《天工開物》在中學化學教學中的探索與應用

張譯丹　王悅　崔克宇

摘 要：為了強化跨學科融合、提高化學學科核心素養(yǎng)，挖掘了《天工開物》中與中學化學教材相關(guān)的內(nèi)容，并整理列舉了該書在中學化學課堂教學及課后習題中的應用，同時提出了現(xiàn)階段教師與學生面臨的問題與挑戰(zhàn)，鼓勵學生用辯證與科學的態(tài)度學習古人的觀點，從而有效提升學生的文化素養(yǎng)和科學素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：《天工開物》；傳統(tǒng)文化；中學化學教學

文化是一個國家發(fā)展的重要根基，也是民族的靈魂。一個國家的文化不僅包含語言、文字、思想、道德，還有它經(jīng)過長時間演變最終形成的歷史過程和發(fā)展脈絡(luò)。中國作為四大文明古國之一，一直具有強大的生命力，灼灼光輝從未黯淡，主要的原因就是具有包容性、多元性和強大的凝聚力。

1?中華傳統(tǒng)文化對化學教育實現(xiàn)文化價值的必要性

中國上下五千年歷史蘊含著從古至今人類所凝結(jié)的智慧，具有深厚的文化底蘊。中學生正值青春年華，對新鮮事物具有強烈的好奇心，因此，更應該將中華傳統(tǒng)文化的精神內(nèi)涵傳遞給他們?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》修訂的基本原則中明確指出“修訂原則和更新內(nèi)容應當繼承和弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，使學生堅定中國特色社會主義文化自信”[1]，《義務教育化學課程標準（2022年版）》中的目標導向明確提到“準確理解和把握黨中央、國務院關(guān)于教育改革的各項要求，全面落實習近平新時代中國特色社會主義思想，將社會主義先進文化、革命文化、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、國家安全、生命安全與健康等重大主題教育有機融入課程，增強課程思想性”[2]。在科技迅速發(fā)展的大背景下，如今的化學已經(jīng)成為自然科學領(lǐng)域中一門“中心的、實用的和創(chuàng)造性的”基礎(chǔ)科學，但是在學生們的刻板印象中，往往提到“科學”這一代名詞時，直接聯(lián)想到的是西方國家的愛因斯坦、阿伏伽德羅、門捷列夫等著名科學家，很少會提到我國的科學家。為了順應教育改革與發(fā)展的形勢，將古代化學史和一些科技類古籍與化學課程內(nèi)容相結(jié)合已成必然趨勢，并且在課堂中要滲透一些思想政治教育，讓青少年的思想覺悟、社會責任感和創(chuàng)新精神都得到一定程度的提高，使其進一步認識社會主義核心價值觀。

2?《天工開物》與中學化學內(nèi)容的契合性

《天工開物》是我國明朝末年繼李時珍《本草綱目》、徐光啟《農(nóng)政全書》問世以來，文壇出現(xiàn)的又一部奇書，是世界上第一部關(guān)于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性科技著作，被譽為“中國17世紀的百科全書”，其作者宋應星被稱為“中國的狄德羅”。書中記述了當時工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一些先進的科技成果，體現(xiàn)了作者在農(nóng)業(yè)、化學等方面的理論修養(yǎng)[3]。書中許多章節(jié)都與化學緊密相關(guān)，其主要內(nèi)容包含“蔗品”（基本營養(yǎng)物質(zhì)）、“造糖”（酸和堿的中和反應）、“礬石、白礬”（水的凈化和環(huán)境保護）、“火藥料”（氧化還原反應）、“曲蘗”（乙醇和乙酸）等[4]。

在中學化學教材中，氧化還原反應、金屬材料、有機化學等內(nèi)容與《天工開物》有較高的契合度，同時，新人教版高中化學教材必修一在緒論和習題中也都提到了《天工開物》。筆者通過閱讀《天工開物》，整理并記錄了其與中學化學相關(guān)的內(nèi)容，歸納了書中與人教版教材的部分相關(guān)知識，如表1、表2所示。

