STEM活动：在火星上设计人类居住地

“移民火星”

一直以来，"飞出太空,移民宇宙"的梦想是人类不断探索科技前进的动力。在太阳系行星中，离我们最近的星球就是金星和火星。但金星环境恶劣，不适合人类生存。而火星有着和地球相近的地质环境和大气环境，是人类移民宇宙的理想星球。

但是，移民火星可不是一场说走就走的旅行。由于地球和火星的位置关系，每过二十六个月才会迎来一次窗口期，这个时间火星和地球的距离最近，发射火箭最节省燃料。

▲窗口期的地球和火星位置关系示意图 via NASA

下一个窗口期将在2020年7-8月出现，届时，中国，美国、欧空局、印度、阿联酋等国家将抓住这个宝贵的机会向火星发射探测器，它们将带着人类的期望奔向这颗火红色的星球。

“萤火二号”

我国计划于2020年发射的火星探测器“萤火二号”，尤为值得关注，这将是我国继2011年“萤火一号”发射失利后，对火星的第二次探索。

▲萤火二号火星车模拟图

这一次，“萤火二号”将一次性实现软着陆，在火星表面释放火星车，开展巡视探测三大任务，这也是航天史上史无前例的挑战。

▲11月14日，“萤火二号”首次公开亮相，着陆器完成了模拟悬停避障的任务 via 新华网

若本次任务一切顺利，届时的社会关注度将不亚于今年的嫦娥四号登月。

火星探索主题STEM课程设计

对于科技教师来说，可以在“萤火二号”发射之前，选择火星探索作为下个学期的STEM课程主题。

这一主题课程可以选择的角度有很多，本期云教研活动的话题“火星居住地”，就是一个很适合作为STEM课程设计的题材。第十一期《万物》杂志介绍了NASA开展的“3D打印火星居住地”比赛，为课程的开展和设计提供了不少材料与灵感。

自2015年起，NASA举办了数次“3D打印火星居住地”比赛，旨在征集设计方案以解决未来人类在火星上生存遇到的问题，希望能够为人类登录火星贡献一份力量。

▲获奖作品MARSHA via NASA

01

确立工程任务

工程任务是STEM课程中最终学生要完成的任务和挑战。我们可以把工程任务确立为“制作火星居住地建筑模型”，这个任务可以通过不同的方法完成。教师根据自己的实际情况确立工程任务即可。

如果学校已经有了3D打印课程，我们可以像NASA的3D打印火星居住地建筑比赛一样。最终的成果可以是一个3D打印的火星居住地模型，并搭配沙盘进行展示。

▲3D打印火星居住地模型

如果学校没有3D打印的课程，我们还可以用硬纸板、PV板、纸、积木等材料建造火星居住地模型。

▲这个工程任务中用纸杯、纸板、积木等材料完成，适合大多数学校开展 via vivify

如果学生在材料选择和加工上比较困难，我们还可以用科幻画的形式展现火星居住地的场景。例如，历年的少年儿童幻想画比赛有不少作品就是火星探索。

▲科幻画比赛中关于火星居住地的作品 via xiaoxiaotong

但是，这些工程任务并不是意味着学生可以天马行空地任意发挥自己的想法，而是需要以科学与技术作为基础。这也是我们设计STEM课程时要带给学生的知识和内容，它融合了科学、技术、工程和数学。

在课程开始前，教师可以向学生提问：设计火星居住地的工程任务，有哪些东西是我们要提前知道的？这些便是我们要通过课程传递给学生的信息。

在工程任务中，教师需要引导学生将所学的知识与制作的成果相结合。例如，我们可以引导学生设计展板或者制作建筑方案说明书，这些内容将展示为什么我们要这样设计火星居住地。

02

人类探索火星的历史和近期探索成就

认识人类探索火星的历史和近期的探索成就是学生需要了解的话题。在这个话题中，我们需要让学生了解人类是如何探索火星的，并理解为什么要探索火星，这也是工程任务成立的基础。

