《天工開物》 蘊含的化學知識分析與應用

朱汝葵 李碩 陳思靜

【摘 要】本文基于對《天工開物》中蘊含的化學史料的研讀，針對如何將《天工開物》融入化學課堂并挖掘其中的化學素材、如何將傳統(tǒng)文化與學科相融合的問題，提出通過讀古籍悟化學、讀古籍用化學來幫助學生理解知識，涵養(yǎng)人文精神，弘揚并傳承中國文化，并提出要從辯證思維角度去學習傳統(tǒng)文化，要以發(fā)展的眼光看待古人的一些觀點，這樣才能形成正確的思辨觀與科學觀。

【關(guān)鍵詞】天工開物 化學教學 傳統(tǒng)文化

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）38-0119-03

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中指出化學教材的編寫與內(nèi)容的選擇上要體現(xiàn)基礎性、時代性與人文性，增強文化自信，提升人文素養(yǎng)，要體現(xiàn)科學與人文的融合，自覺傳承科學文化。2019年，人教版新編高中化學出版，并在一些省市地區(qū)開始使用。相比上一版，新版在緒言中加入了這樣的描述：我國明代李時珍的《本草綱目》和宋應星的《天工開物》等著作中，都蘊含著豐富的化學知識和經(jīng)驗?？梢?，傳統(tǒng)文化、人文教育、學科融合越來越受到黨和國家以及教育界的關(guān)注。

《典籍里的中國》是由中央廣播電視總臺推出的大型文化節(jié)目，第二期節(jié)目呈現(xiàn)了袁隆平院士與宋應星先生跨越300多年的握手，“禾下乘涼，天下富足”，兩位科學家透過一粒種子找到了科學家共同的夢想，求真務實、造福人民，而連接這場跨越時空對話的正是一本典籍《天工開物》。此書是中國科技史料保存最為豐富的一部古籍，也是世界上第一部關(guān)于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性著作。作者宋應星，字長庚，明末著名科學家，其作品《天工開物》根據(jù)“貴五谷而賤金玉”的思想原則，記述了許多生產(chǎn)技術(shù)及農(nóng)業(yè)用具。《天工開物》中包含著作者獨到的見解，雖有一些錯誤論述，但仍不失為一部重要的科學巨作，有研究與借鑒價值。筆者在研讀過程中發(fā)現(xiàn)，其中有許多的化學知識可以融入現(xiàn)代的化學課堂中，為理性嚴謹?shù)幕瘜W學習涵養(yǎng)人文精神，讓學生感受中國古代科技的力量。

一、讀古籍悟化學

（一）下篇卷十五《火藥料》與“氧化還原反應”

《火藥料》中記載：“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙可容之中。其出也，人物膺之，魂散驚而魄齏粉?！?/p>

此篇介紹火藥為何會爆炸，我國發(fā)明并使用火藥的歷史悠久，火藥最早來源于煉丹家的“意外”。在宋代《真元妙道要略》中有記載“有以硫磺，雄黃合硝石，并密燒之，焰起，燒手面及屋宇者”，書中告誡煉丹家謹防此類事件的發(fā)生。火藥不能解決“長生不老”的問題，因此并沒有得到煉丹方士的重視，但其威力被軍事家看重，而后逐步發(fā)展改良，成為中國古代四大發(fā)明之一，并應用于戰(zhàn)場。至明成祖朱棣一朝，成立了以火藥、火銃以及火油繩為主要作戰(zhàn)武器的“神機營”，這也是中國乃至世界上最早的獨立槍炮部隊建制。古人也一直在思考研究火藥爆炸的原因，宋應星受制于當時社會的“五行陰陽”學說，認為火藥的主要成分是硝石和硫磺，以木炭為鋪墊，硝石屬陰，硫磺屬陽，一陰一陽，放在密閉的鐵筒里面，陰陽相克，自然會爆炸。

