“出窑万彩：明清文物修复”实验探究课例

周媛媛 周子艺

STEM 是一个基于自然学习模式的教学框架，在科学、技术、工程等知识的探索中融入人文、艺术、历史等学科，在课程培养过程中加强人文核心素养的培养。南京博物院作为我国第一座由国家投资兴建的大型综合类博物馆，有着悠久的建院历史和丰富的馆藏资源，可以说是一个在STEM 课程发展时代融合各个学科非常好的载体。为此，我校与南京博物院合作设计开发了“博物馆课程”，为培养南外学子的创新能力和学科融合能力，尤其在加强人文核心素养培养方面，找到一条打通文理的学科融合之路。

本节课源于选修明清文物修复课程的一个学习小组的探究汇报课题，该小组的学生在博物馆课程中对瓷器红釉产生了浓厚兴趣，他们从红釉的前世今生说起，提出了“古法今析”的思考。学生从高中所学化学知识入手，用化学方法来推断红釉的烧制方法，并向老师提出“如何便捷可控地制备出成分、颜色、质地均接近于古代瓷器的铜红釉仿色剂”的问题。此次探究实验涵盖了历史、化学等学科，运用学科融合，发展学生思维，培养家国情怀，弘扬传统文化，取得了良好的教学效果。具体实验探究教学过程如下。

从课题小组的研究展示中，我们了解到，红色在瓷器文化中是不可或缺的一部分，而铜红釉的烧制在古代是非常困难的。现今利用所学的科学知识以及现代技术手段，我们能否便捷、可控地制备出成分和颜色与这些古代瓷器相接近的，用于瓷器修复的铜红釉仿色剂呢？

探究一：铜红釉的主要成分是什么？

师：要想制备出成分与古代铜红釉瓷器相近的仿色剂，首先要了解铜红釉中显色的主要成分。我们学过哪些含铜的物质是红色的呢？

生：单质铜、氧化亚铜……

师：没错，在我们常见的含铜元素的物质中，铜单质和氧化亚铜都是红色的。通过查找资料，我们获得了下面两个信息——

资料一：

?

资料二：铜红釉的烧成温度为1100 ～1200℃，在还原气氛中烧成，氧化气氛中冷却。

师：根据所给的资料，你认为铜红釉的主要显色成分是什么？

生1：我认为铜红釉的主要显色成分是氧化亚铜，因为它在还原气氛中烧成后又在氧化气氛中冷却，铜元素应该处于中间价态。

师：同学们有没有其他想法或补充？

生2：我也觉得铜红釉中的主要显色成分应该是氧化亚铜，因为烧成温度在1100℃以上，这个温度超过了铜的熔点，液态的铜可能会流动，也可能会挥发而损失，而氧化亚铜不会。

师：如今科学家利用电子显微探针等现代技术手段，对铜红釉中铜的分布情况进行了测定，发现与同学们的推断相吻合，铜红釉中的发色团主要是氧化亚铜。

探究二：有哪些方法制备氧化亚铜？

师：既然铜红釉的主要生色成分是氧化亚铜，那么你知道有哪些方法可以制备氧化亚铜呢？

生：我们在前期研究中了解到，在高温下还原氧化铜，制备氧化亚铜的方法与铜红釉窑内烧成的过程较为接近。

师：大家在初中阶段已经学习过这个反应，当时我们认为生成的红色物质为铜。而向试管冷却后的剩余固体中加入少量盐酸，发现产生了白色的氯化亚铜沉淀，这个特征现象说明红色固体中含有氧化亚铜。但这个方法需要较高的温度，我们有没有学习过其他一些方法，可以在较低温度下制备氧化亚铜呢？（学生有些困惑，表示想不起来了）

