基于技術實驗的科技史校本課程開發

關鍵詞 科技史，青銅冶鑄，校本課程

中圖分類號 G63 文獻標識碼 B 文章編號?0457-6241（2020）03-0045-07

在闡述整個問題之前，我們有必要首先說明科技史的內涵與意義：科技史，即科學與技術的歷史，其中“科學”探究的是內在的原理，而“技術”則是以生產為目標的方法。需要注意的是，在中國歷史上的大多數時間，科學與技術之間的聯系并不緊密，多數情況下它們處于相互分離的狀態。礦場的工人精通冶煉技術，但他們大多數并不具備相應的科學知識。所以，單從歷史的角度看，當我們討論古代科技史的時候，討論的其實是技術史，直到20世紀以后，科學和技術才逐漸密不可分。在現行中學歷史教材中，科技史是重要的專題，相關內容集中在古代中國的手工業技術和近代科學技術發展兩個方面。我們學習科技史的原因，一方面在于科技對生產力發展有重大影響，極大地推動了人類文明進程;另一方面，古代中國的科技發展多被用作進行愛國主義教育的素材，強調其“最早”，或者其世界性影響。然而，除此之外，科技史的教學還具備更多的意義：首先是培養學生的科學精神，即一種求知欲、好奇心，追索的欲望;其次是技術思維，即以一種簡便高效的方法解決生產中的技術問題，同時謀求全方位的布局，提高組織效率;最后，通過學習科技史、進行技術實驗，可以建立對古人生活和古代世界的綜合想象，即在科學認知和技術水平有限的情況下，究竟是如何制造出產品的？以上意義，對于學歷史的中學生來說，無疑是十分重要的。其問題在于：在具體的教學中，如何讓以上意義落地？

古代中國的科技史學習，主要是技術史的學習。對此，如果僅僅依靠書面的學習或討論，始終是“紙上得來終覺淺”，難以直觀地理解古代技術的意義。那么，我們有沒有可能開設一門校本選修課，以某一種工藝產品為線索，既在文本層面探討這一工藝品的歷史，又通過技術實驗，還原古代的制造過程。這樣做既能激發學生的興趣和熱情，讓學生感覺到“好玩”，又可以使其在制作過程中了解科學技術的重要性，培養科學精神、思維，以及對古代世界的綜合想象。通過課程實驗，我們發現這是完全可行的，而且并不需要多么高深的知識和十分艱難的技術。因為我們的重點在于過程的再現，并非制造一個成功的產品。比如陶器的制作，通過和泥、盤筑、晾干、燒制等若干步驟，每個學生都可以做出一個陶器，盡管這個陶器可能質量低劣、造型丑陋，但學生依然可以體會到陶器的制作過程及其技術要求。所以說，在追求場景再現這一前提下，我們完全可以設計包含制作環節在內的科技史校本課程。

中國古代手工業技術，集中體現在冶金、制瓷、紡織、建筑等幾個方面，這也是現行課標和教材中關于科技史教學的核心內容。我們可以從其中選擇一項，模擬古代技術條件下的生產過程。在這些科技史教學主題中，青銅冶鑄是一個很好的切入點，其主要原因如下。

1.銅具有豐富的意義。“國之大事，在祀與戎”，青銅器不僅是工具，更是禮儀、秩序和紀念。在校本課的設計中，我們可以為學生提供一件有銘文的青銅器，通過對銘文的刻畫，并將其與甲骨文、楷書加以對比，學生可以體會到中國文化的連續性和韌性及其藝術力量。此外，通過閱讀、復刻青銅器的紋樣，還可以讓學生了解青銅器的紋飾和風格，并理解其中所蘊含的文化意義，走進古人的精神世界，培養一種有所依托的家國情懷。銅還具有重要的金融意義。戰國秦漢以后，銅是重要的鑄幣材料，銅料的獲得直接關系到社會經濟。因而，如何獲得銅，如何管理銅業，銅料的充沛或缺乏產生了怎樣的歷史影響，都可以成為校本課的延展內容，真正做到透物見史。

