宇航員能不能在太空喝上熱茶，水怎麼加熱？
在太空中會有蛀牙嗎，牙疼怎麼辦？
蜘蛛在失重狀態下還能精確結出想要的網嗎？
……
一個個腦洞大開的奇思妙想，
都出自北京一零一中學的科技少年們。
這些學生無疑是幸運的，
他們正處於人類認識自然的加速發展期，
這得以使他們朝著沒有邊界的科技前沿拓展和延伸。
這些實驗方案並不是一個活動的結束，
而是一個更加精彩故事章節的開端。
經過歷時八個月的激烈角逐，北京一零一中學五個實驗方案在全國首屆“空間站搭載青少年科學實驗方案徵集活動”中脫穎而出，兩個方案獲得一等獎，三個方案獲得三等獎。其中，獲一等獎的高二六班鄧櫳濤同學設計的“探究太空中水的傳熱規律”的實驗方案和初一十二班的申琪同學的“螢火蟲太空生活及發光行為的探究”方案入選暑期太空科學營，並將有機會隨太空艙遨遊蒼穹。
航天科學技術匯聚了各個領域大量最尖端的科學技術，是一個國家綜合國力的重要體現。中國將在2022年左右建成規模較大、長期有人參與的太空實驗室，即“中國空間站”。以此為契機，為激發青少年熱愛航天科技，熱愛航天事業的熱情，2017年6月由中國科協、中國科學院、中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團舉辦了首屆“空間站搭載青少年科學實驗方案徵集”活動，共徵集到334件有效方案，
2018年5月評選出一等獎10個，二等件30個，三等獎60個。北京一零一中學獲獎名單
方案簡介
101中學的科技少年們究竟都有哪些創意？
獲獎方案的靈感都來自哪裡？
讓我們來領略一二
《探究太空中水的傳熱規律實驗方案》
設計者：鄧櫳濤
指導老師：史藝、馮玉
隨著人類對宇宙的不斷探索，外星球定居與長期的空間旅行距離我們越來越近，必將面臨在失重或微重力的環境下液體加熱的問題。高二六班鄧櫳濤同學瞭解到空間站上現行的液體加熱方式是基於地面理論推導與實驗依據設計出的，其在失重環境下的液體加熱速度緩慢。於是他自主設計了一套實驗裝置，其主體為一直徑為100mm，長度為300mm的圓柱容器，內置有溫度傳感器支架，外分佈4只把手，方便宇航員在失重條件下操作，同時設置了一隻用於緊急洩壓的洩壓裝置。測溫裝置基於Arduino單片機設計，能夠同時記錄24只溫度傳感器的數據，最終獲得在失重或微重力條件下水的熱傳導規律。
《螢火蟲太空生活及發光行為的探究》
設計者：申琪 曹露嘉
指導老師：賀鳳美
生物學中對螢火蟲發光機理和功能及其仿生學研究，以及螢火蟲熒光素酶的深入研究，大大推動了生物光源，基因檢測、癌症前期診斷等許多方面的技術進步。但螢火蟲在太空如何表現如何？初一十二班的申琪和曹露嘉同學準備把螢火蟲送入太空，觀察其在太空微重力環境中的生活狀態和發光行為，探索其機制，為進一步研究打下基礎。
她們採用裝有自動開關燈的不透光盒子，模擬地面上的白天和黑夜。盒子底面放置浸滿水的5cm厚的海綿，海綿上放置20只螢火蟲蛹，雌雄各10只。用微型錄像機，自動記錄盒子裡螢火蟲的活動情況，與地面對照組的螢火蟲活動情況進行對比，探究螢火蟲在太空中與地面的生長髮育過程，發光行為的異同之處。
《微重力環境下的蜘蛛結網實驗》
設計者：韓佳 薛昭蘊
指導老師：李志潔 伊海靜 趙瑩
