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6月25日上午,學校給我們放映了神舟十號宇航員王亞平、聶海勝、張曉光在天宮一號實驗艙里面的授課錄像。
錄像放映了王亞平姐姐在船艙中做的各種神奇的“魔術”:她拿來一個普通的陀螺,松開手,陀螺竟在空中漂浮了起來!接著,王亞平姐姐又用手指輕輕地碰了一下它,給了它一點兒干擾力,本來靜止的陀螺現在在翻滾著向前運動。而上了發條的陀螺則不同,它是轉動著向前移動的,真是有趣!
接著,王亞平姐姐拿出了一個宇航員喝水用的飲水袋,并把止水夾打開。不尋常的事情發生了:飲水袋里的水并沒有流出來,而是就像止水夾沒打開似的靜止不動。原來,在天空失重壞境下,水是不會自己流出來的。然后,她又擠出了一個小水滴,更加神奇的事情發生了:水并沒有作為液體流出來,而是凝成了一個小水滴,在空中漂浮著。為了避免水滴到處亂飛,王亞平姐姐用一個獨特的方式將水滴“解決”了:她張開嘴,慢慢地靠近水滴,然后猛地一口,將水滴“吃”掉了。
“太空授課”的主講人為女航天員王亞平。聶海勝輔助授課,張曉光擔任攝像師。在大約40分鐘的授課中,航天員通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球5個基礎物理實驗,展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象。他們講解了實驗背后的物理原理,并通過視頻與地面課堂師生進行互動交流。
筆者在網上下載了這節課的視頻播放給學生看,雖然不是直播,但學生們非常感興趣,興致盎然地回答提問,參與討論,伸長了脖子觀看每一個實驗,課堂氣氛熱烈輕松。真沒有想到非專業的物理教師把課上得如此生動有趣,深入淺出。筆者從一個物理教師的角度來談談這節太空授課的教育藝術和魅力。
一、語言藝術
語言是人們交流思想、傳遞信息、表達情感的工具。教師的語言應追求思想性、科學性、藝術性的統一。蘇霍姆林斯基說:“教師高度的語言修養,在極大程度上決定著學生在課堂上腦力勞動的效率。”聲情并茂的語言會讓學生身臨其境,簡明、準確、層次清楚、富有邏輯性的語言引人入勝,機智風趣的妙語能使大家有會心的歡笑和領悟。下面我們來看看“太空授課”的語言藝術和魅力。
1.清亮、明晰、舒緩、流暢,具有親和力和感染力
整節課,主講人女航天員王亞平精力充沛,面帶微笑,聲音清脆而又甜美,舒緩而又流暢,和學生交流極具親和力,例如:“怎么樣,很厲害吧?在太空失重環境中,我們個個都像是身輕如燕的武林高手。”“嗯,這是一個非常有意思的問題,這樣吧,讓我首先來給大家表演一個雜技。”“同學們,你們看到這個可愛的、漂亮的小水滴,有沒有想到晶瑩剔透這個詞呢?我真想多做幾個,把它們穿成一串水晶項鏈,送給你們。”“你們看,這個水球像不像是一個透鏡,透過它,你們還可以看到我的倒影呢。” 還有網絡熱門語言“見證奇跡的時刻到了”等。王亞平富有情感的語言感染了學生和觀眾,激勵和鼓舞了學生學習的熱情。
2.簡明、準確,具有科學性和思想性
某學生提問:“請問您看到的窗外景色和地面上看到的有什么不同嗎?能看到UFO嗎?星星還會閃爍嗎?”王亞平答:“透過舷窗,我們可以看到美麗的地球,還看到日月星辰,但是到目前為止我還沒有看到UFO。由于我們處于大氣層之外,沒有了大氣的阻擋和干擾,所以我們看到的星星格外明亮,但是看到的星星就不會閃爍了。同樣,由于沒有了大氣對光的散射作用,我們看到的天空不是藍色的而是深邃的黑色。另外呢,我要告訴你們一個很奇妙的現象,就是現在我們每天都可以看到16次日出,因為我們每90分鐘就可以繞地球一圈。” 回答的語言簡明、準確,還科學地回答了星星不會閃爍、天空不是藍色、可以看到16次日出的原理。王亞平用富有思想性的語言描述在太空中看到的新奇景象,進一步激發了學生對太空的興趣,點燃了學生探究科學奧秘的熱情。
3.形象、直觀、生動幽默,具有趣味性和啟發性
教學過程中,教師多處引用成語,例如:“懸空打坐”“大力神功”“身輕如燕”“晶瑩剔透”等,通過比喻、擬人、對偶、夸張等修辭手法使語言形象、直觀,這樣可以使物理化抽象為形象,化枯燥為生動,使大家迅速獲得感知。她還引用詩句“飛流直下三千尺”,使大家立刻想起在地面上在重力作用下水流的場景。
夸張的語言與實際的反差形成了幽默,增加了課堂的趣味性。王亞平說:“哎,我還有‘大力神功’呢。”她用一根手指輕輕一推,聶海勝飛了出去。(鼓掌)“在太空失重環境中,我們個個都像是‘身輕如燕’的武林高手。”“水的表面張力就會大顯神威。”這些幽默夸張的語言也揭示了王亞平擁有“大力神功”和變成“武林高手”的秘訣,也隱約說明水的表面張力為何失去威力,語言具有啟發性。
