Уроки из космоса
Текст: Алексей Кириллов | 2017-01-22 | 524
В условиях невесомости многие физические процессы протекают иначе, чем мы привыкли их видеть. Даже авторитетные учёные не всегда точно могут просчитать, чем закончится тот или иной космический эксперимент. Поэтому такие эксперименты способствуют более глубокому пониманию фундаментальных физических законов, а внедрение в обучающий процесс так называемых «космических уроков» рассматривается как один из способов повышения уровня обучения естественным наукам. О том, какие перспективы для образования открывает космос, мы расспросили руководителя Центра аэрокосмического образования при образовательном центре «Галактика» Игоря Григорьева.

– Игорь Петрович, скажите, какую роль могут сыграть «космические уроки» в образовательном процессе?

Вначале я хотел бы отметить очень важный, на мой взгляд, момент, а именно то, что космонавтика сегодня информационно сильно оторвана от жизни людей. По сути, единственное, что говорят на эту тему наши телеканалы – это то, что кто-то в очередной раз полетел в космос или, наоборот, вернулся на Землю. Это очень похоже на сообщение по громкой связи на железнодорожном вокзале. А вот зачем туда летают – неспециалистам совершенно непонятно. Разве это может привлечь молодёжь к космонавтике? Поэтому уроки из космоса и демонстрация того, что делается на космических станциях – это один из способов, за счёт которых можно и нужно восстанавливать интерес к космонавтике.

Теперь что касается учебного процесса. Космос действительно дал нам новые возможности, которые можно использовать в образовании, правда, этот процесс только начинается, и многое в нём пока не ясно. Я бы выделил две основные вещи. Первая – это демонстрация экспериментов, которые проводятся в космосе. В этом я вижу решение крайне серьёзной проблемы образования – вывод детей на передний, прорывной край науки. Ведь современный учебник по физике – это, по сути, тот же самый учебник, который был в XIX веке. Читая его, складывается ощущение, что за последние 50 лет физика никуда не сдвинулась. В нём отсутствует всё современное и захватывающее, в нём нет ответов на вопросы, которые задают дети сегодня. Найти в таком учебнике ответ на вопрос «как работает айфон или квантовая связь?» не получится. Помочь вывести детей на этот передовой уровень могут и грамотно сделанные уроки с борта Международной космической станции (МКС). Это как раз одна из передовых лабораторий человечества, и о том, что там происходит, должно знать как можно больше людей.

Второй момент заключается в том, что естественно-научное образование сегодня пытаются сделать интерактивным. Но задача здесь не в том, чтобы просто красиво проиллюстрировать знания и вложить их в школьника. Необходимо, чтобы знания будили интерес, фантазию, чтобы у человека возникали идеи, чтобы он сам начинал что-то делать, искать информацию, активно и творчески изучать интересующие его вопросы. И космос способен пробудить этот интерес, поскольку ставит неожиданные задачи – порой даже для тех людей, которые хорошо знают физику.

Правда, с такими «развлечениями», я считаю, нужно быть предельно осторожными. Космос будит фантазию, но она должна иметь своё продолжение. Если раньше у школьников складывалось ощущение, что физика – сложная, скучная наука, то сейчас зачастую они начинают воспринимать её только на уровне занимательных фокусов и развлечения. Но как только дело начинает касаться серьёзных размышлений, они сразу пасуют и переключаются на другие развлечения. Хороший учебный опыт должен сначала привлечь внимание необычным эффектом, а затем разбудить мысль и фантазию интригой: «А почему это так?». Нужно добиваться, чтобы ученик стал получать удовольствие от этого мыслительного «послевкусия». Таким образом, на мой взгляд, первостепенная цель уроков из космоса – отойти от заучивания сухих параграфов и создать необычную ситуацию, которую можно с интересом изучать и обсуждать.


