從古代科技典籍中提取教學情境的實踐探索

顧曄

摘要：嘗試從《齊民要術》、《北山酒經》、《天工開物》等中國古代科技典籍中尋找、整合釀酒工藝的相關記載，以此為素材開發化學反應調控的情境，分析當代科技文獻對經典科技典籍內容的分析，旨在豐富高中化學反應速率和反應調控等教學情境，培育學生化學學科核心素養，促進學生理解科學本質。

關鍵詞： 古代科技典籍; 反應調控; 釀酒工藝; 教學情境

《普通高中化學課程標準（2017年版 2022年修訂）》在選擇性必修“主題2 ：化學反應的方向、限度和速率”對化學反應調控的內容要求是“認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義。[1]”目前的高中化學教學中，設計化學反應調控的教學情境往往以某簡單化合物（化工產品）的制備、提純等為教學素材，優點是反應體系明確，副反應較少，但《天工開物》、《齊民要術》、《北山酒經》等古代科技典籍中都記載多樣的釀酒工藝，從學科知識看，包括物質的轉化、反應條件的控制等，以此為素材，嘗試引導學生在真實情境中運用學科知識并體會化學反應原理對科學技術和人類社會文明所起的重要作用。當然，由于釀酒工藝設計復雜的化學反應和生化反應，變量控制較為困難，所以需要參考有關對古代科技典籍的解讀及釀酒工藝進行解讀的當代科技文獻。

1 化學反應調控的課標分析

化學反應調控指利用化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。化學反應速率和化學平衡是近現代（化學）科學發展的重要理論成果，分別隸屬于化學反應的動力學和熱力學范疇，高中學生在學習這部分內容時往往感到抽象、有難度。教學情境的合理選擇可以降低學生的認知難度，還能培養學生變量控制、證據推理等學科素養。

課程標準給出的教學策略和情境素材建議分別是“結合生產實例，組織學生開展關于反應條件的選擇與優化的討論，促使學生形成從限度、速率、能耗等多角度綜合調控化學反應的基本思路，發展學生‘綠色化學的觀念和辯證思維的能力”和“調控化學反應的成功案例，如與工業合成氨相關的諾貝爾獎、汽車尾氣處理，以及塑料的工業合成等”。其中的“生產實例”中大多數生產工藝學生都是較為陌生的，例如“鎳的精制、工業合成氨、高爐煉鐵、水煤氣、高壓氧艙治療一氧化碳中毒等”。

我國古代科技典籍有多處涉及釀酒工藝，其中涉及復雜的生物、化學反應，對反應的調控是釀酒工藝中不可或缺的重要環境，如溫度、酸度、濕度、釀造時間等，這些條件的控制在科學技術水平相對落后的古代是如何實現的，本文擬嘗試從中提取與化學反應調控相關的文本并加以解讀。

2 古代科技典籍中的釀酒工藝

“曲蘗發酵”是中國傳統釀造特別是釀酒技術的核心技藝，中國傳統釀造技藝的最大特色是使用了曲，《北山酒經》、《齊民要素》、《天工開物》等古代典籍在制曲的基礎上了摸索出一套適宜制曲、釀酒的控溫、控濕，最佳釀造氛圍（包括環境）的技術手段。由于釀酒工藝涉及復雜的生物化學反應，不能簡單地將之處理為某幾個化學反應，在提取控制反應條件時，需要結合現有研究文獻，讓學生了解化學工藝的復雜性，同時讓學生對濃度、溫度、催化劑等常見改變反應速率的條件有了更加真切的體會。

2.1 溫度對釀酒工藝的影響

無論控制化學反應的速率還是調節化學反應的限度，溫度都是非常重要的調節變量，古代雖沒有溫度計這樣的測量儀器，但包括釀酒在內的生產工藝無不考慮溫度的影響，有時甚至巧妙利用季節變化、日夜溫差等巧妙控制溫度。

