基于技術(shù)實驗的科技史校本課程開發(fā)

關(guān)鍵詞 科技史，青銅冶鑄，校本課程

中圖分類號 G63 文獻標識碼 B 文章編號?0457-6241（2020）03-0045-07

在闡述整個問題之前，我們有必要首先說明科技史的內(nèi)涵與意義：科技史，即科學與技術(shù)的歷史，其中“科學”探究的是內(nèi)在的原理，而“技術(shù)”則是以生產(chǎn)為目標的方法。需要注意的是，在中國歷史上的大多數(shù)時間，科學與技術(shù)之間的聯(lián)系并不緊密，多數(shù)情況下它們處于相互分離的狀態(tài)。礦場的工人精通冶煉技術(shù)，但他們大多數(shù)并不具備相應(yīng)的科學知識。所以，單從歷史的角度看，當我們討論古代科技史的時候，討論的其實是技術(shù)史，直到20世紀以后，科學和技術(shù)才逐漸密不可分。在現(xiàn)行中學歷史教材中，科技史是重要的專題，相關(guān)內(nèi)容集中在古代中國的手工業(yè)技術(shù)和近代科學技術(shù)發(fā)展兩個方面。我們學習科技史的原因，一方面在于科技對生產(chǎn)力發(fā)展有重大影響，極大地推動了人類文明進程;另一方面，古代中國的科技發(fā)展多被用作進行愛國主義教育的素材，強調(diào)其“最早”，或者其世界性影響。然而，除此之外，科技史的教學還具備更多的意義：首先是培養(yǎng)學生的科學精神，即一種求知欲、好奇心，追索的欲望;其次是技術(shù)思維，即以一種簡便高效的方法解決生產(chǎn)中的技術(shù)問題，同時謀求全方位的布局，提高組織效率;最后，通過學習科技史、進行技術(shù)實驗，可以建立對古人生活和古代世界的綜合想象，即在科學認知和技術(shù)水平有限的情況下，究竟是如何制造出產(chǎn)品的？以上意義，對于學歷史的中學生來說，無疑是十分重要的。其問題在于：在具體的教學中，如何讓以上意義落地？

古代中國的科技史學習，主要是技術(shù)史的學習。對此，如果僅僅依靠書面的學習或討論，始終是“紙上得來終覺淺”，難以直觀地理解古代技術(shù)的意義。那么，我們有沒有可能開設(shè)一門校本選修課，以某一種工藝產(chǎn)品為線索，既在文本層面探討這一工藝品的歷史，又通過技術(shù)實驗，還原古代的制造過程。這樣做既能激發(fā)學生的興趣和熱情，讓學生感覺到“好玩”，又可以使其在制作過程中了解科學技術(shù)的重要性，培養(yǎng)科學精神、思維，以及對古代世界的綜合想象。通過課程實驗，我們發(fā)現(xiàn)這是完全可行的，而且并不需要多么高深的知識和十分艱難的技術(shù)。因為我們的重點在于過程的再現(xiàn)，并非制造一個成功的產(chǎn)品。比如陶器的制作，通過和泥、盤筑、晾干、燒制等若干步驟，每個學生都可以做出一個陶器，盡管這個陶器可能質(zhì)量低劣、造型丑陋，但學生依然可以體會到陶器的制作過程及其技術(shù)要求。所以說，在追求場景再現(xiàn)這一前提下，我們完全可以設(shè)計包含制作環(huán)節(jié)在內(nèi)的科技史校本課程。

中國古代手工業(yè)技術(shù)，集中體現(xiàn)在冶金、制瓷、紡織、建筑等幾個方面，這也是現(xiàn)行課標和教材中關(guān)于科技史教學的核心內(nèi)容。我們可以從其中選擇一項，模擬古代技術(shù)條件下的生產(chǎn)過程。在這些科技史教學主題中，青銅冶鑄是一個很好的切入點，其主要原因如下。

1.銅具有豐富的意義?！皣笫?，在祀與戎”，青銅器不僅是工具，更是禮儀、秩序和紀念。在校本課的設(shè)計中，我們可以為學生提供一件有銘文的青銅器，通過對銘文的刻畫，并將其與甲骨文、楷書加以對比，學生可以體會到中國文化的連續(xù)性和韌性及其藝術(shù)力量。此外，通過閱讀、復刻青銅器的紋樣，還可以讓學生了解青銅器的紋飾和風格，并理解其中所蘊含的文化意義，走進古人的精神世界，培養(yǎng)一種有所依托的家國情懷。銅還具有重要的金融意義。戰(zhàn)國秦漢以后，銅是重要的鑄幣材料，銅料的獲得直接關(guān)系到社會經(jīng)濟。因而，如何獲得銅，如何管理銅業(yè)，銅料的充沛或缺乏產(chǎn)生了怎樣的歷史影響，都可以成為校本課的延展內(nèi)容，真正做到透物見史。

