宇航员能不能在太空喝上热茶，水怎么加热？
在太空中会有蛀牙吗，牙疼怎么办？
蜘蛛在失重状态下还能精确结出想要的网吗？
……
一个个脑洞大开的奇思妙想，
都出自北京一零一中学的科技少年们。
这些学生无疑是幸运的，
他们正处于人类认识自然的加速发展期，
这得以使他们朝着没有边界的科技前沿拓展和延伸。
这些实验方案并不是一个活动的结束，
而是一个更加精彩故事章节的开端。
经过历时八个月的激烈角逐，北京一零一中学五个实验方案在全国首届“空间站搭载青少年科学实验方案征集活动”中脱颖而出，两个方案获得一等奖，三个方案获得三等奖。其中，获一等奖的高二六班邓栊涛同学设计的“探究太空中水的传热规律”的实验方案和初一十二班的申琪同学的“萤火虫太空生活及发光行为的探究”方案入选暑期太空科学营，并将有机会随太空舱遨游苍穹。
航天科学技术汇聚了各个领域大量最尖端的科学技术，是一个国家综合国力的重要体现。中国将在2022年左右建成规模较大、长期有人参与的太空实验室，即“中国空间站”。以此为契机，为激发青少年热爱航天科技，热爱航天事业的热情，2017年6月由中国科协、中国科学院、中国载人航天工程办公室、中国航天科技集团举办了首届“空间站搭载青少年科学实验方案征集”活动，共征集到334件有效方案，
2018年5月评选出一等奖10个，二等件30个，三等奖60个。北京一零一中学获奖名单
方案简介
101中学的科技少年们究竟都有哪些创意？
获奖方案的灵感都来自哪里？
让我们来领略一二
《探究太空中水的传热规律实验方案》
设计者：邓栊涛
指导老师：史艺、冯玉
随着人类对宇宙的不断探索，外星球定居与长期的空间旅行距离我们越来越近，必将面临在失重或微重力的环境下液体加热的问题。高二六班邓栊涛同学了解到空间站上现行的液体加热方式是基于地面理论推导与实验依据设计出的，其在失重环境下的液体加热速度缓慢。于是他自主设计了一套实验装置，其主体为一直径为100mm，长度为300mm的圆柱容器，内置有温度传感器支架，外分布4只把手，方便宇航员在失重条件下操作，同时设置了一只用于紧急泄压的泄压装置。测温装置基于Arduino单片机设计，能够同时记录24只温度传感器的数据，最终获得在失重或微重力条件下水的热传导规律。
《萤火虫太空生活及发光行为的探究》
设计者：申琪 曹露嘉
指导老师：贺凤美
生物学中对萤火虫发光机理和功能及其仿生学研究，以及萤火虫荧光素酶的深入研究，大大推动了生物光源，基因检测、癌症前期诊断等许多方面的技术进步。但萤火虫在太空如何表现如何？初一十二班的申琪和曹露嘉同学准备把萤火虫送入太空，观察其在太空微重力环境中的生活状态和发光行为，探索其机制，为进一步研究打下基础。
她们采用装有自动开关灯的不透光盒子，模拟地面上的白天和黑夜。盒子底面放置浸满水的5cm厚的海绵，海绵上放置20只萤火虫蛹，雌雄各10只。用微型录像机，自动记录盒子里萤火虫的活动情况，与地面对照组的萤火虫活动情况进行对比，探究萤火虫在太空中与地面的生长发育过程，发光行为的异同之处。
《微重力环境下的蜘蛛结网实验》
设计者：韩佳 薛昭蕴
指导老师：李志洁 伊海静 赵莹
在地球的表面，可以通过重力来判断方向。蜘蛛结网通常依赖重力来实现蛛丝的下垂，并通过风来寻找固着点，从而完成蜘蛛网第一根丝的架设，并在此基础上继续进行蛛网的编织。当在微重力环境下，蜘蛛无法通过重力来判断方向，也无法实现蛛丝的下垂，那么太空环境会对蜘蛛织网产生什么样的影响呢？
一零一中学温泉分校初一四班的韩佳和薛昭蕴同学设计制作一个密闭的太空铝合金盒子为蜘蛛的生活空间，其内部含有蜘蛛结网和生存所需的氧气、食物等，并利用加热器和加湿器制造适合蜘蛛的生活的环境。用微型摄像机记录、观察并探究当蜘蛛置于微重力环境中时，蜘蛛是否能织出无异于地球环境的网。
《空间环境对致龋菌—变异链球菌的影响研究》
设计者：李约 奚浩文 郭文玉
指导老师：马丽霞
微重力环境对SKOV3细胞吸收顺铂类药物与其抑制作用的影响
设计者：李藩 李佳润 崔卓迩
指导老师：许伟杰
高二二班的李藩、李佳润和崔卓迩同学计划同时在太空失重环境和地球环境下，使用RPMI-1640培养基与溶有20-30mg顺铂的250mL 5%葡萄糖溶液在恒温37℃，恒湿70%-80%培养SKOV3细胞，通过测定金属离子数量变化反映出金属离子进入细胞的情况；同时通过观察SKOV3细胞生长繁殖情况，反映出顺铂对该细胞的抑制作用。将太空中SKOV3细胞与地面SKOV3细胞进行对照实验，使用传感器与数据记录系统，将太空中的数据发回地面对比SKOV3细胞生长与繁殖情况，从而得到微重力环境对SKOV3细胞吸收顺铂类药物与其抑制作用的影响，对未来抗癌药物的研究提供实验基础。
