以藍染工藝發展史為情境的有機化學復習教學

劉秀欽 楊發福

（福建師范大學化學與材料學院 福建 福州 350007）

一、問題的提出

在普通高中化學新課程中，有機化學課程可分為兩個部分：必修模塊《化學2》中的有機化學與選修模塊《有機化學基礎》。目前，學生學習有機化學通常都在高二下學期，這兩部分的內容學習間隔較大且安排較為分散。因此，教師在進行有機復習課教學時往往采用“知識講解+習題訓練”模式復習某一專題內容。在這樣的復習模式下，學生學習結束后能對有機化學的基礎知識有一定的了解，但卻不能主動將有機知識整合，構建起對有機化學的整體認識，［1］形成系統的有機化學認識思路和方法。近年來，高考有機化學除了考查學生對各種有機物性質、反應條件、反應現象等掌握情況，還利用有機物推斷，設計合成路線等題型側重考查學生的邏輯推理、分析解決問題能力。［2］這就要求教師進行有機化學復習教學時既要重視基礎，又要注重培養學生有機化學認識素養。

習近平總書記曾指出：文物和文化遺產承載著中華民族的基因和血脈，是不可再生、不可替代的中華優秀文明資源。泱泱華夏，文明千載，我國傳承下來的傳統工藝都是先輩們留給我們的寶貴遺產。藍染工藝是我國最古老的印染工藝之一，藍染工藝中的印染材料、制靛技術與高中有機化學中有機物結構及性質，如碳碳雙鍵、酯鍵、氨基、羥基以及水解反應、縮合反應、取代反應等都有著緊密的聯系。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出，“結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念”［3］。因此，本文在有機化學復習教學中構建藍染工藝發展歷史的情境，引導學生掌握藍染工藝中印染材料的結構、性質，進而預測可能產生的有機反應；并指引學生參與合成靛藍的整個過程，學會有機合成的方法，從而幫助學生搭建有機化學整體的復習框架，形成全面、系統的有機化學學習思路和方法，推動化學學科核心素養的落地。

二、設計思想及流程

化學復習課是以鞏固所學知識并提高運用知識解決實際問題的能力為主要任務的一種課型。［4］復習課不是練習課，也不是新授課后的輔戰場，更不是已有知識的簡單重復或記憶強化，［5］復習課應當側重于提高學生對知識整體結構的構建及其內在聯系的把握，進而提高學生的思維品質和學習能力，落實學生化學學科核心素養培養。

本節課力求在化學學科核心素養的導向下，以藍染工藝的發展史為軸線，創設與之相對應的教學情境。首先，向學生展示我國江蘇南通的藍印花布，并介紹我國藍染工藝的起源，讓學生感受傳統工藝的獨特魅力，激發起學生的民族自豪感；再通過閱讀相關古籍，帶領學生探究我國古代藍染工藝中制靛技術所蘊含的豐富的有機化學知識，領略古代匠人的科學智慧和創新思想；接著，引導學生重溫近代化學家合成靛藍的思維發展歷程，培養學生形成嚴謹求實、不畏艱難的科學探究精神，體會化學在人類社會發展進程中的重要作用；最后，引導學生關注我國藍染工藝發展的現狀及未來前景，提升學生的社會責任感。具體教學流程如圖1所示。

圖1 教學流程圖

三、設計過程與意圖

1.任務一：回顧前世傳奇，感受千年藍染工藝——了解藍染工藝的歷史起源

【PPT展示】我國江蘇南通的藍印花布，如圖2所示。

圖2 江蘇南通藍印花布

【教師】圖2是我國江蘇南通的藍印花布，又稱“靛藍花布”，是一種出自于藍染工藝的古老印染品。［6］藍印花布的著色染料為靛藍染料，主要提取自藍草等植物。

【教師】請同學們列舉一些描寫藍染工藝的名篇佳句。

【學生】《詩經·小雅·采綠》“終朝采藍，不盈一襜”；《荀子·勸學篇》“青，取之于藍，而青于藍”……

【教師】上述古文體現了不同時期的藍染工藝。早在新石器時代，古人就能通過浸揉藍草等植物，將其汁液用于染色。［7］傳統藍染工藝最早起源于秦漢時期，至明清時期達到鼎盛，距今已有千年的悠久歷史。