在这里，我们先简单介绍一下人类探索火星的历史。

人类从六十年代就开始火星的探索的事业。

• 1971年11月27日，苏联火星2号/Mars 2的登陆器在火星表面坠毁，成为第一个到达火星表面的人造物。
• 1971年12月2日，苏联火星3号/Mars 3的登陆器成功在火星软着陆，成为第一个抵达火星的探测器，并在火星表面发出14.5秒信号。
• 1976年9月3日，美国维京1号的登陆器在火星表面软着陆，成为第一个向地球发回照片的探测器。

▲火星探索的飞行器 via 星球研究所

近十几年来，随着科技的进步，火星探索越来越受到各国的重视，著名的勇气号、好奇号、洞察号等等，已成为了人类科技前进的标志。而火星探测则成为了大众文化的一部分，如前几年的热门电影《火星救援》，受到人们的追捧。

▲火星救援海报

我国在火星探索的事业上起步较晚。2011年，中国研制的第一艘火星探测器“萤火一号”与俄罗斯研制的“福布斯-土壤”号搭乘质子火箭前往火星。然而，师出不利，由于俄方探测器未能成功变轨，“萤火一号”与“福布斯-土壤”号坠毁在太平洋。

▲萤火一号模拟图

失之东隅，收之桑榆。随着这几年中国在深空探测的技术积累，我们掌握了前往火星的技术。2020年，我国将发射火星探测器“萤火二号”，在首次任务中将要一次性实现的“绕”“落”“巡”三大任务，在航天史上史无前例。

尽管现在人类技术集中在火星地面的无人探测阶段，但对于在火星上设计居住地已经进行了前期的探索。例如2011年中俄两国联合开展的火星500项目，便是一个科学家验证移民火星可行性的项目。

▲火星500示意图 via 新华网

火星500由火星着陆模拟舱、医疗舱、居住舱、模拟仓、火星环境模拟舱组成，六位科学家进入一个模拟火星居住地的空间生存了五百多天，以获取在长期深空任务的影响下的人的心理和医疗情况。

此外，2017年，在青海省海西蒙古族藏族自治州红崖地区建成的“中国火星模拟基地”，将进一步帮助科学家探索火星居住地的所需条件。

▲火星模拟基地 via 中新网

红崖地区拥有典型的雅丹地貌群，其独特的地形地貌、自然风光、气候条件使之成为专家眼中“中国最像火星的地方”，在这里开展科学实验能让我们更好地了解火星。这个基地还具备了一定的科普功能，如果有条件能到实地参观的话，会让学生对STEM项目有着更深的认识。

这一主题的学习内容多是科学史，阅读型材料比较多。我们可以用什么方法让学生理解和认识人类探索火星波澜壮阔的历史呢？科技教师可以让每组学生主动搜集资料，制作成PPT，并在课堂上向其他学生展示。

完成阅读后，我们可以做一些小活动。例如，制作火星探索的时间线，便是一个梳理知识的方法。时间线的内容图文并茂，能够标注出时间、国家、任务、成功与否等等。

▲时间线绘制示例

另一个需要认识的重要问题是：人类为什么要登陆火星呢？这个问题有助于学生建构对核心工程任务意义的认识。

教师可以组织学生在课堂上进行小型辩论赛。学生们收集展示火星居住地的正面的和负面的观点，并进行辩论。教师还可以让学生把观点整理在海报纸上，以便清晰明了地展示。

03

建设火星居住地将面临哪些挑战

认识地球与火星的差异的问题，将有助于我们认识完成工程任务时将要面对的挑战。

尽管火星与地球有着某些相似之处，环境也比较“温和”。但“温和”只是相对于金星等其他星球而言，实际上，火星的环境可谓相当严酷，在火星建立居住地也面临着严峻的挑战。

No.1

饮用水问题

相对地球来说，火星表面几乎没有液态水。火星的水大多锁在永久冻土和极冠等冰冻圈，所以在火星表面没有足够的液态水可以形成水圈。只有极少量的水蒸气存在于火星大气层。

No.2

食物问题

食物是人类生存的保证，我们在《火星救援》中看到人类可以在火星上种土豆。在火星居住地中，怎样保证食物供应，是我们设计居住地应考虑的一个重要条件。

No.3

大气问题

由于火星的地磁较弱，导致火星的大气压只有地球的1%，而火星大气中充斥着甲烷和二氧化碳，没有氧气。而且，火星上有极大地昼夜温差，白天的气温可以到达20℃，而到了晚上，温度降到-153℃，怎样保温也是火星居住地必须解决的问题。