参与过程
科技少年们究竟都经历了哪些心里建设？
又有哪些磨砺和启发？
一起了解一下其中三位获奖同学的获奖过程。
《探究太空中水的传热规律实验方案》是荣获此次比赛一等奖的十个项目之一，这一项目背后的主导者是北京市第一0一中学的高二学生邓栊涛。谈及设计这个项目的初衷，邓栊涛说自己还是受到了一群美国高中生的启发。
在本次活动中获得一等奖第一名的邓栊涛同学，出身于航空航天世家，爷爷是空军飞行员，姥爷是航天部工程师。他从小就迷上了飞机，阅读了大量的航空航天书籍和资料，对天空中的民航飞机看一眼就可以说出具体机型，各种战斗机、航天器也都如数家珍，假日里最大的的爱好就是往机场跑，用镜头记录下翱翔在天空中的钢铁巨鸟。看着天空中穿梭着的飞机都是美国的波音，欧洲的空客，加拿大的庞巴迪，他默默树立了自己的人生理想——航空发动机事业，为中国的航空制造和创新贡献出自己的力量。
原来，在得知“中国空间站青少年科学实验计划”之后，邓栊涛立马就产生了浓厚的兴趣，投入到了知网、美国航空航天局的海量资料中。一次在登陆美国航空航天局官网时他看到，美国有一群高中生做了一个关于太空中空气传热的实验，为的是解决国际空间站电路和电子设备的散热问题。“那我是不是可以探究下水的传热规律呢？”
进一步了解后他发现，目前太空中对水的加热方式并不理想：加热机器笨重，加热不均匀，加热效率低，对资源浪费较大。比如，“星辰号”服务舱烤箱加热2千克左右的食品，就需要20到30分钟。
“因为在在轨航天器所处失重环境下，液体内部不存在因密度差导致的浮力作用，也就是说，冷水热水不会因密度差别而产生冷热对流，所以在微重力环境下液体的传热规律与地面有所不同。”邓栊涛解释道，探究出太空中水的传热规律之后，就可以为将来对太空水加热方式与加热器的设计提供理论基础。
为此，邓栊涛设计了两组实验：一组在地面进行，一组在空间站中进行；分别分析时间与温度变化的关系。邓栊涛解释说，根据理论推导，因为地面实验受重力场影响，在加热的过程中存在热对流现象，所以在地面环境中加热的效率较高；而在太空中对密闭容器中的水加热时，热只通过热传导的方式传播，不会有热对流的产生，因此地面组实验的加热效率应该比太空组的快。
通过实验数据的记录，我们可以得出太空中水的导热率。“如果理论推导结论得以验证，以后在太空中对水加热时，就可以引入一个离心力场使水中产生热对流，从而来提高水的加热效率。”
一零一中学初一年级韩佳的项目是《微重力环境下的蜘蛛结网实验》，这个项目在比赛中获得了三等奖。
韩佳说，设计这个项目更多的是源自自己的好奇心。有次上体育课自由活动时，他观察到了栅栏上一只正在结网的蜘蛛，联想到方案设计活动，便突发奇想，“蜘蛛在太空中会结网吗？如果会的话，结的又会是什么形状的网呢？”
查阅资料后，韩佳发现，地面环境与太空环境的不同，还真有可能对蜘蛛结网造成一定影响：在地面环境时，蜘蛛通过重力判断方向，结网时也可以通过重力来实现蛛丝的下垂，并根据风向寻找固着点，从而完成第一根丝的架设。
而在太空的微重力环境下，蜘蛛结网又会是怎样的情形呢？韩佳做了4种情况的假设：一种是蜘蛛无法适应微重力环境，在微重力环境下无法进行捕食，数天后逐渐萎靡，直至死亡；一种是蜘蛛在微重力环境下无法正常爬行，因此无法织网；稍微乐观的情况是，蜘蛛可以正常生存，但由于微重力环境影响，蜘蛛吐出的丝在空中杂乱分布，最终粘连在一起，无法实现蛛网的编织；最后一种情况与之类似，由于没有重力，蜘蛛无法判断行走的方向，最终织出的网不是平面，而是杂乱无章的。
为了验证自己的假设，韩佳设计了一个链条完整的生态箱：蜘蛛、供蜘蛛食用的果蝇、果蝇食物；为了方便蜘蛛的爬行，要把生态箱四周内壁进行粗磨砂处理，并粘上特殊的无纺布。按照方案征集活动的要求，参与者在进行实验设计时不需要额外的气、液体支持，因此，韩佳又在生态箱里设置了释放氧气、吸收二氧化碳的植物。此外，为了保证蜘蛛的正常生存，还需要为蜘蛛提供适宜的温度和湿度，因此在实验箱内又设计安装了自动的温度控制装置和湿度控制装置；同时装有摄像机和照明灯，用于观察蜘蛛在太空中的生活和织网过程。