設計意圖：引導學生欣賞江蘇南通藍印花布，既了解了其印染材料的由來，又領略了傳統藍染工藝的魅力以及古代先人的聰慧。接著引入不同時期記載藍染工藝的名篇佳句，并介紹我國藍染工藝的歷史起源，這樣不僅有利于提升學生的人文素養，還有利于激發學生強烈的民族自豪感，增強文化自信。

2.任務二：探析古文典籍，領略古代匠人智慧——有機化合物的結構及性質探究

【教師】明清時期可謂是我國藍染工藝發展的鼎盛時期，藍染工藝中的工序復雜精細，環環相扣，具體為：織布、雕版、制靛、印染等程序。古籍《天工開物·彰施》對其中的制靛技術作了較為詳細的記載，那制靛技術背后蘊藏著什么樣的化學原理呢？今天我們來解析古籍，穿越千年歷史來探究我國古代制靛工藝背后的科學奧秘吧。

【PPT展示】《天工開物》是中國古代一部綜合性的科學技術著作。其彰施篇中完整地記述了明代制靛工藝：“凡造淀，葉與莖多者入窖，少者入桶與缸。水浸七日，其汁自來。每水漿一石下石灰五升，攪沖數十下，淀信即結。水性定時，淀沉于底……其掠出浮沫曬干者曰靛花?！保?］

【教師】請同學們閱讀古文，找出其中涉及化學實驗的相關操作。

【學生】“水浸七日，其汁自來”涉及到溶解；“攪沖數十下”涉及到攪拌，“其掠出浮沫曬干者曰靛花”涉及到蒸發結晶。

【教師】其古文的大意為：在制靛的過程中，染工們會將藍草放入窖、桶或缸內浸泡發酵七天以上，這樣一來便會有藍色的汁液產出，并且在浸泡的過程中會往一石染液中加入五升生石灰，隨后攪動染液，靜放數日之后就可沉淀出靛藍，將其曬干以備用于后面的印染工序中。

【教師】藍草中的主要成分是菘藍甙，如圖3所示。［9］

圖3 菘藍甙的結構簡式

結合菘藍甙的結構簡式，請同學們觀察并思考菘藍甙結構中有哪些常見的官能團？

【學生】碳碳雙鍵、酯基以及氨基。

【教師】菘藍甙結構中的官能團氨基能夠與纖維結構形成氫鍵，從而使藍草的顏色能夠附著在織物上，但其色牢度差且色澤暗淡。由此，人們在實踐過程中發現可以將藍草放入染缸中制備出靛藍來提高染料的色牢度和色澤。

【教師】根據菘藍甙的結構式，思考以下問題：

1.菘藍甙水浸的過程中會發生什么樣的化學反應？

2.結合有機物的結構，試著分析水浸菘藍甙的目的是什么？

3.從化學反應原理角度出發，思考古人為什么要用七日時間來浸泡菘藍甙呢？

【學生】用水浸泡七日，菘藍甙在水中會發生水解反應，其化學方程式如圖4所示：

圖4 菘藍甙水解的反應方程式

【教師】水解生成的有機物名稱為吲哚酚，如圖5所示。

圖5 吲哚酚的結構簡式

【學生】從有機物的結構角度來看，吲哚酚中有羥基、氨基，這兩個基團都能夠與纖維結構形成氫鍵，附著在織物上。因此，水浸菘藍甙的目的就是將菘藍甙水解生成吲哚酚，增強染料的附著性。

【學生】從化學反應原理的角度上來看，用七天時間浸泡，水中以及植物中的微生物在適宜的溫度、pH等條件下可以大量繁殖，分泌出大量的生物酶促進水解，因此用七天時間浸泡菘藍甙的目的是讓菘藍甙充分地水解。

