《天工開(kāi)物》 蘊(yùn)含的化學(xué)知識(shí)分析與應(yīng)用

朱汝葵 李碩 陳思靜

【摘 要】本文基于對(duì)《天工開(kāi)物》中蘊(yùn)含的化學(xué)史料的研讀，針對(duì)如何將《天工開(kāi)物》融入化學(xué)課堂并挖掘其中的化學(xué)素材、如何將傳統(tǒng)文化與學(xué)科相融合的問(wèn)題，提出通過(guò)讀古籍悟化學(xué)、讀古籍用化學(xué)來(lái)幫助學(xué)生理解知識(shí)，涵養(yǎng)人文精神，弘揚(yáng)并傳承中國(guó)文化，并提出要從辯證思維角度去學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化，要以發(fā)展的眼光看待古人的一些觀點(diǎn)，這樣才能形成正確的思辨觀與科學(xué)觀。

【關(guān)鍵詞】天工開(kāi)物 化學(xué)教學(xué) 傳統(tǒng)文化

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2021）38-0119-03

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出化學(xué)教材的編寫(xiě)與內(nèi)容的選擇上要體現(xiàn)基礎(chǔ)性、時(shí)代性與人文性，增強(qiáng)文化自信，提升人文素養(yǎng)，要體現(xiàn)科學(xué)與人文的融合，自覺(jué)傳承科學(xué)文化。2019年，人教版新編高中化學(xué)出版，并在一些省市地區(qū)開(kāi)始使用。相比上一版，新版在緒言中加入了這樣的描述：我國(guó)明代李時(shí)珍的《本草綱目》和宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》等著作中，都蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。可見(jiàn)，傳統(tǒng)文化、人文教育、學(xué)科融合越來(lái)越受到黨和國(guó)家以及教育界的關(guān)注。

《典籍里的中國(guó)》是由中央廣播電視總臺(tái)推出的大型文化節(jié)目，第二期節(jié)目呈現(xiàn)了袁隆平院士與宋應(yīng)星先生跨越300多年的握手，“禾下乘涼，天下富足”，兩位科學(xué)家透過(guò)一粒種子找到了科學(xué)家共同的夢(mèng)想，求真務(wù)實(shí)、造福人民，而連接這場(chǎng)跨越時(shí)空對(duì)話的正是一本典籍《天工開(kāi)物》。此書(shū)是中國(guó)科技史料保存最為豐富的一部古籍，也是世界上第一部關(guān)于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性著作。作者宋應(yīng)星，字長(zhǎng)庚，明末著名科學(xué)家，其作品《天工開(kāi)物》根據(jù)“貴五谷而賤金玉”的思想原則，記述了許多生產(chǎn)技術(shù)及農(nóng)業(yè)用具。《天工開(kāi)物》中包含著作者獨(dú)到的見(jiàn)解，雖有一些錯(cuò)誤論述，但仍不失為一部重要的科學(xué)巨作，有研究與借鑒價(jià)值。筆者在研讀過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其中有許多的化學(xué)知識(shí)可以融入現(xiàn)代的化學(xué)課堂中，為理性嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕瘜W(xué)學(xué)習(xí)涵養(yǎng)人文精神，讓學(xué)生感受中國(guó)古代科技的力量。

一、讀古籍悟化學(xué)

（一）下篇卷十五《火藥料》與“氧化還原反應(yīng)”

《火藥料》中記載：“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽(yáng)，陰陽(yáng)兩神物相遇于無(wú)隙可容之中。其出也，人物膺之，魂散驚而魄齏粉。”