NASA / flickr

Первыми занятия для школьников с орбиты корабля стали проводить американцы, для которых в те годы интерес общественности был значительно более критичным, чем для советской космонавтики. В рамках программы Space Flight Participant Program по включению в экипажи шаттлов «гражданских астронавтов» была развёрнута программа «Учитель в космосе». 27 августа 1984 года президент США Рональд Рейган заявил, что в конце 1985 – начале 1986 года в космос полетит школьный учитель. В результате огромного национального конкурса из 10 463 человек были отобраны две учительницы Криста Маколифф (основной кандидат) и Барбара Морган (дублёр). 28 января 1986 года Криста Маколифф погибла при взрыве шаттла «Челленджер». Все полёты «гражданских астронавтов» были отменены. Но астронавты НАСА сами достаточно часто проводят репортажи для школьников. В СССР включение школьников в реальную космонавтику началось с активной деятельности космонавта Александра Сереброва. В 1988 году он организовал и возглавил Всесоюзное Аэрокосмическое Общество (Всероссийское молодёжное аэрокосмическое общество), объединившее более 50 тысяч детей. Во время своего четвёртого полёта в космос в 1993-94 годах в качестве бортинженера космического корабля «Союз ТМ-17» и станции «Мир» Серебров снял серию фильмов «Уроки из космоса». Постепенно подтягивается и Китай. 20 июня 2013 года тайконавт Ван Япин впервые в истории Китая провела лекцию в невесомости для китайских школьников.

– При изучении каких дисциплин могут помочь «уроки из космоса»?

Говоря о космосе, в первую очередь, мы подразумеваем некую среду, в которой, конечно, присутствует, но совершенно не ощущается одна из главных действующих на Земле сил – гравитация. Это, как минимум, позволяет нам наблюдать силы, которые на Земле гравитацией маскируются. Например, сила поверхностного натяжения жидкости на Земле и в космосе одна и та же, но вода на Земле растекается по поверхности, а на орбите – собирается в шар. В этом опыте это происходит как раз по той причине, что на Земле решающую роль играет сила тяжести, в космосе же – поверхностное натяжение.

То есть борт космического корабля − это специфическое экспериментальное пространство, в котором «выключена», а точнее сказать, нейтрализована гравитация. Кстати, не только гравитация, но и те физические процессы, которые с ней связаны – сила Архимеда, конвекция. А это даёт возможность увидеть другие силы и эффекты более наглядно. Возьмите две пальчиковые батарейки и положите их рядом – плюс к плюсу, минус к минусу. С ними совершенно ничего не произойдёт, да и мысли даже не возникнет, что что-то может произойти. Но в космосе такие батарейки неожиданно стали разворачиваться – минус к плюсу, а плюс к минусу. Это наглядная демонстрация того, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Увидеть те силы, которые возникают между батарейками на Земле, мы практически не можем, но в космосе эти малые взаимодействия вдруг проявляются в неожиданном красивом опыте.

Другой красивый пример – горение свечи в невесомости. Кстати, у этого опыта есть очень поучительная и важная для нашего обсуждения история. В 1974 году в Крымской обсерватории во время встречи космонавтов со школьниками одна из девчонок неожиданно спросила: «А горит ли в космосе спичка? И зажжётся ли она в невесомости вообще?» Никто из космонавтов ответить не смог. Провести такой эксперимент даже в голову никому не приходило. Разве можно было разжечь огонь на корабле только ради эксперимента? Ведь пожары на космических кораблях могут быть очень опасны. Но, по словам космонавта Владимира Коваленко, этот вопрос заставил задуматься, и в октябре 1977 года он, отправляясь в полёт с Валерием Рюминым, тайком пронёс на борт «Союза» коробок спичек. Когда появилась возможность, он зажёг одну спичку – естественно, с соблюдением всех мер безопасности. По словам космонавта, зрелище оказалось удивительным: на орбите горячий воздух не стремился вверх, а пламя было не «вытянутым», как на Земле, а округлым. Эта история была широко растиражирована в СМИ, но всё ли в ней достоверно – сказать сейчас сложно. Официальная же информация гласит, что первый подобный эксперимент был произведён в 1992 году в орбитальном отсеке SpaceLab на борту шаттла, а в 1996 году опыт повторили на станции «Мир».