“版本改了好多次，一次比一次具体。”韩佳在一次次反复的完善过程中感受到了科学研究的严谨性，比如，最后一个版本中，经老师的指导，韩佳加上了所设计生态箱的图纸，包括俯视图、正视图等。
“我希望通过这个实验设计，可以分析出微重力对节肢动物生存的影响，以及微重力对蜘蛛织网过程的影响，为其他动物进行微重力生存实验提供参考。”
北京市第一0一中学初中年级的李约（中）
来自北京市第一0一中学初中年级的李约饱受牙病困扰，“一家人牙都不好，每次看牙时都很痛苦。”因此，在得知空间站实验方案征集活动时，他第一时间做了情感迁移，“如果真在天上犯了牙疼，来回一趟可不容易。”
李约了解到，其实空间环境对微生物的影响此前早有相关研究，微生物的致病性、生长繁殖速度等生物学性状在空间环境中都表现出了明显变化，比如，在对感染鼠伤寒沙门氏菌小鼠的致死率研究中发现，尾悬吊小鼠口腔接种鼠伤寒沙门氏菌实验的致死剂量较正常小鼠接种剂量显著减少，沙门氏菌在微重力处理 83小时后毒力更强，感染小鼠的死亡率为地面对照菌的3倍。
此外，研究还发现，空间环境能使致病菌产生不能被机体免疫系统识别或被抗生素清除的生物保护膜，从而导致细菌的致病性增强。
会导致龋齿的变异链球菌又是什么情况呢？李约设置了地面和空间两组对照实验，观察细菌在不同环境下的生长曲线，以此确认空间环境是否会加速变异链球菌的生长速度。此外，由于变异链球菌是通过分泌酸性物质来腐蚀牙釉质，因此通过测定培养基的 pH 值，可以来验证空间环境是否会让变异链球菌变得更酸，从而增强了对牙齿的破坏作用。
李约显然并不满足于仅仅观察致病菌的变化，万一在太空中真的牙疼，用药效果如何？跟地面相比是不是也有所区别？因此，他又设计了对照实验，以明确空间环境对变异链球菌耐药能力的影响。
李约希望，自己最终的实验结果，可以为在空间站发生口腔疾病的航天员提供用药指导。
科技少年们是怎样被培养出来的？
又经历过哪些历练呢？
北京一零一中学多年来在开展中学生科学探索和创新研究教育上具有良好的传统和厚实的积淀，以“STEAM课程”、“学森书院课程”、“科技人才早期培养计划” 为代表的一系列创新性和研究性教育获得了学生、家长和社会的高度认可。
校长郭涵参与学生的方案设计讨论
学校多年来的航天科普教育已经成为培养学生科学素养和综合能力的重要阵地，是学生开展创新研究的沃土。学校高度重视此次“空间站搭载青少年科学实验方案征集”活动”，在学生动员、专家指导、经费支持等方面开展了大量的工作，为学生参与活动提供了有效的支持和保障。
学校安排了三个阶段的系列活动逐步开展和推动了此次活动。
一
活动启动阶段：2017年9月
二
方案初步设计阶段：2017年10—11月
2017年10月，北京一零一中学抓住契机组织报名的二十余位同学进行了座谈，孩子们脑洞大开的奇思妙想令人耳目一新。一零一中学校内指导老师及时了解同学们的设计进展情况，并请指导专家就同学们设计中存在一些问题进行了解答。
会后，同学们初步设计出自己实验方案雏形并于11月提交。
三
方案修改阶段：2017年12月—2018年3月
在指导教师对学生提交的初步实验方案进行指导和修改之后，北京一零一中学聘请火箭研究院和航天五院的钱博士和张博士以航天专家视角对学生的方案进行一对一的评估和指导。二位专家就学生设计中存在的安全性问题，科学性问题和可行性问题提出了宝贵意见。同学们根据老师所提建议进行了设计修改和完善。最后，经在校指导老师多次指导修改后形成方案终稿，参赛送审。
对于一个人来说，
这只是一小步，
但对人类来说，
这却是巨大的一步。
——阿姆斯特朗
2018年，将以“空间站搭载青少年科学实验方案征集”为核心活动，同时开展“我的太空家园”全国太空画创作大赛、“诗话天宫”文学创作征集、“太空有料”短视频节目创意问题征集、“航天竞智”在线答题等系列航天科普活动。面向全国青少年开展空间站搭载青少年科学实验方案征集活动，并通过专家指导、培训，筛选出一批可进入研制阶段的实验项目进行孵化。登录活动网站“太空集结号”（http://space.cyscc.org/zhengji/）在线注册后，填写并提交方案。在线填报截止时间为2019年4月5日24时。热爱科学心系太空的同学们还在等什么，快来参加吧！
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