3?《天工開物》在課堂中的滲入

3.1? 作為新穎素材進行課堂導入

《天工開物》中的部分文字可以作為情境導入的素材，不僅可以豐富課堂內(nèi)容，還可以激發(fā)學生學習新課的興趣。

例如書中“火藥料”篇的記載：“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙可容之中，其出也，人物膺之，魂散驚而魄齏粉?！盵5]大意是：火藥以硝石和硫黃為主、草木灰為輔。其中，硝石的陰性最強，硫黃的陽性最強。這兩種神奇的陰陽物質(zhì)在沒有一點空隙的地方相遇就會爆炸，不論人還是物，都要魂飛魄散、粉身碎骨。因為學生早就知道我國古代的四大發(fā)明，所以可以通過黑火藥引出新課，學生既不會覺得陌生又會對其產(chǎn)生興趣，更愿意進一步了解新知。古代人將火藥爆炸理解為陰陽結(jié)合之后產(chǎn)生的爆炸，那么通過對化學反應的學習，學生可以思考爆炸的真正原理，隨后便可以引出新課—氧化還原反應。教師講解相關(guān)知識點后，可以引導學生利用所學新知分析出火藥原料分別為硝石、硫黃和草木灰。硝石的主要成分為KNO₃，硫黃的主要成分為S，草木灰是K₂CO₃，但是其中含有大量C。因為木炭與硫黃劇烈燃燒，瞬間產(chǎn)生大量熱和N₂、CO₂等氣體，導致體積和壓力劇增，發(fā)生爆炸。所以，氧化還原反應方程式寫為：

2KNO₃+S+3C=K₂S+N₂↑+3CO₂↑（1）

式中：KNO₃和S均為氧化劑，化合價降低；C為還原劑，化合價升高。

例如書中“青礬、紅礬、黃礬、膽礬”篇記載：“燒鐵器淬于膽礬水中，即成銅色也?！盵5]因為初中學生對文言文的積累相對較少，所以在講解九下第八單元課題二“金屬的化學性質(zhì)”時，可以作為新課導入并進行分析。古代勞動人民為了制取銅，經(jīng)過不斷嘗試發(fā)現(xiàn)，將燒紅的鐵器淬入膽礬水中，鐵器表面會鍍上一層銅膜。古人在高溫下進行金屬置換，學生可思考將鐵放在銅溶液中就能置換出銅的原因、該反應能否在常溫下進行。其中，膽礬的主要成分是CuSO₄·5H₂O，該反應的方程式為：

Fe+CuSO₄=Cu+FeSO₄（2）

該反應為置換反應，因為鐵比銅活潑，所以在常溫下可以將溶液中的銅離子置換出來變成金屬銅，從而引出金屬活動性順序。

將化學史融入課堂能增強學生的民族自豪感。由于當時社會的局限性，古人的經(jīng)驗和見解可能會有錯誤。正如之前所提到的內(nèi)容：古人認為，硝石和硫黃之所以能反應，是因為當時所提倡的八卦陰陽之說導致二者產(chǎn)生爆炸，而實際上是兩種物質(zhì)發(fā)生了氧化還原反應；由于古代生產(chǎn)力水平較低，人們認為鐵與硫酸銅反應只有在高溫條件下才能置換出銅，然而在學習的過程中可以發(fā)現(xiàn)，兩者在常溫下便可發(fā)生置換反應。為了避免學生盲目相信書中所講知識，教師要培養(yǎng)學生的科學辯證精神，鼓勵學生勤加思考，以辯證的角度看待問題。

3.2? 作為實驗素材進行新課講授

《天工開物》中記載了許多化學反應的過程。在新課講授中，有時很難將所講解的實驗現(xiàn)象依次做實驗供學生觀察，因此，教師可以將書中提到的反應過程口述給學生，這樣不僅能使講解更加直觀，還能更好地將中華傳統(tǒng)文化融入課堂中。