Тем не менее неожиданный вопрос, который в принципе не мог прийти в голову профессионалам, положил начало целому направлению экспериментов. По некоторым данным, одних только свечек в космосе сожгли более 80 штук – чтобы подробно разобраться в процессе, чтобы сделать наглядные видеозаписи. Были открыты достаточно неожиданные эффекты. Да и практических приложений нашлось немало – от улучшений пожарной безопасности на космических кораблях до улучшения работы двигателей внутреннего сгорания уже на Земле.

Но здесь важно не ограничиваться одной лишь физикой. Нужно ориентироваться на те области, где космонавтика уже давно окупается и имеет практическое применение. Например, дистанционное зондирование Земли позволяет формулировать и решать массу практических задач в части географии и геологии, экологии и метеорологии. И только предъявляя эти задачи школьникам в рамках соответствующих дисциплин, мы сможем снабдить их актуальными знаниями. Причём некоторые из проблем ещё не решены, а значит раскрыть этот потенциал предстоит именно молодому поколению, поэтому подростков в эту работу нужно включать уже сегодня.

Ещё одно большое направление – это биология, которую в части космоса грубо можно поделить на две составляющих – ботанику и физиологию человека. Основной вопрос ботаники здесь – что происходит с динамикой роста растений? Когда мы помещаем семечко в почву, то оно в полной темноте каким-то образом ориентируется: корень уходит вниз, а ствол – вверх. Но что будет, если это происходит в условиях невесомости? Как ни странно, но реальные эксперименты показывают, что растения в невесомости растут практически так же. И это удивительно. А вот с воспроизводством у них возникают большие проблемы.

Интересные вопросы связаны с изучением пределов жизни. К примеру, при каком минимальном давлении могут существовать живые организмы? Или при каких условиях они могут если не существовать, то хотя бы сохраняться? Так, в ходе опыта личинку комара вынесли в открытый космос. Три месяца она находилась в вакууме, подвергаясь воздействию низкой температуры и радиации. Однако когда личинку вернули на станцию, она восстановилась, и из неё вылупился живой комар.


ЦПК имени Ю.А.Гагарина

Одно из самых распространённых заблуждений о космосе – это отсутствие гравитации за пределами атмосферы. На самом же деле, на какое бы расстояние любые два тела ни отдалились друг от друга, их взаимное притяжение никогда не станет равным нулю, хотя оно и может быть сколь угодно малым. Это следует как из ньютоновского закона всемирного тяготения, так и из Общей теории относительности Эйнштейна. Это означает, что космос буквально «пропитан» гравитацией. Например, на человека одновременно действует и гравитация Земли, и гравитация Солнца, и даже гравитация любой из планет самой удалённой от Млечного Пути галактики. С увеличением расстояния между объектами их взаимное притяжение быстро ослабевает, однако, поскольку высота орбиты МКС составляет менее 10% от земного радиуса, на космонавтов действует почти такая же сила тяжести, как и на людей на Земле. Так почему же космонавты на МКС находятся в состоянии невесомости? Всё дело в том, что станция вместе с находящимися на ней людьми совершает два одновременных движения – под действием гравитации падает на Землю и быстро движется вдоль её поверхности. К примеру, скорость корабля, летящего на низкой орбите, составляет около 8 км/с. За эту же секунду корабль на 5 метров приближается к Земле. Если бы планета была плоской, то достаточно быстро станция обязательно бы на неё упала. Но планета круглая, и её поверхность каждые 8 км опускается на те же самые 5 метров. Получается, что МКС непрерывно падает на Землю, но упасть не может, так как поверхность планеты опускается под кораблём на то же расстояние, на какое он к ней приближается, за счёт чего станция всегда находится на одной и той же высоте. Именно это падение и вызывает появление эффекта невесомости.

– А насколько сегодня реально, чтобы ученики не просто смотрели видеоролики с космическими экспериментами, но и сами каким-либо образом в них участвовали, например, предлагали идеи для проведения таких экспериментов?

Да, такие возможности сейчас предоставляются. Космос значительно ближе, чем вам кажется. К примеру, мы с нашими восьмиклассниками вырастили и отправили на борт МКС салат сорта «Батавия». За растением, высаженным в хлопковую вату, смоченную питательным раствором, наблюдал космонавт Олег Германович Артемьев и регулярно сообщал школьникам о том, как оно развивается в условиях невесомости.

