古籍中的化学在教学设计中的应用

顾仲良 周学工

摘要： 以“氮肥的生产和使用”为主题，运用古籍文献中的相关内容为情境，通过实验探究和教学讨论的模式，给学生建构起铵（氨）的知识体系，同时揭示化学学科的知识性和人文性，实现学科教学与人文教学的融合，既弘扬中华传统文化，又发展学生的核心素养，提升学生的学科能力。

关键词： 化学史; 古籍文献; 氮肥; 教学设计

文章编号： 1005-6629（2020）02-0046-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

习总书记指出，中医药古籍文献“凝聚着深邃的哲学智慧和中华民族几千年理念及其实践经验”[1]，这些古籍文献既是我们华夏文明发展史的见证，也是我们华夏民族科学研究的奋斗史。泱泱华夏，文明千载，保留下来的很多古籍中都有与化学相关的记载，例如： 春秋时期的《诗经》中有“厹矛鋈錞”[2]（指在长矛的柄尾部的铜装饰中镀上一层锡来防止氧化）的记载，说明当时已经掌握利用活泼金属镀层的化学防锈技术。虽然这些中国古代的科学史实与理论，并不是致使当今先进科技文明的直接原因，但它们也为人类科学进步起到了一定的推动作用。

著名教育家杨叔子院士说：“科学求真，人文求善”，在科学教育与人文教育之间找到一种平衡始终是我们教育工作者的一种境界。融“史”于课，以“史”促学，让化学与人文相融合，可以为高中化学教学创设非常好的真实情境，在情境中力求揭示化学的知识性与人文性，这样不仅可以促进学生“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等核心素养的发展以及化学学科能力的提升，同时也增长了学生的人文内涵，使二者共同提高。

2  设计策略与流程

化学史教育是化学教育的一个重要方面，2017版课程标准提出：“利用化学实验史实引导学生了解化学概念、化学原理的形成和发展”[3]。因此，“氮肥的生产和使用”一课的教学设计，力求在核心素养导向下，以历史进程为线索，充分挖掘古籍文献中有关铵（氨）的知识情境，结合科学与人文，通过展示和体验学科知识发生、发展的过程，充分调动学生的思维，并使其成为知识的主动建构者，立足于学生最近发展区，设计融合“教、学、评一体化”的“情境线”“活动线”“知识线”和“素养线”的教学流程（见图1）。让学生在研读、感受传统国学文化的过程中汲取化学核心知识，感悟科学发展历程，以任务学习为导向，探究活动为载体，促进学生在变化观念、模型认知、科学探究及科学态度与社会责任等素养方面得到较好发展。

本教学设计截取《诗经》《周易参同契》《雷公炮炙论》《日华子诸家本草》《徐光启手迹》《化学鉴原》诸部古籍文献中与高中化学铵（氨）内容相关联的记载，展示氮肥在本国发展的史实与理念，研究氮肥的历史发展进程和思维发展过程，帮助学生更好地认识这些化学规律和理论。

图1  教学流程图

3  教学过程与意图

3.1  任务一  颂唱诗经、感受人文——氮肥的发现应用

[PPT展示]《诗经·周颂·良耜》： 荼蓼朽止，黍稷茂止[4]。

[提问]请语文课代表念一遍，试着解释一下古文表达的意思。

[学生活动]聆听古文解读。

[点评]荼是一种苦草，蓼是一种水草，这里泛指田间的杂草。黍和稷是古代的两种粮食作物，在这里泛指五谷，五谷是稻、黍、稷、麦、菽。整个意思是耘（除）田间的杂草，把它们堆烂成肥料，这样就可以使大片庄稼绿油油的，长势喜人。

[PPT展示]图片： 堆肥、绿肥。每千公斤的杂草堆成绿肥，提供的氮元素相当于13.6公斤的碳酸氢铵化肥。

[讲解]这段文字的记载，说明在西周或更早的时期，我们的先人就已经发现了肥料能让作物长得更好，并传颂推广这种堆肥技术在农业生产中的应用。《诗经》是一部春秋时期的歌曲总集，下面我们一起来颂唱一下。

[学生活动]配乐颂唱诗经片段。

设计意图： 学生通过对《诗经》片段的学习，既了解古代对氮肥使用的较早记载，赞叹先人的智慧，又感受了《诗经》的人文内涵。这样的主题引入有利于学生对知识产生浓厚的兴趣，也有利于提升学生的人文素养和培养学生强烈的民族自豪感。

3.2  任务二  引据药典、实验探究——氮肥的性质研究

[讲解]“中医药学是中国古代科学的瑰宝，也是打开中华文明宝库的钥匙”。这是习总书记对中医药学的崇高评价[5]。浙江籍科学家屠呦呦就是受到了东晋著名炼丹士葛洪（号抱朴子）的《肘后备急方》的启发，成功提取了治療疟疾的青蒿素，获得了2015年诺贝尔医学奖。

[提问]请同学们列举一些知道的著名中医药典。

[学生活动]列举《本草纲目》《千金方》等有名中医药典。

[点评]同学们还是知道很多的古籍药典的。下面我们来介绍几部与我们今天的主题有关的古籍药典。

[PPT展示]东汉时期的魏伯阳（浙江上虞人）在《周易参同契》中说：

“和胶补釜，以硇涂疮，去冷加冰，除热用汤”[6]。

[讲解]《周易参同契》是道教早期的一部经典，主要是介绍如何养生，如何炼丹。

[提问]这段古文的意思是什么？

[学生活动]（错误的方法是）调和一种胶来修补锅子，用硇来治疗皮肤外疮，太冷了加点冰块，太热了加点热水。

[点评]这段古文中，可能“硇”这个字大家比较陌生。硇是指硇砂，一种主要成分为氯化铵（NH4Cl）的矿石，是一种常用的中药，产于今天的吐鲁番一带。这段古文是比较早对铵盐的记载，说明早在东汉时期，先人就已经发现铵盐，并把铵盐作为药物来使用，但不能治疗外疮，这是为什么呢？下面我们来探究硇砂的性质。

[实验探究]用pH试纸测氯化铵溶液的酸碱性。

[点评]实验证明氯化铵溶液有较强的酸性，易腐蚀皮肤。氯化铵溶液的酸性原理我们会在《化学反应原理》模块教学时探究，当然大家也可以去高年级那边借书来自己先看看。

[提问]这种硇砂能作为氮肥使用吗？当时的古人有没有把它当作氮肥来使用呢？

[学生活动]讨论、交流。引导学生从所含元素及物质性质的角度，从矿石的产区及矿石的产量角度，自由发表观点。

[点评]硇砂的主要成分是氯化铵，而铵盐都是易溶于水的，所以它完全符合作为氮肥的条件，但由于产地比较偏远，而产量不是很高，所以它只是作为更精贵的药物使用，并未大量地用于农业生产中。自汉代以后，还有许多中医药学家对硇砂进行了研究。

[PPT展示]南北朝刘宋时期的雷敩在《雷公炮炙论》中说：

“硇遇赤须，水留金鼎”[7]。

[講解]《雷公炮炙论》是介绍中药材热加工的一部药学著作，成文于公元5世纪时的南北朝刘宋时期。这段古文的意思我们通过一个实验来探究。

[演示实验]氯化铵分解实验（见图2）。

图2  氯化铵分解实验装置图

[提问]通过实验，我们知道了氯化铵具有什么样的性质？最后在试管口及导管内聚集了这么多的氯化铵，又说明了什么？上述的古文又是如何解释的？

[学生活动]讨论、交流。从铵盐稳定性的角度自由发表观点。

[点评]氯化铵分解产生的氯化氢和氨气，在冷的条件下，又发生了化合反应。“赤须”本意是一种叫虎须的中草药材，在这里“赤须”是形象化的火焰[8]，指加热使氯化铵分解，并在加工容器的顶部聚集。

[提问]请一位同学来书写一下整个过程所涉及反应的化学方程式。

[学生活动]板演氯化铵分解、氯化氢与氨气化合的化学方程式。

NH4Cl△NH3↑+HCl↑， NH3+HClNH4Cl

[点评]常见的铵盐都是易溶于水的白色晶体，受热易分解。

[讲解]除此之外，我们再来了解一下铵盐的其他性质。

[PPT展示]五代时期吴越国的日华子（宁波鄞州区人）在《日华子诸家本草》中说：

“北庭砂，凡修制，用黄丹、石灰作柜，鍜赤使用，并无毒”[9]。

[讲解]《日华子诸家本草》是吴越国时期一部药典，里面介绍了600余种不同的药材。北庭砂即为硇砂，中药材的石灰是指灼烧白垩之后得到的熟石灰。

[提问]根据这段古文，我们来设计一个化学实验。

[学生活动]讨论、交流。学生自由发表。

[提示]参考初中加热高锰酸钾制氧气实验。

[实验探究]学生上讲台进行实验室制氨气实验，并检验产生的气体。

[学生活动]请同学板演这个反应的化学方程式：

2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O

[点评]这可能是最早关于制取氨气的文献记载，比1727年欧洲英国化学家哈尔斯用此法制得氨气早800多年。

[提问]同学们，如果我们生活在吴越国时期，也研究“修制”硇砂作为中药材，那么我们是不是可以在上述的古文记录中增加一些文字来完善？特别是实验现象方面。

[学生活动]讨论、交流，自由发表看法。

[点评]《日华子诸家本草》中关于这个实验的记录，的确是少记了它会产生气体的事实，这是由于道家认为组成万事万物的元素是“金木水火土”，并无“气”，且古代“气”的概念与现在“气体”有所不同，所以对气体的认识和记录都比较少。其实当时英国化学家哈尔斯也没有记录产生气体，只是发现水被吸入加热容器中，直到五十多年后普利斯德才用该实验发现了这种碱空气（氨）。所以同学们在认识科学的时候需要不断地修正和完善，从而形成对科学探究的主观性和对科学知识的暂时性有一个清晰的认识[10]。

设计意图： 通过引用数部经典药籍中有关铵盐的记述，一则展示并宣扬我国灿烂中医中药文化，挖掘其中蕴含的哲学思想、人文精神、价值理念、道德规范，坚定文化自信，使学生有继承中华民族优秀传统文化的志向;二则使学生通过古籍阅读—理论分析—实验探究—小结归纳，能根据文献和实际进行综合的课题探究，促进学生化学知识的建构并发展学生“科学探究与创新意识”的核心素养。

3.3  任务三  涉书史海、探求真理——氮肥的合成开发

[PPT展示]明代的徐光启（上海松江人）在《徐光启手迹，农政全书手札》中说：

“（馏粪法）又有一法，宜用烧酒法，取其馏水用之，百倍金汁”[11]。

[讲解]徐光启是明代的著名科学家，最大的成就是与意大利传教士利玛窦合作翻译了数学名著《欧几里得原本》，即《几何原本》。同时，他还写了很多与农业相关的著作，比如《农政全书》和《北耕录》。

[讲解]上述的烧酒法就是蒸馏法，获得的馏水就是氨水，金汁是指粪尿水。这可能是人工首次合成具有实用价值化肥的记载。在我国，氨水作为化肥在上世纪80年代还有使用。当然仅靠蒸馏粪尿水来获得氨水那是相当有限的。

[提问]为了获得更多的氮肥，人们可能会向哪里探寻需要的氮元素呢？

[作答]空气中的氮气。

[点评]人们肯定会把目光视向氮元素含量丰富的空气，利用空气中的氮气来进行人工固氮。

[PPT展示]1871年，清代的徐寿（江苏无锡人）在《化学鉴原》中说：

“取此物（指氨）不能将原质（元素的旧称）径自化合而得，然将淡气与轻气共置瓶内，用玻璃电气过之使发星点，久久亦能合成少许”[12]。

[讲解]这段晚清时期文字大家都可以看得懂，《化学鉴原》是徐寿（号雪村）与英国人傅兰雅合作翻译的一部介绍欧美化学的读物，里面记载着大量的基础化学知识和理论。

[提问]写出这个反应的化学方程式。

[学生活动]书写合成氨的化学方程式：

N2+3H22NH3

[阅读]教材有关德国化学家哈伯合成氨的内容。

[提问]为何哈伯合成氨的条件不一样？哪一种条件下合成氨更合理？

[学生活动]讨论、交流。

[点评]一个化学反应要具有真正的工业价值，既要有合适的（非最高）转化率，又要有较快的反应速率，而高温高压催化剂正好能兼顾这两个目标。当然也不能是无限高的温度和压强，不然会大大增加设备的成本。

[提问]利用工业合成的氨或氨水作为化肥还有什么缺陷呢？

[实验探究]闻浓氨水的气味。

[學生活动]交流讨论。从氨水的保存和运输，以及施加到农田中的长久性、对农作物的伤害性方面进行解释。

[点评]氨水有一定的挥发性，是一种刺激性气味的气体。所以农业上常将氨转化为固态的铵盐加以使用。

[讲解]氨气与二氧化碳在高压条件下合成尿素化肥[CO（NH2）2]，在低压条件下合成碳铵化肥（NH4HCO3）。

设计意图： 通过数部古籍，了解氨水的发现，认识合成氨反应研究的历史和化肥合成的历史。此环节不仅从理论上推理利用空气中氮气实现合成氨工业的合理性，同时也让学生认识并体会从理论到实验再到工业化的过程中，科学家在科学探索中的思维发展过程，感受科学研究的艰难，从中弘扬技术创新的工匠精神，树立追求中国梦的国家情怀，发展理论联系实际的“科学态度与社会责任”核心素养。同时考虑反应速率、化学平衡等方面对实现合成氨反应、认识条件控制的重要性，发展对反应原型进行评价并加以改进模型的“模型认知”和“变化观念”等核心素养。

3.4  任务四  绿色化学、责任担当——氮肥的未来展望

[视频]脲甲醛化肥、包裹尿素化肥。

[讲解]田间施肥是一个短时行为，而农作物的吸收是一个长期行为。多余的化肥因为易溶于水而会流失，引起富营养化的水体污染，而一段时间后土壤中肥力下降，影响农作物的生长。所以缓释化肥、对环境友好化肥的开发使用是未来化肥发展的趋势和方向。我们在对事物认识上要客观、辩证地看待，多从绿色化学视角出发，树立起对资源进行合理利用的可持续发展意识[13]。

设计意图： 化学史教学不仅要回顾化学科学的过去，还应当关注化学科学的现在和前沿。拓宽学生的知识面，努力挖掘原有的和新增的化学知识之间的关系，更好地发展学生的“创新意识”和“社会责任”核心素养。

4  反思与感悟

科学的发展需要经过漫长的历程，而教学是在相对狭小的时空环境中进行的，为了在有限的教学时间内让学生领会和掌握这些间接知识，重新演绎法是一种快速有效的教学方法。重新演绎古人的研究方法、实验手段和思维发展过程，须兼顾探究史实与建构知识。当然，重演法势必也会受探究过程中史实相对无序、跨度跳跃的影响，造成知识点的缺漏和知识体系结构松散，而我们的课堂教学要追求在课程标准框架下知识的系统性和整体性，这就要求我们在教学中必须处理好化学史中知识的局部和整体的关联性问题，以保证和提升知识的完整性和结构化。

参考文献：

[1][5]曹洪欣. 中医药是打开中华文明宝库的钥匙[N]. 人民日报， 2015-3-25（20）.

[2][4]程俊英. 诗经译注[M]. 上海： 上海古籍出版社， 1985： 221， 648.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.

[6]仇沧柱. 古本周易参同契集注[M]. 北京： 中医古籍出版社， 1990： 197.

[7]张元济. 四部丛刊初编子部： 重修政和经史证类本草（序）[M]. 上海： 上海书店出版社， 2015： 28.

[8]李亚东. 中国古代对氨及其化合物的认识和利用[J]. 中国科技史料， 1984， （2）： 20～25.

[9]张元济. 四部丛刊初编子部： 重修政和经史证类本草（卷五）[M]. 上海： 上海书店出版社， 2015： 110.

[10]陆军. 融合化学史教学三问——兼评几则公开发表的教学设计[J]. 化学教学， 2018， （7）： 36～39.

[11]孙晶， 温晓霞. 我国传统农业经验对生态农业可持续发展建设的启示[J]. 山西农业科学， 2013， 41（4）： 397～400.

[12]徐寿. 化学鉴原[M]. 上海： 上海日新社， 1901： 255.

[13]戴维， 赵雷洪. 基于化学核心素养的教学设计——以“SO2的性质和作用”为例[J]. 化学教学， 2019， （1）： 46～51.