2.青銅的冶煉和鑄造涉及多項古代手工業技術和現代科學。冶金是較為復雜的手工業產業，涉及多個手工業門類，其中最為重要的是制陶和鼓風。在陶器方面，鼓風管、坩堝均涉及陶器的制作，而陶土作為極為重要的制器材料，在古代手工業教學中具有重要地位。在鼓風方面，鼓風技術決定了溫度，溫度是冶鑄能否成功的關鍵，水排等鼓風工具被寫進教材的原因正在于此。因此，我們可以根據鼓風技術的發展歷史，分別采用不同歷史階段的鼓風工具，讓學生觀察、記錄不同鼓風技術下的溫度差別。此外，青銅的冶煉不僅涉及技術，同樣涉及科學。比如說，為什么鼓風可以增加溫度？冶煉的過程發生了什么樣的化學反應？因而，在活動過程中，學生不但可以深刻理解為什么“科學技術是第一生產力”，教師還可以在多學科背景下培養學生提出問題、解決問題的能力。

3.青銅的冶煉作為古代生產場景的再現，有助于幫助學生建立對古代世界的綜合想象。比如，在實驗的各個環節，碎炭、碎礦、鼓風，等等，需要學生進行分工合作，這其實是古代手工業作坊基本場景的再現。再比如，待所有實驗環節完成以后，我們會把爐子熄滅，把可以重復利用的東西帶走，而碎掉的骨范、陶片會就地掩埋。這時候，我們就擁有了一個絕佳的模擬考古場地，學生面對這個場地，可以想象哪些反映了當時的工藝，哪些反映了手工作坊匠人的生活。一種對古代世界的立體想象，就在這個過程中建立起來了。

4.銅作為人類最早使用的金屬，其冶煉并不復雜，為校本課的開發提供了可行性。首先我們需要理解一點，冶煉指的是將銅從銅礦石中提煉出來;鑄造是將冶煉出來的銅熔化，再將其倒入模范，進行鑄造的過程，其中冶煉部分是較為簡單的，對溫度和工藝的要求都不高，甚至可以說是很低;銅的熔化相對困難，但用其他材料替代，同樣可以實現教學目的。

綜合以上，我們可以看出，青銅冶鑄由于其豐富的意義、多樣的技術、容易冶煉等特點，成為我們進行校本課程開發的重要切入點。

在開始整個課程之前，我們首先需要明確整個課程的思維指向：第一，透物見史，讓學生在造物的過程中獲得知識，在歷史知識之外，幫助學生建立史學和其他學科之間的聯系。第二，知行合一，培養科學思維。在技術實驗的深刻體驗中，既幫助學生整合知識，又讓其在分工合作的過程中建立管理的觀念、分工的意識，以及提出問題、解決問題的能力。第三，培養深刻觀察，獲取信息的能力。這種觀察不僅包括對技術實驗本身的觀察，亦包括對實驗遺跡的觀察，讓學生感悟如何在蛛絲馬跡中發現信息，建立證據鏈條，還原歷史場景。第四，培養一種超越古人的科學精神。工藝解決的是怎么做的問題，而科學則需要解釋為什么要這樣做。第五，獲得有寄托的家國情懷。這種情懷，來自于對中國古代遺物的鑒賞能力，來自于對古人精湛技藝的深刻認識，我們要幫助學生建立一種崇高的審美。課程結束之后，學生再看教材、再去博物館參觀，會有全新的體驗。在以上思想的指導下，具體的課程設計如下。