（二）中篇卷五作咸《井鹽》：“火井”與天然氣

《井鹽》記載：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，絕無火氣，但以長竹剖開去節(jié)，合縫漆布，一頭插入井底，其上曲接，以口緊對釜臍，注鹵水釜中。只見火意烘烘，水即滾沸。啟竹而視之，絕無半點焦炎意。未見火形而用火神，此世間大奇事也，凡川、滇鹽井逃課掩蓋至易，不可窮詰?！?/p>

此篇記載了西川巴蜀地區(qū)有“火井”，井里面沒有火氣，古人將長竹剖開，去掉里面的竹節(jié)，兩半竹子再用油紙裹?。ǚ乐孤猓?，即現(xiàn)代社會輸氣所用的管道。把鹵水注入鍋中，準備熬成鹽，利用“火井”中的氣，但見鹵水很快就沸起來了，此處的“火井”即為天然氣，宋應星稱此事為“世間大奇”。其實早在兩千年前，兩漢時期就有了天然氣的使用記載與相應的開采技術(shù)，最早記載用火井煮鹽的描述可見于晉代張華所著的《博物志》，這在人類能源史上留下了光輝的一頁，它比英國17世紀使用天然氣約早了13個世紀。

（三）下篇卷十四《倭鉛》與“金屬鋅的冶煉”

卷十四介紹了黃金、銀、銅、錫等金屬的開采與冶煉，其中首次詳細技術(shù)了金屬鋅的冶煉技術(shù)。此卷中有眾多涉及合金、金屬的活潑性以及置換反應、氧化還原反應知識的記述。

五金《倭鉛》篇記載：“凡倭鉛古書本無之，乃近世所立名色。其質(zhì)用爐甘石熬煉而成，繁產(chǎn)山西太行山一帶，而荊、衡為次之。每爐甘石十斤，裝載入一泥罐內(nèi)，封裹泥固，以漸砑干，勿使見火拆裂。然后逐層用煤餅墊盛，其底鋪薪，發(fā)火鍛紅，罐中爐甘石熔化成團，冷定毀罐取出?！?/p>

《天工開物》中最令人矚目的是有關(guān)金屬鋅的冶煉技術(shù)，雖然在史料中記載我國在明朝已經(jīng)大量使用金屬鋅，如明宣德三年用31680斤銅與13600斤鋅（倭鉛）鑄造了大量的鼎彝，但有關(guān)金屬鋅冶煉技術(shù)的文字記載只有在《天工開物》中出現(xiàn)，且《天工開物》配有圖解，即“凡倭鉛古書本無之”。書中記載的煉鋅方法稱為土罐高溫蒸餾法（有學者認為是迥流法），鋅的冶煉原理是將爐甘石（主要成分為ZnCO3）裝入泥罐，高溫下煅燒分解成氧化鋅與二氧化碳，二氧化碳與煤炭反應生成一氧化碳用于還原得到金屬鋅，由于金屬鋅的沸點只有907℃，為防止其逸散或者被氧化，因此要做好密封工作，再降溫冷凝得到金屬鋅。反觀歐洲人在16世紀才知道鋅是一種金屬，17世紀才懂得鋅能從菱鋅礦中冶煉而成，但一直未掌握相應的技術(shù)，長期從中國進口金屬鋅?？梢姡撩鞒瘯r期我國在科學技術(shù)與生產(chǎn)方面仍是領(lǐng)先西方世界的。

“物自天生，工開于人”，書中共梳理的一百三十多種生產(chǎn)技術(shù)和工具，其中不論是農(nóng)業(yè)灌溉稻田的高轉(zhuǎn)筒車，還是煉鐵養(yǎng)蠶等精巧技術(shù)，字里行間，都流淌著格物致知、經(jīng)世致用的科學態(tài)度，閃爍著熠熠生輝的智慧光芒?！短旃ら_物》中還蘊含著許多豐富的化學史料，如“冶煉鋼鐵”“利用置換反應濕法煉銅”“物質(zhì)的溶解性”“皂角結(jié)鹽法”“開采與煅燒石灰石”“利用酸堿平衡原理為絲綢染色”等。