最后她用了一句對偶“飛天夢永不失重,科學夢張力無限”,既點明了上課的主題失重、張力,又寓意雙關勉勵大家。
亞平老師雖然不是蜜蜂,但是她的語言卻像蜜糖一樣黏住了學生,滋養著學生,給人以甜美的享受。
二、實驗設計獨具匠心
1.利用實驗情景引入―生動有趣
“太空授課”一開始宇航員以自己為道具做了兩個演示實驗 :指令長聶海勝給大家表演一個中國功夫片影迷所熟悉的雙叉打坐姿勢“懸空打坐”,王亞平表演了“大力神功”―用一根手指輕輕一推,聶海勝飛了出去。在太空失重環境中,大家都成了功夫大師。從學生和觀眾熱烈的掌聲中可以看出,生動詼諧的實驗,一下就把大家帶進太空失重環境中,吸引住了學生,激發了學生的興趣。
2.空中微型實驗―新奇有趣
“太空授課”的實驗大多選用了微型實驗,如彈簧稱物重、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球,實驗儀器簡單易操作,貼近生活,使學生感到親切、真實。但是在太空環境中,大家所熟悉的實驗現象不見了,出現了新奇有趣的現象。例如:太空中的單擺不擺了,給小球一個很小的初速度,它也能繞擺軸做勻速圓周運動。又如:小水滴成球狀在空中飄浮,王亞平張嘴把飄浮在空中的水滴吃了進去,這個奇妙的畫面引起地面課堂上學生的一陣驚嘆。這些意料之外的神奇現象大大激發了學生的求知欲,也有利于學生的主動建構。
3.對比實驗―在視覺沖突中激疑,在激發思維后釋疑
空中課堂中的實驗大多以對比的方式呈現,有天地對比,如彈簧稱物重、彈簧振子的振動頻率、單擺運動,而且把天地的視頻放在一起直接對比播放,現象一目了然。在強烈的視覺沖突中激疑生惑,再對比這些微型實驗,實驗的儀器一樣,操作一樣,出現差別的原因就是太空是一個失重的環境。根據差異法可以解釋失重是產生這些不同現象的原因。又如陀螺有很好的定軸性,大多數學生對此比較陌生也難以理解。巧妙運用轉與不轉的陀螺進行對比實驗,直觀清晰地說明了這一難點。
4.一物多用的系列實驗―節約高效
利用現有的器材,進行盡可能多的實驗,顯示更多的實驗現象,充分提高器材的利用效率,挖掘實驗潛力,既降低了成本,又節約了時間。比如:利用彈簧和重物做了兩個實驗,彈簧稱物重,彈簧和重物構成了彈簧振子,由振動的頻率可以測物體的質量。又如:利用水做了一組實驗,從失重的小水滴到水膜的表面張力,再到水球中液體的擴散,在最簡單樸素的水中,流淌出不一樣的神奇,令人嘆為觀止。
5.小實驗中的高科技―由科學到科技,學以致用
陀螺是大家熟悉的玩具,這種普通使它好像與高科技是絕緣的。然而有很多高科技設備都是用陀螺組合來定向,在宇宙飛船上,也安裝了不少利用陀螺的定軸性原理制作的儀器,用來測量航天器的姿態。看似簡單的玩具卻蘊含了高科技的原理,進一步拓寬了學生的視野,使大家體會到物理學的強大生命力,更好地體現物理學的巨大價值,激發出學生學習科學技術的內在動力。
6.高科技中的大智慧―簡單巧妙
在太空中用質量測量儀這一高科技儀器來測質量,其原理卻是大家都知道的牛頓第二定律,用普通的、基本的原理設計測量儀器,簡單可靠又很巧妙,讓學生體會到高科技中的智慧其實是簡單樸素的,科技含量很高,卻很親近。
三、互動交流
1.師生互動―遠在天邊,近在眼前
(1)距離近:雖然航天員在太空中授課,通過同步通訊技術,進行視頻通話,傳播實時畫面,他們仿佛就在我們身邊,高科技拉近了空間的距離。
(2)情感近:雖然是陌生的教師第一次在遙遠的太空上課,但是教師親切的語言,微笑的面容,真誠的交流,拉近了彼此的距離。我們不是在聽一個老學究做科學講座,好像是在和學長請教談心。
2.課堂交流―實驗碰撞思維,提問深化思維
課堂上,要讓學生的思維動起來,單純的說教是蒼白的。“太空授課”是用大量的實驗展示直觀現象,構建情景,起疑生惑,再用精心的問題設計激發思維,讓學生的大腦“動”起來,巧妙地利用實驗和問題設計啟動思維、激發思維、拓展思維。比如:在太空如何測量質量的教學設計中,首先以“懸空打坐”“大力神功”演示實驗創設失重的情景,用“在太空中失重了,是不是也失去了質量”自然轉到如何測量質量。接著提出問題:“在生活中你們都是怎樣來測量物體的質量呢?”學生提出的方案,在太空中行不行呢?用彈簧測物重的比較實驗回答了這個問題,演示了在太空測質量的實驗,激發了大家的好奇心。最后通過比較實驗演示兩個彈簧振子振動頻率不一樣,我們可不可以利用這一現象設計出一種測質量的方法呢?為學生的進一步思維打開了一個窗口。
3.網絡平臺―多方位多角度的互動交流
(1)課前,中國載人航天工程網面向全國青少年舉辦了“我問航天員”―太空授課大型問題征集活動。學校也在學生中征集了想向航天員提出的問題。這樣的課前交流抓住了大家感興趣的話題,使得“太空授課”更加有目的性和針對性。
(2)課后,可以在網絡上下載重復觀看視頻,看不同媒體多角度的報道,也可以發表自己的觀點,進行討論,讓大家有多重視角來品味空中課堂。
