古籍中的化學(xué)在教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

顧仲良 周學(xué)工

摘要： 以“氮肥的生產(chǎn)和使用”為主題，運(yùn)用古籍文獻(xiàn)中的相關(guān)內(nèi)容為情境，通過實(shí)驗探究和教學(xué)討論的模式，給學(xué)生建構(gòu)起銨（氨）的知識體系，同時揭示化學(xué)學(xué)科的知識性和人文性，實(shí)現(xiàn)學(xué)科教學(xué)與人文教學(xué)的融合，既弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化，又發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的學(xué)科能力。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)史; 古籍文獻(xiàn); 氮肥; 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2020）02-0046-05

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

習(xí)總書記指出，中醫(yī)藥古籍文獻(xiàn)“凝聚著深邃的哲學(xué)智慧和中華民族幾千年理念及其實(shí)踐經(jīng)驗”[1]，這些古籍文獻(xiàn)既是我們?nèi)A夏文明發(fā)展史的見證，也是我們?nèi)A夏民族科學(xué)研究的奮斗史。泱泱華夏，文明千載，保留下來的很多古籍中都有與化學(xué)相關(guān)的記載，例如： 春秋時期的《詩經(jīng)》中有“厹矛鋈錞”[2]（指在長矛的柄尾部的銅裝飾中鍍上一層錫來防止氧化）的記載，說明當(dāng)時已經(jīng)掌握利用活潑金屬鍍層的化學(xué)防銹技術(shù)。雖然這些中國古代的科學(xué)史實(shí)與理論，并不是致使當(dāng)今先進(jìn)科技文明的直接原因，但它們也為人類科學(xué)進(jìn)步起到了一定的推動作用。

著名教育家楊叔子院士說：“科學(xué)求真，人文求善”，在科學(xué)教育與人文教育之間找到一種平衡始終是我們教育工作者的一種境界。融“史”于課，以“史”促學(xué)，讓化學(xué)與人文相融合，可以為高中化學(xué)教學(xué)創(chuàng)設(shè)非常好的真實(shí)情境，在情境中力求揭示化學(xué)的知識性與人文性，這樣不僅可以促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等核心素養(yǎng)的發(fā)展以及化學(xué)學(xué)科能力的提升，同時也增長了學(xué)生的人文內(nèi)涵，使二者共同提高。

2? 設(shè)計策略與流程

化學(xué)史教育是化學(xué)教育的一個重要方面，2017版課程標(biāo)準(zhǔn)提出：“利用化學(xué)實(shí)驗史實(shí)引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)概念、化學(xué)原理的形成和發(fā)展”[3]。因此，“氮肥的生產(chǎn)和使用”一課的教學(xué)設(shè)計，力求在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，以歷史進(jìn)程為線索，充分挖掘古籍文獻(xiàn)中有關(guān)銨（氨）的知識情境，結(jié)合科學(xué)與人文，通過展示和體驗學(xué)科知識發(fā)生、發(fā)展的過程，充分調(diào)動學(xué)生的思維，并使其成為知識的主動建構(gòu)者，立足于學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，設(shè)計融合“教、學(xué)、評一體化”的“情境線”“活動線”“知識線”和“素養(yǎng)線”的教學(xué)流程（見圖1）。讓學(xué)生在研讀、感受傳統(tǒng)國學(xué)文化的過程中汲取化學(xué)核心知識，感悟科學(xué)發(fā)展歷程，以任務(wù)學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，探究活動為載體，促進(jìn)學(xué)生在變化觀念、模型認(rèn)知、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等素養(yǎng)方面得到較好發(fā)展。

本教學(xué)設(shè)計截取《詩經(jīng)》《周易參同契》《雷公炮炙論》《日華子諸家本草》《徐光啟手跡》《化學(xué)鑒原》諸部古籍文獻(xiàn)中與高中化學(xué)銨（氨）內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的記載，展示氮肥在本國發(fā)展的史實(shí)與理念，研究氮肥的歷史發(fā)展進(jìn)程和思維發(fā)展過程，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識這些化學(xué)規(guī)律和理論。

