“出窯萬彩：明清文物修復”實驗探究課例

周媛媛 周子藝

STEM 是一個基于自然學習模式的教學框架，在科學、技術、工程等知識的探索中融入人文、藝術、歷史等學科，在課程培養過程中加強人文核心素養的培養。南京博物院作為我國第一座由國家投資興建的大型綜合類博物館，有著悠久的建院歷史和豐富的館藏資源，可以說是一個在STEM 課程發展時代融合各個學科非常好的載體。為此，我校與南京博物院合作設計開發了“博物館課程”，為培養南外學子的創新能力和學科融合能力，尤其在加強人文核心素養培養方面，找到一條打通文理的學科融合之路。

本節課源于選修明清文物修復課程的一個學習小組的探究匯報課題，該小組的學生在博物館課程中對瓷器紅釉產生了濃厚興趣，他們從紅釉的前世今生說起，提出了“古法今析”的思考。學生從高中所學化學知識入手，用化學方法來推斷紅釉的燒制方法，并向老師提出“如何便捷可控地制備出成分、顏色、質地均接近于古代瓷器的銅紅釉仿色劑”的問題。此次探究實驗涵蓋了歷史、化學等學科，運用學科融合，發展學生思維，培養家國情懷，弘揚傳統文化，取得了良好的教學效果。具體實驗探究教學過程如下。

從課題小組的研究展示中，我們了解到，紅色在瓷器文化中是不可或缺的一部分，而銅紅釉的燒制在古代是非常困難的。現今利用所學的科學知識以及現代技術手段，我們能否便捷、可控地制備出成分和顏色與這些古代瓷器相接近的，用于瓷器修復的銅紅釉仿色劑呢？

探究一：銅紅釉的主要成分是什么？

師：要想制備出成分與古代銅紅釉瓷器相近的仿色劑，首先要了解銅紅釉中顯色的主要成分。我們學過哪些含銅的物質是紅色的呢？

生：單質銅、氧化亞銅……

師：沒錯，在我們常見的含銅元素的物質中，銅單質和氧化亞銅都是紅色的。通過查找資料，我們獲得了下面兩個信息——

資料一：

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資料二：銅紅釉的燒成溫度為1100 ～1200℃，在還原氣氛中燒成，氧化氣氛中冷卻。

師：根據所給的資料，你認為銅紅釉的主要顯色成分是什么？

生1：我認為銅紅釉的主要顯色成分是氧化亞銅，因為它在還原氣氛中燒成后又在氧化氣氛中冷卻，銅元素應該處于中間價態。

師：同學們有沒有其他想法或補充？

生2：我也覺得銅紅釉中的主要顯色成分應該是氧化亞銅，因為燒成溫度在1100℃以上，這個溫度超過了銅的熔點，液態的銅可能會流動，也可能會揮發而損失，而氧化亞銅不會。

師：如今科學家利用電子顯微探針等現代技術手段，對銅紅釉中銅的分布情況進行了測定，發現與同學們的推斷相吻合，銅紅釉中的發色團主要是氧化亞銅。

探究二：有哪些方法制備氧化亞銅？

師：既然銅紅釉的主要生色成分是氧化亞銅，那么你知道有哪些方法可以制備氧化亞銅呢？

生：我們在前期研究中了解到，在高溫下還原氧化銅，制備氧化亞銅的方法與銅紅釉窯內燒成的過程較為接近。

師：大家在初中階段已經學習過這個反應，當時我們認為生成的紅色物質為銅。而向試管冷卻后的剩余固體中加入少量鹽酸，發現產生了白色的氯化亞銅沉淀，這個特征現象說明紅色固體中含有氧化亞銅。但這個方法需要較高的溫度，我們有沒有學習過其他一些方法，可以在較低溫度下制備氧化亞銅呢？（學生有些困惑，表示想不起來了）

