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天工开物
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中的
探索
应用
-140-第3期2023年6月No.3June,2023天工开物在中学化学教学中的探索与应用张译丹1,王 悦2,崔克宇1(1.吉林师范大学 研究生院,吉林 四平 136000;2.四平市实验中学,吉林 四平 136000)摘 要:为了强化跨学科融合、提高化学学科核心素养,挖掘了 天工开物 中与中学化学教材相关的内容,并整理列举了该书在中学化学课堂教学及课后习题中的应用,同时提出了现阶段教师与学生面临的问题与挑战,鼓励学生用辩证与科学的态度学习古人的观点,从而有效提升学生的文化素养和科学素养。关键词:天工开物;传统文化;中学化学教学文化是一个国家发展的重要根基,也是民族的灵魂。一个国家的文化不仅包含语言、文字、思想、道德,还有它经过长时间演变最终形成的历史过程和发展脉络。中国作为四大文明古国之一,一直具有强大的生命力,灼灼光辉从未黯淡,主要的原因就是具有包容性、多元性和强大的凝聚力。1 中华传统文化对化学教育实现文化价值的必要性中国上下五千年历史蕴含着从古至今人类所凝结的智慧,具有深厚的文化底蕴。中学生正值青春年华,对新鲜事物具有强烈的好奇心,因此,更应该将中华传统文化的精神内涵传递给他们。普通高中化学课程标准(2017年版)修订的基本原则中明确指出“修订原则和更新内容应当继承和弘扬中华优秀传统文化,使学生坚定中国特色社会主义文化自信”1,义务教育化学课程标准(2022年版)中的目标导向明确提到“准确理解和把握党中央、国务院关于教育改革的各项要求,全面落实习近平新时代中国特色社会主义思想,将社会主义先进文化、革命文化、中华优秀传统文化、国家安全、生命安全与健康等重大主题教育有机融入课程,增强课程思想性”2。在科技迅速发展的大背景下,如今的化学已经成为自然科学领域中一门“中心的、实用的和创造性的”基础科学,但是在学生们的刻板印象中,往往提到“科学”这一代名词时,直接联想到的是西方国家的爱因斯坦、阿伏伽德罗、门捷列夫等著名科学家,很少会提到我国的科学家。为了顺应教育改革与发展的形势,将古代化学史和一些科技类古籍与化学课程内容相结合已成必然趋势,并且在课堂中要渗透一些思想政治教育,让青少年的思想觉悟、社会责任感和创新精神都得到一定程度的提高,使其进一步认识社会主义核心价值观。2 天工开物与中学化学内容的契合性天工开物 是我国明朝末年继李时珍 本草纲目、徐光启 农政全书 问世以来,文坛出现的又一部奇书,是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性科技著作,被誉为“中国17世纪的百科全书”,其作者宋应星被称为“中国的狄德罗”。书中记述了当时工农业生产中一些先进的科技成果,体现了作者在农业、化学等方面的理论修养3。书中许多章节都与化学紧密相关,其主要内容包含“蔗品”(基本营养物质)、“造糖”(酸和碱的中和反应)、“矾石、白矾”(水的净化和环境保护)、“火药料”(氧化还原反应)、“曲蘖”(乙醇和乙酸)等4。在中学化学教材中,氧化还原反应、金属材料、有机化学等内容与 天工开物 有较高的契合度,同时,新人教版高中化学教材必修一在绪论和习题中也都提到了 天工开物。笔者通过阅读 天工开物,整理并记录了其与中学化学相关的内容,归纳了书中与人教版教材的部分相关知识,如表1、表2所示。基金项目:吉林省教育科学“十四五”规划课题“教育新基建背景下数字化创新型化学师范生的培养与实践研究”(GH22792);教育部产学合作协同育人项目“基于 雨课堂+学堂云 的高师院校无机化学课程教学模式的改革与实践研究”(220605695175326)作者简介:张译丹(2000),女,吉林长春人,硕士研究生;研究方向:学科教学(化学)。通信作者:崔克宇(1979),男,吉林洮南人,副教授,博士研究生;研究方向:学科教学(化学),无机化学。