【古代典籍】

“七月上寅日作曲”，曲坯放入曲室“布曲訖，閉戶，密泥之，勿令通風”。“滿七日， 翻之。二七日，聚之。皆還密泥。三七日，出外，日中爆令燥，曲成矣”。[2]——《齊民要術》

【文獻分析】

不論北方的麥曲和面曲還是南方的米粉餅曲，其生產季節都選擇盛夏，因為夏天的氣溫一般在30℃左右，最適合酒曲微生物生長繁殖；盛夏也是空氣中微生物最多的時候，這是傳統制曲重要外界的環境條件，同時又能節約能源，所以至今傳統制曲工藝仍選擇在盛夏制曲。

如溫度不夠時，還有特別方法：“如冬月釀酒中冷不發者， 以瓦瓶成熱湯， 堅塞口; 又獷釜湯中煮瓶令極熱，引出，著酒甕中須臾而發[2]。” 在當時條件，如溫度過高，需要冷卻則是比較困難的。由于釀酒發酵時要釋放出大量的熱量，需要冷卻，所以《齊民要術》中釀酒時間多在晚秋和初冬。

2.2催化劑（酶）對釀酒工藝的影響

釀酒要先制曲，制曲的過程實際上是培養微生物菌種的過程[3]。1860年巴斯德認識到發酵作用是微生物（酵母菌）所引起的生化變化。《齊民要術》在制曲的各節中都有曲的濾液來釀造的記述， 并用專章記述“黃衣”、“黃蒸”，這不僅意味著認識到微生物在發酵中的作用，而且進而認識到微生物所產生的酶的作用（生化反應的催化作用）。

【古代典籍】

作黃衣法：六月中，取小麥，凈淘訖，于甕中以水浸之，令醋。漉出，熟蒸之。槌箔上敷席，置麥于上，攤令厚二寸許，預前一日刈薍葉薄覆。無薍葉者，刈胡枲，擇去雜草，無令有水露氣；候麥冷，以胡枲覆之。七日，看黃衣色足，便出曝之，令干。去胡枲而已，慎勿飏簸。齊人喜當風飏去黃衣，此大謬：凡有所造作用麥者，皆仰其衣為勢，今反飏去之，作物必不善矣。

作黃蒸法：六、七月中，生小麥，細磨之。以水溲而蒸之，氣餾好熟，便下之，攤令冷。布置，覆蓋，成就，一如麥法。亦勿飏之，慮其所損。——《齊民要術》

【文獻分析】

用谷物釀酒，從化學的角度看，分兩步進行：首先，淀粉在淀粉酶的作用下轉化為麥芽糖，進而轉化為葡萄糖，是為糖化反應；然后，葡萄糖在酒化酶的作用下變為酒精，此為酒化反應。

反應1：（C6H10O5）n（淀粉）+nH2O→n C6H12O6（葡萄糖）

反應2：C6H12O6 →2C2H5OH+ 2CO2

在一般情況下，這兩步反應進行得非常緩慢，以致難以察覺，但在淀粉酶和酒化酶的存在下，卻可以大大加快反應的速度。也就是說，淀粉酶和酒化酶分別是糖化反應和酒化反應的催化劑。催化劑是影響化學反應速率的重要因素之一，酶在生物學中更是起著至關重要的催化作用。通向現代酶學與生物化學的大門的德國科學家巴克納（Büchner）在1897 年發現磨碎的酵母菌濾液能使糖類發酵，《齊民要術》中對微生物在發酵中作用的認識比這項發現早了1300多年[4]。

2.3 酸度對釀酒工藝的影響

現代釀造學說明， 發酵液的酸度過高或過低都會影響酵母菌酒精發酵的正常進行，釀酒發酵必須很好的控制酸度，從溶液中的化學反應條件控制的視角，酸度在此處類似酒體中氫離子濃度，而我國的釀酒經典文本《北山酒經》等出現在阿倫尼烏斯提出經典酸堿理論之前，故用酸度一詞。