在地球的表面，可以通過重力來判斷方向。蜘蛛結網通常依賴重力來實現蛛絲的下垂，並通過風來尋找固著點，從而完成蜘蛛網第一根絲的架設，並在此基礎上繼續進行蛛網的編織。當在微重力環境下，蜘蛛無法通過重力來判斷方向，也無法實現蛛絲的下垂，那麼太空環境會對蜘蛛織網產生什麼樣的影響呢？
一零一中學溫泉分校初一四班的韓佳和薛昭蘊同學設計製作一個密閉的太空鋁合金盒子為蜘蛛的生活空間，其內部含有蜘蛛結網和生存所需的氧氣、食物等，並利用加熱器和加溼器製造適合蜘蛛的生活的環境。用微型攝像機記錄、觀察並探究當蜘蛛置於微重力環境中時，蜘蛛是否能織出無異於地球環境的網。
《空間環境對致齲菌—變異鏈球菌的影響研究》
設計者：李約 奚浩文 郭文玉
指導老師：馬麗霞
微重力環境對SKOV3細胞吸收順鉑類藥物與其抑制作用的影響
設計者：李藩 李佳潤 崔卓邇
指導老師：許偉傑
高二二班的李藩、李佳潤和崔卓邇同學計劃同時在太空失重環境和地球環境下，使用RPMI-1640培養基與溶有20-30mg順鉑的250mL 5%葡萄糖溶液在恆溫37℃，恆溼70%-80%培養SKOV3細胞，通過測定金屬離子數量變化反映出金屬離子進入細胞的情況；同時通過觀察SKOV3細胞生長繁殖情況，反映出順鉑對該細胞的抑制作用。將太空中SKOV3細胞與地面SKOV3細胞進行對照實驗，使用傳感器與數據記錄系統，將太空中的數據發回地面對比SKOV3細胞生長與繁殖情況，從而得到微重力環境對SKOV3細胞吸收順鉑類藥物與其抑制作用的影響，對未來抗癌藥物的研究提供實驗基礎。
參與過程
科技少年們究竟都經歷了哪些心裡建設？
又有哪些磨礪和啟發？
一起了解一下其中三位獲獎同學的獲獎過程。
《探究太空中水的傳熱規律實驗方案》是榮獲此次比賽一等獎的十個項目之一，這一項目背後的主導者是北京市第一0一中學的高二學生鄧櫳濤。談及設計這個項目的初衷，鄧櫳濤說自己還是受到了一群美國高中生的啟發。
在本次活動中獲得一等獎第一名的鄧櫳濤同學，出身於航空航天世家，爺爺是空軍飛行員，姥爺是航天部工程師。他從小就迷上了飛機，閱讀了大量的航空航天書籍和資料，對天空中的民航飛機看一眼就可以說出具體機型，各種戰鬥機、航天器也都如數家珍，假日裡最大的的愛好就是往機場跑，用鏡頭記錄下翱翔在天空中的鋼鐵巨鳥。看著天空中穿梭著的飛機都是美國的波音，歐洲的空客，加拿大的龐巴迪，他默默樹立了自己的人生理想——航空發動機事業，為中國的航空製造和創新貢獻出自己的力量。
原來，在得知“中國空間站青少年科學實驗計劃”之後，鄧櫳濤立馬就產生了濃厚的興趣，投入到了知網、美國航空航天局的海量資料中。一次在登陸美國航空航天局官網時他看到，美國有一群高中生做了一個關於太空中空氣傳熱的實驗，為的是解決國際空間站電路和電子設備的散熱問題。“那我是不是可以探究下水的傳熱規律呢？”
進一步瞭解後他發現，目前太空中對水的加熱方式並不理想：加熱機器笨重，加熱不均勻，加熱效率低，對資源浪費較大。比如，“星辰號”服務艙烤箱加熱2千克左右的食品，就需要20到30分鐘。
“因為在在軌航天器所處失重環境下，液體內部不存在因密度差導致的浮力作用，也就是說，冷水熱水不會因密度差別而產生冷熱對流，所以在微重力環境下液體的傳熱規律與地面有所不同。”鄧櫳濤解釋道，探究出太空中水的傳熱規律之後，就可以為將來對太空水加熱方式與加熱器的設計提供理論基礎。