四、感悟教育理念
1.STS教育
STS 教育理念是(Science Technology Society)的縮寫,是研究科學、技術、社會三者關系的復雜而系統的學科,其核心是強調知識與實踐的結合,從實踐應用的角度去教授和學習知識。
新一輪的物理課程改革中,把“從生活走向物理,從物理走向社會”作為課程改革的基本理念之一,將物理教學與STS教育有機結合起來,真正實現知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三位一體的新目標。
人教版課本把“航天事業改變著人類生活”作為典型的STS案例寫進必修2,本身“神十”上天,“太空授課”同步轉播就是科學技術的成功應用,而且影
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響著我們的社會生活。航天器是一個高科技的微重力實驗室,航天員給我們展現了微重力環境下的各種神奇現象。在課堂上王亞平重點介紹了利用普通玩具陀螺的定軸性設計定向系統的原理,又簡要介紹了如何利用太空資源做科學研究,比如在失重環境下,我們可以獲取結構更加均勻、完整,尺寸更大的半導體晶體,開展材料的基礎研究,通過對比天地的差異,來優化和改進地面的生產工藝。再比如,在失重環境下,冷原子鐘的頻率穩定度會大大地提高,可以用于未來的高精度衛星導航定位系統。適度的拓展鏈接,加強應用科學的教育,讓學生認識科學的價值,有針對性地激發學生的學習興趣和創造力,增加知識的實際應用,拓寬學生的知識面和視野,為學生學好科學知識提供原動力。
2.從地球走向太空的人文思考
高科技已經讓我們實現了飛天夢,我們的腳步從地球邁向了太空,站在太空,俯瞰地球,我們自然會思考人類、地球、太空的關系。學生們提出了很多好的問題,例如:“在太空有沒有上和下的方位感呢?”“天宮的生活用水可以循環使用嗎?”“在太空中能看到太空垃圾嗎?天宮一號是否有應對太空垃圾的防護措施呢?”“您采取了哪些措施來應對失重環境對身體帶來的不利影響?”……“太空授課”給了我們“面對面”去了解太空生活的機會,激發大家去思考太空航行生活如何面對環保、節約、安全等問題。我們要從太空的高度再一次定位人與自然的關系了。
歡送樂開始了,大門開了,畢業生與老師·同學告別,各自走了,丁永徽回頭看了一眼,妹妹在向他揮手,他也揮揮手,又看了一眼學校。上了公交車。
--------------正文---------------
坐在公交車上,丁永徽望著窗外,他發著呆,想著妹妹和學校,他蒙朧中似乎感覺
到是在不想離開妹妹和學校。沒過多久,到了他要下的站了,他擠下車,四周望望,
在尋找他昨天聯系好的一家賓館。由于資金不足,只預定了一間一般的客房,倒不是因為家里條件不好,是這個月的錢,家里還沒匯到。其實他自己也可以打工的,不過家里讓他好好學就行了,家里有錢。
丁永徽在床上躺了一會兒,就起來去找工作了。剛出門,小黃打來電話,說要丁永徽在永勝街口等他。十分鐘后,小黃就來了。“永徽,我們去航天局找工作!”“哦?想通啦?”“嗯,這年頭,航天事業多好啊!”
“嗯,那走吧。”然后上了170公交車。來到航天局街上,天哪,那真是人山人海啊!
以前在地球上看起來非常遙遠的星星,這會兒仿佛就在自己身邊,由遠而近地向勇士號飛來,擦肩而過之后,再由近到遠,消失在身后。那情景簡直像一種奇異的煙花——盛開,消失,再盛開,再消失,源源不斷。
勇士號忍不住連連贊嘆:“美!太空太美啦!”
忽然,迎面飛來一個不知名的物體,這回可不是擦肩而過,而是直沖勇士號而來。勇士號渾身打了一個冷戰,迅速閃避,不明物緊貼著他的身子飛過去。
勇士號暗暗慶幸:“媽呀!這就是科學家說的太空垃圾嗎?乖乖,萬一被太空垃圾撞上,我就完了!”
記得當初飛離地球之前,科學家們在自己身邊有過這樣一番對話:“宇宙飛船最大的敵人是太空垃圾,它們是可怕的太空殺手,能給宇航員和航天器帶來致命的威脅!”
當時,勇士號還覺得好笑:“我這么強壯,還會怕一點兒垃圾嗎?”
現在,勇士號親眼看到太空垃圾,而且險些與之相撞,這才認識到這種“太空殺手”的可怕。“不要說那么大一塊不明物體,就是一粒小小的沙礫,那么快的速度,如果撞到我的身上,我也會身受重傷,甚至丟了性命呢!”勇士號不禁全身發抖。
頓時,勇士號提高警惕,瞪大眼睛,不敢有絲毫大意。
勇士號繼續向前飛行,忽然,他看見前面又飛來了許多奇怪的東西,他做好了閃避的準備,同時也想好好看看,那些太空垃圾到底是些什么東西。近了,近了……終于看清了:那是火箭助推器的碎片、報廢的衛星殘片、飛船的殘骸……
勇士號終于明白了一件事:太空垃圾不是來自太空,而是人類在探索宇宙的過程中,有意無意地遺棄在宇宙空間的各種殘骸和廢棄物啊!