师：要想把化合物中铜元素的化合价从正二价降低至正一价，需要加入还原剂，那么在有机化学的学习中，有没有通过氧化还原反应，生成氧化亚铜的例子？

生3：新制氢氧化铜可以氧化醛基，生成氧化亚铜的砖红色沉淀。

生4（补充）：这也是生物课上利用菲林试剂检验还原糖的原理。

师：非常好！以葡萄糖为例，我们来回忆一下该反应的原理。具体实验过程主要分为两步，首先将硫酸铜溶液与氢氧化钠溶液混合制备菲林试剂，再加入葡萄糖，水浴加热，即可得到砖红色沉淀氧化亚铜。这个方法与高温还原法相比有什么优点？

生5：反应温度较低。

生6：产物便于分离。

生7：原料易得，污染较小。

师：基于上述优点，这个方法更适用于实验室制备氧化亚铜。根据给出的反应原理，大家认为有哪些因素可能会影响制备效果？

探究三：如何优化条件制备铜红釉仿色剂？［1］［2］

生：温度、反应物浓度……

师：大家提出了很多影响因素，为了细化实验方案，节约实验时间，老师进一步查找了资料，发现氢氧化铜在80℃时会分解为氧化铜和水，那么为了保证反应速率的同时避免副反应的发生，我们将水浴温度设定在75℃。同时，为了将氢氧化铜全部转变为氧化铜，防止蓝色物质剩余对产物颜色产生影响，需要加入过量的葡萄糖，因此，老师给大家准备了1mol/L CuSO4溶液、2mol/L NaOH 溶液、饱和葡萄糖溶液等试剂和试管、烧杯、移液枪、恒温水浴锅、离心机、离心管等仪器。

师：为了控制变量及便于离心，我们规定加入饱和葡萄糖溶液的体积为2mL，加入的总液体量为5mL，请大家分小组设计实验方案，通过改变硫酸铜或氢氧化钠溶液的用量，探究反应物浓度对制备效果的影响，注意在实验设计中需要控制变量。

（学生分组讨论，设计实验方案并交流。教师针对学生选择的变量及每组实验用量的梯度间隔以及设计目的等进行提问）

师：大家已经依据反应原理和探究原则设计好了实验方案，请依据方案进行实验，向离心管中加入依次试剂，充分混合后放入恒温水浴锅中加热2 分钟，离心，倒去上层溶液。

（学生分组进行实验）

师：我们请两个小组派代表汇报他们的实验结果。

小组代表1：我们选择的变量是硫酸铜的用量，每组选择的用量梯度0.50mL，氢氧化钠溶液的用量为1.00mL，我们发现硫酸铜加入0.50mL 的这一组制备效果最好。

小组代表2：在制备过程中我们发现，在反应物浓度较高时，将离心管放入水浴锅中加热之前就开始发生颜色变化了。另外，由于反应物中有固体，为了保证充分反应，可利用移液枪吸打，将悬浊液中的氢氧化铜与溶液充分混合，以免有蓝色固体残留在离心管内壁。

师：今天我们从铜红釉仿色剂的制备入手，讨论了物质制备时反应条件的优化，正如同学们所总结的，反应物浓度、加热温度甚至混合方式等均有可能对产物的制备效果产生影响。而在制备物质的全过程中除了反应条件，还需要考虑原料的来源及净化、装置的选择与优化，以及产品的收集和纯化等。制备一般物质思路图可见图1。我们可以把上述思路迁移到其他物质的制备中。比如除铜元素外，铁元素在釉料的显色元素中也十分常见，当釉料中含不同量的铁元素时，在不同条件下可以烧制成黄色、青色、黑色等不同的色釉，课后大家可以利用我们今天总结的方法，进行铁釉等其他颜色釉的成分研究及仿色剂的制备。

图1 制备物质的一般思路

本堂课指向学科素养培育，利用丰富的博物馆资源，为学生开展自主学习、合作探究提供了良好的条件，并丰富了学生的知识体验，拓展了学生的理论宽度，增强了学生的综合能力。运用学科融合、文理并蓄，发展学生思维，培养家国情怀，弘扬传统文化，培养学生真正带得走的能力。