古籍中的化學在教學設計中的應用

顧仲良 周學工

摘要： 以“氮肥的生產和使用”為主題，運用古籍文獻中的相關內容為情境，通過實驗探究和教學討論的模式，給學生建構起銨（氨）的知識體系，同時揭示化學學科的知識性和人文性，實現學科教學與人文教學的融合，既弘揚中華傳統文化，又發展學生的核心素養，提升學生的學科能力。

關鍵詞： 化學史; 古籍文獻; 氮肥; 教學設計

文章編號： 1005-6629（2020）02-0046-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

習總書記指出，中醫藥古籍文獻“凝聚著深邃的哲學智慧和中華民族幾千年理念及其實踐經驗”[1]，這些古籍文獻既是我們華夏文明發展史的見證，也是我們華夏民族科學研究的奮斗史。泱泱華夏，文明千載，保留下來的很多古籍中都有與化學相關的記載，例如： 春秋時期的《詩經》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，說明當時已經掌握利用活潑金屬鍍層的化學防銹技術。雖然這些中國古代的科學史實與理論，并不是致使當今先進科技文明的直接原因，但它們也為人類科學進步起到了一定的推動作用。

著名教育家楊叔子院士說：“科學求真，人文求善”，在科學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，讓化學與人文相融合，可以為高中化學教學創設非常好的真實情境，在情境中力求揭示化學的知識性與人文性，這樣不僅可以促進學生“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等核心素養的發展以及化學學科能力的提升，同時也增長了學生的人文內涵，使二者共同提高。

2? 設計策略與流程

化學史教育是化學教育的一個重要方面，2017版課程標準提出：“利用化學實驗史實引導學生了解化學概念、化學原理的形成和發展”[3]。因此，“氮肥的生產和使用”一課的教學設計，力求在核心素養導向下，以歷史進程為線索，充分挖掘古籍文獻中有關銨（氨）的知識情境，結合科學與人文，通過展示和體驗學科知識發生、發展的過程，充分調動學生的思維，并使其成為知識的主動建構者，立足于學生最近發展區，設計融合“教、學、評一體化”的“情境線”“活動線”“知識線”和“素養線”的教學流程（見圖1）。讓學生在研讀、感受傳統國學文化的過程中汲取化學核心知識，感悟科學發展歷程，以任務學習為導向，探究活動為載體，促進學生在變化觀念、模型認知、科學探究及科學態度與社會責任等素養方面得到較好發展。

本教學設計截取《詩經》《周易參同契》《雷公炮炙論》《日華子諸家本草》《徐光啟手跡》《化學鑒原》諸部古籍文獻中與高中化學銨（氨）內容相關聯的記載，展示氮肥在本國發展的史實與理念，研究氮肥的歷史發展進程和思維發展過程，幫助學生更好地認識這些化學規律和理論。

圖1? 教學流程圖

3? 教學過程與意圖

3.1? 任務一? 頌唱詩經、感受人文——氮肥的發現應用

[PPT展示]《詩經·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的意思。

[學生活動]聆聽古文解讀。

[點評]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，我們的先人就已經發現了肥料能讓作物長得更好，并傳頌推廣這種堆肥技術在農業生產中的應用。《詩經》是一部春秋時期的歌曲總集，下面我們一起來頌唱一下。

[學生活動]配樂頌唱詩經片段。

設計意圖： 學生通過對《詩經》片段的學習，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》的人文內涵。這樣的主題引入有利于學生對知識產生濃厚的興趣，也有利于提升學生的人文素養和培養學生強烈的民族自豪感。

3.2? 任務二? 引據藥典、實驗探究——氮肥的性質研究

[講解]“中醫藥學是中國古代科學的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙”。這是習總書記對中醫藥學的崇高評價[5]。浙江籍科學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，成功提取了治療瘧疾的青蒿素，獲得了2015年諾貝爾醫學獎。

[提問]請同學們列舉一些知道的著名中醫藥典。

[學生活動]列舉《本草綱目》《千金方》等有名中醫藥典。

[點評]同學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典，主要是介紹如何養生，如何煉丹。

[提問]這段古文的意思是什么？

[學生活動]（錯誤的方法是）調和一種膠來修補鍋子，用硇來治療皮膚外瘡，太冷了加點冰塊，太熱了加點熱水。

[點評]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，先人就已經發現銨鹽，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。

[實驗探究]用pH試紙測氯化銨溶液的酸堿性。

[點評]實驗證明氯化銨溶液有較強的酸性，易腐蝕皮膚。氯化銨溶液的酸性原理我們會在《化學反應原理》模塊教學時探究，當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？當時的古人有沒有把它當作氮肥來使用呢？

[學生活動]討論、交流。引導學生從所含元素及物質性質的角度，從礦石的產區及礦石的產量角度，自由發表觀點。

[點評]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，但由于產地比較偏遠，而產量不是很高，所以它只是作為更精貴的藥物使用，并未大量地用于農業生產中。自漢代以后，還有許多中醫藥學家對硇砂進行了研究。

[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著作，成文于公元5世紀時的南北朝劉宋時期。這段古文的意思我們通過一個實驗來探究。

[演示實驗]氯化銨分解實驗（見圖2）。

圖2? 氯化銨分解實驗裝置圖

[提問]通過實驗，我們知道了氯化銨具有什么樣的性質？最后在試管口及導管內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？

[學生活動]討論、交流。從銨鹽穩定性的角度自由發表觀點。

[點評]氯化銨分解產生的氯化氫和氨氣，在冷的條件下，又發生了化合反應。“赤須”本意是一種叫虎須的中草藥材，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]請一位同學來書寫一下整個過程所涉及反應的化學方程式。

