六、 试验与总结
（一）学生分组进行各项试验
通过答辩的小组就可以开始进行各项试验工作。本次试验中能够由学生自己制作的，都要求学生自己制作，其中包括降落伞的设计与制作，如图5—51～图5—55所示。而试验有几个重要的环节，分别是保温、定位、降落伞打开和回收。下面我们可以看看学生对各个环节的试验小结。
图5—51 将玻璃窗口密封
图5—52 制作的保温箱外形
图5—54 给气球充气
图5—53 安装摄像机
图5—55 回收成功
1.保温部分（学生总结）：
保温环节是这个气球项目的重中之重，上次失败是因为保温，这次成功同样离不开保温。下面我们来分析一下保温这个环节。
保温其实有两大部分，就是防止散热和主动升温。
先从主动升温说起。主动升温又分为两个部分，即设备自发热和专用发热装置。2月的放飞中，专用发热装置是暖宝宝，即利用铁屑氧化来升温。这种装置发热有一个前提就是必须在含氧量较高的环境下。我们对暖手宝做过低压试验，发现其在低压环境下不工作。7月的放飞使用的是电暖手宝，它利用红外线加热，表面温度程序设定为50℃，可持续工作10h，发热环境要求并不苛刻。地面低温实验中它良好的工作表现证明了这一点。我们还留有一备份方案，即采用清华大学最新研制的碳纳米管加热装置。其实就是超薄电褥子。此方案用于电暖手宝方案失败后用其裹住电池，而低温试验中负载内温度始终未降至零下，所以此方案未能使用。
再来说防止散热。散热通常有三种方式：直接热传导、红外热辐射、对流。2月用的是海绵，首先直接热传导就已经不行了，同时，海绵多孔洞，易发生对流，带走热量。在7月的放飞中，我们队三个方面均做出处理。直接热传导有两个方面：材料和结构。对于材料，我们总结出规律，密度越小的材料导热性越差。这并不是一个严谨的且普适的结论，但可以用作一个感性的参考。我们在保温方面做出过三次尝试：① eps 3cm保温盒；② 双层：外胆xps 2cm保温盒，内胆eps 3cm保温盒；③ 三层：外层eps 3cm保温箱，中层eps 3cm保温盒，内层eps 2cm保温盒。对于结构，由于导热与面积有关，表面积与体积的比越小热传导越差，所以我们采用了正方体。对于红外热辐射，我们曾经试过锡箔，但最终发现其屏蔽信号，并且我们考虑到保温盒颜色为白色，会反射红外线，所以最终没有用锡箔。我们的保温箱是准气密的，不可能出现对流。之前的三代产品代表着我们从无到有，从差到好的探索历程。
我们用于做保温实验的仪器是价值数百万元，可降至—80℃的制冷机（在此特别鸣谢清华富士康纳米科技研究中心），共做过两次实验。第一次是二代保温箱不加暖宝实验，结果为2h后保温箱内温度—45℃，外温度—60℃；第二次是三代保温箱加暖宝，结果为2h后保温箱内温度5℃，外温度—60℃，达到实验预期。
2.定位部分（学生总结）：
在保温系统足够完善的情况下，定位及搜寻就显得尤为关键了。
关于定位系统，我们总共有三大体系：微型定位器、手机定位器以及登山用卫星定位器。
第一代微型定位器有一个明显的优势就是体积小，重量轻，设计防摔构造时我们几乎不用考虑他。它利用基站进行定位，并利用手机信号将位置信息传送给第三方，即我们。缺点也十分明显。第一，很可能负载落入无信号覆盖区域，导致无法接收信号。第二，定位精度极差，误差超过两公里。最终未被选用。
第二代手机定位器同样利用蜂窝数据进行定位，但定位精度有极大提升，误差不超过10m。我们曾尝试用iPhone 4s上的icloud以及自己下载的lookout等定位软件定位，发现在卫星地图的情况下十分精确。但利用移动数据同样不可靠的一点在于若落入无信号覆盖的区域则无法定位。最终也未选用。
第三代登山用卫星定位器我们选用了Spot第二代。它采用GPS定位，可在全球任何位置定位。而最重要的是它的数据传输方式：卫星电话式传输。利用与卫星电话原理类似的方式，将Spot自身坐标信息传给卫星，卫星传到Spot官网服务器，我们登录Spot官网查询。在卫星地图的环境下，定位十分精确。并且它能耐—30℃的低温，信号覆盖范围囊括了全球任意海拔6500m以下的地点。
