融合東西方科學史的命題思考

顧曄

摘要：借助化學學科核心素養導向的命題框架，分析江蘇省2020普通高中學業水平測試合格性考試化學試題第29題，進一步拓展史料來源，對比東西方對綠礬焙燒產物關注點的差異，旨在提升師生對科學史尤其是中國古代科學史素材的重視程度，在提高文化自信的同時明辨東西方科學發展之路及其對社會生產力發展的推動作用。

關鍵詞：合格性考試;綠礬焙燒;科學史

文章編號：1005-6629（2021）05-0082-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

江蘇省2020年普通高中學業水平合格性考試化學試題最后一題以“綠礬焙燒”為素材命制了一道實驗和計算的綜合題，摘錄如下。

綠礬（FeSO₄·7H₂O）是自然界存在的一種礦石，翠綠如寶石，很早就引起人們的重視。

材料一 《唐本草》和《天工開物》等古籍都記載中國很早就能焙燒綠礬制備鐵紅（主要成分是Fe₂O₃）。鐵紅顏色鮮艷，穩定無毒，是中國傳統紅色顏料的重要著色劑。

材料二 公元8世紀，阿拉伯煉金家查比爾曾提出，把綠礬焙燒可以蒸餾出“礬精”，它具有比較大的溶解度。綠礬焙燒是一種生產硫酸的古老方法。

（1）某研究性學習小組用圖1所示實驗裝置對綠礬的焙燒反應進行探究。

①實驗過程中，裝置A玻管中可觀察到的實驗現象是____。

②裝置C的作用是____。

（2）某工廠計劃用綠礬焙燒工藝生產高純度鐵紅（Fe₂O₃）160kg，計算理論上所需綠礬的質量，寫出計算過程。

1東西方科學史素材與題目的融合

1.1材料提供的情境與命題不可割裂

本題以材料一、材料二的形式為考生提供了真實、豐富的試題情境，這與《普通高中化學課程標準（2017年版）》中以化學學科核心素養為導向的命題框架（見圖2）是一致的。該命題框架要求“情境”和“知識”同時服務于“問題”的提出與解決;“問題”“情境”“知識”三者之間存在著密切的聯系;情境的設計、知識的運用、問題的提出與解決均應有利于實現對學生核心素養的測試。

本題的命題情境是東西方科學史中對“綠礬焙燒”的記載，試想：如果該題直接呈現史料，學生答題遇到的障礙有：綠礬分解設計較復雜的氧化還原反應，A中會出現怎樣的實驗現象？“礬精”是什么？顯然，這里的材料一、材料二與問題是不可分割的，實現了學生已有“知識”與考查“問題”的自然銜接：（1）材料一中“中國很早就能焙燒綠礬制備鐵紅（主要成分是Fe₂O₃）”，從中可以推測綠礬焙燒的固體殘留物中有紅色的Fe₂O₃，故可以順利解答裝置A玻管中可觀察到的實驗現象;（2）材料二中“綠礬焙燒可以蒸餾出礬精，它具有比較大的溶解度”，這讓第2問的提出不顯突兀，既然“綠礬焙燒是一種生產硫酸的古老方法”，那么如何檢驗呢？結合對硫酸電離的認識，需要檢驗硫酸在水中電離出的H⁺和硫酸根離子，實現對“主題2常見的無機物及其應用”內容標準中“認識酸、堿、鹽等電解質在水溶液中或熔融狀態下能發生電離。通過實驗事實認識離子反應及其發生的條件，了解常見離子的檢驗方法”的考查功能。

1.2命題情境與真實問題的關聯

該題的第（2）小題是在材料一、二提供的真實情境下提出的待解決的真實問題：“某工廠計劃用綠礬焙燒工藝生產高純度鐵紅（Fe₂O₃）160 kg，計算理論上所需綠礬的質量，寫出計算過程。”這里的化學計算就不是單純的計算考查，而是有事實依托的真實問題，需要學生能夠運用元素守恒的思想找到原料綠礬和產品鐵紅之間的鐵元素守恒。由于該題只出現在合格性考試（面向全體學生，要求偏低）中，否則該情境還可以衍生出硫酸工業中硫酸理論產量的計算。到此，我們是不是也會發現，同樣是研究綠礬的焙燒，東西方關注的是否有明顯差異？作為試題的分析可以告一段落，但是材料給出的素材又何嘗不是一個研究性學習的情境素材呢？