此篇介紹火藥為何會(huì)爆炸，我國(guó)發(fā)明并使用火藥的歷史悠久，火藥最早來(lái)源于煉丹家的“意外”。在宋代《真元妙道要略》中有記載“有以硫磺，雄黃合硝石，并密燒之，焰起，燒手面及屋宇者”，書(shū)中告誡煉丹家謹(jǐn)防此類事件的發(fā)生。火藥不能解決“長(zhǎng)生不老”的問(wèn)題，因此并沒(méi)有得到煉丹方士的重視，但其威力被軍事家看重，而后逐步發(fā)展改良，成為中國(guó)古代四大發(fā)明之一，并應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)。至明成祖朱棣一朝，成立了以火藥、火銃以及火油繩為主要作戰(zhàn)武器的“神機(jī)營(yíng)”，這也是中國(guó)乃至世界上最早的獨(dú)立槍炮部隊(duì)建制。古人也一直在思考研究火藥爆炸的原因，宋應(yīng)星受制于當(dāng)時(shí)社會(huì)的“五行陰陽(yáng)”學(xué)說(shuō)，認(rèn)為火藥的主要成分是硝石和硫磺，以木炭為鋪墊，硝石屬陰，硫磺屬陽(yáng)，一陰一陽(yáng)，放在密閉的鐵筒里面，陰陽(yáng)相克，自然會(huì)爆炸。

（二）中篇卷五作咸《井鹽》：“火井”與天然氣

《井鹽》記載：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，絕無(wú)火氣，但以長(zhǎng)竹剖開(kāi)去節(jié)，合縫漆布，一頭插入井底，其上曲接，以口緊對(duì)釜臍，注鹵水釜中。只見(jiàn)火意烘烘，水即滾沸。啟竹而視之，絕無(wú)半點(diǎn)焦炎意。未見(jiàn)火形而用火神，此世間大奇事也，凡川、滇鹽井逃課掩蓋至易，不可窮詰。”

此篇記載了西川巴蜀地區(qū)有“火井”，井里面沒(méi)有火氣，古人將長(zhǎng)竹剖開(kāi)，去掉里面的竹節(jié)，兩半竹子再用油紙裹住（防止漏氣），即現(xiàn)代社會(huì)輸氣所用的管道。把鹵水注入鍋中，準(zhǔn)備熬成鹽，利用“火井”中的氣，但見(jiàn)鹵水很快就沸起來(lái)了，此處的“火井”即為天然氣，宋應(yīng)星稱此事為“世間大奇”。其實(shí)早在兩千年前，兩漢時(shí)期就有了天然氣的使用記載與相應(yīng)的開(kāi)采技術(shù)，最早記載用火井煮鹽的描述可見(jiàn)于晉代張華所著的《博物志》，這在人類能源史上留下了光輝的一頁(yè)，它比英國(guó)17世紀(jì)使用天然氣約早了13個(gè)世紀(jì)。

（三）下篇卷十四《倭鉛》與“金屬鋅的冶煉”

卷十四介紹了黃金、銀、銅、錫等金屬的開(kāi)采與冶煉，其中首次詳細(xì)技術(shù)了金屬鋅的冶煉技術(shù)。此卷中有眾多涉及合金、金屬的活潑性以及置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)知識(shí)的記述。

五金《倭鉛》篇記載：“凡倭鉛古書(shū)本無(wú)之，乃近世所立名色。其質(zhì)用爐甘石熬煉而成，繁產(chǎn)山西太行山一帶，而荊、衡為次之。每爐甘石十斤，裝載入一泥罐內(nèi)，封裹泥固，以漸砑干，勿使見(jiàn)火拆裂。然后逐層用煤餅墊盛，其底鋪薪，發(fā)火鍛紅，罐中爐甘石熔化成團(tuán)，冷定毀罐取出。”