为了大致确定落点，我们找到了欧洲气球爱好者网站的预测功能。利用输入的发射地点经纬度，放飞时间，爆破高度以及降落速度来确定落点的大致位置。我们将其生成的飞行路线文件导入Google Earth来看它的落点信息。
放飞前，我们发现曾经使用的珍珠棉由于其网状结构而屏蔽GPS信号。撤掉珍珠棉后，Spot定位器得以每10min向我们传输一次数据。
搜寻前我们做足了准备。由于登录Spot官网需要“翻墙”，指导老师胡天硕写了一个软件使Spot的位置信息可以在不“翻墙”的情况下刷新。我们携带无线路由器，用联通3G网络在iPad上刷新位置信息。综合了预测网站的信息以及Spot发来的位置信息，我们决定沿G306国道向东开。收到三次信号之后，气球离开了6500m的区域，不能收到信号。但大约40min后，我们又一次刷新了位置信息。距放飞2h后，我们发现最新位置信息与上一次重合，由此断定已落地。
我们曾做过Spot与iPhone定位可靠性测试，发现两者在卫星地图下都是精确的。而卫星地图显示的地点是由坐标信息导入地图而生成的。由此我们断定iPhone和Spot的坐标信息，即经纬度信息，可以重合。由此，我们做出两种预案：一种采用数据找法，即利用iPhone上的经纬度坐标换算成小数点后五位的形式，与Spot的经纬度不断接近，直到重合；另一种采用卫星地图找法，综合标志性事物及标志性地貌来寻找。最后我们决定分两小队寻找，以提升效率。
采用经纬度找法的小队根据iPhone中指南针下方的经纬度坐标，先向东行进，在经度坐标重合后，又向北走，找到了负载的精确落点。但由于周围全是灌木，因此增加了搜寻难度。在地毯式搜索无果后，又回到原地。一个同学发现了我们的雷达反射器，由此找到了负载。
而采用卫星地图找法的小队根据旁边是哈巴齐拉村，发现停车地点距落点3km。于是乘车前往哈巴齐拉村。之后，根据标志性的Y形的峡谷，来到了落点附近。但由于不够仔细等原因，最终没能找到。
此次定位及搜寻为后续的放飞积累了经验。以后，我们要选择山地、丘陵及河流较少的平原地带放飞。搜索队需配备手台即望远镜。需有专门人员在电脑前实时播报两个位置信息的相对位置。负载根据预测的落地地点的颜色，喷涂与其相差最大的颜色。负载内加装扬声器。此次搜寻圆满成功！
3.降落伞部分（学生总结）：
降落伞是一个关键部分，为了防止由于30000m高空自由落体下来的负载摔坏，我们制作了降落伞。
我们的降落伞总共有两种型号：第一种是网上的图纸，共13片；第二种是我们自己设计的，共8片（图5—56）。
图5—56 学生们自己设计的降落伞型号
第一种由于片数太多，且需要缝弧面，因此我们决定暂时用胶带纸粘贴各片。实验证明，这个降落伞十分不靠谱，几乎没有减速的作用。为此，我们决定自行设计。
第二种花费了我们很多精力。我们先后在白纸上画了10余种图纸，用胶棒粘成缩比模型，挂橡皮当重物，一一实验其减速性能。实验中有一款伞优势明显。在调整了各部分数据之后，我们给新伞定型。在正式制作大伞之前，我们又用雨伞布的下脚料制作了另一个缩比模型，以验证在与纸性状不同的材料的情况下此伞能不能用。实验证明，此伞减速性能十分好。于是，我们制作了大伞。
对于连接伞的线，我们一开始采用单根承力20N的钓鱼线。而之后的实验表明这个线十分容易缠到一起，并且将能承受负载的重量。于是我们换了下一代单根承力80kN的进口钓鱼线。而钓鱼线仍显得承力不够。于是我们用编麻花辫的方式将每三股编成一根，承力能力提升超过3倍。但由于工作量大，以及缠到一起的情况时有发生，因此，我们打算换线。最终，我们购买了90m的军用伞绳，单根承力2000kN且不易缠到一起。这是我们一步一步探索，找到最佳方案的过程。
关于降落伞实验，我们做过许多次。在学校教学楼5层我们做过实验，发现主伞能够完全打开，稳定伞也起作用。但之后的两次高楼实验却反映出主伞在大风情况下不能打开。我们改变了连接结构，用稳定伞拉开主伞，保证了此次实验的成功。
（二）实际放飞、回收和后期处理