2對東西方科學史素材的進一步解讀

2.1鐵紅：傳統的紅色顏料

材料一中提及的《唐本草》和《天工開物》是兩部不同年代著述的古籍，其中《唐本草》又名《新修本草》，共54卷，由唐代蘇敬等23人奉敕撰于顯慶四年（公元659年），而《天工開物》是明代宋應星所著，記有“時礬每斤，入黃土四兩，入罐熬煉，則成礬紅”。顯然，《唐本草》對綠礬焙燒的記錄更早，那么當時（或者在此之前）為何關注綠礬焙燒產物中的鐵紅？鐵紅作為一種重要的著色劑用于何處呢？周國信在《我國古代顏料漫談（二）》中專門就紅色顏料進行了梳理，包括朱砂、鐵紅、鉛丹、雄黃等，其中對鐵紅的介紹中提及了壁畫中對鐵紅的需求：“早期壁畫中α-Fe₂O₃含量低，色澤淡雅，可能當時佛教界和繪畫藝術本身就追求這種淺的色彩，后期壁畫彩塑上多用較濃重的紅土或赭石，或許是藝認追求變遷所至或科學技術發展所引起的。”

我國古代壁畫藝術，始于史前，確立于秦漢，發展于魏晉南北朝，鼎盛于隋唐，成熟于五代兩宋，經過元代的微變，明清時期雖繼續傳承卻日漸衰落。兩漢時期，紅色主要是朱砂和鐵紅。到了魏晉南北朝時期（公元220～581年）壁畫隨著佛教美術的傳入，該時期的壁畫藝術處于穩定上升趨勢，特別是石窟寺附屬的彩塑和壁畫，非常興盛。西北地區的彩塑壁畫在各階段顏料略有差異。十六國時期，紅土大量使用，如嘉峪關魏晉七號墓和五號墓。朱砂和赤鐵礦在部分地區也使用，如高臺駱駝城、敦煌佛爺廟。

可見，紅色顏料用于古代壁畫藝術是一條漫長的歷史線，而紅色顏料的選擇則與地域和所處時代的需求是息息相關的。

2.2硫酸：化學工業的前世今生

材料二中提及的阿拉伯煉金術士查比爾·伊本·赫揚（約公元721～815年），拉丁文文獻中稱他為格伯。他特別重視對硫和汞的研究，注意實驗技術的研究，改進了古代的煅燒、蒸餾、升華、熔化和結晶等方法，對中世紀歐洲的發展有較大影響。但是當時對“綠礬焙燒可以蒸餾出礬精”尚無明確的關注。西方的硫酸工業距今約有兩百多年的歷史，早期有記錄的硫酸生產始于15世紀后半葉，B.瓦倫丁在其著作中先后提到，將綠礬與砂共熱以及將硫磺與硝石混合物焚燃的兩種制取硫酸的方法。但硫酸工業的出現必然源于社會有大的需求，這里的需求是什么？有哪些關鍵性的事件？西方的工業革命通常認為始于英國，開始于18世紀60年代，這與硫酸工業的發展是比較一致的（見表1）。