二、讀古籍用化學

將《天工開物》中的化學素材融入課堂教學，根據(jù)知識內(nèi)容與性質(zhì)的不同，結(jié)合當代教育學理論將其融入教學設計的不同環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)中國傳統(tǒng)文化與化學跨學科相融合，為嚴謹求實的理性學習注入感性認識，涵養(yǎng)人文精神，可以讓學生在學習中感受傳統(tǒng)文化的魅力，促進文化傳承，增強民族自豪感。本文選取其中涉及氧化還原反應、酸堿中和反應、天然氣這三個文段分析探討，進行教學設計與試題編制。

（一）“火藥料”與情境創(chuàng)設

本篇可作為新課的導入，創(chuàng)設情境，在人教版高中化學必修一“氧化還原反應”中呈現(xiàn)：火藥作為中國的四大發(fā)明之一，其歷史悠久，最早可見于宋人《真元妙道要略》中的記載，千百年來，人們也在思考研究火藥為何會爆炸？明朝科學家宋應星在其著作《天工開物》中記載：“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙可容之中?！笔苤朴诋敃r的發(fā)展，宋應星將火藥爆炸歸結(jié)于“陰陽相克”，處在新時代的我們，知道要用科學的觀點去解釋，那火藥爆炸的原理到底是什么呢？通過本節(jié)課的學習我們會找到答案。在內(nèi)容的學習之后，引導學生從氧化還原的角度去思考分析火藥的爆炸，首尾呼應。此處針對宋應星的“五行陰陽”學說的錯誤解釋，可以融入辯證思維，讓學生學會用辯證的觀點看待問題，既要看到古人的偉大，又不能盲從權(quán)威，要有自己的觀點，科學是在發(fā)展中前進的。

編制試題1：

我國發(fā)明并使用火藥的歷史悠久，關(guān)于火藥爆炸的原因，經(jīng)典古籍《天工開物》中寫道，“凡火藥以硝石、硫黃為主，草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙可容之中”，硝石的主要成分是硝酸鉀，硫磺的主要成分問為硫，并結(jié)合草木灰中的碳，發(fā)生如下的氧化還原反應：

2KNO3+S+3C[反應]K2S+N2↑+3CO2↑

對于此反應，下列說法正確的是（ B ）。

A.硝石作為“氧化劑”，硫磺作為還原劑

B.每生成1mol的氮氣，需要轉(zhuǎn)移12mol的電子

C.二氧化碳的氧化性強于硫的氧化性

D.氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為2∶3

（二）《稻宜》《造糖》與化學知識的價值分析

在人教版九年級化學《酸與堿的性質(zhì)》學習中，待學習了酸堿中和反應的原理之后，在介紹其應用時，可以引入此段材料：酸堿中和反應的原理在現(xiàn)實生活中有著廣泛的應用，例如可用醫(yī)療衛(wèi)生口服液堿性藥物治療胃酸，被蚊蟲叮咬后，可以用小蘇打溶液或肥皂水涂抹止癢，而在古代酸堿中和反應也被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中?！短旃ら_物》稻宜中記載：“土性帶冷漿者，宜骨灰蘸稻根（反禽獸骨），石灰淹苗足，向陽暖土不宜也。”土性帶冷漿即“冷水田”，土壤呈酸性，不宜于作物的生長，勞動人民用石灰改良。在《造糖》中記載：“每汁一石下石灰五合于中”。用石灰中和甘蔗汁的酸性以達到非糖分凝聚的最佳pH值，同學們還能舉出其他的有關(guān)酸堿中和反應的例子嗎？在這樣的學習中，學生體會到化學知識的重要性，能感受化學帶來的益處以及我國勞動人民的智慧，增加民族自豪感。

編制試題2：

我國勞動人民很早就懂得利用酸堿中和反應，在《天工開物》《稻宜》中記載：“土性帶冷漿者，宜骨灰蘸稻根（反禽獸骨），石灰淹苗足，向陽暖土不宜也。”在《造糖》篇中亦有記載：“反汁漿流板有槽枧，汁入于缸內(nèi)。每汁一石下石灰五合于中?！蓖列詭Ю錆{即“冷水田”，土壤呈堿性不易農(nóng)作物生長，在制糖中可用石灰中和過度的酸，下列有關(guān)酸堿中和反應正確的是（ A ）。