為此，鄧櫳濤設計了兩組實驗：一組在地面進行，一組在空間站中進行；分別分析時間與溫度變化的關係。鄧櫳濤解釋說，根據理論推導，因為地面實驗受重力場影響，在加熱的過程中存在熱對流現象，所以在地面環境中加熱的效率較高；而在太空中對密閉容器中的水加熱時，熱只通過熱傳導的方式傳播，不會有熱對流的產生，因此地面組實驗的加熱效率應該比太空組的快。
通過實驗數據的記錄，我們可以得出太空中水的導熱率。“如果理論推導結論得以驗證，以後在太空中對水加熱時，就可以引入一個離心力場使水中產生熱對流，從而來提高水的加熱效率。”
一零一中學初一年級韓佳的項目是《微重力環境下的蜘蛛結網實驗》，這個項目在比賽中獲得了三等獎。
韓佳說，設計這個項目更多的是源自自己的好奇心。有次上體育課自由活動時，他觀察到了柵欄上一隻正在結網的蜘蛛，聯想到方案設計活動，便突發奇想，“蜘蛛在太空中會結網嗎？如果會的話，結的又會是什麼形狀的網呢？”
查閱資料後，韓佳發現，地面環境與太空環境的不同，還真有可能對蜘蛛結網造成一定影響：在地面環境時，蜘蛛通過重力判斷方向，結網時也可以通過重力來實現蛛絲的下垂，並根據風向尋找固著點，從而完成第一根絲的架設。
而在太空的微重力環境下，蜘蛛結網又會是怎樣的情形呢？韓佳做了4種情況的假設：一種是蜘蛛無法適應微重力環境，在微重力環境下無法進行捕食，數天後逐漸萎靡，直至死亡；一種是蜘蛛在微重力環境下無法正常爬行，因此無法織網；稍微樂觀的情況是，蜘蛛可以正常生存，但由於微重力環境影響，蜘蛛吐出的絲在空中雜亂分佈，最終粘連在一起，無法實現蛛網的編織；最後一種情況與之類似，由於沒有重力，蜘蛛無法判斷行走的方向，最終織出的網不是平面，而是雜亂無章的。
為了驗證自己的假設，韓佳設計了一個鏈條完整的生態箱：蜘蛛、供蜘蛛食用的果蠅、果蠅食物；為了方便蜘蛛的爬行，要把生態箱四周內壁進行粗磨砂處理，並粘上特殊的無紡布。按照方案徵集活動的要求，參與者在進行實驗設計時不需要額外的氣、液體支持，因此，韓佳又在生態箱裡設置了釋放氧氣、吸收二氧化碳的植物。此外，為了保證蜘蛛的正常生存，還需要為蜘蛛提供適宜的溫度和溼度，因此在實驗箱內又設計安裝了自動的溫度控制裝置和溼度控制裝置；同時裝有攝像機和照明燈，用於觀察蜘蛛在太空中的生活和織網過程。
“版本改了好多次，一次比一次具體。”韓佳在一次次反覆的完善過程中感受到了科學研究的嚴謹性，比如，最後一個版本中，經老師的指導，韓佳加上了所設計生態箱的圖紙，包括俯視圖、正視圖等。
“我希望通過這個實驗設計，可以分析出微重力對節肢動物生存的影響，以及微重力對蜘蛛織網過程的影響，為其他動物進行微重力生存實驗提供參考。”
北京市第一0一中學初中年級的李約（中）
來自北京市第一0一中學初中年級的李約飽受牙病困擾，“一家人牙都不好，每次看牙時都很痛苦。”因此，在得知空間站實驗方案徵集活動時，他第一時間做了情感遷移，“如果真在天上犯了牙疼，來回一趟可不容易。”
李約瞭解到，其實空間環境對微生物的影響此前早有相關研究，微生物的致病性、生長繁殖速度等生物學性狀在空間環境中都表現出了明顯變化，比如，在對感染鼠傷寒沙門氏菌小鼠的致死率研究中發現，尾懸吊小鼠口腔接種鼠傷寒沙門氏菌實驗的致死劑量較正常小鼠接種劑量顯著減少，沙門氏菌在微重力處理 83小時後毒力更強，感染小鼠的死亡率為地面對照菌的3倍。