例如在講解九下第八單元課題一“金屬材料中的課外實驗”時，可以將《天工開物》“治鐵”篇作為課堂知識拓展：“凡熟鐵、鋼鐵已經(jīng)爐錘，水火未濟，其質(zhì)未堅。乘其出火時，人清水淬之，名曰健鋼、健鐵?！盵5]其大意為：熟鐵或者鋼鐵燒紅錘鍛之后，由于水火還未完全配合并且相互作用，質(zhì)地還不夠堅韌。趁它們出爐時將其突然浸入清水中，使之急速冷卻（淬火），便是人們所說的“健鋼”和“健鐵”。因為課本中的課外實驗所講解的是淬火和回火兩種金屬熱處理的方法，將古籍中所記載的“淬火法”[把金屬加熱到一定溫度后，將金屬浸入冷卻劑（水或鹽水）中急速冷卻]講給學生聽，并表明這一熱處理技術(shù)早在我國春秋時代就已發(fā)明，一方面使學生在心中增強民族自信，使其了解到古代中國在科技領(lǐng)域也是領(lǐng)先世界的，祖先都是充滿智慧的，正因如此才會有如今美好的生活；另一方面，使他們對科學實驗研究產(chǎn)生濃厚的興趣，強化他們的創(chuàng)新意識，對學生的思想政治教育產(chǎn)生積極的影響，促進科技強國的建設(shè)，提高中學生形成“實驗探究與創(chuàng)新意識”和“科學精神與社會責任”應該具備的核心素養(yǎng)。

例如在講解“硫及其化合物”或者“環(huán)境保護”時，因為這兩節(jié)課的內(nèi)容都與含硫的相關(guān)反應有關(guān)，所以實驗發(fā)生的反應會對環(huán)境造成污染，還會有一定的腐蝕性，存在危險性。為了讓學生更好地學習，可以將《天工開物》中“青礬、紅礬、黃礬、膽礬”篇帶入新課中：“又山、陜燒取硫黃山上，其滓棄地，二三年后雨水浸淋，精液流入溝麓之中，自然結(jié)成皂礬?！盵5]大意為：在山西、陜西等地燒硫黃的山上，廢渣被隨地丟棄，兩三年后，其中的礬質(zhì)經(jīng)過雨水的浸淋溶解，流到山溝里，經(jīng)過蒸發(fā)就會自然結(jié)成皂礬。學生都知道硫黃的主要成分是S，可以思考硫黃經(jīng)過雨水沖刷的變化。S暴露在空氣中會發(fā)生氧化反應：

S+O₂=SO₂（3）

SO₂與水反應會生成亞硫酸：

SO₂+H₂O=H₂SO₃（4）

H₂SO₃在空氣中進一步發(fā)生氧化反應：

2H₂SO₃+O₂=2H₂SO₄（5）

經(jīng)過必修一的學習，學生已經(jīng)掌握了氧化還原反應和一些金屬的反應，可以輕松地將Fe2O3生成FeSO4的離子反應寫出來：

3Fe₂O₃+S+10H⁺=6Fe²⁺+SO₄^2-+5H₂O（6）

這也是古籍里提到的“經(jīng)過雨水的浸淋就能溶解生成硫酸鐵”。

在教學過程中，教師要做好引導者，將書中的文言文有效融入課堂，引導學生在復雜的語言中提取有效信息，在學習化學知識的同時提高語文素養(yǎng)，實現(xiàn)跨學科融合，有利于學生愛國情懷、科學態(tài)度以及信息素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.3? 作為題干素材進行試題編寫

在對高考題進行分析時，筆者注意到2019年和2020年全國二卷的選擇題題干都融入了傳統(tǒng)文化，并且新改版的人教版教材在緒論和課后習題中也都新增了許多與中華傳統(tǒng)文化相關(guān)的知識與題目。在國家的大政策下，試題出現(xiàn)了明顯的變化，同時橫向觀察，該現(xiàn)象在其他學科中也有所體現(xiàn)，這就要求學生在繁雜的題干中找到關(guān)鍵詞，從而更加準確地分析試題，對學生自身的信息素養(yǎng)提出了更高的要求。

例如2020年全國二卷第一題的題干采用北宋沈括《夢溪筆談》中記載濕法煉銅的一段話：“信州鉛山有苦泉，流以為澗。挹其水熬之則成膽礬，烹膽礬則成銅。熬膽礬鐵釜，久之亦化為銅?！北匦抟?9頁的習題將《天工開物》中關(guān)于火法煉鋅的工藝記載加到題干中，讓學生從題干中自主提取有用的信息，這更加體現(xiàn)了當前新課改的趨勢[6]。