【古代典籍】

醖釀須酴米偷酸（《說文》：「酴，酒母也。酴音途。」），投醹偷甜。淛人不善偷酸，所以酒熟入灰。北人不善偷甜，所以飲多令人膈上懊憹，桓公所謂靑州從事、平原督郵者，此也[5]。——《北山酒經》

【文獻分析】

北宋末期成書的《北山酒經》是最能完整體現我國發酵酒釀酒實踐的釀酒專著。宋代的酒母是酴米，它是用醋糜﹑酵﹑曲﹑酸漿制成的，其中含有酵母菌，故可起酒母的作用。在我國，淀粉酶和酒化酶是由酒曲提供的。酒曲中含有有益霉菌和酵母菌。霉菌可以分泌淀粉酶，酵母菌中含有酒化酶。宋代造酒，在技術上有兩大進步，一是所謂“合酵”，二是使用了酸漿。“合酵”技術是對酵母菌的擴大培養；酸漿的使用則增強了酵母菌的活力，因為酵母菌的最佳生存環境是pH 4.5到5.0之間，酸漿的作用就是調節pH。兩項技術的應用，既增加了酵母菌的數量，又增強了酵母菌的活性，保證了造酒過程最關鍵的反應——酒化反應的順利進行。但酸漿只能在制造“酴米”階段使用，在投醹階段，就不能使用了，否則會影響酒質，甚至導致酸敗，故云“酴米偷酸”。

《北山酒經》中的“造酒最在漿，漿不酸即不可醞酒”就是須先制好酸漿，用以保護酵母菌和調節發酵作用。目前，在紹興酒等的黃酒釀造中，加漿水的工作還是被十分注意的， 而且以“三漿四水”、“冬漿冬水”最好。這種用加漿水的辦法來調節發酵液，是近代酒精工業采用乳酸菌生酸來調節酸度和抑制雜菌繁殖的先河。現代化學工藝認為，釀造制酒對水質的一個重要要求是其pH，釀造過程中生化反應的結果是液相介質或產物的pH趨向酸性發展，故起始水質的pH不能大于7[6]。

2.4 制曲原料（形態）對釀酒工藝的影響

影響化學反應速率的諸多因素中，固體表面積是學生較早接觸到的因素之一，當代工業生產中也有礦渣粉碎等類似操作，古代釀酒工藝中亦有類似記錄。

【古代典籍】

麥曲，大小麥皆可用。造者將麥連皮井水淘凈，曬干，時宜盛暑天。磨碎，則以淘麥水和作塊，用楮葉包扎，懸風處，或稻秸淹黃，經四十九日取用。

造面曲，用白面五斤，黃豆五升，以蓼汁煮爛，再用辣蓼末五兩，杏仁泥十兩，和踏成餅，楮葉包懸，與稻秸淹黃，法亦同前。[7]

——《天工開物》

【文獻分析】

微生物參與的反應機理是復雜度，但無論是制曲原料還是大規模的工業生成原料，物質表面積（反應接觸面積）對反應都有動力學層面的影響。據傅金泉等人研究，不同的制曲原料與曲中的微生物有密切關系，因為酒曲是自然繁殖的原始方法生產的，其微生物主要來源是原料，其中根霉喜歡在米粉上生長繁殖，而麥類適合黃曲霉生長繁殖。其次是制曲原料的粗細和曲粒大小也會造成不同微生物的繁殖，所以《天工開物》中的麥曲、面曲、米粉餅曲其性能是不同的[8]。