No.4

辐射问题

由于火星缺乏磁场的保护，宇宙的高能粒子直接辐射在火星上。如果没有安全保护，人类的DNA就会受损，在火星居住地的建筑上应具备一定的防辐射功能。

认识了这些地球与火星的差异，我们在设计工程任务中应设计出什么方案去解决这些问题呢？解决这些问题的过程中，学生们将进一步科学、技术、工程和数学的知识。

教师可以引导学生将目光拉回到地球中。学生首先查找资料，了解地球上有哪些类似环境，人们的解决方案是什么，这些方案是否适用于火星。然后对于每一个问题进行头脑风暴的讨论，提出自己的解决方案。

例如，火星的用水短缺的问题。短期的用问题可以参照太空站中高效的水循环净化系统。我们知道，人类建造太空站能够携带的用水非常有限，为了维持航天员的生活，科学家开发了高效地水循环利用系统，将污水重新进化成饮用水以供使用。

▲太空站水循环示意图 via NASA

那么，火星居住地是否适用于水循环净化系统呢？短期居住的话或许可以，但长期居住的话，我们还得寻求更持久的解决方案。从前面的内容中我们了解到，火星的空气中存在少量水分，火星的地表、地下和极地也有少量水资源，但我们不能直接使用，是否有解决的方法呢？

在中东等地区，淡水资源严重缺乏，有些国家建立起大型的海水淡化工厂。我们是不是可以参照海水净化的方法，在火星上建立地下水获取的装置，并在火星居住地上建立小型的淡化装置，就可以解决一部分饮水问题。

▲海水净化工厂

另一种可行的思路是分析作品。NASA的3D打印火星居住地比赛的成果也为我们提供了思路。学生们可以对历届的比赛作品的资料进行分析，分组讨论分析每一个作品是如何解决饮水、食物、大气和辐射的问题。并通过ppt汇报的形式分析他们的优缺点。

例如，火星的食物的问题怎么解决呢？我们可以通过对作品进行分析，并查找更多资料认识。有的参赛作品提出的我们可以用水培植物来作为食物的解决方案。

如果我们的设计方案中也用到了类似的方案，我们就需要有一个专门生产食物的空间。有的参赛作品专门设计出一个花园空间，用于生产食物。

▲ Den@mars对火星居住地空间的规划，下方圆形舱即为花园空间 via NASA

经过了这些内容的学习，我们设计火星居住地方案就不仅仅是拼创意，而是在创意中融合科学、技术、工程和数学的知识，学生们对火星也将产生更深刻的认识，更愿意去关注航天事业的发展。

活动资料

为了方便更多科技教师设计“火星居住地”STEM课程，我们整理了一些资料，提供各位老师参考。

[1] 登陆火星的意义是什么？火星上有稀缺资源嘛？-知乎“熊猫精酿”

https://www.zhihu.com/question/263971763/answer/277986160

[2] 2020年中国将首探火星！四问火星探测到底有多难

http://www.bjnews.com.cn/news/2019/07/08/600732.html

[3] 科技学堂课程 《我们的征途是星辰大海——火星救援》

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[4] 科技学堂课程 《火星征途》

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[5] 谷歌火星

https://www.google.com/mars/

关于《万物》杂志

《万物》是一本高质量的科学杂志，是享誉全球的青少年科学杂志How It Works的中文版。How It Works 创刊十年来，以科学、准确、严谨而有趣的内容，在15个发行的国家受到广大青少年的广泛青睐。2019年，How It Works的中文版，即《万物》杂志，将由《环球科学》杂志社编辑团队发行。《环球科学》杂志社是国内水平一流的科学编辑团队，其发行的《环球科学》杂志（科学美国人中文版）更是国内最具有影响力的大众科普杂志之一，受到的科学家和科技工作者的广泛欢迎。

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