【教師】在溶液中，吲哚酚容易發生酮式互變現象形成吲哚酮，［10］如圖6所示。

圖6 吲哚酚與吲哚酮的互變現象

由反應可知，吲哚酚與吲哚酮構成了一對同分異構體。在吲哚酮靜放過程中，吲哚酮在堿性條件下能夠被氧化成靛藍，由此便可制得靛藍染料。具體反應如圖7所示：

圖7 吲哚酮的氧化反應

【教師】縱觀整道制靛工序，靛藍染料已初步制得。請同學們結合上述反應方程式，從控制反應條件的角度出發，思考制靛過程中加入生石灰的目的是什么？

【學生】上述反應中菘藍甙中酯基的水解，以及吲哚酮氧化反應都需要在堿性的條件下進行，生石灰的主要成分為CaO，屬于堿性氧化物，因此加入生石灰的目的是為上述反應提供堿性的環境。

【教師】加入生石灰的另一目的則是菘藍甙發酵水解的過程中會產生二氧化碳氣體，生石灰能夠與二氧化碳氣體反應生成碳酸鈣，碳酸鈣對著色物質具有吸附作用，［11］從而吸附懸浮的靛藍，加快靛藍沉淀的速度。

【教師】僅是通過了解藍染工藝中的制靛工序，就能探究發現其中蘊含著豐富的有機化學知識，這讓我們不禁佩服與贊嘆我國古代勞動人民的聰明才智，正是如此，我國的藍染工藝才能在世界文化遺產中熠熠生輝。

設計意圖：通過引用古籍《天工開物》中有關制靛工藝的記述，一面是為了展示并宣揚我國古代科技典籍以及傳統工藝，使學生堅定文化自信，激發起學生繼承中華民族優秀傳統文化的信念；另一方面學生通過閱讀古籍——解析大意——分析原理，對制靛工藝原理進行綜合的探究，以此為專題來進行復習，有利于促進學生有機化學知識的整體建構，以及滿足學生不同程度的復習需求，學生在復習鞏固有機物的結構（碳碳雙鍵、酯基、氨基）、有機基本反應類型（酯的水解）、氫鍵的形成等基礎知識的同時，還能夠進一步學習有機反應條件的控制以及復雜有機反應的原理，提升其高階思維，進而達到發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養的目的。

3.任務三：走進科學史海，探尋染料合成原理——有機物的合成路線的制定

【PPT展示】19世紀中葉，以紡織工業革命為先導的產業革命大幅度增加了世界各國對染料的需求，從藍草植物中提取的靛藍染料已無法滿足印染業的需求，于是用化學方法合成靛藍染料成為亟待解決的問題。1878年6月，德國化學家拜爾首次人工合成出靛藍，這一成果成為了人工有機合成染料史上的一個重要里程碑，標志著人工合成復雜有機物的開始。［12］到1890年，德國化學家霍曼在前人研究的基礎上為靛藍的工業化生產提供了理論指導，實現了靛藍的工業化生產。