2013年2月2日，我们最先完成所有地面试验项目的一组进行第一次正式放飞试验。放飞地点就在清华附中校内，在气球升空半个小时候，信号消失；不过，我们并没有放弃，我们依然向着预计的着陆点——唐山进发，5h后，我们在唐山宣布试验失败，返回北京。
第二次的试验，学生们更加的严谨，更加的仔细，考虑问题也更加全面。他们甚至进行了低温实验，保证了外界环境低于—60℃时，箱内温度不低于5℃的理想情况。
暑假时，我们有两个小组的地面试验项目全部完成，于是我们于2013年7月26日带着9名同学赴内蒙古经棚镇进行了第一次放飞试验，最终取得成功。我们于2013年7月27日上午8点50分放飞气球，负载箱于10点38分返回地面。进过近3h的寻找，我们于14点40分找到负载箱。负载内置的摄像机记录了气球上升、下降的全部过程。学生们第一次用自己的摄像机拍摄下了近30km高空的地球影像。学生们将后期制作的试验视频上传上网。
回收部分（学生总结）：
2013年7月27日早上8点50，我们装有暖宝、摄像头和Spot卫星定位器的负载箱子，外加雷达反射器和降落伞，总共加起来有二三十米长的“一字长龙”，在我们大家长时间的筹划和准备下，终于连着氦气球成功升上了天空。
接下来的任务，除了保佑箱子里的设备工作正常，就是根据我们放在箱子里的Spot卫星定位器，找到这些东西的降落位置，以便打开箱子查看录像。我们这次之所以选择新浪向我们提供的Spot卫星定位器，是因为卫星可以搜寻到地面上任何一点发出的信号。而用手机定位，若手机落在没有信号的地方就无法使用，从而无法定位。在地面上，经过反复尝试，我们去除了之前阻隔Spot信号的珍珠棉，终于调试好了Spot合适的放置位置，确保了大约10min能在Spot网站上收到一次卫星发来的信号，信号数据会显示Spot的经纬度，Spot网站上的地图可以让我们大致看清气球的飞行方向，以便我们搜寻。
在未放飞之前，我们找到了一个预测网站（http：//predict.habhub.org/），通过放飞时间、放飞地点的经纬度、放飞目标高度来预测气球大致的飞行方向。于是在气球升空后，我们大家综合了预测网站的预测结果、Spot网站上地图显示的飞行轨迹、经纬度三者，确定了气球飞行的方向，并乘车前往。在途中，除了气球上升到6500m以上，Spot无法发出信号的大约40min以外，我们在网站上始终能正常地收到卫星发来的信号。不到2h，我们发现Spot发来的经纬度数据不再继续变化，以此确定箱子已经落地。
接下来，我们利用iPhone的指南针功能随时确定车的经纬度，使之与Spot发来的经纬度不断接近。之中细节问题就是度分秒的换算：Spot发来的经纬度是小数点后几位，以度为单位；而iPhone上的经纬度是以度分秒为单位的，这之中为了确保一致性，我们将度分秒全部转换成以度为单位（将秒除以3600，将分除以60），从而将小数点之后的位数一位一位接近。在接近过程中，我们不断地测试，开始时往大体方向东北走，越来越接近的时候，先往正北，使纬度位置与Spot的完全一致，再往正东，使之完全一致。
当我们站在那个“最准确的”点时，由于四周有不少灌木，什么都没有发现。接下来我们开始四周“地毯式搜索”，还是没有收获。最后，我们重新回到那个点，终于看见二十几米外有白色的东西，我们朝着那个东西走，发现果然是我们的箱子，搜寻成功！
在找的时候，另一部分同学采用了和我们不同的寻找方法，即用卫星地图寻找周边标志性事物（如某个村庄），地形（Y形峡谷），并结合当地人提供的地理位置信息。最后也离目标很近，但由于其局限性及其他因素，最终还是没有发现目标。但这种方法也有其科学性，今后我们可以好好总结，使这种方法更精确，与上述经纬度方法配合工作。
这次搜寻工作可以算是非常成功的，但之中也有不足：我们在搜寻之前的协调、沟通、准备还有所欠缺，也没有测试iPhone和Spot的经纬度的精确程度，所以能够找到也有一些运气成分。所以以后在实际操作之前一定要做好充分的实验和准备，大家互相的沟通也非常重要。