表1天工开物与初中化学教材的联系课程内容天工开物 中的相关内容九上第二单元 海水中的化学海水盐九上第四单元课题二 水的净化矾石,白矾九上第七单元课题二 天然气井盐九下第八单元课题一 金属材料冶铁,铜九下第八单元课题二 金属的化学性质青矾、红矾、黄矾、胆矾九下第十单元课题二 酸和碱的中和反应造糖现代盐化工Modern Salt and Chemical Industry-141-第3期2023年6月No.3June,2023表2天工开物与高中化学教材的联系课程内容天工开物 中的相关内容必修一第一章第一节 物质的分类及转化海水盐,石灰,青矾、红矾、黄矾、胆矾必修一第一章第三节 氧化还原反应青矾、红矾、黄矾、胆矾,铜,火药料必修一第三章第一节 铁及其化合物铁,青矾、红矾、黄矾、胆矾必修二第一章第一节 硫及其化合物青矾、红矾、黄矾、胆矾必修二第七章第一节 认识有机化合物井盐必修二第七章第三节 乙醇和乙酸曲蘖必修二第七章第四节 基本营养物质蔗品必修二第八章第一节 自然资源的开发利用井盐必修二第八章第三节 环境保护矾石、白矾,青矾、红矾、黄矾、胆矾3 天工开物在课堂中的渗入3.1 作为新颖素材进行课堂导入天工开物中的部分文字可以作为情境导入的素材,不仅可以丰富课堂内容,还可以激发学生学习新课的兴趣。例如书中“火药料”篇的记载:“凡火药以硝石、硫黄为主,草木灰为辅。硝性至阴,硫性至阳,阴阳两神物相遇于无隙可容之中,其出也,人物膺之,魂散惊而魄齑粉。”5大意是:火药以硝石和硫黄为主、草木灰为辅。其中,硝石的阴性最强,硫黄的阳性最强。这两种神奇的阴阳物质在没有一点空隙的地方相遇就会爆炸,不论人还是物,都要魂飞魄散、粉身碎骨。因为学生早就知道我国古代的四大发明,所以可以通过黑火药引出新课,学生既不会觉得陌生又会对其产生兴趣,更愿意进一步了解新知。古代人将火药爆炸理解为阴阳结合之后产生的爆炸,那么通过对化学反应的学习,学生可以思考爆炸的真正原理,随后便可以引出新课氧化还原反应。教师讲解相关知识点后,可以引导学生利用所学新知分析出火药原料分别为硝石、硫黄和草木灰。硝石的主要成分为KNO3,硫黄的主要成分为S,草木灰是K2CO3,但是其中含有大量C。因为木炭与硫黄剧烈燃烧,瞬间产生大量热和N2、CO2等气体,导致体积和压力剧增,发生爆炸。所以,氧化还原反应方程式写为:2KNO3+S+3C=K2S+N2+3CO2(1)式中:KNO3和S均为氧化剂,化合价降低;C为还原剂,化合价升高。例如书中“青矾、红矾、黄矾、胆矾”篇记载:“烧铁器淬于胆矾水中,即成铜色也。”5因为初中学生对文言文的积累相对较少,所以在讲解九下第八单元课题二“金属的化学性质”时,可以作为新课导入并进行分析。古代劳动人民为了制取铜,经过不断尝试发现,将烧红的铁器淬入胆矾水中,铁器表面会镀上一层铜膜。古人在高温下进行金属置换,学生可思考将铁放在铜溶液中就能置换出铜的原因、该反应能否在常温下进行。其中,胆矾的主要成分是CuSO45H2O,该反应的方程式为:Fe+CuSO4=Cu+FeSO4(2)该反应为置换反应,因为铁比铜活泼,所以在常温下可以将溶液中的铜离子置换出来变成金属铜,从而引出金属活动性顺序。将化学史融入课堂能增强学生的民族自豪感。由于当时社会的局限性,古人的经验和见解可能会有错误。正如之前所提到的内容:古人认为,硝石和硫黄之所以能反应,是因为当时所提倡的八卦阴阳之说导致二者产生爆炸,而实际上是两种物质发生了氧化还原反应;由于古代生产力水平较低,人们认为铁与硫酸铜反应只有在高温条件下才能置换出铜,然而在学习的过程中可以发现,两者在常温下便可发生置换反应。为了避免学生盲目相信书中所讲知识,教师要培养学生的科学辩证精神,鼓励学生勤加思考,以辩证的角度看待问题。3.2 作为实验素材进行新课讲授天工开物 中记载了许多化学反应的过程。在新课讲授中,有时很难将所讲解的实验现象依次做实验供学生观察,因此,教师可以将书中提到的反应过程口述给学生,这样不仅能使讲解更加直观,还能更好地将中华传统文化融入课堂中。