（一）課程大綱

首先，課程大綱大致可以分為冶鑄前的知識、工具、材料準備，冶鑄中的操作、觀察、思考，冶鑄后的延展與反思三個部分。（見表1）

在這一大綱中，教師可以根據自己的理解和需要加以調整。但課程基本內容，就是以上三個部分。其他類型可能涉及技術實驗的科技史課程，也可以參考這一框架進行設計。

（二）基本策略：項目式學習

學習方式本身并無優劣之分，關鍵在于能否應用于合適的場景。所謂項目式學習，其定義有很多，但簡而言之，其基本特點是：學生自主提出或者由教師為學生提供一個具體的問題或任務，學生需要在教師的指導下解決問題、完成任務，并最終呈現一個項目作品;學生在解決問題，形成作品的過程中實現學習目標。項目式學習的作品可以是報告、論文、展覽等多種形式，但在以技術實驗為依托的科技史學習過程中，其作品可以更為具象，文本和手工作品都是其呈現方式。這樣做的好處主要有以下幾點：1.克服了知識學習和思維實踐的割裂狀況，實現“知行合一”，幫助學生整合多個學科領域的知識;2.培養學生提出問題、解決問題的能力，培養其溝通能力和管理能力;3.具有較強的趣味性，吸引并激勵對學習比較漠然的學生參與項目。①因而，在基于技術實驗的校本課進行過程中，在其中的某些階段，項目式學習是一種較為適用的學習方式。

在科技史這一具有很強操作性的課題中，我們可以向學生提供若干個具體的問題和任務。具體而言，在青銅冶鑄實驗中，可以設計如下項目主題（見表2）。

在青銅冶鑄階段，筆者首先選擇銘文中最早出現“中國”二字的著名青銅器“何尊”為范例，帶領學生分析何尊的來歷、造型、紋飾以及銘文，然后布置了幾個任務：1.臨摹何尊的銘文拓片（122個字），并指出每個字和現代漢字的關系。2.從銘文中可以得到哪些歷史信息？3.設計一個銘文銅牌范，必須含有“宅茲中國”四個金文漢字，并用青銅器上的常見紋飾加以裝飾。

總而言之，整個學習是基于真實而具體的問題展開的，學生有明確的項目任務。如此，學生的積極性、興趣和熱情方能被激發出來。需要強調的是，這一校本課是一個以學期為單位的課程，其內容涉及較多，并非所有的內容都適用項目式學習這一方法。一些前期鋪墊的基礎知識，后期的拓展延伸內容，依然可以通過講授或其他適宜的方式來呈現。

（三）技術實驗的設計思路

冶煉部分可能使老師感到困難，但其實并不難，如果教師具有農村生活經驗，實驗就會變得更為簡單，只比一次燒烤活動稍微復雜一點。另外，我們還可以邀請其他教師參與其中，如美術教師參與陶罐的制作，化學老師指導反應罐的裝備，技術實踐老師參與指導火爐的操作。我們還可以邀請家長前來觀摩，將冶煉實驗變成一次公眾文化活動和親子活動。關于其技術細節，可以參見文后的附錄，這里主要介紹一些基本思路。

1.作品明確，分工合理

在具體的操作過程中，我們首先需要確定項目作品：鑄造青銅銘文銅牌及其他學生自己設計的小件青銅器。為了提高組織效率，培養合作意識和團隊精神，我們可以將學生分為若干小組。需要提示的是，我們不設置小組之間的分工，例如一個小組筑爐，另一個小組裝備反應罐，這會使學生不能體驗到整個的冶煉過程。因而，我們采用各小組共同完成同一工序的一部分的分工方法。

2.做好知識、材料的準備

在冶鑄實驗之前，學生除了需要學習文字、陶器、鼓風器、青銅器的相關知識外，還要制作冶鑄中所需要的材料：主要包括制作鼓風吹管、陶罐和設計、制作墨魚骨范三個項目。這里需要特別說明一下我們的制范材料：墨魚骨。中國青銅器的制作工藝，一般用陶泥制范，來回翻制，工序較為瑣碎復雜。因此，我們需要加以簡化，即用墨魚骨來做雙面范或單面范。墨魚骨即烏賊的骨頭，形似寬大的梭子，其主要成分是碳酸鈣，不但質地非常軟，易于雕刻，而且耐高溫，是制范的理想材料。