此外，研究還發現，空間環境能使致病菌產生不能被機體免疫系統識別或被抗生素清除的生物保護膜，從而導致細菌的致病性增強。
會導致齲齒的變異鏈球菌又是什麼情況呢？李約設置了地面和空間兩組對照實驗，觀察細菌在不同環境下的生長曲線，以此確認空間環境是否會加速變異鏈球菌的生長速度。此外，由於變異鏈球菌是通過分泌酸性物質來腐蝕牙釉質，因此通過測定培養基的 pH 值，可以來驗證空間環境是否會讓變異鏈球菌變得更酸，從而增強了對牙齒的破壞作用。
李約顯然並不滿足於僅僅觀察致病菌的變化，萬一在太空中真的牙疼，用藥效果如何？跟地面相比是不是也有所區別？因此，他又設計了對照實驗，以明確空間環境對變異鏈球菌耐藥能力的影響。
李約希望，自己最終的實驗結果，可以為在空間站發生口腔疾病的航天員提供用藥指導。
科技少年們是怎樣被培養出來的？
又經歷過哪些歷練呢？
北京一零一中學多年來在開展中學生科學探索和創新研究教育上具有良好的傳統和厚實的積澱，以“STEAM課程”、“學森書院課程”、“科技人才早期培養計劃” 為代表的一系列創新性和研究性教育獲得了學生、家長和社會的高度認可。
校長郭涵參與學生的方案設計討論
學校多年來的航天科普教育已經成為培養學生科學素養和綜合能力的重要陣地，是學生開展創新研究的沃土。學校高度重視此次“空間站搭載青少年科學實驗方案徵集”活動”，在學生動員、專家指導、經費支持等方面開展了大量的工作，為學生參與活動提供了有效的支持和保障。
學校安排了三個階段的系列活動逐步開展和推動了此次活動。
一
活動啟動階段：2017年9月
二
方案初步設計階段：2017年10—11月
2017年10月，北京一零一中學抓住契機組織報名的二十餘位同學進行了座談，孩子們腦洞大開的奇思妙想令人耳目一新。一零一中學校內指導老師及時瞭解同學們的設計進展情況，並請指導專家就同學們設計中存在一些問題進行了解答。
會後，同學們初步設計出自己實驗方案雛形並於11月提交。
三
方案修改階段：2017年12月—2018年3月
在指導教師對學生提交的初步實驗方案進行指導和修改之後，北京一零一中學聘請火箭研究院和航天五院的錢博士和張博士以航天專家視角對學生的方案進行一對一的評估和指導。二位專家就學生設計中存在的安全性問題，科學性問題和可行性問題提出了寶貴意見。同學們根據老師所提建議進行了設計修改和完善。最後，經在校指導老師多次指導修改後形成方案終稿，參賽送審。
對於一個人來說，
這只是一小步，
但對人類來說，
這卻是巨大的一步。
——阿姆斯特朗
2018年，將以“空間站搭載青少年科學實驗方案徵集”為核心活動，同時開展“我的太空家園”全國太空畫創作大賽、“詩話天宮”文學創作徵集、“太空有料”短視頻節目創意問題徵集、“航天競智”在線答題等系列航天科普活動。面向全國青少年開展空間站搭載青少年科學實驗方案徵集活動，並通過專家指導、培訓，篩選出一批可進入研製階段的實驗項目進行孵化。登錄活動網站“太空集結號”（http://space.cyscc.org/zhengji/）在線註冊後，填寫並提交方案。在線填報截止時間為2019年4月5日24時。熱愛科學心繫太空的同學們還在等什麼，快來參加吧！
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