就在這時,忽聽“轟”的一聲巨響,只見兩塊碎片撞在一起,變成了更多的小碎片四處散開,有的飛進宇宙空間里,有的落進了地球大氣層。
勇士號一邊飛行,一邊心驚肉跳地躲避那些亂七八糟的東西,心想:“原來在太空中旅行會遇到這么多危險啊!如果我出了事、送了命,也會變成太空垃圾,永遠留在太空軌道中游蕩,這真是太可怕了!”
勇士號趕緊把自己的發現用信號發送回地球,他說:“地球上的人們啊,你們再也不要制造太空垃圾了!再也不要像破壞地球一樣破壞太空了!發展航天事業也要注意環保啊!”
【知識小貼士】
什么是太空垃圾?
太空垃圾是指在繞地球軌道上運行,但不具備任何用途的各種人造物體。
太空垃圾來自于因壽命已盡而報廢,或因事故、故障而失控的人造衛星,發射各類航天器時使用過的火箭本身及其一部分零件,多級火箭分離時產生的碎片,大塊碎片相互碰撞后產生的小碎片,甚至還有宇航員遺棄的手套和工具等物品。
當航天員王亞平在天宮一號內通過加水將薄薄的水膜變成一個亮晶晶的大水球時,她儼然已化身為一名超級魔法師,帶領全體師生走進神奇而美妙的太空,身臨其境地感受著太空的魅力,并留給他們無限的想象和無窮的回味。與地面師生的“天地對話”更是增加了學生們的現場參與感,也讓更多人見識到現代遠程互動課堂的魅力。
毋庸置疑,“太空授課”開闊了學生的眼界,激發了他們對學習科技知識,探究未知宇宙的熱情,點燃了孩子們的科學夢。在其成功的背后,航天科技的發達和數據傳輸技術的穩定、快捷提供了有力的保障。據了解,此次“太空授課”通過天鏈數據“中轉站”傳送雙向實時授課畫面,并實現天地之間的視頻提問和回答。這對信息技術教學應用的有效性是多么有力的詮釋。
“太空授課”的成功也值得我們反思:我國基礎教育信息化搞了這么多年,為何效果并不顯著?為何只能作為輔助教學的手段和工具而為教師的教學“錦上添花”,更有時被認為是“畫蛇添足”,甚至是“幫倒忙”?
關鍵在于我們之前過于迷信信息技術的多媒體表達功能,囿于傳統教育模式,只著力于幫助教師更好地呈現教學內容,最終往往把“人灌”變成了“機灌”。如果我們的教學理念不從信息技術支持的下“教”向信息技術支持下的“學”轉變,如果我們只見技術不見人,尤其是長期忽視教學的主角——學生,信息技術這一先進生產力,其變革教與學生產關系的作用將永遠得不到發揮,信息技術在教育中的地位也將永遠只限于輔助教學的手段或工具。
正如山東省淄博市電化教育館館長李光良在文中所言:教育信息化,根本不在于設備和資源量的多少,也不在于速度和效率,而在于對傳統教育發展瓶頸突破的程度。這需要我們敢于在教育的難點問題上發揮信息技術“先進生產力”的變革作用,所以我們策劃了這期選題《破解教育難題的戰略選擇③——現代信息技術助力提質“減負”》,從引入信息技術的全新視角,嘗試破解長期困擾中國教育的“減負”難題。
當然,我們也欣喜地看到,已經有許多教育工作者認識到了這一點,并開展了卓有成效的創新實踐。這從本期“新思維”、“教與學”和“2013′征文選登”等欄目的文章中已有鮮明的體現,我們將繼續關注和鼓勵這些寶貴的理念與實踐,引領教與學模式的變革。5月底在北京大學成功召開的GCCCE2013大會,積極倡導“知行合一 融會創新”的理念,這一理念與本刊的一貫宗旨是一致的。本期,我們選登了兩篇GCCCE大會優秀獲獎論文,展現學術領域對于計算機教育應用的理論與實踐創新。
教育信息化未來的路也許還很漫長,但只要找準了方向,就要義無反顧地前行。本刊將與您攜手并肩,一路同行!
歡送樂開始了,大門開了,畢業生與老師·同學告別,各自走了,丁永徽回頭看了一眼,妹妹在向他揮手,他也揮揮手,又看了一眼學校。上了公交車。
--------------正文---------------
坐在公交車上,丁永徽望著窗外,他發著呆,想著妹妹和學校,他蒙朧中似乎感覺
到是在不想離開妹妹和學校。沒過多久,到了他要下的站了,他擠下車,四周望望,
在尋找他昨天聯系好的一家賓館。由于資金不足,只預定了一間一般的客房,倒不是因為家里條件不好,是這個月的錢,家里還沒匯到。其實他自己也可以打工的,不過家里讓他好好學就行了,家里有錢。
丁永徽在床上躺了一會兒,就起來去找工作了。剛出門,小黃打來電話,說要丁永徽在永勝街口等他。十分鐘后,小黃就來了。“永徽,我們去航天局找工作!”“哦?想通啦?”“嗯,這年頭,航天事業多好啊!”
“嗯,那走吧。”然后上了170公交車。來到航天局街上,天哪,那真是人山人海啊!
