考古化學課程建設探索與實踐

馬瑩，劉剛，王芬，張恒，宋其圣，苑世領,＊

1山東大學化學與化工學院，濟南250100

2山東大學歷史與文化學院，濟南 250100

1 考古化學課程現(xiàn)狀

考古學屬于人文科學領域，其研究目的是通過分析人類各種活動遺留下來的物質材料來探究古代人類社會，而化學是自然科學的一個分支，在分子、原子層次上研究物質的組成、性質、結構與變化的規(guī)律。考古化學就是結合化學和考古兩個不同領域探討古代人類的活動?？梢哉f自考古學誕生以來，考古化學就一直在考古研究中發(fā)揮著重要作用。尤其是隨著各種科學技術在考古學中應用的廣度和深度的不斷增加，考古化學在考古學中越來越發(fā)揮著重要的作用。

考古化學作為考古中研究的重要方法，在國外已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展，且在國外多個著名高校開設，并有成熟的配套教材，如英國劍橋大學Pollard教授編寫的《Archaeological Chemistry》[1]，先后再版多次。而國內在21世紀初才開始有部分科研單位將化學方法引入到考古學中，以解決考古問題并融入到考古科研工作之中。并有部分高校面向考古專業(yè)研究生開設“科技考古”課程，如中國科學技術大學、北京大學等[2]?！翱萍伎脊拧备采w諸多科技方法，如地理信息系統(tǒng)(GIS)等，其授課教師多為考古專業(yè)教師，以講解科技方法應用為主，較少涉及儀器原理和必要的化學基礎知識。目前，還沒有高校專門開設面向本科生的以化學為基礎的考古化學相關課程。

近幾年高等學校大力發(fā)展學科交叉，通過不同學科之間的交叉融合，提高學科發(fā)展水平，服務國家重大戰(zhàn)略需求，是高校自身發(fā)展的大勢所趨。我們順應國家培養(yǎng)需求，經(jīng)過幾年的籌備，完成了考古化學課程內容構建并撰寫了教學大綱，在教學方式等方面進行探索與改革，達到了在本科生中開設考古化學的條件，于2019年開始在國內率先作為通識教育選修課面向全校本科生開課。

2 課程建設

2.1 課程概況

考古化學作為一門新型交叉學科，可以增強文科生的邏輯思維能力，拓展理科生的知識面，引導學生涉獵不同的學科領域，幫助學生提升利用自然科學方法解決考古學問題的能力。課程中我們針對考古材料的化學組成，利用化學理論和知識，結合現(xiàn)代儀器分析方法，以研究考古問題作為考古化學的課程目標?？脊呕瘜W課程包括緒論(化學基礎知識)、考古問題、考古材料、顯微分析、元素分析、同位素分析、有機殘留物分析和多角度分析八個理論課教學單元(表1)。期望通過講解化學基礎理論及其在考古中的應用，幫助學生從最基本的原理入手，了解儀器的表征分析方法，循序漸進地培養(yǎng)學生運用化學知識解決考古問題的思維方式，從而獲得深層次的科學研究及解決考古問題的能力。

表1 考古化學課程內容

通過考古化學課程的學習，學生應達到以下要求：

1) 能正確理解、描述并辨識出基本的考古化學專有名詞和基本概念。

2) 了解化學相關原理，以及儀器分析所適用范圍、優(yōu)點與局限性，并能合理應用化學基本原理分析并解決一般的考古問題。

3) 能基本掌握一種化學分析手段在元素和同位素、分子和化合物，或者無機物和有機物中的分析，研究并解決某一實際的考古問題。

4) 能夠自學完成指定章節(jié)內容，從中發(fā)現(xiàn)和提出感興趣的問題，通過小組討論和專題選講的方式進行分析，提出獨到見解。

本課程目前開設為16個學時，每周兩個學時，分8周完成。我們還以開放實驗的形式準備了實驗項目，學生可在理論課程后自由選擇體驗，以加深對理論知識的理解和運用。

2.2 教學團隊

根據(jù)交叉學科特點，尤其是文理科交叉學科發(fā)展模式及人才培養(yǎng)模式，我們以山東大學化學與化工學院和歷史與文化學院為依托組建一支由兩名教授、兩名實驗技術人員組成的教學團隊。其中授課教師擔任課程主講教師，負責課程理論部分的講授；實驗技術人員任課程助教，同時負責考古化學實驗課程的建設及指導。

2.3 教學方法

山東大學考古化學課程是面向全校本科生開設的通識教育選修課程，于春季學期開課，采用課堂教學加實驗選修方式進行。該門課程每學期選課人數(shù)在30人左右，涉及文學院、歷史學院、管理學院、化學學院等教學單位學生。課程團隊充分考慮選課學生專業(yè)情況，并結合考古化學課程內容特點(化學和考古兩個領域)，制定了線上、線下混合式教學模式。首先構建網(wǎng)絡教學平臺線上分享教學資料供學生預習或復習，在課堂上融入“以案例為基礎的學習法”(Case-Based Leaning，CBL)，采取以案例為基礎、學生為主體、教師講解為輔助指導的教學模式[3]。在2020年春季學期新型冠狀病毒疫情期間，增加了微信群交流答疑環(huán)節(jié)，加強師生交流互動，協(xié)助學生更好地學習該門課程。整個教學方案如圖1所示。