[學生活動]板演氯化銨分解、氯化氫與氨氣化合的化學方程式。

NH4Cl△NH3↑+HCl↑， NH3+HClNH4Cl

[點評]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。

[PPT展示]五代時期吳越國的日華子（寧波鄞州區人）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]根據這段古文，我們來設計一個化學實驗。

[學生活動]討論、交流。學生自由發表。

[提示]參考初中加熱高錳酸鉀制氧氣實驗。

[實驗探究]學生上講臺進行實驗室制氨氣實驗，并檢驗產生的氣體。

[學生活動]請同學板演這個反應的化學方程式：

2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O

[點評]這可能是最早關于制取氨氣的文獻記載，比1727年歐洲英國化學家哈爾斯用此法制得氨氣早800多年。

[提問]同學們，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？特別是實驗現象方面。

[學生活動]討論、交流，自由發表看法。

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

設計意圖： 通過引用數部經典藥籍中有關銨鹽的記述，一則展示并宣揚我國燦爛中醫中藥文化，挖掘其中蘊含的哲學思想、人文精神、價值理念、道德規范，堅定文化自信，使學生有繼承中華民族優秀傳統文化的志向;二則使學生通過古籍閱讀—理論分析—實驗探究—小結歸納，能根據文獻和實際進行綜合的課題探究，促進學生化學知識的建構并發展學生“科學探究與創新意識”的核心素養。

3.3? 任務三? 涉書史海、探求真理——氮肥的合成開發

[PPT展示]明代的徐光啟（上海松江人）在《徐光啟手跡，農政全書手札》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家，最大的成就是與意大利傳教士利瑪竇合作翻譯了數學名著《歐幾里得原本》，即《幾何原本》。同時，他還寫了很多與農業相關的著作，比如《農政全書》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用價值化肥的記載。在我國，氨水作為化肥在上世紀80年代還有使用。當然僅靠蒸餾糞尿水來獲得氨水那是相當有限的。

[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]空氣中的氮氣。

[點評]人們肯定會把目光視向氮元素含量豐富的空氣，利用空氣中的氮氣來進行人工固氮。

[PPT展示]1871年，清代的徐壽（江蘇無錫人）在《化學鑒原》中說：

“取此物（指氨）不能將原質（元素的舊稱）徑自化合而得，然將淡氣與輕氣共置瓶內，用玻璃電氣過之使發星點，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的讀物，里面記載著大量的基礎化學知識和理論。

[提問]寫出這個反應的化學方程式。

[學生活動]書寫合成氨的化學方程式：

N2+3H22NH3

[閱讀]教材有關德國化學家哈伯合成氨的內容。

[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？

[學生活動]討論、交流。

[點評]一個化學反應要具有真正的工業價值，既要有合適的（非最高）轉化率，又要有較快的反應速率，而高溫高壓催化劑正好能兼顧這兩個目標。當然也不能是無限高的溫度和壓強，不然會大大增加設備的成本。

[提問]利用工業合成的氨或氨水作為化肥還有什么缺陷呢？

[實驗探究]聞濃氨水的氣味。

[學生活動]交流討論。從氨水的保存和運輸，以及施加到農田中的長久性、對農作物的傷害性方面進行解釋。

[點評]氨水有一定的揮發性，是一種刺激性氣味的氣體。所以農業上常將氨轉化為固態的銨鹽加以使用。

[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）。

設計意圖： 通過數部古籍，了解氨水的發現，認識合成氨反應研究的歷史和化肥合成的歷史。此環節不僅從理論上推理利用空氣中氮氣實現合成氨工業的合理性，同時也讓學生認識并體會從理論到實驗再到工業化的過程中，科學家在科學探索中的思維發展過程，感受科學研究的艱難，從中弘揚技術創新的工匠精神，樹立追求中國夢的國家情懷，發展理論聯系實際的“科學態度與社會責任”核心素養。同時考慮反應速率、化學平衡等方面對實現合成氨反應、認識條件控制的重要性，發展對反應原型進行評價并加以改進模型的“模型認知”和“變化觀念”等核心素養。

3.4? 任務四? 綠色化學、責任擔當——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，引起富營養化的水體污染，而一段時間后土壤中肥力下降，影響農作物的生長。所以緩釋化肥、對環境友好化肥的開發使用是未來化肥發展的趨勢和方向。我們在對事物認識上要客觀、辯證地看待，多從綠色化學視角出發，樹立起對資源進行合理利用的可持續發展意識[13]。

設計意圖： 化學史教學不僅要回顧化學科學的過去，還應當關注化學科學的現在和前沿。拓寬學生的知識面，努力挖掘原有的和新增的化學知識之間的關系，更好地發展學生的“創新意識”和“社會責任”核心素養。

4? 反思與感悟

科學的發展需要經過漫長的歷程，而教學是在相對狹小的時空環境中進行的，為了在有限的教學時間內讓學生領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方法。重新演繹古人的研究方法、實驗手段和思維發展過程，須兼顧探究史實與建構知識。當然，重演法勢必也會受探究過程中史實相對無序、跨度跳躍的影響，造成知識點的缺漏和知識體系結構松散，而我們的課堂教學要追求在課程標準框架下知識的系統性和整體性，這就要求我們在教學中必須處理好化學史中知識的局部和整體的關聯性問題，以保證和提升知識的完整性和結構化。

參考文獻：

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