將科幻實現
用一根粗大的吊索,一端固定在位于地球赤道的平臺上,另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米的地球同步軌道航天器,就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空……這就是研究人員正在嘗試設計的太空電梯。它似乎很玄妙,然而在科技高速發展的今天,只有想不到,沒有做不到。
太空電梯的概念最早由俄國科學家齊奧爾科夫斯基于1895年提出。此后,俄國早期太空預言家弗雷德里克·塔斯安德爾也提出在地球與月球之間搭建一個用一根6萬米繩索連接的太空電梯。1979年,著名科幻大師阿瑟·克拉克的小說《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念,并引起廣泛注意。2003年9月15日在美國圣達菲召開的研討會上,俄羅斯和美國70多位科學家和工程師們對太空電梯進行了討論,一致認為它將在21世紀內變成現實。這個曾被視為科學幻想的革命性工程近些年有了較大進展,并有多種方案。
美國電梯港集團公司正在研制的太空電梯可以一次運送30名乘客,在6個小時內抵達距地面10萬千米高的太空,每磅貨物運輸成本不過數百美元,而運載火箭的每磅成本高達7 000美元。一旦建成,現今地球上運程最長、達800多米的迪拜塔電梯無疑將被遠遠甩入塵埃,傳統的運載工具——火箭也面臨被淘汰的威脅。
俄美各有神通
目前,俄羅斯和美國都在研制太空電梯,他們基本思路一致,僅在運送方向上不同,俄羅斯首先考慮如何從太空往地球運回物資,而美國提出的太空電梯重點是從地面向太空運送物資。
俄羅斯擬在月球表面建立永久性基地,然后用太空電梯將貨物運至月球基地或者運回地球。此太空電梯設計由人造衛星、宇宙飛船、有效載荷艙以及細長堅韌的特種索道組成。
俄羅斯曾受歐洲航天局委托建造一部可以把太空物資直接從“國際空間站”運回地球的太空電梯。設計中由特別材料制成的纜繩雖長,但質量不超過6千克,進入大氣層后,纜繩將燒毀,而貨物依靠自帶的氣球繼續落向地球。但由于資金等原因,該項目現已被擱置。
美國西雅圖高電梯系統公司的太空電梯項目目前進展順利,其核心部分是一條距離地球的表面近10萬千米長的纜繩。其靠近地球的一端擬固定在位于太平洋中部某地的基站上,另一端將連接到充當平衡錘的一個繞地球運行的物體上。其本身具備的動力能使纜繩繃緊,從而使飛行器能夠上下穿梭。
由于纜繩承受地心引力和離心力的雙重拉扯,因此需用又結實又輕的的材料。美國科學家設想使用像鉆石一樣強韌但又有很強的彈性的納米碳管。從理論上講,一束由10億條納米碳管制成的纜繩大約1米寬,可薄如紙片,便足以負載太空電梯。科學家認為,用碳納米管制成纜索可以從近地衛星(甚至月球)懸掛到地面,不會因自重而斷裂,可以構建太空電梯。
日本雄心勃勃
日本計劃從距離地球赤道地面3.6萬千米的地球靜止軌道衛星上垂下一條納米材質的電纜,再安裝升降電梯,構成太空電梯。為避免地球靜止衛星因太空電梯太重被拉回地面,衛星同時將架設另外一條電纜懸浮在太空中,以平衡太空電梯承受的地球引力。這樣,電纜的總長度將達到10萬千米。
建造太空電梯的最大障礙在于纜繩的制作。它必須非常輕,且極其牢固,并能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。從理論上計算,制作纜繩的材料強度必須達到鋼鐵的約180倍。納米材料問世以來,科學家不斷開發出質量輕、強度高的碳納米管纖維材料,現有纖維材料強度已經達到了所需強度的約1/4,人們開始相信太空電梯真的有可能走出科幻小說,成為現實。1991年,日本名古屋名城大學的飯島澄男用通電的碳煤煙研制出一種名為巴基球的特殊原子結構,它的密度是鋼的1/6,而強度卻是鋼的100倍。一根像縫衣線大小的碳納米管就能承受一輛汽車的重力。
電梯在向太空爬升過程中的動力問題也是一個巨大的挑戰。日本擬采用新干線列車技術來解決太空電梯進入太空的動力問題。日本太空升降艙協會有關負責人不無樂觀地說:“希望未來就像出國旅行一樣,人人都可以坐著太空電梯上太空。”預計,日本的太空電梯工程總建設費用將達到1萬億日元。
2012年2月22日,日本大林建設公司宣布,將在2050年建成太空電梯。該公司計劃建造的太空電梯將采用比鋼鐵強韌20倍的納米碳管,長約9.6萬千米,固定在地表一個定點上,然后利用地球自轉的離心力拋出去,另一頭系著一個起平衡作用的鉛墜。電梯纜線的中間部位設有空間站,站內將建設實驗設施及居住的空間。該電梯可供30人乘坐,時速約200千米,預計要一個星期左右才能抵達高度達3.6萬千米的空間站。
太空電梯的奧秘與功效
太空電梯的原理并不復雜,將一條長長的纜繩一端固定在地球上,另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛星或空間站)上,在引力和向心加速度的相互作用下,纜繩被繃緊,太空電梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動。聽起來不復雜,但如何構建它呢?