На МКС проводятся научные и образовательные эксперименты. У образовательных проектов нет научной цели – они создаются, чтобы заинтересовать детей, проиллюстрировать законы. Но иногда, как в случае с нашими школьниками, образовательные проекты могут иметь научную ценность. Российские разработчики гордятся тем, что сделали космическую теплицу с автоматическим поливом – в отличие от американцев, которые свои растения поливают вручную. Но при этом в любом случае тратится вода, дефицитная на корабле. Впоследствии растения испаряют её в объём станции, тем самым оказывая дополнительную нагрузку на систему осушения воздуха. Мы же в школе разработали систему, которая вообще не требует полива. Растение растёт в замкнутом объёме, оно испаряет влагу, эта влага конденсируется и вновь идёт на потребление растением. Получается замкнутый цикл. А это важно для будущих длительных космических миссий, когда космонавты не смогут получать еду с Земли.

Некоторые задачи в космонавтике по каким-то причинам не решаются вовсе или же решаются за очень большие деньги. Это проблема неэффективности сложившейся системы, которую нужно срочно решать в ближайшие годы. Предстоит это, скорее, тем, кого мы сейчас учим. Как-то в «Орлёнке» мы проводили проектную смену «лагерь», а рядом с нами другой лагерь, но тоже космический, проводили молодые парни – инженеры НПО «Энергия», которые разрабатывают новый российский космический корабль «Федерация». Они пришли к нам и выложили список задач с вопросом: «Ваши школьники могут нам что-нибудь сделать из этого списка?» На встречный вопрос «а почему вы обратились с этим к нам?» мы получили просто замечательный ответ: «Нам хочется показать нашему начальству, что эти вещи могут разработать за год школьники за копейки, а не научно-исследовательские институты за миллионы рублей в течение пяти лет». И ведь там действительно были задачи, которые за год со школьниками вполне можно было бы решить.

А вообще, мне очень нравится лозунг: «Космос значительно ближе, чем нам кажется». Всего в ста километрах. В 8 раз меньше, чем расстояние между Москвой и Казанью. Может показаться: кто я такой, чтобы связаться с космонавтами напрямую? Но в реальности это не так сложно сделать. Есть программы, позволяющие провести сеанс радиосвязи и поговорить с космонавтом, который сейчас находится на орбите; можно разрабатывать эксперименты и предлагать их проведение в космосе. Проблема немножко в другом, и это общая болезнь космонавтики: в рамках безопасности всё обросло такой бюрократией, что процессы происходят недопустимо долго.

– Но у вас тем не менее реализовать свой проект получилось…

С этим нам повезло. От принятия решения, что наш эксперимент надо реализовать в космосе, до отправки на орбиту прошло три недели, хотя обычно это занимает 2,5-3 года. Для школьника такой период критичен: младшеклассники такие проекты делать ещё не готовы, а старшеклассники за это время уже покинут школу.

В нашем случае сильное влияние оказал политический фактор. Наш Центр аэрокосмического образования был открыт по предложению бывшего главы Роскосмоса Олега Николаевича Остапенко и бывшего начальника Центра подготовки космонавтов Сергея Константиновича Крикалёва. После открытия центра они приехали к нам, посмотрели на проект, и Остапенко сказал: «В ближайшее время отправить на МКС». Эксперимент оказался удачным во многом именно потому, что разбираться в нюансах никто не стал, а ведь могли бы устроить длительную микробиологическую экспертизу с оценкой всей флоры, которая полетит на станцию, и тому подобное. Но в данном случае решили: «Хорошо, банка герметичная, обработаем её снаружи, а всё то, что находится внутри, должно там и остаться». Это позволило осуществить проект в течение месяца. Очень неожиданно для нас.

Nasa

Nasa

Два простых, но эффектных опыта: горение свечи на Земле и на космической станции и поведение жидкости в условиях невесомости.

– Сейчас снимается большое количество научно-фантастических фильмов, действие которых так или иначе связано с космосом. Попытки сделать их как можно более зрелищными часто приводят к искажению фактов и формированию всевозможных мифов. Один из самых известных – то, что человек, оказавшийся в открытом космосе без скафандра, может просто взорваться. Как вы относитесь к таким вещам?