2.青銅的冶煉和鑄造涉及多項古代手工業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代科學。冶金是較為復雜的手工業(yè)產(chǎn)業(yè)，涉及多個手工業(yè)門類，其中最為重要的是制陶和鼓風。在陶器方面，鼓風管、坩堝均涉及陶器的制作，而陶土作為極為重要的制器材料，在古代手工業(yè)教學中具有重要地位。在鼓風方面，鼓風技術(shù)決定了溫度，溫度是冶鑄能否成功的關(guān)鍵，水排等鼓風工具被寫進教材的原因正在于此。因此，我們可以根據(jù)鼓風技術(shù)的發(fā)展歷史，分別采用不同歷史階段的鼓風工具，讓學生觀察、記錄不同鼓風技術(shù)下的溫度差別。此外，青銅的冶煉不僅涉及技術(shù)，同樣涉及科學。比如說，為什么鼓風可以增加溫度？冶煉的過程發(fā)生了什么樣的化學反應(yīng)？因而，在活動過程中，學生不但可以深刻理解為什么“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，教師還可以在多學科背景下培養(yǎng)學生提出問題、解決問題的能力。

3.青銅的冶煉作為古代生產(chǎn)場景的再現(xiàn)，有助于幫助學生建立對古代世界的綜合想象。比如，在實驗的各個環(huán)節(jié)，碎炭、碎礦、鼓風，等等，需要學生進行分工合作，這其實是古代手工業(yè)作坊基本場景的再現(xiàn)。再比如，待所有實驗環(huán)節(jié)完成以后，我們會把爐子熄滅，把可以重復利用的東西帶走，而碎掉的骨范、陶片會就地掩埋。這時候，我們就擁有了一個絕佳的模擬考古場地，學生面對這個場地，可以想象哪些反映了當時的工藝，哪些反映了手工作坊匠人的生活。一種對古代世界的立體想象，就在這個過程中建立起來了。

4.銅作為人類最早使用的金屬，其冶煉并不復雜，為校本課的開發(fā)提供了可行性。首先我們需要理解一點，冶煉指的是將銅從銅礦石中提煉出來;鑄造是將冶煉出來的銅熔化，再將其倒入模范，進行鑄造的過程，其中冶煉部分是較為簡單的，對溫度和工藝的要求都不高，甚至可以說是很低;銅的熔化相對困難，但用其他材料替代，同樣可以實現(xiàn)教學目的。

綜合以上，我們可以看出，青銅冶鑄由于其豐富的意義、多樣的技術(shù)、容易冶煉等特點，成為我們進行校本課程開發(fā)的重要切入點。

在開始整個課程之前，我們首先需要明確整個課程的思維指向：第一，透物見史，讓學生在造物的過程中獲得知識，在歷史知識之外，幫助學生建立史學和其他學科之間的聯(lián)系。第二，知行合一，培養(yǎng)科學思維。在技術(shù)實驗的深刻體驗中，既幫助學生整合知識，又讓其在分工合作的過程中建立管理的觀念、分工的意識，以及提出問題、解決問題的能力。第三，培養(yǎng)深刻觀察，獲取信息的能力。這種觀察不僅包括對技術(shù)實驗本身的觀察，亦包括對實驗遺跡的觀察，讓學生感悟如何在蛛絲馬跡中發(fā)現(xiàn)信息，建立證據(jù)鏈條，還原歷史場景。第四，培養(yǎng)一種超越古人的科學精神。工藝解決的是怎么做的問題，而科學則需要解釋為什么要這樣做。第五，獲得有寄托的家國情懷。這種情懷，來自于對中國古代遺物的鑒賞能力，來自于對古人精湛技藝的深刻認識，我們要幫助學生建立一種崇高的審美。課程結(jié)束之后，學生再看教材、再去博物館參觀，會有全新的體驗。在以上思想的指導下，具體的課程設(shè)計如下。

（一）課程大綱

首先，課程大綱大致可以分為冶鑄前的知識、工具、材料準備，冶鑄中的操作、觀察、思考，冶鑄后的延展與反思三個部分。（見表1）

在這一大綱中，教師可以根據(jù)自己的理解和需要加以調(diào)整。但課程基本內(nèi)容，就是以上三個部分。其他類型可能涉及技術(shù)實驗的科技史課程，也可以參考這一框架進行設(shè)計。

（二）基本策略：項目式學習

學習方式本身并無優(yōu)劣之分，關(guān)鍵在于能否應(yīng)用于合適的場景。所謂項目式學習，其定義有很多，但簡而言之，其基本特點是：學生自主提出或者由教師為學生提供一個具體的問題或任務(wù)，學生需要在教師的指導下解決問題、完成任務(wù)，并最終呈現(xiàn)一個項目作品;學生在解決問題，形成作品的過程中實現(xiàn)學習目標。項目式學習的作品可以是報告、論文、展覽等多種形式，但在以技術(shù)實驗為依托的科技史學習過程中，其作品可以更為具象，文本和手工作品都是其呈現(xiàn)方式。這樣做的好處主要有以下幾點：1.克服了知識學習和思維實踐的割裂狀況，實現(xiàn)“知行合一”，幫助學生整合多個學科領(lǐng)域的知識;2.培養(yǎng)學生提出問題、解決問題的能力，培養(yǎng)其溝通能力和管理能力;3.具有較強的趣味性，吸引并激勵對學習比較漠然的學生參與項目。①因而，在基于技術(shù)實驗的校本課進行過程中，在其中的某些階段，項目式學習是一種較為適用的學習方式。

在科技史這一具有很強操作性的課題中，我們可以向?qū)W生提供若干個具體的問題和任務(wù)。具體而言，在青銅冶鑄實驗中，可以設(shè)計如下項目主題（見表2）。

在青銅冶鑄階段，筆者首先選擇銘文中最早出現(xiàn)“中國”二字的著名青銅器“何尊”為范例，帶領(lǐng)學生分析何尊的來歷、造型、紋飾以及銘文，然后布置了幾個任務(wù)：1.臨摹何尊的銘文拓片（122個字），并指出每個字和現(xiàn)代漢字的關(guān)系。2.從銘文中可以得到哪些歷史信息？3.設(shè)計一個銘文銅牌范，必須含有“宅茲中國”四個金文漢字，并用青銅器上的常見紋飾加以裝飾。

總而言之，整個學習是基于真實而具體的問題展開的，學生有明確的項目任務(wù)。如此，學生的積極性、興趣和熱情方能被激發(fā)出來。需要強調(diào)的是，這一校本課是一個以學期為單位的課程，其內(nèi)容涉及較多，并非所有的內(nèi)容都適用項目式學習這一方法。一些前期鋪墊的基礎(chǔ)知識，后期的拓展延伸內(nèi)容，依然可以通過講授或其他適宜的方式來呈現(xiàn)。

（三）技術(shù)實驗的設(shè)計思路

冶煉部分可能使老師感到困難，但其實并不難，如果教師具有農(nóng)村生活經(jīng)驗，實驗就會變得更為簡單，只比一次燒烤活動稍微復雜一點。另外，我們還可以邀請其他教師參與其中，如美術(shù)教師參與陶罐的制作，化學老師指導反應(yīng)罐的裝備，技術(shù)實踐老師參與指導火爐的操作。我們還可以邀請家長前來觀摩，將冶煉實驗變成一次公眾文化活動和親子活動。關(guān)于其技術(shù)細節(jié)，可以參見文后的附錄，這里主要介紹一些基本思路。

1.作品明確，分工合理

在具體的操作過程中，我們首先需要確定項目作品：鑄造青銅銘文銅牌及其他學生自己設(shè)計的小件青銅器。為了提高組織效率，培養(yǎng)合作意識和團隊精神，我們可以將學生分為若干小組。需要提示的是，我們不設(shè)置小組之間的分工，例如一個小組筑爐，另一個小組裝備反應(yīng)罐，這會使學生不能體驗到整個的冶煉過程。因而，我們采用各小組共同完成同一工序的一部分的分工方法。

2.做好知識、材料的準備

在冶鑄實驗之前，學生除了需要學習文字、陶器、鼓風器、青銅器的相關(guān)知識外，還要制作冶鑄中所需要的材料：主要包括制作鼓風吹管、陶罐和設(shè)計、制作墨魚骨范三個項目。這里需要特別說明一下我們的制范材料：墨魚骨。中國青銅器的制作工藝，一般用陶泥制范，來回翻制，工序較為瑣碎復雜。因此，我們需要加以簡化，即用墨魚骨來做雙面范或單面范。墨魚骨即烏賊的骨頭，形似寬大的梭子，其主要成分是碳酸鈣，不但質(zhì)地非常軟，易于雕刻，而且耐高溫，是制范的理想材料。