首先,要在大洋中建造一個漂浮的平臺,盡量選擇暴風雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠離飛機航線和衛星軌道。同時,發射卷有纜繩的衛星,讓纜繩的一端借助重物墜回地面,最終與地面平臺相連接,另一端伸向外太空并使其展開。接著,將履帶軌道固定在纜繩的兩端,并且依靠從地面發射的激光轉換成的電能作為動力加以推動。將纜繩周圍包裹上管道,電梯借助磁懸浮技術在管道內沿吊索的兩面上下對開。乘客和各種貨物可以乘坐太空電梯沿管道升降。
當然,除了載客和運送貨物,太空電梯還可用于發射航天器。乘人的太空電梯是密封的,如用于發射衛星,還需使電梯可定點暫停并可自動開關門。發射低軌道衛星時可使衛星沿太空電梯上升,到達預定高度時釋放,這時衛星已經獲得一定的切向速度,再補充一定速度便可。在衛星隨太空電梯送到地球靜止軌道高度時,釋放后就獲得了沿靜止軌道運行所需要的3.08千米/秒速度,不需要另外加速就成為地球靜止衛星。如果加大補充速度,還可以使衛星脫離地球,飛向行星際空間。
如今,發射航天器的主要工具是運載火箭,通過消耗大量燃料產生推力得以擺脫地球引力。目前運載火箭所攜帶的燃料要占到火箭總重量的90﹪以上,每運送1千克有效載荷平均耗資約1萬美元。太空電梯雖造價昂貴,但不需大量燃料,建成后運行費用會比運載火箭低兩個量級,且可像高速公路一樣24小時運轉,將航天器和旅游者帶到太空去。英國一項測算顯示,用太空電梯運送人或貨物的費用僅相當于用航天飛機運費的0.25﹪。
太空電梯還能在空間太陽能站的建設中發揮重要作用。隨著地球人對能源需求的不斷增加,空間太陽能站有可能成為最具吸引力的獲取能源的方式。用火箭發射空間太陽能電站時會產生振動,而且要求有效載荷必須能夠承受發射時的壓力,所以傳統發射方式并不適合把大量易碎的太陽能電池板送入軌道,而相對緩慢上升的太空電梯則可解決這一難題。
想說愛你不易
太空電梯有了理論基礎和科學依據,但還要面臨一系列非常復雜的工程問題,最大的挑戰在于能否以低成本,大規模地生產出納米碳管。目前來看,納米碳管還只是毫米級制品,距實用差距甚遠。理論上,用納米碳管材料造出的直徑為1毫米的碳納米繩可以承載60噸的重量。然而迄今為止,科學家仍然無法用碳納米管編織出可支撐太空電梯運行重量的1米寬的長纜繩織物。此外,每克碳納米管價值500美元,一條10萬千米長的碳納米纜繩造價十分昂貴。同時還要考慮,向太空發射各種電梯建設材料花費巨大,且如果太空電梯因嚴重事故崩塌,損失驚人。
當太陽風向太空電梯施加壓力時,月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙。為此,太空電梯必須在內部建造推進器,以穩定致命的搖擺振動,但這又將增加建造的難度和維護成本。有關專家認為,地球磁場可自然削弱太空電梯的搖擺振動,用活動錨也可控制繩索搖擺,但迄今均未能驗證其有效性。
地球外層距離地面1 000~20 000千米的區域分布著一條強度很高的輻射帶,在穿越該區域的過程中,太空電梯的乘客可能會受到致命的輻射。尤其太空電梯的爬升速度很慢,一般不超過200千米/小時,乘客將有相當長的時間處于輻射區域。有一種解決方案是在太空電梯外部建造一個防護層。但這會使太空電梯變得異常笨重和復雜,難以克服地球引力的影響。還有科學家提出可在太空電梯周圍構建一層人造磁場,可有效抵御各種危險的射線。但此舉會嚴重削弱太空電梯的升力,導致向太空運送物資和人員的能量消耗大幅度增加。
面對這些難題,地球太空電梯短期內恐難開工,仍停留在美好的藍圖階段,但月球太空電梯卻有可能先問世。
先在月球上實現
美國科學家皮爾遜奇思妙想,制定了一個月球太空電梯方案:與相對于地球的太空電梯類似,在月球同步軌道衛星和月球表面間建立一個“升降機”,“升降機”由人造復合纖維纜繩拴住,衛星則好像飛翔在太空中的風箏。皮爾遜認為這一設想在理論上是可行的,因為月球引力只有地球的六分之一,依靠目前科技水平制造的合成纖維纜繩已經足夠滿足承擔運輸工作的強度要求。同時,在月球周圍也不存在廢棄的火箭推進器、衛星以及其它太空垃圾所帶來的危險,又使這一計劃免除一項后顧之憂。
也許有人會覺得皮爾遜的想法過于瘋狂,但美國航空航天局的先進概念研究所卻不這么認為。這家獨立機構2004年就資助皮爾遜7.5萬美元支持其設計月球太空電梯。
現在,美國電梯港集團公司又提出月球太空電梯的實際方案:從月球上空5萬千米處垂向月球表面一部月球太空電梯,其纜繩的一端固定在月球表面某個面朝地球的地點。因為月球的引力小,且基本沒有大氣,所以可大大降低對纜繩強度的要求,只需使用一種名叫“柴隆”的高強度、高耐熱性復合纖維,就能實現打造月球太空電梯的夢想。
【關鍵詞】太空科幻片;主題;類型特征
中圖分類號:J905 文獻標志碼:A 文章編號:1007-0125(2017)05-0162-01
