10月12日，“天宫课堂”第三课在中国空间站开讲。图为航天员现场展示水稻“吐水现象”。（图片来源：视觉中国）
一面是璀璨耀眼的蓝色星球，一面是广阔无垠的浩瀚星辰。在这里，每天要经历16次日升日落，重力、浮力等物理规律颠覆“常识”，数不尽的科学奥秘等待被探索、发现。
这里，是中国空间站。10月12日下午，神舟十四号乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲进行了“天宫课堂”第三次太空授课，这也是中国航天员首次在问天实验舱内进行授课。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、植物生长研究项目介绍……来自全国各地的青少年，一同收看了这场来自400公里之上的奇妙科学课。
“天宫课堂”首次在问天实验舱开课，揭秘多个科学实验柜
在中国科学院空间应用工程与技术中心地面主课堂的大屏幕上，实时画面从绕着蓝色地球飞行的空间站转换到了宽敞明亮的问天实验舱。
“太空探索，永无止境。同学们好，我是神舟十四号任务乘组指令长陈冬，今天很高兴能够在我们的问天实验舱与大家一起，继续探索科学奥秘！”陈冬首先和同学们打起招呼，刘洋、蔡旭哲也依次“飞”到镜头前，站成一排集体亮相，地面课堂响起热烈的掌声。
本次“天宫课堂”与以往不同，不只是“主讲老师”由神舟十四号航天员乘组首次担任，还首次启用问天实验舱这间“新教室”。
今年7月24日，问天实验舱搭乘长征五号B遥三运载火箭，在文昌航天发射场发射升空。问天实验舱由工作舱、气闸舱及资源舱三部分组成，舱体总长17.9米，直径4.2米，重量达23吨，是全世界现役在轨最重的单舱航天器。
陈冬和刘洋带同学们逛起了“新教室”，首先来到的是“站立”睡眠区。
“问天实验舱睡眠区的方向和核心舱是不同的，核心舱是横向的，而问天实验舱则是纵向的，在地面我们可没办法这样睡觉！”刘洋解释道，在微重力环境下，航天员在任意方向睡眠的感觉都一样，因此可根据设计需要来安排睡眠区方向。
在问天实验舱的生活区，航天员还展示了太空厨房设备、太空自行车、卫生间等设施。问天舱集平台功能与试验载荷功能于一体，具备独立支撑乘组在轨生活保障能力，还有完整的控制系统。“如果天和核心舱遇到紧急情况，问天实验舱可以作为整个空间站的核心接管控制好。”刘洋说。
介绍完问天实验舱的生活功能，接下来就是“重头戏”——科学实验部分。作为中国空间站三大舱段中的第二舱段，也是中国空间站的首个实验舱段，问天实验舱拥有强大的空间科学实验能力，实验项目以生命科学和生物技术研究为主，其装载的8个实验机柜、22个舱外载荷适配器，相当于把一个大型科学实验室搬到了太空。
随着刘洋的指引，同学们的目光锁定在生命生态实验柜上。“实验柜由一个个像小房间一样的模块组成，每个房间对应不同的研究对象，仿佛是动植物的‘太空旅馆’。”刘洋介绍，这是以生物个体为研究对象的实验平台，研究成果可以帮助我们未来在月球乃至火星实现长期生活。”
镜头转向生物技术实验柜。据陈冬介绍，它主要是以细胞、组织、蛋白质等生物样品为对象进行研究的科研设备，里面配置了各种先进的细胞培养和检测仪器，相当于一个小型的“太空生物实验室”。
“现在在我右手边的是电重力实验柜，它能够为科学实验提供高精度模拟重力环境。”刘洋打开了柜门，实验柜里有两个圆盘，叫做转子，每个转子上面都装载了标准的实验模块。通过调节圆盘转速，利用离心作用，就可以在空间站为科学实验提供长期的稳定的0.01g-2g高精度模拟的重力环境，开展包括生命科学、流体、燃烧等多项科学实验。
天地共播一粒种，把真正的科学实验引进“天宫课堂”
本次太空授课的一大亮点，是“直播”空间站科学实验——航天员收集拟南芥和水稻样品的操作过程。
今年9月，“天地共播一粒种”——青少年与航天员一起种植物科普活动举行，航天员与地面学生一起浇水播种了拟南芥，为本次天宫课堂做“课前准备”。
在云南分课堂上，来自云南大理州实验小学的学生向航天员老师汇报了地面拟南芥的生长情况：9月9日，同学们播下了拟南芥实验组早开花型和对照组野生型两类种子，并且每日定时进行观察记录。过了3天，对照组和实验组的“小南”（拟南芥）都先后发芽了，芽非常小，呈椭圆形；又过了10天，实验组的生长速度明显超过了对照组，先长出了第四对叶子。10月3日，孩子们惊喜地发现，实验组的拟南芥开出了小白花。
那天上的“小南”还好吗？实验前，陈冬戴上了我国空间站的首个混合现实（MR）眼镜。在它的帮助下，航天员可以更轻松高效地完成工作。
开课前，陈冬已提前将“小南”从“太空旅馆”转移到了科学手套箱。这个手套箱能提供洁净密闭空间和温湿度环境控制，为航天员操作多学科实验样品提供支持。未来，这里还会安装一台灵巧机械臂和一套显微操作系统，在他们的共同配合之下，就可以进行细胞穿刺等高精度操作。
陈冬双手伸入了科学手套箱。透过眼镜，科学手套箱中的画面呈现在直播画面上。
“开启拍照！”“发送图片！”通过语音口令，陈冬先给6个种植孔中的拟南芥拍了照片，并将图片传送给地面的科学家。之后，陈冬开始采集样品——先把冻存管的盖子打开，拿起小剪刀，把样品从种植孔里削出来，放入管中。稍后，这些冻存管会被放到科学手套箱下方的低温存储装置的-80℃存储区，将来带回地球交给科学家研究。
在问天舱的生命生态实验柜里，除了拟南芥，还培育了另外一种植物——水稻。经过70多天的生长，水稻种子已经长成了一棵棵水稻植株。这次实验一个重要的目标，就是要实现水稻从种子到种子全生命周期的培养。
只见刘洋手中的生长盒里，住着高杆和矮板两种水稻。“在水稻培育过程中，我们发现了一个奇特的现象。刚刚萌发的水稻叶上出现了一个晶莹的小水滴，并且小水滴会越变越大，直到贴到了生长盒的壁上。”刘洋说，这是水稻的“吐水现象”。在地面上，刚刚萌发的水稻叶尖上也会“吐水”，不过在微重力环境中更容易观察得到。
在空间站，植物面临的最大挑战就是微重力环境，而这也体现了太空实验的独特优势。中国科学院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验项目。
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？这3个关键科学问题，有待在问天舱里得到回答。
把真正的科学实验引进“天宫课堂”、把研究贯穿到太空授课当中，正是第三课的最大亮点。中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟告诉记者，与前两次相比，此次授课内容更加深入立体，参与性强。“同学们在地面种植和空间站中一样的植物种子，观察它们成长，并和在空间站中生长的植物对比，探寻开花的机理。这相当于把科学研究贯穿到了太空授课当中，让大家知道科学家怎么做研究、在太空怎么做研究，而不是单纯地演示现象。”
天地互动无缝衔接，集中体现我国航天科技的进步与创新
“‘天宫课堂’第二课的时候，我还在上小学六年级，是在学校教室里看的。”北京市中科启元学校初一的赵同学告诉记者，这次来到地面主课堂，可以互动提问，感觉“离航天员特别近”。
在约400公里高度地球轨道上的一堂课，画面清晰流畅、同学们与航天员的天地互动无缝衔接，还能让同学们感到“特别近”，这需要强大的航天技术支撑，集中体现了我国航天科技的进步与创新。
实现太空授课的一个难点，是需要对中国空间站进行长时间持续测控，而受地球的曲率影响，依靠传统的测控站点很难独立达到这一要求。北京空间信息传输中心总工程师单长胜告诉记者，中继卫星系统覆盖范围广、传输速率高，在它的支持下，我们不仅可以达到对空间站组合体持续测控的目的，还可以帮助航天员与地面进行双向音视频通话、在舱内使用WiFi等。
2013年，成功实现三星组网的一代中继卫星系统，顺利保障了我国第一次太空授课。9年时间里，我国中继卫星系统运行更加成熟、技术手段愈发先进、保障能力大幅提升，随之而来的便是质量更佳、频次更高的“天宫课堂”。
2021年至2022年，两代多颗中继卫星又圆满保障了三次“天宫课堂”。在此次约50分钟的授课中，北京空间信息传输中心调用“天链一号”03星和“天链二号”01星，为中国空间站组合体提供天基测控与数据中继服务，搭建起天地往返的“信息天路”，实现地面与舱内航天员之间话音、图像的双向传输，为太空授课的顺利进行提供了稳定可靠的数据传输支撑。
“天宫课堂”在以往天和核心舱的基础上，新增了问天实验舱。航天员的活动范围更大，在直播当中相应用到的摄像机机位和保障设备变得更多，地面调度的操作也更复杂。
“我们采用了问天舱和天和舱两舱切换跟踪的模式，每个舱都可以下传同样的摄像机图像和话音。通过两舱的话音级联、图像下传，确保整个太空授课图像话音流畅。”北京航天飞行控制中心通信调度原旭东说。
“‘天宫课堂’连续开讲，彰显着我国航天技术的日益强大，见证着我国天基测控事业的不断进步。”单长胜说。
中国空间站即将建成，播下更多太空梦想的种子
看似简单的实验，背后有着不简单的原理。
在水球变“懒”实验中，刘洋演示了紫色水球从“活跃”到“懒惰”的过程。她先用注射器喷出空气冲击水球，可以看到水球震动剧烈。在水球中加入一颗空心钢球后，再用同样的力度冲击水球，水球的震动竟神奇地变小了。
小球的加入为何让水球震动发生变化？“水球变‘懒’属于流体领域的一个实验，实际上和弹簧的机理一样，相当于物体质量变大后惯性也变大，震动的幅度和频率都会降低。”张伟说。
事实上，在地面上的水里放一个球，水的震荡也会减缓；挑水时，在水桶表面放一片荷叶，也用到了这个原理。该实验原理在航空航天中也非常重要，比如航天器分离时加速度比较大，这时会用到颗粒阻尼器，它具有吸能作用，以减少航天器和人受到的冲击。
这个问题也引起了赵同学的好奇心。“航天员老师没有揭开谜底，我准备回去好好研究一下。”
天地共播一粒种，每当“最高”课堂开讲，总能在孩子们心里播下科学的种子。它的意义远不只课堂上讲授的内容，令孩子们长久回味的，还有对浩瀚宇宙的无限向往。
2021年12月9日，我国首个太空科普教育品牌“天宫课堂”第一课正式开启。作为国家重要的太空实验室，空间站被赋予了新的意义，成为太空科普教育基地，激发青少年对科学和航天事业的热爱。
“‘天宫课堂’在新时代科学普及、青少年科学教育和科学素质培养方面发挥着不可替代的作用。”在太空授课科普专家组成员、北京交通大学物理国家级实验教学示范中心副教授陈征看来，唤起青少年的好奇心，引导他们关心、喜爱、投身科学，为科学事业发展培育后备人才队伍，事关国家发展和民族复兴，是航天人、科技和教育工作者乃至全社会的共同使命。
从世界范围看，太空教育已成为连接青少年与载人航天事业的重要桥梁，受到越来越多国家的重视。“载人航天、深空探测等航天活动具有投资大、回报周期长的特点，但科学价值、科普价值无可替代，因此‘太空课堂’可以说是航天大国的‘必开课’。”国际宇航联空间运输委员会副主席、中国航天科工集团二院研究员杨宇光告诉记者，在激发青少年的科学探索精神，赢得社会公众对太空科学事业的支持等方面，中国空间站具有得天独厚的优势。
今年，中国载人航天工程将完成空间站在轨建造任务。我国空间站第二个实验舱梦天舱即将在不久后发射，对接天和核心舱、问天实验舱，形成三舱组合体，正式迎来空间站建成的历史时刻。
谈及未来在梦天舱的“天宫课堂”计划，张伟充满期待：“梦天实验舱主要面向微重力科学研究，配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理等多学科方向的实验柜。除了这次的植物实验，我们还可以结合物理化学实验，比如，利用流体实验柜研究地面的沸腾和太空的沸腾有什么区别，呈现出背后的规律，这会很有意思！”
今年是载人航天工程立项30周年。三十年岁月荏苒，几代航天人开拓创新，星辰大海留下了越来越多中国人的印记。作为我国规模最大、科学支持能力最强的空间设施，中国空间站将在我国科技强国建设的历史进程中贡献巨大力量，为未来我国开展近地以远的载人空间探索提供深厚的科学积累。
为满足载人航天工程后续飞行任务需要，我国第四批预备航天员选拔工作已于近期启动。“请问我应该怎样做才能成为一名合格的航天员呢？”下课前，一位来自北京的同学向三位航天员提出了最后一个问题。
“我非常非常开心能听到这样的提问，希望今天的‘天宫课堂’也能够在更多的同学们心里种下航天的种子。”陈冬回答。
心怀山海，眼有星辰，梦想的种子终会结出丰硕的果实。（中央纪委国家监委网站柴雅欣自北京地面主课堂报道）
