9月21日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站正式开讲，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮进行授课。3名航天员在轨展示介绍中国空间站梦天实验舱工作生活场景，演示球形火焰实验、奇妙“乒乓球”实验、动量守恒实验以及又见陀螺实验。图为北京航空航天大学内，师生代表正在认真听课。本报记者柴雅欣摄
9月21日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站正式开讲，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮面向广大青少年进行太空授课，在轨展示介绍中国空间站梦天实验舱工作生活场景，演示球形火焰实验、奇妙“乒乓球”实验、动量守恒实验以及又见陀螺实验，并与北京航空航天大学等5个地面课堂进行互动交流。来自全国各地的同学们，共同走进了一堂别开生面的奇妙科学课。
首次启用梦天舱“新教室”，多台空间科学实验柜逐一亮相
在地面主课堂的大屏幕上，实时画面从中国空间站天和全景摄像机拍摄的蓝色地球，转换到了宽敞明亮的梦天实验舱。景海鹏、朱杨柱、桂海潮三名航天员“飞”到镜头前，站成一排集体亮相，现场来自北京航空航天大学以及京内外多所中小学的2400多名师生挥舞起手中的国旗，发出了热情的欢呼声。
上课之前，先参观“新教室”——梦天实验舱。中国空间站由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三个基本舱段构成，其中，梦天实验舱是中国空间站第三个舱段，也是第二个科学实验舱，主要用于开展空间科学与应用实验，并参与空间站组合体管理。
跟随景海鹏的镜头，朱杨柱和桂海潮带领同学们开启“梦天之旅”。据桂海潮介绍，梦天实验舱提供了空间站里最多的科学实验设备，具有13个科学实验柜的安装空间，还具备载荷自动进出舱功能。
镜头转向核心区域——实验载荷区。两相系统实验柜、流体物理实验柜、高温材料科学实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等多台空间科学实验柜逐一亮相。
与地面不同，空间站里的科学装置不全是“站”在舱内的，而是360度环绕摆放。来自北京市翠微小学六年级的孙同学对朱杨柱头顶的“太空炼丹炉”印象深刻。“这个‘太空炼丹炉’可以通过高温创造出全新的材料，像魔法一样神奇。”
“太空炼丹炉”指的是高温材料科学实验柜。受微重力环境影响，其炉温可高达1600摄氏度，便于开展各种新型材料的研究制备。
朱杨柱透露，第一批在“炼丹炉”中接受高温考验的材料，已经跟随神舟十五号返回地面。“其中有一种半导体材料具有非常好的柔性性能，非常适合制作新型的晶体软电子器件，有希望推动我们半导体技术的进步和升级换代。”朱杨柱说。
“同学们，你们知道世界上最冷的地方在哪里吗？”桂海潮提问。
冰火两重天，答案就在“太空炼丹炉”的旁边——超冷原子物理实验柜。“它可以制备出地面无法实现的温度，接近绝对零度的超低温物质，这种物质的原子会呈现特殊的状态，更好地探索量子力学的奇异世界。”桂海潮说。
专业性更强，受众面更广，为“天宫课堂”注入新活力
太空微重力环境是物理学的天然实验室。“天宫课堂”进入实验环节，来自北京航空航天大学实验学校中学部的初二学生段希知提出了第一个问题：“刚才听您介绍了燃烧科学实验柜，我觉得生活中的燃烧现象很常见，我很好奇微重力环境的燃烧会和地面有什么不同吗？”
桂海潮和朱杨柱在轨演示球形火焰实验，与此同时，在地面主课堂，北京航空航天大学宇航学院副教授张晓天同步点燃一支蜡烛。只见，在空间站中，蜡烛的火焰呈近似球形；而地面状态下，蜡烛的火焰呈锥形。
为什么会有这样的天地差别呢？桂海潮解释，这是因为在地面有重力作用，燃烧后热气上升、冷气下降，形成了浮力对流，因此蜡烛的火焰呈锥形。而在空间站里，微重力环境几乎消除了这种浮力对流，燃烧后的气体向各个方向运动的趋势相同，因此不管蜡烛的方向朝向哪一个方向，它的火焰都呈近似球形。
柴振业是北京航空航天大学计算机专业的大二学生，平时就对航天科学有着浓厚兴趣。“无论是动量守恒实验还是角动量守恒实验，背后的知识原理我都有所了解，但在地面没法实现，只能想象。‘天宫课堂’让想象成真。”柴振业说。
在角动量守恒实验中，桂海潮拿出了一个质量达3千克的大陀螺。这个陀螺可以纵向旋转，两侧装有握柄。桂海潮飘在空中，先握住静止的陀螺，左右手交替抬高、放下，身体姿态并没有变化。当朱杨柱让陀螺快速自转起来时，“奇迹”发生了：桂海潮改变陀螺方向的同时也实现了转身。
“高中物理告诉我们力是物体动量发生改变的原因，到了大学，同学们会学习到力矩是物体角动量发生改变的原因。”桂海潮说，陀螺静止时角动量为零，陀螺快速自转时则具有了较大的角动量。改变陀螺方向时其角动量产生显著变化，跟手产生了较大的反作用力矩，让他轻松实现转身。
空间站也是用同样的原理在太空“转身”。“同学们可以把我的身体想象成空间站，把双手和手中的陀螺看作空间站使用的一种特殊装置——控制力矩陀螺。”桂海潮说，这个装置能实现“四两拨千斤”，仅需总重量几百千克的陀螺，就能让重达近百吨的空间站在太空中自如转身。
与此前“天宫课堂”相比，这一次专业性更强，受众面也更广。张晓天告诉记者，角动量守恒原理对航天技术发展影响深远，是北京航空航天大学飞行器设计专业的高年级本科生乃至研究生的“必修课”。“以往太空授课主要面向中小学生，这一次我们前期筹备时就考虑到把大学生纳入进来，为‘天宫课堂’注入新活力。”
中国空间站肩负普及科学知识、播种科学梦想的使命
9月21日下午2点半，距离“天宫课堂”开讲还有1个多小时，来自北京市和平里第九小学的同学们早早来到地面主课堂。下课后，该校五年级的王同学告诉记者，“有趣”是他最大的感受。“我最喜欢用乒乓球拍打‘水球’的实验。普通球拍能粘住水球，但用干毛巾包住的球拍却弹开了水球，我还以为它会把水球吸进去呢。”
2013年6月20日，中国人第一次把课堂搬到了太空。在“天宫一号”，神舟十号航天员王亚平在聂海胜、张晓光协助下进行了首次太空授课。
10年来，中国载人航天工程发展始终与科普教育紧密相连。中国空间站是国家重要的太空实验室，也是太空科普教育基地，肩负着普及科学知识、播种科学梦想的使命。
“空间站上能看见太空垃圾吗？针对太空垃圾，空间站采取了哪些防护措施？”“太空中没有明显的参照物，请问航天员是怎么判断空间站的姿态和轨道发生变化的呢？”……在天地互动环节，地面课堂的学生纷纷提问。
每一个问题背后，都是一颗求知好奇的心，都是一粒科学与梦想的火种。“航天员老师是我的榜样，也许有一天，我也能上九天揽月！”北京航空航天大学实验学校小学部六年级学生李柏萱说。（记者柴雅欣）