《星際迷航》中的一句臺詞:宇宙,最后的疆域。界定了太空科幻片的類型空間。然后我們發現幾乎從電影誕生之日起便產生了科幻電影,從1902年喬治?梅里愛的《月球旅行記》開始,直至今天好萊塢的科幻大片成為統治全球電影市場的霸主。
一、概念及范圍界定
《電影藝術詞典》如此定義科幻片:“以科學幻想為內容的故事片。其基本特點是從今天已知的科學原理和科學成就出發,對未來的世界或遙遠的過去的情景做幻想式的描述。其內容既不能違反科學原理憑空臆造,也不必拘泥于已經達到的科學現實,創作者可以充分展開自己的想象。”[1]
科幻片的含義廣泛,可以包括機器人科幻、生物科幻等諸多內容,而本文所提到的太空科幻片屬于科幻片的一個子類型,類型界定主要以電影所呈現的空間為標準。太空科幻片具有如下共同特征:以探索太空為主題,在視覺上展示地球以外的太空環境,在時間上指向未來,常借助科技文明的代表成就如宇宙飛船等。
二、太空科幻片的主題與心理模式
(一)主題多樣。科幻片主題繁多,有探索太空,有救贖,有從哲學高度觀照人類發展,有借科幻隱喻現實社會,有烏托邦與反烏托邦設置,反戰甚至是反科技都可以找到對應的影片。太空科幻片可以以太空探索為主題,也可以借助太空背景展示社會主題。
(二)心理模式。探索的欲望和對未知的恐懼構成了太空科幻片的基本觀賞心理。我們總是渴望了解未知,在探索的過程中,太空瑰麗的景象作為視覺奇觀也總是能滿足我們某種獵奇的心理需要。有多少幻想,就有多少恐懼。宇宙世界是黑暗的,并且是不為我們所了解的,對于這種未知的空間和黑暗我們會產生深深的恐懼感,所以在科幻片中常常會設置我們對于恐懼的誘發因素。這些因素往往帶有某種神秘色彩,既可以是外在的,比如外星人入侵,也可能是人類內部的,如人工智能的失控。
三、太空科幻片的類型特征
美國學者赫伯特?弗蘭克曾對科幻片下過這樣的定義:“科幻電影所描寫的是發生在一個虛構的,但原則上是可能產生的模式世界中的戲劇性事件。”[2]我們可總結為三點:虛構故事、基于科學本身、戲劇性的情節。正是在科學基礎上的幻想所創造的世界給予觀眾亦真亦幻的體驗。
(一)電腦特技承載科學幻想
電腦特技在科幻片的制作中發揮了巨大的作用,創造了許多令觀眾嘆為觀止的視覺畫面,呈現了紛繁的視覺特技效果,也因此形成了科幻片的藝術特色,構成了科幻片的視覺圖譜。由于科幻類型本身的視覺需求,早期科幻片的拍攝帶動了特技的產生,如“二次曝光”、“停機再拍”、“模型攝影”等攝影特技使電影成為創造幻景的媒介。今天的科幻片已經可以借助數字特技、CG技術創造以假亂真的太空景象,歷年來的奧斯卡“視覺效果獎”也幾乎成為科幻片的專利。
(二)區別于其他類型的元素
1.人物設置:科學家/博士、非人角色。科幻片必須要塑造科學家形象,無論他們是否是主角。在《月球旅行記》中梅里愛親自扮演了把人送上太空的科學家,并且出現在一個類似于學術論壇的場景里,墻壁上鑲嵌著天象儀,黑板上畫著地球和月球的軌道示意圖。這些人物的設置都是為了讓影片的科學基礎顯得真實可信,從而使影片成為一部科幻片而不是魔幻片。
科幻片這一特定類型充分滿足了人類對于未來的想像,具體呈現出來就可能是外星人、機器人等。這種非人角色隨著類型的發展不斷進化著,這種人工智能在太空漫游時表現為一臺哈爾9000的電腦,在《星際穿越》里則是神勇的TARS機器人,其除了能夠變換外形之外,還擁有幽默的話語表達能力,成為了電影重要的笑料來源之一。
2.場景設置:模擬太空環境。美麗的藍色星球,無邊無際的星系讓觀眾一眼就可以辨認出太空科幻片,而對于太空環境和飛行器的展示也成為了觀眾的重要觀影期待。太空科幻片在展示宇宙奇觀時常常采用長鏡頭,正如有人批評庫布里克的太空漫游時說:三個小時的故事完全可以半個小時完成。長鏡頭能夠保證空g和時間的連續性,給人以真實感,同時其緩慢的節奏具有抒情意味,所以用長鏡頭展示太空再合適不過。太空科幻片由于其特殊的太空環境,在配樂的選擇上常常選用能體現節奏舒緩的音樂,例如能展現宇宙宏大的交響樂。
四、結語
太空科幻片延伸了美的領域,制造了無數視覺奇觀,展示了我們從未見到過的浩瀚宇宙。如今我們更加自信于電影技術,國產太空科幻片的未來值得期待。
參考文獻:
2013年6月20日10:04—10:54,在距離地面343 km的天宮1號,中國神舟10號飛船的3名航天員王亞平、聶海勝、張曉光為全國青少年上了一堂精彩的“太空一課”。這堂課由王亞平主講,其他2名航天員擔任助教和攝像。活動過程中,王老師開展了質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球5項實驗,展示了失重環境下物體運動、液體表面張力特性等物理現象,使中小學生了解失重條件下物體運動的特點,了解液體表面張力的作用,加深了對質量、重量及牛頓定律等基本物理概念的理解。300名中小學生與中學物理教師在地面課堂聽講,并與航天員進行了互動交流。從首都北京到祖國的四面八方,8萬多所中學、數千萬名師生通過廣播、電視和網絡直播,共同收聽、收看航天員太空授課,一同領略奇妙的太空世界。
實驗1:質量測量演示
“失重了,我們的身體質量是不是也沒有了?”
