用的科目是数学，而自己各科成绩最低是B。这些成长经历对普通学生有明显的引导作用。 https://www.youtube.com/watch?v=Z6HC_K1sjEo

至于说NASA的太空课堂，不仅是把太空视频传到了网上，还为各年级教师制定了课程计划，包括要用多少课时，怎样展开课堂讨论，如何布置作业等等，充分发挥太空计划相关信息的教育作用。

我们随便选一门实验室安全课，计划用时60分钟，听起来貌似和航天计划没啥关系。但的确是NASA相关内容，提醒学生在实验室之类的场所（learning space）中要注意并遵守安全规程，正确穿戴个人防护装备（PPE）。视频链接： https://www.youtube.com/watch?v=NA4aPX5SuME

实验室安全课堂指南链接，检查列表在第3页，协议模板在第4页： https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lab_safety_classroom_connection_508.pdf 按照NASA制定的课堂计划，老师会为为每位学生发放一份安全检查工作表和一份安全协议模板。工作表列出的检查项包括电源、插座、燃气、尖锐物品等安全隐患；护目镜、手套等个人防护装备；还有安全标志、急救箱、洗眼设备、安全淋浴等安全设施。随后大家组织讨论，并把讨论出来的安全协议写在安全协议模板上。总之，这门课主要目的在于让学生们参与到实验室安全问题的讨论中，顺便普及一些基本的安全常识。

用于教学的太空视频本身仅有5分40秒，安排在课堂讨论环节之后。视频主要强调的是在太空失重环境下，小件物品很容易漂浮起来，因此航天员在工作中需要经常佩戴护目镜，特别是在打开长时间封闭的试验设备，以及来自地面的货运飞船舱门的时候，可以说，视频内容并不是主要的信息来源，主要是为了给课堂增加一点趣味性，利用航天员的权威性，提醒学生注意安全细节。

我们在再看一门比较有逻辑的理科课程，以太空健身作为知识入口，介绍欧姆定律和线性函数，长度75分钟，NASA还准备了例题和课后习题。

https://www.nasa.gov/audience/foreducators/exploringmath/algebra1/Prob_Exercise_detail.html 在直接传授信息之外，NASA网站还提供了很多结合太空和科研内容的互动游戏。比如说模拟驾驶“毅力号”火星车，根据探测目标所在的方位设定行进路线，再将指令组按顺序发给火星车。玩家的目标是在有限的点数用完之前抵达有价值目标并完成探测，获得更多点数继续探索。这个游戏一方面科普了初步的编程逻辑，同时也很好地模拟了地球到火星的信号延迟。

https://spaceplace.nasa.gov/explore-mars/en/ 另一个游戏是模拟在洁净车间装配立方体卫星，需要对不同部件进行测试，再按正确顺序完成装配。

https://climatekids.nasa.gov/cubesat-builder-game/ 从这些内容来看，NASA的科普努力，并不是局限于航天领域，而是扩展到数学、物理、计算机领域，乃至人文领域。为了扩大影响力，也为了保证几十年后的人才梯队，NASA可能比美国联邦教育部更关心美国中小学生的科学思维。中国也应该针对最新的太空活动经验，给小学生设计应用题。

NASA的第二类教育资源，是与航天内容相结合的参与性活动。

包括组织各种航天夏令营，体验NASA自身的项目和研究，比如说去火箭发射现场，与NASA成员和全国太空爱好者交流，参加国际宇航大会（IAC），了解NASA幕后工作，参观体验不同航天器发射任务。

NASA本身往往也会从这些全民参与的活动中获益。比如2019年开始，NASA举办了一项全民测量树高的挑战，在手机上安装一个由NASA开发的APP，“环球观察者（Global Observer）”，就可以使用其中的“测量树高（Global Tree）”功能，测量并上传数据。与其同时，国际空间站会用激光测距获得的数据和地表数据对比，验证和提高太空测量技术。

这个项目属于“全球生态系统动力学调查”，首字母缩写恰好是GEDI，也就是“绝地武士”，吸引了很多星战爱好者。 https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/help-nasa-measure-trees-with-new-app https://www.youtube.com/watch?v=aHxiLiKwxt8

https://www.bilibili.com/video/BV19b411U7rS/ https://svs.gsfc.nasa.gov/13114 NASA的第三类科普工作，是向民间征集实验方案。

1983年，美国航天飞机第四次飞行时，NASA启动了“搭载罐”计划，用航天飞机的储备运力，服务额外的实验项目，全世界青少年都可以参与。从那以后，每次飞行任务，NASA都会面向全国乃至世界征集青少年实验项目，成为NASA的一个固定文化传统。 http://www.xinhuanet.com/tech/20211210/87306ca5bbf24e42965c1da850c4255e/c.html http://www.cntv.cn/lm/235/64/85905.html