通过这次试验，我们知道了Spot和iPhone的经纬度定位是完全可以信赖的。并且为了方便下次试验的搜寻，我们准备加装无线电测向装置和扬声器，并且把箱子涂上鲜艳的红色。
总之，这次的成功也为以后的实验奠定了基础，希望我们今后能把这个实验做得更加科学、完美！
（三）分享与交流
由于该项目具有相当的难度，所以并不是所有的小组都完成了这次的项目，因此在课程的最后，成功的小组与大家分享了他们失败和成功的经验，同时也提出了新的想法。
学生总结案例
1.真正认识到了知易行难的道理
有很多事情看似简单，真正自己实际去做的时候，会遇到各种想象不到的问题。我们第一次失败的一个很重要的原因就是把这个试验想得太简单了，当时我们认为国外已经有很多人做过很多次了，那么小的一个小孩都能做成功，我们去做肯定没问题。后来，才发现知道简单，真正地做到很难，更难的是在失败后我们还要坚持下去。
2.学会了分工合作
任何一个项目，单凭一个人或个别人的力量是不可能完成的。每个人都有每个人的特点，只有充分发挥个人特点，才能高效地完成任务。例如我们在刚开始做降落伞的时候，是她们几个女同学自己一针一针缝的，时间上浪费了不少，而且质量上也不能得到保证，到了后来，我们就直接拿我们设计的样子给裁缝去拿缝纫机缝了，15min就搞定了。所以，我们知道了分工协作的重要性，任何一个项目都是不可能一个人去完成的，我们应该充分发挥每一个人的作用，分工协作，达到最好的效果。
3.学会了竞争与合作的关系
在我们第一次放飞的时候，由于时间的关系，我们只能先放一个组，再放一个组。第二组可能会因为时间的关系没有办法放飞。最后还是讨论决定让有过失败经验的那一组先放，当放飞成功后的搜寻过程中，第二组的同学并没有因为不是自己组的气球就放弃搜寻，而是非常努力的帮助第一组的同学寻找负载箱，最后是有第二组的同学找到了负载箱。经过这次的经历，这两组已经合并成一组，开始了接下来更进一步的探空气球试验了。
4.深刻经历了一次由失败到成功过程
对于我们学生来说其实很难遇到什么大的失败，即便是失败，那也仅仅是限于考试成绩的不理想，这次我们应该算是经历了一次全方位的失败，包括失败后别人对我们的嘲笑，但是我们挺住了，所以我觉得通过这件事情我们成熟了。我觉得这样的挫折教育可能是在我们一般的课堂上所体会不到的。
5.真正体会到了书到用时方恨少
我们在学校学到更多的是书本上的知识，我们运用知识的途径也只是能通过考试，我们非常关注的也是考试的成绩，分数的高低。这次需要我们把所学的知识用到具体的实践当中去，例如我们负载箱中的定位器发给我们的定位经纬坐标是小数，而我们用的手机定位器上的定位坐标是度分秒的形式，在我们搜寻的过程中为了找到具体的落地点，需要现学地理经纬度的知识，将手机的度分秒换算成小数。当我们走到自己算出的落地点时，眼前是一片灌木丛，并没有发现我们要找的箱子，我们当时还开玩笑地说：“我们没有算错吧，这要是算错了可不是扣一两分能够解决的啊。”不过最后实践证明我们的换算是没有错误的，我们最后就在我们算出的地点附近找到了箱子。
我们的课程的基本理念是按照学生的认知规律，首先通过参观、讲座关注学生的内在学习动机，激发学生对科学的兴趣，培养其对科学的好奇心。然后通过老师的引导，培养学生的问题意识，让学生通过观察和科学试验慢慢形成独立思考、敢于质疑、尊重事实、敢于创新的科学研究习惯。同时，通过生物、物理上的小探究实验，提高学生的动手能力，让学生具有初步的实验操作技能，会用简单的实验仪器，能测量一些基本的物理量。最后，通过一个具有一定难度的研究项目来让学生亲身体会科学探究活动，学会拟定简单的科学探究计划和实验方案，体验通过试验获得研究成果的过程，并能通过交流讨论，能书面或口头表述自己的观点，有自我反思和听取意见的意识，具有一定的信息交流能力。
通过一年的学习，特别是最后的项目研究，让同学们体会到了什么是真正的科学探究，也让他们认识到了科学研究的艰辛和获得成功后的喜悦。通过这一年的学习，同学们更加关注科学技术对社会发展、人类生活的影响，并非常乐于参与科学实践活动，有的同学甚至有了更大的理想和抱负。