3 教學應用

以《影響化學反應速率的因素》為例，在復習課階段可以創設情境，以古代科技典籍中關于釀酒工藝的記載回顧影響反應速率的因素，并加以應用。教學設計簡要呈現如表1。

《影響化學反應速率的因素》在復習過程中進行表1的嘗試目前并不多見，目前的研究中常見復習方式包括以合成氨等工業生產等情境進行項目式或者大單元的教學設計[9][10]。本教學嘗試在學生學習完化學反應速率、化學平衡和化學反應的調控的單元內容后，將古代科技典籍中的釀酒工藝作為素材傳插在本單元復習過程中，依次呈現溫度、催化劑、壓強和固體表面積對反應速率的影響。當然，如果僅僅是依次呈現科技典籍文本是很難完成復習任務的，一方面純粹的古代文獻的文本分析對學生閱讀古文有較高要求，而且學科教學價值也不顯著，畢竟無論《天工開物》、《齊民要術》還是《北山酒經》，其中是記載終究大多是對釀酒（制曲）工藝的記錄（經驗居多），鮮見對反應原理的分析。故若用做教學情境只能作為其中的一個線索，在此基礎上還要根據復習內容設計學生實驗、文本梳理、習題整理等復習手段，力求讓學生回顧所學知識的同時增強文本閱讀、反思和評價的能力。這樣的教學設計僅僅是一種嘗試，不能替代其他的復習方式，畢竟教學情境的選擇最終是服務教學的，為情境而情境就失去設置情境的本身目的了。

4 反思

4.1 開發新的情境，但不能相互取代

教材中的化學實驗（如雙氧水的分解、大理石與鹽酸反應、硫代硫酸鈉與硫酸反應等）和化工生產（合成氨工業、硫酸工業等）素材是研究化學反應速率、限度和控制反應條件的經典教學素材，開發基于我國古代科技典籍的教學情境不意味著對以上教學素材的取代。釀酒工藝出自我國古代科技典籍，但這也是全人類的文化遺產，可以讓學生多角度看待化學反應的影響因素，了解古代釀酒工藝的巧妙之處的同時，發現現代科學發展的必要性，畢竟，很多關于溫度、濕度、酸度更加側重經驗、依賴時節，產品的穩定性和產量都受限制。

4.2 閱讀古代經典，但不能囿于經典

《完善中華優秀傳統文化教育指導綱要》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，可以通過經典文本閱讀等途徑增強學生對中華優秀傳統文化的理性認識，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；與此同時，通過古今釀酒工藝的比較，可以讓學生感受到科學發展還是受制與社會需求、技術革新等多方面因素。

控制化學反應條件的教學過程閱讀《天工開物》、《北山酒經》和《齊民要術》中節選的經典文本，不僅認識人民群眾創造歷史的決定作用和杰出人物的貢獻，吸取前人經驗和智慧，還能發現現當代科學技術學習的必要性。在教學中引入古代科技典籍中釀酒工藝的教學情境，可以讓學生贊賞運用化學反應原理對科學技術和人類社會文明所起的重要作用；通過古今文獻對比閱讀和實驗設計，發展“變化觀念與平衡思想”、“證據推理與模型認知”、“科學探究與創新意識”等化學學科核心素養。

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，2018.

[2] 繆啟愉．齊民要術導讀．北京：中國國際廣播出版社，2008：299

[3] 曾縱野，李良春.我國先代人民對釀酒工藝和微生物學的貢獻[J].西北大學學報（自然科學報），1983 （4）： 106-113.

[4] 中國科學院微生物研究所《齊民要術》研究小組，《齊民要術》中的制取釀酒[J].微生物學報，1975，15?（1）： 1-4.

[5] 朱肱.酒經（宋一明，李艷譯注） [M].上海：上海古籍出版社，2010：77-79

[6] 周良彥.試談水質對釀酒的影響[J].釀酒，1984（4）： 20

[7] 宋應星.天工開物譯注（潘吉星譯注） [M].上海：上海古籍出版社， 2013

[8] 傅金泉.《天工開物·曲糵》讀后感[J].釀酒科技，2015 （11）： 142-145

[9] 張重相. “教、學、評”一體化的智慧課堂教學設計——以“化學反應的調控”為例[J].中學化學教學參考， 2023（3）：30

[10] 葉依叢.基于信息處理與模型建構的課堂教學設計與實踐——從合成氨工業看化工條件的選擇與優化[J].化學教學， 2023（3）：111