3.有目的地設計實驗流程

總的來說，整個過程和地爐烤紅薯或露天燒烤有類似之處，最主要的就是將礦石和碳粉裝在密封的小陶罐里灼燒，其具體流程如下：

筑爐→碎炭→裝備陶罐→預熱陶罐→吹管冶煉→風箱冶煉→淬火→燒鑄→生成遺跡

流程并不復雜，但有一些設計用意和要點需要注意。

（1）在冶煉部分，我們采用了吹管鼓風和風箱鼓風兩種方式，其用意在于讓學生體驗不同技術對生產力的影響。吹管鼓風對技術要求高，風量低，人力資源耗費大，這一技術下溫度低且不穩定，最高只有900℃左右。手拉風箱風量大、輸出穩定，而且對操作者的技藝要求不高，人力資源耗費小，但可以實現高達1200℃的溫度。這時候，學生不但可以意識到科技是第一生產力，還可以思考技術與人力資源的關系。

（2）我們的目的在于過程的體驗而非物品的制造。如在澆鑄部分，可以選擇不同的實現方式。我們用熔點在70度左右的錫鉍合金或熔點在300度左右的金屬錫，以及熔點同樣較低的石蠟作為替代材料，實現澆鑄。可以將冶煉出來的銅和錫塊一并熔化，由于銅含量比較少，所以其熔點依然很低。如果教師具備相應的技術和經驗，做足安全準備，可以用青銅原料和學生冶煉出來的銅一起熔化，制造真正的青銅器。我們也可以用熔點在50℃左右的石蠟為原料，直接讓學生操作。總之，以安全為前提，以過程的體驗為目標。

（3）打掃現場，制造遺跡。實驗結束后，我們要打掃現場，但不是環保或者清潔意義上的打掃，而是有意地制造一個考古場地，模擬一個被破壞的遺跡現場。所以我們需要適當留下一些信息，比如不要把所有碎裂的陶片、墨魚骨全部打掃干凈，需要有意留下一些“垃圾”——考古學很多時候都是針對古人的“垃圾坑”展開研究。

最后，在實驗的全部過程中，都需要學生記錄相關數據，為學生之后的思考和總結提供數據支持。比如溫度的監測，陶罐裝備物料的質量，人力的耗費。我們必須這樣做，因為數據是學生后續探究的依據。

1.基本材料與工具

①制作鼓風吹管

各小組需要制作1～2根用以鼓風的吹管。吹管用長約1.5米，直徑2～3厘米的青竹制成，首先將竹節用鐵條打通，然后將其中一端用陶泥包裹30～40厘米長，陶泥厚度2～3厘米，這樣做的目的是防止吹管被炭火燒壞。

②制作陶罐（即坩堝）

我們需要將銅礦石顆粒和碎木炭混合在一起，裝入密封的小陶罐進行還原反應。因此，我們需要每個小組制作若干個小陶罐，陶罐圓底、大腹、小口，深約5～7厘米，底部直徑約5厘米，口徑控制在1.5厘米以內。此外，不同學生制作的陶器，其細節是不一樣的，這也可以成為我們之后考古活動的依據。

③制范

具體方法是選用中間寬度在8厘米以上，長度在25厘米以上的墨魚骨，將其從中間斷開，將兩半的腹部平面分別在水泥地上磨平，并將截斷口磨平;如此，我們就得到了兩片可以相互貼合的墨魚骨平面，并在此基礎上挖槽、雕刻、合范。此處有兩個要點：第一，澆口不能太小，要有熔液蓄存空間，讓熔液可以從澆口中慢慢滲入范內;第二，合范必須緊實，要上下兩根鐵絲圍緊，以防單根鐵絲造成一端緊實，另一端翹起，造成熔液漏出。