圖1? 教學(xué)流程圖

3? 教學(xué)過程與意圖

3.1? 任務(wù)一? 頌唱詩經(jīng)、感受人文——氮肥的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用

[PPT展示]《詩經(jīng)·周頌·良耜》： 荼蓼朽止，黍稷茂止[4]。

[提問]請語文課代表念一遍，試著解釋一下古文表達(dá)的意思。

[學(xué)生活動]聆聽古文解讀。

[點(diǎn)評]荼是一種苦草，蓼是一種水草，這里泛指田間的雜草。黍和稷是古代的兩種糧食作物，在這里泛指五谷，五谷是稻、黍、稷、麥、菽。整個意思是耘（除）田間的雜草，把它們堆爛成肥料，這樣就可以使大片莊稼綠油油的，長勢喜人。

[PPT展示]圖片： 堆肥、綠肥。每千公斤的雜草堆成綠肥，提供的氮元素相當(dāng)于13.6公斤的碳酸氫銨化肥。

[講解]這段文字的記載，說明在西周或更早的時期，我們的先人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了肥料能讓作物長得更好，并傳頌推廣這種堆肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用?！对娊?jīng)》是一部春秋時期的歌曲總集，下面我們一起來頌唱一下。

[學(xué)生活動]配樂頌唱詩經(jīng)片段。

設(shè)計意圖： 學(xué)生通過對《詩經(jīng)》片段的學(xué)習(xí)，既了解古代對氮肥使用的較早記載，贊嘆先人的智慧，又感受了《詩經(jīng)》的人文內(nèi)涵。這樣的主題引入有利于學(xué)生對知識產(chǎn)生濃厚的興趣，也有利于提升學(xué)生的人文素養(yǎng)和培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)烈的民族自豪感。

3.2? 任務(wù)二? 引據(jù)藥典、實(shí)驗探究——氮肥的性質(zhì)研究

[講解]“中醫(yī)藥學(xué)是中國古代科學(xué)的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙”。這是習(xí)總書記對中醫(yī)藥學(xué)的崇高評價[5]。浙江籍科學(xué)家屠呦呦就是受到了東晉著名煉丹士葛洪（號抱樸子）的《肘后備急方》的啟發(fā)，成功提取了治療瘧疾的青蒿素，獲得了2015年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。

[提問]請同學(xué)們列舉一些知道的著名中醫(yī)藥典。

[學(xué)生活動]列舉《本草綱目》《千金方》等有名中醫(yī)藥典。

[點(diǎn)評]同學(xué)們還是知道很多的古籍藥典的。下面我們來介紹幾部與我們今天的主題有關(guān)的古籍藥典。

[PPT展示]東漢時期的魏伯陽（浙江上虞人）在《周易參同契》中說：

“和膠補(bǔ)釜，以硇涂瘡，去冷加冰，除熱用湯”[6]。

[講解]《周易參同契》是道教早期的一部經(jīng)典，主要是介紹如何養(yǎng)生，如何煉丹。

[提問]這段古文的意思是什么？

[學(xué)生活動]（錯誤的方法是）調(diào)和一種膠來修補(bǔ)鍋?zhàn)?，用硇來治療皮膚外瘡，太冷了加點(diǎn)冰塊，太熱了加點(diǎn)熱水。

[點(diǎn)評]這段古文中，可能“硇”這個字大家比較陌生。硇是指硇砂，一種主要成分為氯化銨（NH4Cl）的礦石，是一種常用的中藥，產(chǎn)于今天的吐魯番一帶。這段古文是比較早對銨鹽的記載，說明早在東漢時期，先人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銨鹽，并把銨鹽作為藥物來使用，但不能治療外瘡，這是為什么呢？下面我們來探究硇砂的性質(zhì)。

[實(shí)驗探究]用pH試紙測氯化銨溶液的酸堿性。

[點(diǎn)評]實(shí)驗證明氯化銨溶液有較強(qiáng)的酸性，易腐蝕皮膚。氯化銨溶液的酸性原理我們會在《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊教學(xué)時探究，當(dāng)然大家也可以去高年級那邊借書來自己先看看。

