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一位航天总师的“科普经”——科学家进校园,带孩子们“探秘火星”

作者:光明网

作者:贾阳(“天问一号”火星探测器副总设计师)

科研之余,我从事科普工作已经二十年了。

我觉得科普活动有几个不同的层次。举例说明:

第一,传递知识:第一宇宙速度为7.9千米每秒,第二宇宙速度为11.2千米每秒,第三宇宙速度是16.7千米每秒。

第二,讲清道理:明白这三个速度与哪些参数相关,前两个速度的计算过程经常被科普活动选用,第三个有点麻烦,即使是航天业内人士,也不见得都能自己推导出来,但是参加物理奥赛的高中选手应该都可以。

第三,理解规律:明白行星际航行中,这三个速度有什么用处。也许读者朋友有疑问,不就是环绕地球,离开地球引力场,离开太阳系所需要的最小速度吗?是的,但这个结论其实是有条件的。比如:从地球的南北极发射与从赤道发射航天器会导致什么区别?选择好火箭的飞行方向,在赤道上可以更好地利用地球自转的线速度,降低对火箭速度的需求。从火星发射探测器,这些速度数值又会发生什么变化?火星的第一宇宙速度和第二宇宙速度均会变小,但是两者之间的比值仍是0.707,这就是一个更本质的与具体行星无关的规律。

第四,尝试应用:在具体的科研活动背景下,使用学习到的知识和规律,解决现实问题,实现对知识的运用,了解知识的用处,甚至掌握科研活动的基础方法。

传递知识,讲清道理,都是学校老师的强项;理解规律,尝试运用,则需要科研人员、教师和社会机构共同努力,才能更好地带领孩子们踏入探索的大门。

科研人员了解学科发展的前沿,可以结合科研与工程项目,提出适合不同年龄段探索的题目。例如,笔者曾经结合大陆天问一号火星探测任务,提出分析不同大气条件下直射光、散射光对太阳能电池发电贡献这一研究课题,这在行业内部也不是一个有明确结论的研究课题。笔者带领同学们设计实验方案,制造简单的实验装置,测量不同大气条件、每天不同的太阳高度条件下,直射的阳光与大气散射光分别贡献出了多少电能,总结出规律,最后服务于火星车的设计。

通过这个小项目,同学们了解了学到的知识到底有什么用,增强了动手实践的能力,对科研工作的方法也有了一定程度的了解,更重要的是在探索的过程中,提出自己的疑问,经过分析、研究把疑问解决了,体会到了科研活动的成就感。

为了征集适合的科研项目,笔者尝试提出了一种方法:A+B。在两个不同学科领域的交集中,探索适合同学们研究的项目。

例如:航天+历史。中国古代有着辉煌的天文发展成就,史书上记载的很多天象观测记录早于其他文明,通过对天象的观察更是形成了至今仍在使用的具有中华特色的历法。了解古代历法的发展过程,与航天结合,可以形成一个探索性研究项目——为火星移民创造一部历法。火星人要不要有春节,一年几个月,一月多少天,一天对应多长时间,是不是也要有闰月,等等。

这是一个开放式的题目,本来就没有定论。类似的问题还有很多,比如去火星探索需要六名航天员组成一个乘组,这六个人的年龄、职业、性别、种族如何选择,是不是需要一个医生,特别是心理医生?有一次与同学们讨论这个问题,让我没想到的是,同学们一致推荐把他们的校长送往火星,问他们原因,他们只是不停地笑。

与航天结合更紧密的学科无疑是物理,笔者曾经尝试把物理中同学们刚刚学到的有关超导的知识与月球探测相结合,提出了月球城堡的设想。在月球的南极永久阴影区,温度很低,天然具备了一些材料产生超导特性的条件,那么月球的城堡是不是可以建在南极,利用超导原理储存能量,同时产生人造磁场防御太空中的带电粒子?这就把同学们学习到的知识,与潜在的科研应用场景结合起来,强化了同学们探索的兴趣。

总结这些实践,笔者提出一个想法:不同的年龄,不同的火星。从幼儿园到大学研究生,在不同的教育阶段与火星探测相结合都可以产生有趣的探索活动。

比如,请学龄前小朋友用勺子多次挖取暗红色的冰激凌,逐步挖出球形,看谁做得更圆。之后用火星图案的包装纸包起来,欣赏完之后,请小朋友吃掉它;针对小学生,可以选择精美的火星地貌图片以及探测器图片,切割成不同数量的小块,制作成火星图片拼图,一起玩拼图游戏;针对初中生,可以引导其用乐高积木制作火星车,装上电池可以前后运动,通过拼装了解火星车的内部组成及工作原理;针对高中生,可以设计火星体育用品,讨论在火星环境下进行体育比赛时,体育器材需要进行怎样的调整;针对大学生,可讨论移民火星会诞生哪些新的职业、工种,进而展开畅想,比如:对火星导游的要求与地球导游的要求有什么差别?还可请编程能力强的同学分析火星表面能看到哪些地球上看不到的天象奇观,等等。

总之,科普的初衷就在于引导青少年增强好奇心,主动学习知识,并将这些知识应用到解决问题的过程中,体会到探索的乐趣。

关于科普活动中的不足与教训,我觉得,对不同的受众一定要有不同的表述方式,不考虑受众的通用科普一般不会有很好效果;动手活动的吸引力远远高于讲述,即使是讲述也不建议在台上放一张桌子,桌子可能是科研与科普之间存在障碍的一个象征。当然,即使是最好的科普,也很难吸引所有孩子的关注,科普工作者对于这点一定要释然。

火星只是一个例子。广大科研工作者留心从自己的科研活动中提炼话题,与教育界有兴趣的人士共同探讨,就会在基础教育和高等教育中形成众多的探索性项目,提升科普活动的效果,让更多孩子瞪大明亮的眼睛,和我们一起去探索这个神奇的世界。

《光明日报》( 2022年09月27日14版)

来源: 光明网-《光明日报》

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