學生可以通過日常做題進行訓練，題目不再像以前一樣枯燥無味，而是充滿積極向上的情感、態(tài)度和價值觀，從側(cè)面強化學生的科學文化自信，使其將所學知識遷移到其他科目和生活中。雖然將化學史與試題相結(jié)合仍處于初步發(fā)展階段，但是將文化與題目相結(jié)合必然會成為未來教育發(fā)展的趨勢。

4?教學反思

4.1? 豐富教師自身的知識儲備

教師應該樹立終身學習的理念，現(xiàn)在學生自身的素質(zhì)越來越高，教師只有積極充實自己，才能在課堂上毫不露怯，有底氣地與學生交流。古籍中的文字大多晦澀難懂，試題轉(zhuǎn)型也很快，要想將難以理解的知識用簡單明了的方式呈現(xiàn)出來，化學教師就要努力提高自己的文化素養(yǎng)、專業(yè)知識和理論知識儲備，將自己所學傳授給學生?！短旃ら_物》中有很多內(nèi)容都與化學教材相關(guān)，但是教學形式和方法都要靠教師來設(shè)計，以保證科學性和合理性，從而提高課堂的教學效率和教學質(zhì)量。

4.2? 豐富課堂教學的素材來源

中華傳統(tǒng)文化博大精深，中國古代化學人才輩出，教師不能將目光局限在一本古籍上，例如李時珍的《本草綱目》、魏伯陽的《周易參同契》，都包含許多與化學相關(guān)的內(nèi)容，將這些素材加入課堂教學中，不僅可以培養(yǎng)學生對化學學科的熱愛，開闊學生的視野，豐富他們的知識內(nèi)涵，還可以增強學生對傳統(tǒng)文化的自豪感?；瘜W學科已經(jīng)滲透到生活中的方方面面，因此，教師應借助古代科技著作，將科技與文化相結(jié)合，傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在中華民族偉大復興的道路上，培養(yǎng)出一批批富有科學精神和文化素養(yǎng)的青年人[7]。

4.3? 提高學生的文學素養(yǎng)

當前，初高中學生的學業(yè)壓力逐漸增大，沒有大量時間閱讀課本以外的書籍?；瘜W老師應該多與語文老師和歷史老師溝通，在課堂教學中多強調(diào)一些專有名詞的解釋，使學生在平時學習的過程中有意識地積累，還可以培養(yǎng)學生的人文情懷和人文精神，使其了解更多的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

5?結(jié)語

根據(jù)《天工開物》的相關(guān)內(nèi)容與化學學科特點，將其初步與課堂教學以及課后習題進行結(jié)合，但是在現(xiàn)實課堂中仍然存在一些問題。多數(shù)教師仍采用傳統(tǒng)的教學形式，不能較好地將課外內(nèi)容合理地運用于課堂之中，并且文學素養(yǎng)較低、傳播中華傳統(tǒng)文化的意識相對薄弱，所傳授的知識千篇一律、不夠新穎；大部分學生對文言文的閱讀能力相對較弱，在做題或者上課時會產(chǎn)生畏懼心理，從而對化學失去信心。因此，在課堂教學和作業(yè)上要進一步優(yōu)化和完善，應用和考察形式要更加多樣，對學生的評價也要多樣化，同時要將難度控制在學生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]朱汝葵，李碩，陳思靜.《天工開物》蘊含的化學知識分析與應用[J].廣西教育，2021（38）：119-120.

[4]戴家琪，鄭柳萍.《天工開物》在化學課堂中的應用[J].化學教育，2021（5）：50-53.

[5]夏劍欽.天工開物[M].長沙：岳麓書社，2022.

[6]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究中心.普通高中教科書·化學·必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[7]李佳軒，鄒培杰，陳晗萏，等.化學類通識課程中“科技傳承”與“文化自信”的融合—以古代典籍《天工開物》在化學與人類文明中的詮釋為例[J].大學化學，2022（10）：34-42.