失重環境下怎樣測量質量呢?航天員用天宮1號上的質量測量儀現身說法。他們從天宮1號的艙壁上打開一個支架形狀的裝置,航天員聶海勝把自己固定在支架一端,王亞平輕輕拉開支架,一放手,支架便在彈簧的作用下回復原位。裝置上的LED屏顯示出數字:74.0,這表示聶海勝的實測質量是74 kg。王亞平向同學們解釋了實驗原理后,還給同學們布置了1道課后思考題:除了運用牛頓第二定律,還有什么辦法可以在失重環境下測量物體的質量?
實驗2:單擺運動演示
“太空中的單擺小球松手后會出現怎樣的情況呢?”
T型支架上,用細繩拴著1顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手,小球并沒有出現在地面上常見的往復擺動,而是停在了半空中。王亞平用手指沿切線方向輕推小球,給小球一個初始速度,奇妙的現象出現了,小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動。
實驗4:水膜演示
“天宮里有沒有飛流直下的瀑布?”
王亞平拿起1個航天員飲用水袋,打開止水夾,水并沒有傾瀉而出。輕擠水袋,在飲水管端口形成了1顆晶瑩剔透的水珠,略微抖動水袋,水珠便懸浮在半空中,與天宮1號艙壁上鮮艷的五星紅旗交相輝映,更顯得美輪美奐。接著,她把1個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中,慢慢抽出金屬圈,便形成了1個漂亮的水膜。輕輕晃動金屬圈,水膜也不會破裂,用力稍大才甩出1個小水滴。隨后,王亞平又往水膜表面貼上了1片畫有中國結圖案的塑料片,水膜依然完好。這些在地面難得一見的奇特景象,引起了地面課堂同學們的連聲驚嘆。
實驗5:水球演示
“用神奇的液體表面張力變個‘魔法’!”
王亞平用金屬圈重新做了1個水膜,然后用飲水袋慢慢地向水膜上注水,不一會兒,水膜就變成了1個亮晶晶的大水球,水球中還有一串珍珠般的小氣泡,仿佛銀河系中的繁星點點。王亞平用注射器向水球內注入空氣,在水球內產生了2個標準的球形氣泡,氣泡既沒有被擠出水球,也沒有融合到一起。水球也沒有爆裂。緊接著,王亞平又用注射器把少許紅色液體注入水球,紅色液體慢慢擴散開來,晶瑩透亮的水球變成了粉紅色,令人嘖嘖稱奇。
宇宙無限,探索無盡,不知不覺中,航天員們要和地面課堂的同學們說再見了。他們每人都為同學們送來了太空寄語——
聶海勝說:“愿同學們刻苦學習,增長知識,為‘中國夢’添彩!”
張曉光說:“深邃太空,奧秘無窮,探索無止境,讓我們共同努力!”
王亞平說:“飛天夢永不失重,科學夢張力無限!”
?太空授課活動的策劃與設計
電視和網絡是目前最有影響力的傳播媒體。中央電視臺作為中國國家級電視臺,是中國受眾最多、影響力最大的電視媒體。中央電視臺從授課活動策劃開始就高度關注、主動參與,并結合電視傳播的特點對授課的內容和形式提出了很多建議。在活動開始之前,進行了多角度的宣傳,吸引觀眾的注意。授課活動中進行了同步直播,并組織了多個專題節目,邀請著名科學家對此次活動的內容進行全方位地詳細解讀和闡釋,進一步拓展了授課活動的影響。中國眾多網絡媒體在互聯網上對活動的全過程進行了視頻直播,全世界的觀眾都可以通過網絡看到授課活動。網絡傳播使得授課活動的覆蓋面進一步擴大,并得以持續和多次傳播,使得很多沒有及時觀看電視直播的觀眾得以通過網絡觀看活動的視頻。此外,很多報紙、期刊也對授課活動進行了及時且翔實的報道。
為吸引青少年關注此次太空授課活動,今年3—5月,中國科協在全國范圍內舉辦了“全國青少年航天科技知識競賽”。競賽組織專家圍繞太空基本知識設計了競賽題目。全國30多個省區2 000余所學校的30余萬名青少年積極參與。中國載人航天工程網在授課活動前也舉辦了“我問航天員——太空授課大型問題征集”活動,收集中小學生對載人航天科技、航天飛行、空間科學及航天員太空工作、生活等領域的提問,征集到數千個相關問題。這些活動的開展為授課活動進行了預熱,激發了很多孩子對太空授課活動的好奇心,為授課活動作了知識上和心理上的鋪墊。
這次太空授課是一次成功的科學傳播活動案例。成功之處體現在:一是參與人數多。中國有6 000萬名中小學生及公眾通過電視和互聯網直播收看了授課活動,總共約有1億中國人觀看了這次授課活動。中國以外的中小學生和公眾也都可以通過互聯網觀看此次授課活動的視頻。二是效果好。授課內容形式生動有趣,給公眾留下了深刻的印象。航天員在太空中演示的5個實驗現象是地面上無法實現的,展示了太空失重環境下的有趣現象,王老師的講解輕松活潑,大大激發了中小學生和公眾的好奇心和求知欲,激發了青少年熱愛太空、探索太空的熱情。