圖1 考古化學課程教學方案

2.3.1 構建網(wǎng)絡教學平臺

考古化學借助山東大學課程中心平臺[4]構建課程網(wǎng)站，線上分享教學資源(圖2)。通過課程教學平臺分享課程的教學課件、教學大綱、教學日歷、教學講義、教學案例和拓展資料，同時也要求學生在線提交課后作業(yè)。在線資源的分享便于學生了解教學安排，方便課前預習、自學和課后復習鞏固，保證教學質量。在理論課部分，每一個教學單元包含了教學要求、基本概念(儀器原理)、教學PPT、教學視頻和教學案例。其中，教學要求幫助學生了解該教學單元學習內容及需獲得的知識點和技能點；基本概念里包含了該教學單元中所涉及到的化學相關知識及概念，主要是針對非化學專業(yè)學生設計；教學案例是與教學單元的內容、重要知識點和難點對應的素材，通過重新整理編排，使其更加連貫、易教易學。另外，在拓展區(qū)我們提供更加豐富的教學資源，包括與課程相關的電子資源匯總，課程內容之外的案例、文獻、公眾號及其他形式的文字資料，以拓展學生視野，更好地學習該門課程。

圖2 山東大學課程中心考古化學課程理論課頁面

網(wǎng)絡教學平臺在課外為學生提供更豐富的學習資料，學生既可在課前進行自主學習獲得教學單元的相關知識點，通過閱讀教學案例掌握技能點，也可以在課后進行針對性的復習和鞏固。

2.3.2 案例分享教學模式

在課堂中引入集趣味性和知識性于一體的典型案例，可以有效激發(fā)學生的求知欲和學習的主動性，提高學生學習興趣。通過教師對教學案例剖析和師生討論引導學生學習考古化學知識，提高運用化學知識解決考古問題的能力。整個教學環(huán)節(jié)中，教師約四分之一學時的時間對教學環(huán)節(jié)中涉及到的知識，包括化學基本概念、儀器設備構造、檢測原理等做簡單講解，之后會通過對不同的應用類別為學生分享教學案例來加深學生對儀器原理及應用的理解，每個教學單元通常會引入5–8個教學案例。

為了更好地激發(fā)學生學習興趣，案例的講解通常會結合學生熟知的生活常識或國內外熱點話題。例如在“顯微分析”的教學單元中，我們以中國典型的飲食文化作為話題，引導學生思考：面條是什么地區(qū)最早食用的？意大利、阿拉伯還是中國？之后以青海喇家遺址(我國發(fā)掘的一處大型災難遺址)中發(fā)現(xiàn)的由黍粟制作的面條為起始，通過化學分析等討論面條的制備與食用情況。

經(jīng)過C14測年，喇家遺址距今4000余年。在該遺址發(fā)掘過程中發(fā)現(xiàn)了一只倒扣的陶碗，其下有完整的“一根”面條(圖3)。這是迄今為止，人類歷史上發(fā)現(xiàn)最早的面條?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^光學顯微鏡、掃描電化學顯微鏡，觀察經(jīng)化學處理后有機殘留物中的植硅體和淀粉粒，進行對比分析認為，最早的面條與現(xiàn)在食用面條原料不同，不是小麥粉而是由粟和黍制作而成[7]。同時，科研工作者還選用了其他多種儀器設備，如氣相色譜、紅外光譜等，對此結論進行了驗證支持。最后討論如何通過研磨、蒸煮、擠壓成型成為了食用的“一根”面條，并演示了結合目前西北地區(qū)普遍應用的饸烙床擠壓成面條的操作。通過本案例的分享，不僅僅引導學生了解顯微分析是如何分析解決考古問題的，還引導學生了解化學儀器在解決考古問題中的作用，加深了學生對中華歷史文化的認識，激發(fā)了學生的民族自豪感和責任感。

圖3 考古現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的4000年前的面條[5,6]

通過案例分享的教學形式，可以將復雜的原理和知識，通過簡單易懂的方式幫助學生消化吸收，亦可適應不同專業(yè)背景學生的需求，更好地激發(fā)學生的學習興趣。

2.3.3 課后交流討論

因選課學生來源于不同年級和不同專業(yè)，與考古化學課程相關的知識儲備和水平不盡相同。為了更好地幫助學生加深對課程內容的理解，我們在課后增加了教學互動環(huán)節(jié)，學生可通過網(wǎng)絡教學平臺、微信群與老師進行溝通交流。微信群不僅僅方便老師為學生解答疑問，更會促進學生之間的交流與探討。尤其在疫情在線開設課程期間，學生們課堂之上交流受限，而課后在線交流平臺為學生理解課程內容有了更好的交流載體。一名學生提出問題，多名學生進行討論，教師適時引導，最終一起尋求可能的答案，增加了學生分析問題、解決問題的能力。