師：要想把化合物中銅元素的化合價從正二價降低至正一價，需要加入還原劑，那么在有機化學的學習中，有沒有通過氧化還原反應，生成氧化亞銅的例子？

生3：新制氫氧化銅可以氧化醛基，生成氧化亞銅的磚紅色沉淀。

生4（補充）：這也是生物課上利用菲林試劑檢驗還原糖的原理。

師：非常好！以葡萄糖為例，我們來回憶一下該反應的原理。具體實驗過程主要分為兩步，首先將硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液混合制備菲林試劑，再加入葡萄糖，水浴加熱，即可得到磚紅色沉淀氧化亞銅。這個方法與高溫還原法相比有什么優點？

生5：反應溫度較低。

生6：產物便于分離。

生7：原料易得，污染較小。

師：基于上述優點，這個方法更適用于實驗室制備氧化亞銅。根據給出的反應原理，大家認為有哪些因素可能會影響制備效果？

探究三：如何優化條件制備銅紅釉仿色劑？［1］［2］

生：溫度、反應物濃度……

師：大家提出了很多影響因素，為了細化實驗方案，節約實驗時間，老師進一步查找了資料，發現氫氧化銅在80℃時會分解為氧化銅和水，那么為了保證反應速率的同時避免副反應的發生，我們將水浴溫度設定在75℃。同時，為了將氫氧化銅全部轉變為氧化銅，防止藍色物質剩余對產物顏色產生影響，需要加入過量的葡萄糖，因此，老師給大家準備了1mol/L CuSO4溶液、2mol/L NaOH 溶液、飽和葡萄糖溶液等試劑和試管、燒杯、移液槍、恒溫水浴鍋、離心機、離心管等儀器。

師：為了控制變量及便于離心，我們規定加入飽和葡萄糖溶液的體積為2mL，加入的總液體量為5mL，請大家分小組設計實驗方案，通過改變硫酸銅或氫氧化鈉溶液的用量，探究反應物濃度對制備效果的影響，注意在實驗設計中需要控制變量。

（學生分組討論，設計實驗方案并交流。教師針對學生選擇的變量及每組實驗用量的梯度間隔以及設計目的等進行提問）

師：大家已經依據反應原理和探究原則設計好了實驗方案，請依據方案進行實驗，向離心管中加入依次試劑，充分混合后放入恒溫水浴鍋中加熱2 分鐘，離心，倒去上層溶液。

（學生分組進行實驗）

師：我們請兩個小組派代表匯報他們的實驗結果。

小組代表1：我們選擇的變量是硫酸銅的用量，每組選擇的用量梯度0.50mL，氫氧化鈉溶液的用量為1.00mL，我們發現硫酸銅加入0.50mL 的這一組制備效果最好。

小組代表2：在制備過程中我們發現，在反應物濃度較高時，將離心管放入水浴鍋中加熱之前就開始發生顏色變化了。另外，由于反應物中有固體，為了保證充分反應，可利用移液槍吸打，將懸濁液中的氫氧化銅與溶液充分混合，以免有藍色固體殘留在離心管內壁。

師：今天我們從銅紅釉仿色劑的制備入手，討論了物質制備時反應條件的優化，正如同學們所總結的，反應物濃度、加熱溫度甚至混合方式等均有可能對產物的制備效果產生影響。而在制備物質的全過程中除了反應條件，還需要考慮原料的來源及凈化、裝置的選擇與優化，以及產品的收集和純化等。制備一般物質思路圖可見圖1。我們可以把上述思路遷移到其他物質的制備中。比如除銅元素外，鐵元素在釉料的顯色元素中也十分常見，當釉料中含不同量的鐵元素時，在不同條件下可以燒制成黃色、青色、黑色等不同的色釉，課后大家可以利用我們今天總結的方法，進行鐵釉等其他顏色釉的成分研究及仿色劑的制備。

圖1 制備物質的一般思路

本堂課指向學科素養培育，利用豐富的博物館資源，為學生開展自主學習、合作探究提供了良好的條件，并豐富了學生的知識體驗，拓展了學生的理論寬度，增強了學生的綜合能力。運用學科融合、文理并蓄，發展學生思維，培養家國情懷，弘揚傳統文化，培養學生真正帶得走的能力。