【教師】通過前面的學習，各位同學對靛藍染料的結構有了一定的了解，那如何根據靛藍這一目標產物來制定其合成路線呢？

【學生】可以將靛藍結構進行拆分→尋找上一步反應的原料，依次倒推→確定最基礎的原料以及最終合成路線。

【教師】這就是有機合成的一種重要的方法——逆向合成分析法，如圖8所示。

圖8 逆向合成分析法思維模型

而拜爾也正是利用此方法通過降解靛藍，對靛藍的結構進行拆分，發現它與氫氧化鉀高溫熔融時得到的原料為苯胺。

【教師】結合已有知識，請同學們思考苯胺具有哪些化學性質呢？

【學生】苯胺屬于胺類有機物，而胺與氨氣結構相似，具有堿性，可以與酸反應生成銨鹽。

【教師】德國化學家霍曼就是利用苯胺的這一化學性質，先將苯胺與氯乙酸混合，然后將其再進行堿熔，氧化等步驟，就可合成得到靛藍。［13］其合成路線如圖9所示

圖9 苯胺合成靛藍的路線

這種從已知原料入手，找出合成所需的中間體，逐步推向目標有機物的合成方法稱為正向合成分析法。具體步驟，如圖10所示。

圖10 正向合成分析法思維模型

在有機化學中，正向和逆向合成分析法相輔相成，對有機物的合成有著極大的推動作用。

【教師】請同學寫出此合成路線中苯胺與氯乙酸反應的化學方程式，并思考這屬于哪種類型的有機反應？

【學生】該反應屬于取代反應，具體反應方程式，如圖11所示：

圖11 苯胺與氯乙酸的反應方程式

【教師】請同學們以分組討論的形式，對比實際生產來對此合成路線作出合理的評價。

【學生】此合成路線中的原料苯胺會污染環境，同時也會對人體健康產生不良的影響。

【教師】除此之外，此路線中還存在一個問題就是苯胺和氯乙酸成本偏高，不適宜應用于工業化生產。由于萘在煤焦油中含量較高，價格便宜。因此，霍曼以萘為基本原料進一步改進與完善了靛藍的合成工藝路線。其部分合成路線如圖12所示：

圖12 萘合成靛藍的部分路線

【教師】根據上述合成路線，請同學們寫出每個步驟反應方程式并嘗試分析其反應原理。

【學生】步驟1的反應方程式，如圖13所示：

圖13 萘生成鄰苯二甲酸的反應方程式

其反應原理為與苯環直接相連的碳原子上連接有氫原子，則與苯環相連的烷基通常會被氧化劑氧化為羧基。

【學生】步驟2的反應方程式，如圖14所示：

圖14 鄰苯二甲酸與氨的反應方程式

其反應機理為羧酸中的羥基被氨基取代，形成酰胺基。

設計意圖：以近代化學家合成靛藍的路線為線索，引導學生在歷史的真實情境中循序漸進地感受科學家在科學探索中的思維發展過程、科學研究的艱難以及體會化學學科在人類文明和社會中的重要價值，促進對化學學科本質的理解。在課堂上，學生可以綜合利用有機化學知識、“正向合成、逆向拆分”的有機物合成方法來參與靛藍合成路線的制定，以及對合成路線中單步反應或部分連鎖反應的原理探析，從而提升自身的科學探究精神以及“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

4.任務四：前瞻今生發展，傳承弘揚藍染工藝——藍染工藝的未來展望

【PPT展示】藍染工藝發展現狀以及未來前景。

【教師】隨著社會的發展，傳統的藍染工藝正面臨著失傳的處境。傳統藍染工藝中采用的植物染料環保無害且氣味芬芳，而現代工業中的合成染料在染色時雖方便快捷、色牢度高，卻對人體以及環境存在一定的危害性。若能夠將二者的優勢相結合，這樣既能實現合成染料的綠色化生產，又能實現藍染工藝的傳承。目前，人們已經探索出了一些應用于藍染工藝的科學技術，例如：微波法制備純化靛藍、［14］微生物法合成靛藍、［15］電化學還原法進行染色［16］等。隨著科學技術的進步，人們將會不斷研究新的植物染料染色技術，讓藍染工藝更好地適應社會的需求。

設計意圖：化學史教學不僅要回顧過去，更要關注當下現狀以及展望未來發展趨勢，這樣才能讓學生將所學的知識與實際相結合，開拓學生的知識面，更好地落實“綠色化學”的科學理念以及發展學生“科學態度與社會責任”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

四、小結

化學史教學能夠在歷史演進的背景下將靜態知識結論與動態知識產生過程緊密結合，引導學生追根溯源，促進理解學習。［17］本教學設計結合藍染工藝發展史的情境，串聯起有機化學復習課的教學邏輯，既引據古籍文獻解析了藍染工藝背后所蘊含的科學原理，又講述了近代化學家合成染料的探究歷程，滲透其中的科學探究的思維和精神。將課程內容與化學史料相互融合，不僅能豐富課程內容，拓寬學生的知識面以及提升學生的化學學科核心素養，還能將傳統文化滲透于教學中，有助于學生樹立文化自信。