A.石蕊試紙測定石灰水的酸堿性的顏色是藍色

B.中和反應生成鹽和水，所以生成鹽和水的一定是中和反應

C.可以利用氫氧化鈉溶液改良“冷水田”

D.用酚酞試液測定甘蔗汁的酸堿性

（三）《火井》與化學知識拓展

本篇可在人教版必修二“煤、石油和天然氣的綜合利用”作為知識拓展的素材呈現(xiàn)：我國使用天然氣的歷史悠久，古稱之為“火井”，《文選》卷4《蜀都賦》中有“火井沉熒于幽泉，高煙飛煽于天垂”，這是晉代人對四川火井的詩意描寫。在明宋應星所著《天工開物》中則介紹了利用天然氣煮鹽以及竹筒法從井中取天然氣。如今天然氣作為一種高效、清潔的優(yōu)質(zhì)燃料被廣泛應用，國家開展了“西氣東輸”工程，讓更多的家庭能方便快捷地使用天然氣，改善了管道沿線地區(qū)的人民生活質(zhì)量，有效地治理了大氣污染，這是我國又一項偉大的惠民利民工程。

編制試題3：

《天工開物》中有西川地區(qū)使用天然氣的記錄：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，絕無火氣，但以長竹剖開去節(jié)，合縫漆布，一頭插入井底，其上曲接，以口緊對釜臍，注鹵水釜中。只見火意烘烘，水即滾沸。”這里的“火井”即為天然氣，下列說法正確的是（ B ）。

A.天然氣是二次能源

B.天然氣充分燃燒后的產(chǎn)物是水和二氧化碳

C.天然氣組成中一般乙烷的所占比例最大

D.天然氣作為可再生能源被廣泛地應用

三、思考與總結(jié)

“古有《天工開物》，今人繼往開來”，書中記載的古代技藝值得今人研究，其中所蘊含的哲學思想與先人之智慧同樣值得后世挖掘?！短旃ら_物》中的思想精髓，如人與自然相協(xié)調(diào)，是中國傳統(tǒng)的哲學思想，這與馬克思主義的自然觀不謀而合。近年來，以傳統(tǒng)文化為背景的化學試題命制逐漸成為熱點，這提示我們要將教材與古籍中的化學知識相融合，培養(yǎng)學生人文底蘊與審美情趣，讓學生感受傳統(tǒng)文化的博大精深，弘揚并傳承傳統(tǒng)文化。本文根據(jù)《天工開物》中的相關(guān)內(nèi)容結(jié)合化學學科特點、學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)進行教學設計，在設計的同時確保以化學科學知識為主角，輔以傳統(tǒng)文化，幫助學生更好地理解化學知識，讓學生在理性學習的同時融入感性的審美;亦可以將《天工開物》作為學生化學學習的課外閱讀書籍，讓學生自主研究，學習其中的化學知識，感受傳統(tǒng)文化的魅力。當然對于傳統(tǒng)文化，要以辯證思維的角度去學習，“取其精華，去其糟粕”，學習其優(yōu)秀的一面，也要認識到其受制于當時社會的發(fā)展，一些觀點是有歷史局限性的，要以發(fā)展的眼光來看待，幫助學生形成正確的思辨觀與科學觀。

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[4]陳磊磊.全國高考Ⅰ卷中化學與傳統(tǒng)文化題的分析[J].化學教育（中英文），2019（5）.

【作者簡介】朱汝葵（1970— ），女，漢族，廣西玉林人，碩士研究生學歷，南寧師范大學化學與材料學院副院長，副教授，碩士生導師，研究方向為化學課程與教學研究、信息技術(shù)與課程整合;李 碩（1998— ），男，漢族，遼寧康平人，碩士研究生在讀，研究方向為化學學科教學;陳思靜（1980— ），女，漢族，廣西柳州人，碩士研究生學歷，南寧師范大學化學與材料學院講師，主要研究方向為化學課程與教學論。

（責編 楊 光）