3.有目的地設(shè)計實驗流程

總的來說，整個過程和地爐烤紅薯或露天燒烤有類似之處，最主要的就是將礦石和碳粉裝在密封的小陶罐里灼燒，其具體流程如下：

筑爐→碎炭→裝備陶罐→預(yù)熱陶罐→吹管冶煉→風箱冶煉→淬火→燒鑄→生成遺跡

流程并不復雜，但有一些設(shè)計用意和要點需要注意。

（1）在冶煉部分，我們采用了吹管鼓風和風箱鼓風兩種方式，其用意在于讓學生體驗不同技術(shù)對生產(chǎn)力的影響。吹管鼓風對技術(shù)要求高，風量低，人力資源耗費大，這一技術(shù)下溫度低且不穩(wěn)定，最高只有900℃左右。手拉風箱風量大、輸出穩(wěn)定，而且對操作者的技藝要求不高，人力資源耗費小，但可以實現(xiàn)高達1200℃的溫度。這時候，學生不但可以意識到科技是第一生產(chǎn)力，還可以思考技術(shù)與人力資源的關(guān)系。

（2）我們的目的在于過程的體驗而非物品的制造。如在澆鑄部分，可以選擇不同的實現(xiàn)方式。我們用熔點在70度左右的錫鉍合金或熔點在300度左右的金屬錫，以及熔點同樣較低的石蠟作為替代材料，實現(xiàn)澆鑄?？梢詫⒁睙挸鰜淼你~和錫塊一并熔化，由于銅含量比較少，所以其熔點依然很低。如果教師具備相應(yīng)的技術(shù)和經(jīng)驗，做足安全準備，可以用青銅原料和學生冶煉出來的銅一起熔化，制造真正的青銅器。我們也可以用熔點在50℃左右的石蠟為原料，直接讓學生操作。總之，以安全為前提，以過程的體驗為目標。

（3）打掃現(xiàn)場，制造遺跡。實驗結(jié)束后，我們要打掃現(xiàn)場，但不是環(huán)?；蛘咔鍧嵰饬x上的打掃，而是有意地制造一個考古場地，模擬一個被破壞的遺跡現(xiàn)場。所以我們需要適當留下一些信息，比如不要把所有碎裂的陶片、墨魚骨全部打掃干凈，需要有意留下一些“垃圾”——考古學很多時候都是針對古人的“垃圾坑”展開研究。

最后，在實驗的全部過程中，都需要學生記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，為學生之后的思考和總結(jié)提供數(shù)據(jù)支持。比如溫度的監(jiān)測，陶罐裝備物料的質(zhì)量，人力的耗費。我們必須這樣做，因為數(shù)據(jù)是學生后續(xù)探究的依據(jù)。

1.基本材料與工具

①制作鼓風吹管

各小組需要制作1～2根用以鼓風的吹管。吹管用長約1.5米，直徑2～3厘米的青竹制成，首先將竹節(jié)用鐵條打通，然后將其中一端用陶泥包裹30～40厘米長，陶泥厚度2～3厘米，這樣做的目的是防止吹管被炭火燒壞。

②制作陶罐（即坩堝）

我們需要將銅礦石顆粒和碎木炭混合在一起，裝入密封的小陶罐進行還原反應(yīng)。因此，我們需要每個小組制作若干個小陶罐，陶罐圓底、大腹、小口，深約5～7厘米，底部直徑約5厘米，口徑控制在1.5厘米以內(nèi)。此外，不同學生制作的陶器，其細節(jié)是不一樣的，這也可以成為我們之后考古活動的依據(jù)。

③制范

具體方法是選用中間寬度在8厘米以上，長度在25厘米以上的墨魚骨，將其從中間斷開，將兩半的腹部平面分別在水泥地上磨平，并將截斷口磨平;如此，我們就得到了兩片可以相互貼合的墨魚骨平面，并在此基礎(chǔ)上挖槽、雕刻、合范。此處有兩個要點：第一，澆口不能太小，要有熔液蓄存空間，讓熔液可以從澆口中慢慢滲入范內(nèi);第二，合范必須緊實，要上下兩根鐵絲圍緊，以防單根鐵絲造成一端緊實，另一端翹起，造成熔液漏出。