[提問]這種硇砂能作為氮肥使用嗎？當(dāng)時的古人有沒有把它當(dāng)作氮肥來使用呢？

[學(xué)生活動]討論、交流。引導(dǎo)學(xué)生從所含元素及物質(zhì)性質(zhì)的角度，從礦石的產(chǎn)區(qū)及礦石的產(chǎn)量角度，自由發(fā)表觀點(diǎn)。

[點(diǎn)評]硇砂的主要成分是氯化銨，而銨鹽都是易溶于水的，所以它完全符合作為氮肥的條件，但由于產(chǎn)地比較偏遠(yuǎn)，而產(chǎn)量不是很高，所以它只是作為更精貴的藥物使用，并未大量地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。自漢代以后，還有許多中醫(yī)藥學(xué)家對硇砂進(jìn)行了研究。

[PPT展示]南北朝劉宋時期的雷敩在《雷公炮炙論》中說：

“硇遇赤須，水留金鼎”[7]。

[講解]《雷公炮炙論》是介紹中藥材熱加工的一部藥學(xué)著作，成文于公元5世紀(jì)時的南北朝劉宋時期。這段古文的意思我們通過一個實(shí)驗來探究。

[演示實(shí)驗]氯化銨分解實(shí)驗（見圖2）。

圖2? 氯化銨分解實(shí)驗裝置圖

[提問]通過實(shí)驗，我們知道了氯化銨具有什么樣的性質(zhì)？最后在試管口及導(dǎo)管內(nèi)聚集了這么多的氯化銨，又說明了什么？上述的古文又是如何解釋的？

[學(xué)生活動]討論、交流。從銨鹽穩(wěn)定性的角度自由發(fā)表觀點(diǎn)。

[點(diǎn)評]氯化銨分解產(chǎn)生的氯化氫和氨氣，在冷的條件下，又發(fā)生了化合反應(yīng)?！俺囗殹北疽馐且环N叫虎須的中草藥材，在這里“赤須”是形象化的火焰[8]，指加熱使氯化銨分解，并在加工容器的頂部聚集。

[提問]請一位同學(xué)來書寫一下整個過程所涉及反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[學(xué)生活動]板演氯化銨分解、氯化氫與氨氣化合的化學(xué)方程式。

NH4Cl△NH3↑+HCl↑， NH3+HClNH4Cl

[點(diǎn)評]常見的銨鹽都是易溶于水的白色晶體，受熱易分解。

[講解]除此之外，我們再來了解一下銨鹽的其他性質(zhì)。

[PPT展示]五代時期吳越國的日華子（寧波鄞州區(qū)人）在《日華子諸家本草》中說：

“北庭砂，凡修制，用黃丹、石灰作柜，鍜赤使用，并無毒”[9]。

[講解]《日華子諸家本草》是吳越國時期一部藥典，里面介紹了600余種不同的藥材。北庭砂即為硇砂，中藥材的石灰是指灼燒白堊之后得到的熟石灰。

[提問]根據(jù)這段古文，我們來設(shè)計一個化學(xué)實(shí)驗。

[學(xué)生活動]討論、交流。學(xué)生自由發(fā)表。

[提示]參考初中加熱高錳酸鉀制氧氣實(shí)驗。

[實(shí)驗探究]學(xué)生上講臺進(jìn)行實(shí)驗室制氨氣實(shí)驗，并檢驗產(chǎn)生的氣體。

[學(xué)生活動]請同學(xué)板演這個反應(yīng)的化學(xué)方程式：

2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O

[點(diǎn)評]這可能是最早關(guān)于制取氨氣的文獻(xiàn)記載，比1727年歐洲英國化學(xué)家哈爾斯用此法制得氨氣早800多年。

[提問]同學(xué)們，如果我們生活在吳越國時期，也研究“修制”硇砂作為中藥材，那么我們是不是可以在上述的古文記錄中增加一些文字來完善？特別是實(shí)驗現(xiàn)象方面。