2.3.4 考核評價

課程采取課程作業(yè)加研究論文的模式進行考核，其中課程作業(yè)占50%，研究論文占50%。課程作業(yè)注重評價學生對每一教學單元的化學基本知識、儀器原理及其在考古課題中應用的理解和掌握程度。研究論文要求學生扮演一名考古工作者，參照課程中的教學案例，選擇某個考古課題，運用學習到的化學基本知識及儀器原理設計合理可行的研究方案，進行分析和探討得出結論，并提交研究報告(圖4)。研究報告并沒有嚴格的答案，我們的目的是通過報告的形式檢驗學生對考古化學課程的理解，以及該課程給學生可能帶來的思維影響。

圖4 考古化學研究報告內容

3 課程反饋及改進

為了更好地促進教學改革，課程結束后，我們通過微信小程序采用匿名方式對學生進行了問卷調查。2020年春季教學問卷調查內容總共包含8個單選和2個問答內容。本學期選課學生24人，有效問卷率百分之百。單選調查統(tǒng)計分析見表2，從中我們可以看出，選擇該門課程的學生對考古化學都有著濃厚的興趣，且認為該門課程教學案例的質量和比重均比較符合學生需求。

表2 考古化學問卷調查單選結果統(tǒng)計

為了從更多的角度了解學生對課程授課內容及形式的接受程度，我們對學生認為的課程難點及對該門課程的期望進行了調研。課程難點的反饋以非化學專業(yè)學生為主，尤其是文科生，他們高中學習的化學知識較為基礎，對于課堂上專業(yè)性較強的知識難以消化，比如儀器方法的工作原理、化學原理、元素性質等，尤其是2020年春季學期所采取的線上授課形式的限制，無法到實驗室參觀儀器設備和進行簡單的實驗訓練，導致有些知識環(huán)節(jié)只能憑借想象學習。雖然教學案例中列舉了多種儀器方法，但是依然無法較為透徹地掌握。因此，學生希望在課堂之外可以更多地科普一些化學基礎知識，對專業(yè)性、深入性的化學知識和專有名詞有更詳細的解釋。針對學生的意見和建議，我們將通過以下形式進行改進和完善：

1) 完善在線課程網(wǎng)站中每一教學單元中的“基本概念”部分。對本章節(jié)涉及到的基本概念、化學原理、元素基本性質和專有名詞用通俗易懂的文字、直觀的動畫或者圖片形式展示，便于化學知識較為薄弱的學生學習。

2) 完善在線課程網(wǎng)站中實驗課部分。完善課程中涉及到的儀器設備工作原理部分，并增加儀器設備操作教學視頻或者相關虛擬仿真實驗項目。

3) 增加選修實驗內容。學生可通過預約進入實驗室進行一些簡單實驗操作。目前，我們已經(jīng)通過多次探索優(yōu)化實驗條件，具備了開設與考古相關的“氣相色譜檢測考古陶片中的殘留物”[7]和“高效液相色譜法測定陶器中的有機酸”兩個實驗的條件，我們將在此基礎上，依據(jù)課程內容開發(fā)更多的實驗供學生選擇，以配合理論課程的學習。

4 成效及特色

考古化學的選課學生都對考古化學有著濃厚的學習興趣，學習的積極性、主動性較高。學生表示，從課程的學習中領略到了化學對考古研究的重要意義，了解到了學科交叉對社會和科學發(fā)展的重要性，對自己的專業(yè)學習目標有了更深層次的認識。有的學生認為通過老師案例的講解，對很多化學原理有了不同的認識和體會，更從不同角度見識了中國悠久燦爛的歷史文化；有的學生還提出意見希望可以增加該門課程的課時，更多地接觸考古化學方面的知識；還有的學生表示希望教學團隊的教師可以作為導師參與其大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練以獲得更深層次的指導。

2019年化學與化工學院和歷史與文化學院的幾名學生在通過考古化學課程的學習之后，將其運用到社會實踐活動中，提出了氣相色譜檢測考古陶片殘留物的實驗思路。經(jīng)過教師的指導和完善，該實驗項目獲得第一屆全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽二等獎。

5 結語

山東大學的考古化學課程是國內首門面向本科生開設的以交叉學科為背景的課程，獲得了學生的認可，并取得了良好的教學效果。課程團隊依據(jù)考古化學課程自身特點，借助山東大學課程中心教學平臺構建課程網(wǎng)站線上分享教學資源，課堂上采取案例教學法，首先進行知識講解，之后以案例為向導，引導學生理解并掌握化學知識解決考古問題的方式方法，達到知識學習的目的。通過微信群與學生保持密切溝通交流，協(xié)助學生的知識學習，調動學生學習的積極主動性。通過課程匿名調研，充分聽取學生對課程教學的意見建議，及時總結改進，不斷提升教學效果，也為后續(xù)考古化學的教學提供了新的教學思路。