《天工開(kāi)物》中最令人矚目的是有關(guān)金屬鋅的冶煉技術(shù)，雖然在史料中記載我國(guó)在明朝已經(jīng)大量使用金屬鋅，如明宣德三年用31680斤銅與13600斤鋅（倭鉛）鑄造了大量的鼎彝，但有關(guān)金屬鋅冶煉技術(shù)的文字記載只有在《天工開(kāi)物》中出現(xiàn)，且《天工開(kāi)物》配有圖解，即“凡倭鉛古書(shū)本無(wú)之”。書(shū)中記載的煉鋅方法稱為土罐高溫蒸餾法（有學(xué)者認(rèn)為是迥流法），鋅的冶煉原理是將爐甘石（主要成分為ZnCO3）裝入泥罐，高溫下煅燒分解成氧化鋅與二氧化碳，二氧化碳與煤炭反應(yīng)生成一氧化碳用于還原得到金屬鋅，由于金屬鋅的沸點(diǎn)只有907℃，為防止其逸散或者被氧化，因此要做好密封工作，再降溫冷凝得到金屬鋅。反觀歐洲人在16世紀(jì)才知道鋅是一種金屬，17世紀(jì)才懂得鋅能從菱鋅礦中冶煉而成，但一直未掌握相應(yīng)的技術(shù)，長(zhǎng)期從中國(guó)進(jìn)口金屬鋅。可見(jiàn)，至明朝時(shí)期我國(guó)在科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)方面仍是領(lǐng)先西方世界的。

“物自天生，工開(kāi)于人”，書(shū)中共梳理的一百三十多種生產(chǎn)技術(shù)和工具，其中不論是農(nóng)業(yè)灌溉稻田的高轉(zhuǎn)筒車，還是煉鐵養(yǎng)蠶等精巧技術(shù)，字里行間，都流淌著格物致知、經(jīng)世致用的科學(xué)態(tài)度，閃爍著熠熠生輝的智慧光芒。《天工開(kāi)物》中還蘊(yùn)含著許多豐富的化學(xué)史料，如“冶煉鋼鐵”“利用置換反應(yīng)濕法煉銅”“物質(zhì)的溶解性”“皂角結(jié)鹽法”“開(kāi)采與煅燒石灰石”“利用酸堿平衡原理為絲綢染色”等。

二、讀古籍用化學(xué)

將《天工開(kāi)物》中的化學(xué)素材融入課堂教學(xué)，根據(jù)知識(shí)內(nèi)容與性質(zhì)的不同，結(jié)合當(dāng)代教育學(xué)理論將其融入教學(xué)設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)文化與化學(xué)跨學(xué)科相融合，為嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的理性學(xué)習(xí)注入感性認(rèn)識(shí)，涵養(yǎng)人文精神，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中感受傳統(tǒng)文化的魅力，促進(jìn)文化傳承，增強(qiáng)民族自豪感。本文選取其中涉及氧化還原反應(yīng)、酸堿中和反應(yīng)、天然氣這三個(gè)文段分析探討，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與試題編制。

（一）“火藥料”與情境創(chuàng)設(shè)

本篇可作為新課的導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)情境，在人教版高中化學(xué)必修一“氧化還原反應(yīng)”中呈現(xiàn)：火藥作為中國(guó)的四大發(fā)明之一，其歷史悠久，最早可見(jiàn)于宋人《真元妙道要略》中的記載，千百年來(lái)，人們也在思考研究火藥為何會(huì)爆炸？明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在其著作《天工開(kāi)物》中記載：“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽(yáng)，陰陽(yáng)兩神物相遇于無(wú)隙可容之中。”受制于當(dāng)時(shí)的發(fā)展，宋應(yīng)星將火藥爆炸歸結(jié)于“陰陽(yáng)相克”，處在新時(shí)代的我們，知道要用科學(xué)的觀點(diǎn)去解釋，那火藥爆炸的原理到底是什么呢？通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)我們會(huì)找到答案。在內(nèi)容的學(xué)習(xí)之后，引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原的角度去思考分析火藥的爆炸，首尾呼應(yīng)。此處針對(duì)宋應(yīng)星的“五行陰陽(yáng)”學(xué)說(shuō)的錯(cuò)誤解釋，可以融入辯證思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用辯證的觀點(diǎn)看待問(wèn)題，既要看到古人的偉大，又不能盲從權(quán)威，要有自己的觀點(diǎn)，科學(xué)是在發(fā)展中前進(jìn)的。