Однажды меня спросили, как я отношусь к ошибкам в фильме «Марсианин». Великолепно отношусь! Потому что, если бы они сняли правильный фильм, нам с детьми обсуждать было бы нечего. А вот когда нам показывают то, как вход на марсианский жилой модуль диаметром в два метра закрывается полиэтиленовой плёнкой на скотче, то это хороший повод немного порассуждать. Даже семиклассники уже могут подсчитать давление, которое будет создавать воздух внутри модуля, сравнить с давлением, которое может выдержать плёнка, и тем самым понять глупость показанной в фильме затеи.

Ошибочные фильмы о космосе могут быть хороши и тем, что натолкнут специалистов на создание «правильных» роликов. Например, не выдерживает никакой критики тот факт, что слёзы героини в фильме «Гравитация» текут по щекам. Но зато это стало причиной того, что американский астронавт Крис Хэдфилд снял ролик, где показал, что слёзы в условиях космоса будут накапливаться на глазах, постепенно заполняя их.

Тем не менее одно хорошее исключение есть – фильм «Интерстеллар». Здесь, на мой взгляд, совершён определённый прорыв. Есть фильмы, которые кинематографисты снимают в меру своего собственного понимания. А есть фильмы, на которые они приглашают консультантов. Задача консультанта – выявить грубые ошибки. Одним из авторов «Интерстеллара» стал физик-теоретик, создатель одной из самых прорывных теорий в науке Кип Торн. То есть он был привлечён даже не на уровне консультанта, а на уровне соавтора сценария фильма! И такого ещё не было – это всё равно, что одним из авторов сценария фильма стал бы Эйнштейн.

Кстати, после выхода фильма «Интерстеллар» в интернет были выложены великолепные методические разработки для учителей. В них описывалось, как можно использовать фрагменты фильма на уроках, в проектной деятельности, в школьных дискуссиях, и причём не только на тему физики, но и на философскую и нравственную тематику. Тут есть чему поучиться!

кадр из фильма «Гравитация»

Canadian Space Agency

Слёзы в космосе в представлении голливудского режиссёра (на лице героини фильма «Гравитация») и в реальности (на лице американского астронавта Криса Хэдфилда). Хорошо видно, как у Хэдфилда слёзы скапливаются, заполняя сначала сам глаз, а потом и пространство вокруг него. А вот у Сандры Буллок они текут по щекам, а затем, в виде маленьких капелек, улетают в пространство (капельки видны под левым глазом героини). Справедливости ради надо отметить, что большинство «ляпов» в фантастических фильмах делается намеренно – для повышения зрелищности фильмов.

– Как вы думаете, будет ли «образование из космоса» развиваться в дальнейшем и в каком направлении?

Я ещё не видел ни одного учителя, который бы успешно применял все возможности, открывающиеся благодаря освоению космоса. Пока это используется в основном как некая неожиданная вещь. До учителей эта информация практически не доходит, и почти нет методических разработок, как это использовать на уроках.

Думаю, что в будущем нам следовало бы акцентироваться на двух моментах.

Первое интересное направление – это формат видео-задачников. К примеру, космонавт Александр Серебров записал ролик, в котором можно увидеть, как, находясь в невесомости, он отталкивает от себя аккумуляторную батарею массой 150 кг. Здесь мы можем сформулировать следующую задачу: располагая видеороликом, определите массу космонавта Сереброва. По кадрам можно посмотреть, с какой скоростью разлетаются космонавт и батарея, а значит, и найти соотношение скоростей и массы. Располагая целым набором подобных роликов, мы можем сформировать архив не только интересных, но и живых, привязанных к практике задач.

Второе направление связано с тем, что в современном обществе востребованы люди, которые не столько умеют решать задачи, сколько способны их формулировать. Главная проблема – это придумать задачу. К сожалению, обычное образование в школе не располагает к этому. А вот взаимодействие с космонавтами позволяет им учиться генерировать новые идеи. Это принципиально новая вещь, которая в школе сейчас практически не встречается.



Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте