融合东西方科学史的命题思考

顾晔

摘要：借助化学学科核心素养导向的命题框架，分析江苏省2020普通高中学业水平测试合格性考试化学试题第29题，进一步拓展史料来源，对比东西方对绿矾焙烧产物关注点的差异，旨在提升师生对科学史尤其是中国古代科学史素材的重视程度，在提高文化自信的同时明辨东西方科学发展之路及其对社会生产力发展的推动作用。

关键词：合格性考试;绿矾焙烧;科学史

文章编号：1005-6629（2021）05-0082-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

江苏省2020年普通高中学业水平合格性考试化学试题最后一题以“绿矾焙烧”为素材命制了一道实验和计算的综合题，摘录如下。

绿矾（FeSO₄·7H₂O）是自然界存在的一种矿石，翠绿如宝石，很早就引起人们的重视。

材料一 《唐本草》和《天工开物》等古籍都记载中国很早就能焙烧绿矾制备铁红（主要成分是Fe₂O₃）。铁红颜色鲜艳，稳定无毒，是中国传统红色颜料的重要着色剂。

材料二 公元8世纪，阿拉伯炼金家查比尔曾提出，把绿矾焙烧可以蒸馏出“矾精”，它具有比较大的溶解度。绿矾焙烧是一种生产硫酸的古老方法。

（1）某研究性学习小组用图1所示实验装置对绿矾的焙烧反应进行探究。

①实验过程中，装置A玻管中可观察到的实验现象是____。

②装置C的作用是____。

（2）某工厂计划用绿矾焙烧工艺生产高纯度铁红（Fe₂O₃）160kg，计算理论上所需绿矾的质量，写出计算过程。

1东西方科学史素材与题目的融合

1.1材料提供的情境与命题不可割裂

本题以材料一、材料二的形式为考生提供了真实、丰富的试题情境，这与《普通高中化学课程标准（2017年版）》中以化学学科核心素养为导向的命题框架（见图2）是一致的。该命题框架要求“情境”和“知识”同时服务于“问题”的提出与解决;“问题”“情境”“知识”三者之间存在着密切的联系;情境的设计、知识的运用、问题的提出与解决均应有利于实现对学生核心素养的测试。

本题的命题情境是东西方科学史中对“绿矾焙烧”的记载，试想：如果该题直接呈现史料，学生答题遇到的障碍有：绿矾分解设计较复杂的氧化还原反应，A中会出现怎样的实验现象？“矾精”是什么？显然，这里的材料一、材料二与问题是不可分割的，实现了学生已有“知识”与考查“问题”的自然衔接：（1）材料一中“中国很早就能焙烧绿矾制备铁红（主要成分是Fe₂O₃）”，从中可以推测绿矾焙烧的固体残留物中有红色的Fe₂O₃，故可以顺利解答装置A玻管中可观察到的实验现象;（2）材料二中“绿矾焙烧可以蒸馏出矾精，它具有比较大的溶解度”，这让第2问的提出不显突兀，既然“绿矾焙烧是一种生产硫酸的古老方法”，那么如何检验呢？结合对硫酸电离的认识，需要检验硫酸在水中电离出的H⁺和硫酸根离子，实现对“主题2常见的无机物及其应用”内容标准中“认识酸、碱、盐等电解质在水溶液中或熔融状态下能发生电离。通过实验事实认识离子反应及其发生的条件，了解常见离子的检验方法”的考查功能。

1.2命题情境与真实问题的关联

该题的第（2）小题是在材料一、二提供的真实情境下提出的待解决的真实问题：“某工厂计划用绿矾焙烧工艺生产高纯度铁红（Fe₂O₃）160 kg，计算理论上所需绿矾的质量，写出计算过程。”这里的化学计算就不是单纯的计算考查，而是有事实依托的真实问题，需要学生能够运用元素守恒的思想找到原料绿矾和产品铁红之间的铁元素守恒。由于该题只出现在合格性考试（面向全体学生，要求偏低）中，否则该情境还可以衍生出硫酸工业中硫酸理论产量的计算。到此，我們是不是也会发现，同样是研究绿矾的焙烧，东西方关注的是否有明显差异？作为试题的分析可以告一段落，但是材料给出的素材又何尝不是一个研究性学习的情境素材呢？

2对东西方科学史素材的进一步解读

2.1铁红：传统的红色颜料

材料一中提及的《唐本草》和《天工开物》是两部不同年代著述的古籍，其中《唐本草》又名《新修本草》，共54卷，由唐代苏敬等23人奉敕撰于显庆四年（公元659年），而《天工开物》是明代宋应星所著，记有“时矾每斤，入黄土四两，入罐熬炼，则成矾红”。显然，《唐本草》对绿矾焙烧的记录更早，那么当时（或者在此之前）为何关注绿矾焙烧产物中的铁红？铁红作为一种重要的着色剂用于何处呢？周国信在《我国古代颜料漫谈（二）》中专门就红色颜料进行了梳理，包括朱砂、铁红、铅丹、雄黄等，其中对铁红的介绍中提及了壁画中对铁红的需求：“早期壁画中α-Fe₂O₃含量低，色泽淡雅，可能当时佛教界和绘画艺术本身就追求这种浅的色彩，后期壁画彩塑上多用较浓重的红土或赭石，或许是艺认追求变迁所至或科学技术发展所引起的。”

我国古代壁画艺术，始于史前，确立于秦汉，发展于魏晋南北朝，鼎盛于隋唐，成熟于五代两宋，经过元代的微变，明清时期虽继续传承却日渐衰落。两汉时期，红色主要是朱砂和铁红。到了魏晋南北朝时期（公元220～581年）壁画随着佛教美术的传入，该时期的壁画艺术处于稳定上升趋势，特别是石窟寺附属的彩塑和壁画，非常兴盛。西北地区的彩塑壁画在各阶段颜料略有差异。十六国时期，红土大量使用，如嘉峪关魏晋七号墓和五号墓。朱砂和赤铁矿在部分地区也使用，如高台骆驼城、敦煌佛爷庙。

可见，红色颜料用于古代壁画艺术是一条漫长的历史线，而红色颜料的选择则与地域和所处时代的需求是息息相关的。

2.2硫酸：化学工业的前世今生

材料二中提及的阿拉伯炼金术士查比尔·伊本·赫扬（约公元721～815年），拉丁文文献中称他为格伯。他特别重视对硫和汞的研究，注意实验技术的研究，改进了古代的煅烧、蒸馏、升华、熔化和结晶等方法，对中世纪欧洲的发展有较大影响。但是当时对“绿矾焙烧可以蒸馏出矾精”尚无明确的关注。西方的硫酸工业距今约有两百多年的历史，早期有记录的硫酸生产始于15世纪后半叶，B.瓦伦丁在其著作中先后提到，将绿矾与砂共热以及将硫磺与硝石混合物焚燃的两种制取硫酸的方法。但硫酸工业的出现必然源于社会有大的需求，这里的需求是什么？有哪些关键性的事件？西方的工业革命通常认为始于英国，开始于18世纪60年代，这与硫酸工业的发展是比较一致的（见表1）。

18世纪后半期，纺织工业取得重大的技术进步，硫酸被用于亚麻织品的漂白、棉织品的酸化和毛织品的染色。吕布兰法的成功，又需大量地从硫酸和食盐制取硫酸钠。迅速增长的需求为初兴的硫酸工业开拓了顺利发展的道路。而此时的硫酸生产的主流方法已经不是焙烧绿矾，考虑到原料和工艺，西方的硫酸工业先后经历了“铅室法”和“接触法”，早期的硫酸生产采用硝化法，此法按主体设备的演变又有“铅室法”和“塔式法”之分。19世纪后期，“接触法”获得工业应用，目前已成为生产硫酸的主要方法。从硫酸生产工艺的演变，我们还可以看到有社会需求的影响。早期的铅室法产品的浓度为65%的H₂SO₄，塔式法则为76%的H₂SO₄，19世纪40年代起，染料、化纤、有机合成和石油化工等行业对浓硫酸和发烟硫酸的需要量迅速增加，许多工业部门对浓硫酸产品的纯度也提出了更高的要求，因而19世纪后期“接触法”逐渐在硫酸工业中居于主导地位。此时的“接触法”对原料的纯度要求较高，因为当时的接触法装置都使用在较低温度下呈现优良活性的铂催化剂，但其价格昂贵、容易中毒而丧失活性。第一次世界大战的爆发，使欧美国家竞相兴建接触法装置，产品用于炸药的制造，这对接触法的发展颇具影响。1913年，巴登苯胺纯碱公司发明添加碱金属盐的钒催化剂，活性较好，不易中毒且价格较低。从此，性能不断改进的钒催化剂相继涌现，终于完全取代了铂及其他催化剂。二战之后，近代硫酸工业发展更加迅速，此时的主要关注点是工艺和设备的更新，硫酸产量的提升成为重要标志。

3对试题中两则科学史素材的反思

江苏省2020年普通高中学业水平合格性考试中的这道化学试题，首先在考查形式上有了类似历史学科中常见的“材料题”的创新。不断创新考查的方式方法是高考改革永恒的追求，高考评价体系已明确“基础性、综合性、应用性、创新性”四个方面的考查要求，科学地回答了“怎么考”的问题，可以有力推动学生朝着未来的发展方向努力，有助于全面推进素质教育。除了形式的创新，该题在情境素材选择上实现了东西方的比较，在实现考查功能的同时把我们的目光吸引到科学发展在东西方世界的差异，这里的差异背后不仅是看待科学的态度，还有当时的历史文化背景、社会发展需求。这样的命题导向通过教师对课程资源的进一步开发，可以帮助学生提高文化自信的同时认识自身不足，树立合理的科学观，进而提升师生对科学本质的理解。

3.1适度提升文化自信

《完善中华优秀传统文化教育指导纲要》中提出：“地理、数学、物理、化学、生物等课程，应结合教学环节渗透中华优秀传统文化相关内容。鼓励各地各学校充分挖掘和利用本地中华优秀传统文化教育资源，开设专题的地方课程和校本课程。”高中阶段的化学教學可以以增强学生对中华优秀传统文化的理性认识为重点，引导学生感悟中华优秀传统文化的精神内涵，增强学生对中华优秀传统文化的自信心。本题中对《唐本草》《天工开物》等古代科学典籍的援引可以让学生看到，在中华大地上也曾出现过科学技术的星星之火，这些科学发现致力于许多实际问题的解决，例如材料一中绿矾分解制得的铁红就用作中国传统红色颜料的重要着色剂，此时联想到古代恢弘的壁画、故宫博物院的红色宫墙也就不足为奇了。如果再对文献、文物进行深入探索，我们还会发现古代使用的红色颜料远不止铁红一种，颜料的选择和开发也随着地域变化和社会需求不断发展和成熟，这与科学发展的持续性是一致的。

3.2客观认识自身不足

同样是绿矾的焙烧，为何多年以后在西方诞生了现今生活、生产中不可缺失的硫酸工业，而我国的硫酸工业的最早记录是“1874年，天津机械局淋硝厂建成中国最早的铅室法装置”，这也是值得慎思的问题。很显然，西方从中世纪出现绿矾焙烧的记录到发展成硫酸工业经历了数百年的时间，这其中推动硫酸工业的关键事件是工业革命和战争的驱动（见表1）;而同时代的中国正处于清朝，对硫酸等工业的发展尚未关注和需求，数百年的落后导致了科技发展的滞后。反思当代的互联网时代，开放的世界一方面为我们的科技发展搭建了良好的平台，同时竞争的压力又无处不在，只要是短暂的停滞就会引来科技的落后。

从这个意义来说，这道试题不仅实现了试题自身的评价功能，客观上还对中学教学具有重要的引导作用。这也是高考评价体系需要达成的目标——把“引导教学”纳入核心功能，这样的操作有利于理顺教考关系，增强“以考促学”的主动意识。