編制試題1：

我國(guó)發(fā)明并使用火藥的歷史悠久，關(guān)于火藥爆炸的原因，經(jīng)典古籍《天工開(kāi)物》中寫(xiě)道，“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽(yáng)，陰陽(yáng)兩神物相遇于無(wú)隙可容之中”，硝石的主要成分是硝酸鉀，硫磺的主要成分問(wèn)為硫，并結(jié)合草木灰中的碳，發(fā)生如下的氧化還原反應(yīng)：

2KNO3+S+3C[反應(yīng)]K2S+N2↑+3CO2↑

對(duì)于此反應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是（ B ）。

A.硝石作為“氧化劑”，硫磺作為還原劑

B.每生成1mol的氮?dú)猓枰D(zhuǎn)移12mol的電子

C.二氧化碳的氧化性強(qiáng)于硫的氧化性

D.氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為2∶3

（二）《稻宜》《造糖》與化學(xué)知識(shí)的價(jià)值分析

在人教版九年級(jí)化學(xué)《酸與堿的性質(zhì)》學(xué)習(xí)中，待學(xué)習(xí)了酸堿中和反應(yīng)的原理之后，在介紹其應(yīng)用時(shí)，可以引入此段材料：酸堿中和反應(yīng)的原理在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如可用醫(yī)療衛(wèi)生口服液堿性藥物治療胃酸，被蚊蟲(chóng)叮咬后，可以用小蘇打溶液或肥皂水涂抹止癢，而在古代酸堿中和反應(yīng)也被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。《天工開(kāi)物》稻宜中記載：“土性帶冷漿者，宜骨灰蘸稻根（反禽獸骨），石灰淹苗足，向陽(yáng)暖土不宜也。”土性帶冷漿即“冷水田”，土壤呈酸性，不宜于作物的生長(zhǎng)，勞動(dòng)人民用石灰改良。在《造糖》中記載：“每汁一石下石灰五合于中”。用石灰中和甘蔗汁的酸性以達(dá)到非糖分凝聚的最佳pH值，同學(xué)們還能舉出其他的有關(guān)酸堿中和反應(yīng)的例子嗎？在這樣的學(xué)習(xí)中，學(xué)生體會(huì)到化學(xué)知識(shí)的重要性，能感受化學(xué)帶來(lái)的益處以及我國(guó)勞動(dòng)人民的智慧，增加民族自豪感。

編制試題2：

我國(guó)勞動(dòng)人民很早就懂得利用酸堿中和反應(yīng)，在《天工開(kāi)物》《稻宜》中記載：“土性帶冷漿者，宜骨灰蘸稻根（反禽獸骨），石灰淹苗足，向陽(yáng)暖土不宜也。”在《造糖》篇中亦有記載：“反汁漿流板有槽枧，汁入于缸內(nèi)。每汁一石下石灰五合于中。”土性帶冷漿即“冷水田”，土壤呈堿性不易農(nóng)作物生長(zhǎng)，在制糖中可用石灰中和過(guò)度的酸，下列有關(guān)酸堿中和反應(yīng)正確的是（ A ）。

A.石蕊試紙測(cè)定石灰水的酸堿性的顏色是藍(lán)色

B.中和反應(yīng)生成鹽和水，所以生成鹽和水的一定是中和反應(yīng)

C.可以利用氫氧化鈉溶液改良“冷水田”