[學(xué)生活動]討論、交流，自由發(fā)表看法。

[點(diǎn)評]《日華子諸家本草》中關(guān)于這個實(shí)驗的記錄，的確是少記了它會產(chǎn)生氣體的事實(shí)，這是由于道家認(rèn)為組成萬事萬物的元素是“金木水火土”，并無“氣”，且古代“氣”的概念與現(xiàn)在“氣體”有所不同，所以對氣體的認(rèn)識和記錄都比較少。其實(shí)當(dāng)時英國化學(xué)家哈爾斯也沒有記錄產(chǎn)生氣體，只是發(fā)現(xiàn)水被吸入加熱容器中，直到五十多年后普利斯德才用該實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了這種堿空氣（氨）。所以同學(xué)們在認(rèn)識科學(xué)的時候需要不斷地修正和完善，從而形成對科學(xué)探究的主觀性和對科學(xué)知識的暫時性有一個清晰的認(rèn)識[10]。

設(shè)計意圖： 通過引用數(shù)部經(jīng)典藥籍中有關(guān)銨鹽的記述，一則展示并宣揚(yáng)我國燦爛中醫(yī)中藥文化，挖掘其中蘊(yùn)含的哲學(xué)思想、人文精神、價值理念、道德規(guī)范，堅定文化自信，使學(xué)生有繼承中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的志向;二則使學(xué)生通過古籍閱讀—理論分析—實(shí)驗探究—小結(jié)歸納，能根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際進(jìn)行綜合的課題探究，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)知識的建構(gòu)并發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

3.3? 任務(wù)三? 涉書史海、探求真理——氮肥的合成開發(fā)

[PPT展示]明代的徐光啟（上海松江人）在《徐光啟手跡，農(nóng)政全書手札》中說：

“（餾糞法）又有一法，宜用燒酒法，取其餾水用之，百倍金汁”[11]。

[講解]徐光啟是明代的著名科學(xué)家，最大的成就是與意大利傳教士利瑪竇合作翻譯了數(shù)學(xué)名著《歐幾里得原本》，即《幾何原本》。同時，他還寫了很多與農(nóng)業(yè)相關(guān)的著作，比如《農(nóng)政全書》和《北耕錄》。

[講解]上述的燒酒法就是蒸餾法，獲得的餾水就是氨水，金汁是指糞尿水。這可能是人工首次合成具有實(shí)用價值化肥的記載。在我國，氨水作為化肥在上世紀(jì)80年代還有使用。當(dāng)然僅靠蒸餾糞尿水來獲得氨水那是相當(dāng)有限的。

[提問]為了獲得更多的氮肥，人們可能會向哪里探尋需要的氮元素呢？

[作答]空氣中的氮?dú)狻?/p>

[點(diǎn)評]人們肯定會把目光視向氮元素含量豐富的空氣，利用空氣中的氮?dú)鈦磉M(jìn)行人工固氮。

[PPT展示]1871年，清代的徐壽（江蘇無錫人）在《化學(xué)鑒原》中說：

“取此物（指氨）不能將原質(zhì)（元素的舊稱）徑自化合而得，然將淡氣與輕氣共置瓶內(nèi)，用玻璃電氣過之使發(fā)星點(diǎn)，久久亦能合成少許”[12]。

[講解]這段晚清時期文字大家都可以看得懂，《化學(xué)鑒原》是徐壽（號雪村）與英國人傅蘭雅合作翻譯的一部介紹歐美化學(xué)的讀物，里面記載著大量的基礎(chǔ)化學(xué)知識和理論。

[提問]寫出這個反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[學(xué)生活動]書寫合成氨的化學(xué)方程式：

N2+3H22NH3

[閱讀]教材有關(guān)德國化學(xué)家哈伯合成氨的內(nèi)容。

[提問]為何哈伯合成氨的條件不一樣？哪一種條件下合成氨更合理？

[學(xué)生活動]討論、交流。

[點(diǎn)評]一個化學(xué)反應(yīng)要具有真正的工業(yè)價值，既要有合適的（非最高）轉(zhuǎn)化率，又要有較快的反應(yīng)速率，而高溫高壓催化劑正好能兼顧這兩個目標(biāo)。當(dāng)然也不能是無限高的溫度和壓強(qiáng)，不然會大大增加設(shè)備的成本。

