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)生進行航天知識教育。歐空局主要采用以下四種形式進行航天教育：安排學(xué)生進行太空實驗、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)科一直是促進人類文明進步的主要力量。現(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。
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，進行實驗和總結(jié)；有的是當配角，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。
二、火星探險任務(wù) / 91
每個人都有自己的理想和事業(yè)。當你回首往事時，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”，進行為期12天的太空飛行。為了進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，美國進行了4次氣態(tài)氮促進蛋白質(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，了解先進的結(jié)晶生物工藝，認識蛋白質(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。在太空進行的一項“減輕長期飛行后運動紊亂防護措施的研究”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)會了進行航天醫(yī)學(xué)實驗的方法，為他們今后獨立承擔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，他們有人擔任編劇，有人當導(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)計團隊承擔了研制納米衛(wèi)星的任務(wù)，在2～3年內(nèi)，每個團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”號航天飛機（STS-126）抵達國際空間站，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
標準通信衛(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，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?！拔覀兊男l(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
肩負三大使命 / 218
小小設(shè)計者 / 219
不負所望 / 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。
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，如何進行交流呢？不用擔心，有業(yè)余無線電充當了他們遙相呼應(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―航天教育的遠景 / 271