D.用酚酞試液測(cè)定甘蔗汁的酸堿性

（三）《火井》與化學(xué)知識(shí)拓展

本篇可在人教版必修二“煤、石油和天然氣的綜合利用”作為知識(shí)拓展的素材呈現(xiàn)：我國(guó)使用天然氣的歷史悠久，古稱之為“火井”，《文選》卷4《蜀都賦》中有“火井沉熒于幽泉，高煙飛煽于天垂”，這是晉代人對(duì)四川火井的詩(shī)意描寫(xiě)。在明宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》中則介紹了利用天然氣煮鹽以及竹筒法從井中取天然氣。如今天然氣作為一種高效、清潔的優(yōu)質(zhì)燃料被廣泛應(yīng)用，國(guó)家開(kāi)展了“西氣東輸”工程，讓更多的家庭能方便快捷地使用天然氣，改善了管道沿線地區(qū)的人民生活質(zhì)量，有效地治理了大氣污染，這是我國(guó)又一項(xiàng)偉大的惠民利民工程。

編制試題3：

《天工開(kāi)物》中有西川地區(qū)使用天然氣的記錄：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，絕無(wú)火氣，但以長(zhǎng)竹剖開(kāi)去節(jié)，合縫漆布，一頭插入井底，其上曲接，以口緊對(duì)釜臍，注鹵水釜中。只見(jiàn)火意烘烘，水即滾沸。”這里的“火井”即為天然氣，下列說(shuō)法正確的是（ B ）。

A.天然氣是二次能源

B.天然氣充分燃燒后的產(chǎn)物是水和二氧化碳

C.天然氣組成中一般乙烷的所占比例最大

D.天然氣作為可再生能源被廣泛地應(yīng)用

三、思考與總結(jié)

“古有《天工開(kāi)物》，今人繼往開(kāi)來(lái)”，書(shū)中記載的古代技藝值得今人研究，其中所蘊(yùn)含的哲學(xué)思想與先人之智慧同樣值得后世挖掘。《天工開(kāi)物》中的思想精髓，如人與自然相協(xié)調(diào)，是中國(guó)傳統(tǒng)的哲學(xué)思想，這與馬克思主義的自然觀不謀而合。近年來(lái)，以傳統(tǒng)文化為背景的化學(xué)試題命制逐漸成為熱點(diǎn)，這提示我們要將教材與古籍中的化學(xué)知識(shí)相融合，培養(yǎng)學(xué)生人文底蘊(yùn)與審美情趣，讓學(xué)生感受傳統(tǒng)文化的博大精深，弘揚(yáng)并傳承傳統(tǒng)文化。本文根據(jù)《天工開(kāi)物》中的相關(guān)內(nèi)容結(jié)合化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)、學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的同時(shí)確保以化學(xué)科學(xué)知識(shí)為主角，輔以傳統(tǒng)文化，幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生在理性學(xué)習(xí)的同時(shí)融入感性的審美;亦可以將《天工開(kāi)物》作為學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的課外閱讀書(shū)籍，讓學(xué)生自主研究，學(xué)習(xí)其中的化學(xué)知識(shí)，感受傳統(tǒng)文化的魅力。當(dāng)然對(duì)于傳統(tǒng)文化，要以辯證思維的角度去學(xué)習(xí)，“取其精華，去其糟粕”，學(xué)習(xí)其優(yōu)秀的一面，也要認(rèn)識(shí)到其受制于當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展，一些觀點(diǎn)是有歷史局限性的，要以發(fā)展的眼光來(lái)看待，幫助學(xué)生形成正確的思辨觀與科學(xué)觀。

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[4]陳磊磊.全國(guó)高考Ⅰ卷中化學(xué)與傳統(tǒng)文化題的分析[J].化學(xué)教育（中英文），2019（5）.

【作者簡(jiǎn)介】朱汝葵（1970— ），女，漢族，廣西玉林人，碩士研究生學(xué)歷，南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院副院長(zhǎng)，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)課程與教學(xué)研究、信息技術(shù)與課程整合;李 碩（1998— ），男，漢族，遼寧康平人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)學(xué)科教學(xué);陳思靜（1980— ），女，漢族，廣西柳州人，碩士研究生學(xué)歷，南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)課程與教學(xué)論。

（責(zé)編 楊 光）