[提問]利用工業(yè)合成的氨或氨水作為化肥還有什么缺陷呢？

[實(shí)驗探究]聞濃氨水的氣味。

[學(xué)生活動]交流討論。從氨水的保存和運(yùn)輸，以及施加到農(nóng)田中的長久性、對農(nóng)作物的傷害性方面進(jìn)行解釋。

[點(diǎn)評]氨水有一定的揮發(fā)性，是一種刺激性氣味的氣體。所以農(nóng)業(yè)上常將氨轉(zhuǎn)化為固態(tài)的銨鹽加以使用。

[講解]氨氣與二氧化碳在高壓條件下合成尿素化肥[CO（NH2）2]，在低壓條件下合成碳銨化肥（NH4HCO3）。

設(shè)計意圖： 通過數(shù)部古籍，了解氨水的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)識合成氨反應(yīng)研究的歷史和化肥合成的歷史。此環(huán)節(jié)不僅從理論上推理利用空氣中氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)合成氨工業(yè)的合理性，同時也讓學(xué)生認(rèn)識并體會從理論到實(shí)驗再到工業(yè)化的過程中，科學(xué)家在科學(xué)探索中的思維發(fā)展過程，感受科學(xué)研究的艱難，從中弘揚(yáng)技術(shù)創(chuàng)新的工匠精神，樹立追求中國夢的國家情懷，發(fā)展理論聯(lián)系實(shí)際的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。同時考慮反應(yīng)速率、化學(xué)平衡等方面對實(shí)現(xiàn)合成氨反應(yīng)、認(rèn)識條件控制的重要性，發(fā)展對反應(yīng)原型進(jìn)行評價并加以改進(jìn)模型的“模型認(rèn)知”和“變化觀念”等核心素養(yǎng)。

3.4? 任務(wù)四? 綠色化學(xué)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)——氮肥的未來展望

[視頻]脲甲醛化肥、包裹尿素化肥。

[講解]田間施肥是一個短時行為，而農(nóng)作物的吸收是一個長期行為。多余的化肥因為易溶于水而會流失，引起富營養(yǎng)化的水體污染，而一段時間后土壤中肥力下降，影響農(nóng)作物的生長。所以緩釋化肥、對環(huán)境友好化肥的開發(fā)使用是未來化肥發(fā)展的趨勢和方向。我們在對事物認(rèn)識上要客觀、辯證地看待，多從綠色化學(xué)視角出發(fā)，樹立起對資源進(jìn)行合理利用的可持續(xù)發(fā)展意識[13]。

設(shè)計意圖： 化學(xué)史教學(xué)不僅要回顧化學(xué)科學(xué)的過去，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注化學(xué)科學(xué)的現(xiàn)在和前沿。拓寬學(xué)生的知識面，努力挖掘原有的和新增的化學(xué)知識之間的關(guān)系，更好地發(fā)展學(xué)生的“創(chuàng)新意識”和“社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

4? 反思與感悟

科學(xué)的發(fā)展需要經(jīng)過漫長的歷程，而教學(xué)是在相對狹小的時空環(huán)境中進(jìn)行的，為了在有限的教學(xué)時間內(nèi)讓學(xué)生領(lǐng)會和掌握這些間接知識，重新演繹法是一種快速有效的教學(xué)方法。重新演繹古人的研究方法、實(shí)驗手段和思維發(fā)展過程，須兼顧探究史實(shí)與建構(gòu)知識。當(dāng)然，重演法勢必也會受探究過程中史實(shí)相對無序、跨度跳躍的影響，造成知識點(diǎn)的缺漏和知識體系結(jié)構(gòu)松散，而我們的課堂教學(xué)要追求在課程標(biāo)準(zhǔn)框架下知識的系統(tǒng)性和整體性，這就要求我們在教學(xué)中必須處理好化學(xué)史中知識的局部和整體的關(guān)聯(lián)性問題，以保證和提升知識的完整性和結(jié)構(gòu)化。

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