18世紀后半期，紡織工業取得重大的技術進步，硫酸被用于亞麻織品的漂白、棉織品的酸化和毛織品的染色。呂布蘭法的成功，又需大量地從硫酸和食鹽制取硫酸鈉。迅速增長的需求為初興的硫酸工業開拓了順利發展的道路。而此時的硫酸生產的主流方法已經不是焙燒綠礬，考慮到原料和工藝，西方的硫酸工業先后經歷了“鉛室法”和“接觸法”，早期的硫酸生產采用硝化法，此法按主體設備的演變又有“鉛室法”和“塔式法”之分。19世紀后期，“接觸法”獲得工業應用，目前已成為生產硫酸的主要方法。從硫酸生產工藝的演變，我們還可以看到有社會需求的影響。早期的鉛室法產品的濃度為65%的H₂SO₄，塔式法則為76%的H₂SO₄，19世紀40年代起，染料、化纖、有機合成和石油化工等行業對濃硫酸和發煙硫酸的需要量迅速增加，許多工業部門對濃硫酸產品的純度也提出了更高的要求，因而19世紀后期“接觸法”逐漸在硫酸工業中居于主導地位。此時的“接觸法”對原料的純度要求較高，因為當時的接觸法裝置都使用在較低溫度下呈現優良活性的鉑催化劑，但其價格昂貴、容易中毒而喪失活性。第一次世界大戰的爆發，使歐美國家競相興建接觸法裝置，產品用于炸藥的制造，這對接觸法的發展頗具影響。1913年，巴登苯胺純堿公司發明添加堿金屬鹽的釩催化劑，活性較好，不易中毒且價格較低。從此，性能不斷改進的釩催化劑相繼涌現，終于完全取代了鉑及其他催化劑。二戰之后，近代硫酸工業發展更加迅速，此時的主要關注點是工藝和設備的更新，硫酸產量的提升成為重要標志。

3對試題中兩則科學史素材的反思

江蘇省2020年普通高中學業水平合格性考試中的這道化學試題，首先在考查形式上有了類似歷史學科中常見的“材料題”的創新。不斷創新考查的方式方法是高考改革永恒的追求，高考評價體系已明確“基礎性、綜合性、應用性、創新性”四個方面的考查要求，科學地回答了“怎么考”的問題，可以有力推動學生朝著未來的發展方向努力，有助于全面推進素質教育。除了形式的創新，該題在情境素材選擇上實現了東西方的比較，在實現考查功能的同時把我們的目光吸引到科學發展在東西方世界的差異，這里的差異背后不僅是看待科學的態度，還有當時的歷史文化背景、社會發展需求。這樣的命題導向通過教師對課程資源的進一步開發，可以幫助學生提高文化自信的同時認識自身不足，樹立合理的科學觀，進而提升師生對科學本質的理解。

3.1適度提升文化自信

《完善中華優秀傳統文化教育指導綱要》中提出：“地理、數學、物理、化學、生物等課程，應結合教學環節滲透中華優秀傳統文化相關內容。鼓勵各地各學校充分挖掘和利用本地中華優秀傳統文化教育資源，開設專題的地方課程和校本課程。”高中階段的化學教學可以以增強學生對中華優秀傳統文化的理性認識為重點，引導學生感悟中華優秀傳統文化的精神內涵，增強學生對中華優秀傳統文化的自信心。本題中對《唐本草》《天工開物》等古代科學典籍的援引可以讓學生看到，在中華大地上也曾出現過科學技術的星星之火，這些科學發現致力于許多實際問題的解決，例如材料一中綠礬分解制得的鐵紅就用作中國傳統紅色顏料的重要著色劑，此時聯想到古代恢弘的壁畫、故宮博物院的紅色宮墻也就不足為奇了。如果再對文獻、文物進行深入探索，我們還會發現古代使用的紅色顏料遠不止鐵紅一種，顏料的選擇和開發也隨著地域變化和社會需求不斷發展和成熟，這與科學發展的持續性是一致的。

3.2客觀認識自身不足

同樣是綠礬的焙燒，為何多年以后在西方誕生了現今生活、生產中不可缺失的硫酸工業，而我國的硫酸工業的最早記錄是“1874年，天津機械局淋硝廠建成中國最早的鉛室法裝置”，這也是值得慎思的問題。很顯然，西方從中世紀出現綠礬焙燒的記錄到發展成硫酸工業經歷了數百年的時間，這其中推動硫酸工業的關鍵事件是工業革命和戰爭的驅動（見表1）;而同時代的中國正處于清朝，對硫酸等工業的發展尚未關注和需求，數百年的落后導致了科技發展的滯后。反思當代的互聯網時代，開放的世界一方面為我們的科技發展搭建了良好的平臺，同時競爭的壓力又無處不在，只要是短暫的停滯就會引來科技的落后。

從這個意義來說，這道試題不僅實現了試題自身的評價功能，客觀上還對中學教學具有重要的引導作用。這也是高考評價體系需要達成的目標——把“引導教學”納入核心功能，這樣的操作有利于理順教考關系，增強“以考促學”的主動意識。