例如在讲解九下第八单元课题一“金属材料中的课外实验”时,可以将 天工开物“治铁”篇作为课堂知识拓展:“凡熟铁、钢铁已经炉锤,水火未济,其质未坚。乘其出火时,人清水淬之,名曰健钢、健铁。”5其大意为:熟铁或者钢铁烧红锤锻之后,由于水火还未完全配合并且相互作用,质地还不够坚韧。趁它们出炉时将其突然浸入清水中,使之急速冷却(淬火),便是人们所说的“健钢”和“健铁”。因为课本中的课外实验所讲解的是淬火和回火两种金属热处理的方法,将古籍中所记载的“淬火法”把金属加热到一定温度后,将金属浸入冷却剂(水或盐水)中急速冷却讲给学生听,并表明这一热处理技术早在我国春秋时代就已发明,一方面使学生在心中增强民族自信,使其了解到古代中国在科技领域也是领先世界的,祖先都是充满智慧的,正因如此才会有如今美好的生活;另一方面,使他们对科学实验研究产生浓厚的兴趣,强化他们的创新意识,对学生的思想政治教育产生积极的影响,促进科技强国的建设,提高中学生形成“实验探究与创新意识”和“科学精神与社会责任”应该具备的核心素养。例如在讲解“硫及其化合物”或者“环境保护”时,因为这两节课的内容都与含硫的相关反应有关,所以实验发生的反应会对环境造成污染,还会有一定的腐蚀性,存在危险性。为了让学生更好地学习,可以将 天工开物 中“青矾、红矾、黄矾、胆矾”篇带入新课中:“又山、陕烧取硫黄山上,其滓弃地,二三年后雨水浸淋,精液流入沟麓之中,自然结成皂矾。”5大意为:在山西、陕西等地烧硫黄的山上,废渣被随地丢弃,两三年后,其中的矾质经过雨水的浸淋溶解,现代盐化工 科学与文化-142-第3期2023年6月No.3June,2023流到山沟里,经过蒸发就会自然结成皂矾。学生都知道硫黄的主要成分是S,可以思考硫黄经过雨水冲刷的变化。S暴露在空气中会发生氧化反应:S+O2=SO2(3)SO2与水反应会生成亚硫酸:SO2+H2O=H2SO3(4)H2SO3在空气中进一步发生氧化反应:2H2SO3+O2=2H2SO4(5)经过必修一的学习,学生已经掌握了氧化还原反应和一些金属的反应,可以轻松地将Fe2O3生成FeSO4的离子反应写出来:3Fe2O3+S+10H+=6Fe2+SO42-+5H2O(6)这也是古籍里提到的“经过雨水的浸淋就能溶解生成硫酸铁”。在教学过程中,教师要做好引导者,将书中的文言文有效融入课堂,引导学生在复杂的语言中提取有效信息,在学习化学知识的同时提高语文素养,实现跨学科融合,有利于学生爱国情怀、科学态度以及信息素养的培养。3.3 作为题干素材进行试题编写在对高考题进行分析时,笔者注意到2019年和2020年全国二卷的选择题题干都融入了传统文化,并且新改版的人教版教材在绪论和课后习题中也都新增了许多与中华传统文化相关的知识与题目。在国家的大政策下,试题出现了明显的变化,同时横向观察,该现象在其他学科中也有所体现,这就要求学生在繁杂的题干中找到关键词,从而更加准确地分析试题,对学生自身的信息素养提出了更高的要求。例如2020年全国二卷第一题的题干采用北宋沈括 梦溪笔谈 中记载湿法炼铜的一段话:“信州铅山有苦泉,流以为涧。挹其水熬之则成胆矾,烹胆矾则成铜。熬胆矾铁釜,久之亦化为铜。”必修一29页的习题将 天工开物 中关于火法炼锌的工艺记载加到题干中,让学生从题干中自主提取有用的信息,这更加体现了当前新课改的趋势6。学生可以通过日常做题进行训练,题目不再像以前一样枯燥无味,而是充满积极向上的情感、态度和价值观,从侧面强化学生的科学文化自信,使其将所学知识迁移到其他科目和生活中。虽然将化学史与试题相结合仍处于初步发展阶段,但是将文化与题目相结合必然会成为未来教育发展的趋势。4 教学反思4.1 丰富教师自身的知识储备教师应该树立终身学习的理念,现在学生自身的素质越来越高,教师只有积极充实自己,才能在课堂上毫不露怯,有底气地与学生交流。古籍中的文字大多晦涩难懂,试题转型也很快,要想将难以理解的知识用简单明了的方式呈现出来,化学教师就要努力提高自己的文化素养、专业知识和理论知识储备,将自己所学传授给学生。天工开物 中有很多内容都与化学教材相关,但是教学形式和