2.冶煉與澆鑄

①筑爐與碎炭

首先，在泥土地面上挖一個深20厘米，長和寬約45厘米的方形地坑，并修筑平整。然后在坑底和四壁均勻地涂抹一層厚度約1厘米的防火泥，可以是坩子土、高嶺土或購買市面上的防火泥。涂抹均勻后，如果時間允許，最好陰涼幾個小時，如果沒有時間，也可以取消這一環(huán)節(jié)。然后準備約20公斤木炭，將木炭碎成直徑3～5厘米的炭塊，然后裝袋，每袋500克。這樣做的目的在于：第一，小塊的木炭可以提高燃燒效率;第二，方便記錄木炭的消耗數(shù)量。

②裝備陶罐

首先是備料：將銅礦石（孔雀石）用錘子或石頭砸碎為直徑約5毫米的顆粒;將木炭砸碎為直徑小于5毫米的炭粉。然后將碎炭和碎礦石裝入反應(yīng)罐并用陶泥密封。需要注意的是，關(guān)于炭和礦的比例，并沒有具體的要求，比如陶罐內(nèi)可以裝2/3的礦石、3/1的炭，但在裝入陶罐之前，一定要將木炭和礦石各自稱重，做好記錄，在陶罐上做好標記并編碼。我們可以將班級分為若干小組，每小組制作兩個陶罐，以提高我們選出合格陶罐的機會。最后，需要注意的是，因為師生工藝水平的原因，可能造成多數(shù)陶罐碎裂，所以我們可以準備幾個小口徑帶蓋石墨坩堝作為反應(yīng)罐，以提高實驗成功幾率。

③起火烘干爐子并預(yù)熱陶罐

將木炭放入爐底，并用干草引燃，用吹管貼著地面斜斜地給爐子鼓風。將裝備好的陶罐放在炭火邊緣，使其緩慢升溫，均勻受熱，防止碎裂。持續(xù)約半小時后，可以將陶罐放入炭火中央，用4至5個吹管全力鼓風。注意動作要小心，一些學生動作比較大，可能把陶罐搗碎，或者把吹管的防護陶敲碎。此外，要用紅外測溫儀做好測溫工作，每2分鐘測量一次陶罐的溫度并記錄。吹管鼓風可以視學生的體力持續(xù)20～30分鐘不等。

④風箱鼓風，全力冶煉

在采用風箱鼓風的時候，我們需要固定一個陶制鼓風管正對爐心，在陶制鼓風管尾端接一根不銹鋼鼓風管，并將其連接至手拉風箱的出風口。手拉風箱操作簡單，只要我們將鼓風管的出風口穩(wěn)定對準爐心，很快就可以將溫度提升到900攝氏度以上，最高可達1200度。風箱鼓風冶煉半個小時以上，基本可以完成冶煉過程。

⑤淬火并取出銅塊

以下項目由教師操作。首先，在火爐附近放置若干個裝滿水的金屬盆，每小組一個。然后，教師著防火服或防火圍裙、戴防火面罩，用坩堝鉗將陶罐小心翼翼地取出，一定要注意力量的把握，否則很容易將陶罐夾碎。取出陶罐后，快速放入各小組的水盆。待溫度降下來之后，緩慢將水倒出，將陶罐敲碎，就可以在炭灰中發(fā)現(xiàn)金屬銅塊或水珠狀的銅顆粒。我們需要將各小組冶煉出來的銅進行稱重，記錄，并加以比對。

⑥澆鑄

在這一環(huán)節(jié)，其基本操作應(yīng)該在安全評估的基礎(chǔ)上，選擇由教師或者學生來操作。首先，我們需要在爐子邊上準備一小堆沙子，將墨魚骨范插在上面。在接下來的澆鑄過程中，教師可以用熔點在70度左右的錫鉍合金或熔點在300度左右的金屬錫放入石墨坩堝，并在爐子中加熱，待其熔化后，由教師著防火服、防火面罩，用坩堝鉗夾起坩堝，緩慢地澆入墨魚骨范，待其凝固后打開。由于材料熔點較低，等待的時間可能會比較長，因此要有耐心。另外，絕對不要往已經(jīng)熔化的熔液中加物料，那樣可能造成熔液爆濺，非常危險。

【作者簡介】靳萬瑩，中學一級教師，深圳中學歷史教師。

【責任編輯：王雅貞】