2.冶煉與澆鑄

①筑爐與碎炭

首先，在泥土地面上挖一個深20厘米，長和寬約45厘米的方形地坑，并修筑平整。然后在坑底和四壁均勻地涂抹一層厚度約1厘米的防火泥，可以是坩子土、高嶺土或購買市面上的防火泥。涂抹均勻后，如果時間允許，最好陰涼幾個小時，如果沒有時間，也可以取消這一環節。然后準備約20公斤木炭，將木炭碎成直徑3～5厘米的炭塊，然后裝袋，每袋500克。這樣做的目的在于：第一，小塊的木炭可以提高燃燒效率;第二，方便記錄木炭的消耗數量。

②裝備陶罐

首先是備料：將銅礦石（孔雀石）用錘子或石頭砸碎為直徑約5毫米的顆粒;將木炭砸碎為直徑小于5毫米的炭粉。然后將碎炭和碎礦石裝入反應罐并用陶泥密封。需要注意的是，關于炭和礦的比例，并沒有具體的要求，比如陶罐內可以裝2/3的礦石、3/1的炭，但在裝入陶罐之前，一定要將木炭和礦石各自稱重，做好記錄，在陶罐上做好標記并編碼。我們可以將班級分為若干小組，每小組制作兩個陶罐，以提高我們選出合格陶罐的機會。最后，需要注意的是，因為師生工藝水平的原因，可能造成多數陶罐碎裂，所以我們可以準備幾個小口徑帶蓋石墨坩堝作為反應罐，以提高實驗成功幾率。

③起火烘干爐子并預熱陶罐

將木炭放入爐底，并用干草引燃，用吹管貼著地面斜斜地給爐子鼓風。將裝備好的陶罐放在炭火邊緣，使其緩慢升溫，均勻受熱，防止碎裂。持續約半小時后，可以將陶罐放入炭火中央，用4至5個吹管全力鼓風。注意動作要小心，一些學生動作比較大，可能把陶罐搗碎，或者把吹管的防護陶敲碎。此外，要用紅外測溫儀做好測溫工作，每2分鐘測量一次陶罐的溫度并記錄。吹管鼓風可以視學生的體力持續20～30分鐘不等。

④風箱鼓風，全力冶煉

在采用風箱鼓風的時候，我們需要固定一個陶制鼓風管正對爐心，在陶制鼓風管尾端接一根不銹鋼鼓風管，并將其連接至手拉風箱的出風口。手拉風箱操作簡單，只要我們將鼓風管的出風口穩定對準爐心，很快就可以將溫度提升到900攝氏度以上，最高可達1200度。風箱鼓風冶煉半個小時以上，基本可以完成冶煉過程。

⑤淬火并取出銅塊

以下項目由教師操作。首先，在火爐附近放置若干個裝滿水的金屬盆，每小組一個。然后，教師著防火服或防火圍裙、戴防火面罩，用坩堝鉗將陶罐小心翼翼地取出，一定要注意力量的把握，否則很容易將陶罐夾碎。取出陶罐后，快速放入各小組的水盆。待溫度降下來之后，緩慢將水倒出，將陶罐敲碎，就可以在炭灰中發現金屬銅塊或水珠狀的銅顆粒。我們需要將各小組冶煉出來的銅進行稱重，記錄，并加以比對。

⑥澆鑄

在這一環節，其基本操作應該在安全評估的基礎上，選擇由教師或者學生來操作。首先，我們需要在爐子邊上準備一小堆沙子，將墨魚骨范插在上面。在接下來的澆鑄過程中，教師可以用熔點在70度左右的錫鉍合金或熔點在300度左右的金屬錫放入石墨坩堝，并在爐子中加熱，待其熔化后，由教師著防火服、防火面罩，用坩堝鉗夾起坩堝，緩慢地澆入墨魚骨范，待其凝固后打開。由于材料熔點較低，等待的時間可能會比較長，因此要有耐心。另外，絕對不要往已經熔化的熔液中加物料，那樣可能造成熔液爆濺，非常危險。

【作者簡介】靳萬瑩，中學一級教師，深圳中學歷史教師。

【責任編輯：王雅貞】