1986到1994年，中国也组织了两届实验选拔活动，给美国航天飞机提供了5个实验创意。这5个方案是：用胶粘法控制航天飞机舱内垃圾；液态混合物的凝固；微重力环境对草履虫生长和繁殖的影响；失重环境中固—液表面间的相互作用；还有非常中国特色的蚕吐丝织茧实验。

前4项实验中，除了草履虫实验由于电池工作寿命限制未获得成功外，其余3个方案都取得很好的结果。而蚕吐丝织茧实验由于2003年哥伦比亚号航天飞机空中解体，没能成功。

NASA的第四类科普工作，是结合航天未来发展的工程设计竞赛，比如月球车竞赛，二氧化碳转化挑战等等，这部分内容更多针对大学生和教师。

例如2015年开展的3D打印火星居住舱挑战赛，第一阶段为方案设计竞赛，参赛团队提交建筑效果图。第二阶段参赛团队要做出自己的结构组件。第三阶段是现场建造，各个参赛团队按照三分之一的比例，要造一个火星房子出来。NASA准备了三百多万美元的奖金包，最后发出了二百多万美元。美国很多新兴3D打印技术公司，就是这次竞赛中孵化的。

https://www.youtube.com/watch?v=XWJ-sE08ASg NASA的第五类科普课程，是在大学阶段合作开设的选修课及研究项目，招募本科生和研究生参加。NASA的课程往往对于前置课程要求不高，学费低廉，而且能实实在在地拿到学分，帮助选修者拿到学位。很多合作项目还为参与者提供报酬，以及和NASA人员一起工作的机会。中国将来也可以用类似方式招募航天机构的工作人员。

美国大学校园里的NASA合作项目宣传板可以说，在教育领域，NASA是一家完整的教培机构，还搭建了一个和实际需求相结合的网络大学，有教学也有科研，是美国产学研结合的成功典范。

但是，和科研或者经济效益相比，NASA的科普宣传最主要的成果还是在人文方面。在登月计划之后，航天产业和航天文化已经成为美国精神和美国文化的组成部分，航天员代表了一种很酷的工作与生活方式，是一个受人尊重的职业。承担重要任务的航天员，知名度和影响力相当于一线的娱乐明星和体育明星。看美剧就能体会到过去几十年美国的航天文化。

今年中国媒体有一篇新闻，标题是《2013年上过王亚平太空课的学生，如今成了她的同事》。类似的事件，在中国还是罕见的新闻，而在美国，是一种常态。美国当代航天人最普遍的成长路径，就是童年以自己的航天员偶像为榜样，用个人时间了解航天知识。之后从小学、中学、到大学和研究生，每个阶段都可以参加专门的航天活动，比如参加夏令营、兴趣小组，以及参与正式科研项目。所以我在前面说，NASA的科普工作，可以对应足球俱乐部的青少年训练，代表着整个行业的未来。对于过去几十年的美国普通学生来说，登天是有路的，只要努力就能进入宇宙。新闻链接： https://www.bilibili.com/video/BV1id4y137M2/

冷战结束后，美国给航天机构的投资明显下降，美国航天事业的影响力也一度下降。但是NASA还是坚持在教育和文化方面投入，保持了影响力和人才梯队。等到马斯克代表的资本路线重新提供了新的资金来源，美国航天产业立刻表现出其他国家望尘莫及的水平。

如果中国航天部门真的想在几十年后赶上美国，眼下最重要的工作还不是科研，而是像NASA一样，把自己日常运行的信息展示出来，把航天员的生活和成长经历表达出来，专门设计一套依托于空间站的科普体系，不用强制观看，也能吸引几百万学生去刷航天科普视频。这可能才是中国航天产业当下最需要完成的任务。

马斯克童年在南非长大， 1984年他13岁，得到了大量NASA制作的航天宣传资料，设计了自己的太空游戏。这时候距离他发射第一代星链卫星，还有35年。

1970年，刘慈欣刚刚读小学，他在没有电的村庄看到中国第一颗人造卫星飞过，激发了他对宇宙的想象，这时候距离他写《三体》还有36年。

中国2050年的航天工程师现在应该还在读中小学，而且未必就成长在中国，我们也应该为他们准备科普资料了，让他们尽快了解从普通人到航天事业的发展路线，希望中国航天部门能早一点认识到自己科普工作的缺点，向全世界拿出自己的优秀文化作品。