以藍(lán)染工藝發(fā)展史為情境的有機(jī)化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)

劉秀欽 楊發(fā)福

（福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 福建 福州 350007）

一、問題的提出

在普通高中化學(xué)新課程中，有機(jī)化學(xué)課程可分為兩個部分：必修模塊《化學(xué)2》中的有機(jī)化學(xué)與選修模塊《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》。目前，學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)通常都在高二下學(xué)期，這兩部分的內(nèi)容學(xué)習(xí)間隔較大且安排較為分散。因此，教師在進(jìn)行有機(jī)復(fù)習(xí)課教學(xué)時往往采用“知識講解+習(xí)題訓(xùn)練”模式復(fù)習(xí)某一專題內(nèi)容。在這樣的復(fù)習(xí)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后能對有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)知識有一定的了解，但卻不能主動將有機(jī)知識整合，構(gòu)建起對有機(jī)化學(xué)的整體認(rèn)識，［1］形成系統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)認(rèn)識思路和方法。近年來，高考有機(jī)化學(xué)除了考查學(xué)生對各種有機(jī)物性質(zhì)、反應(yīng)條件、反應(yīng)現(xiàn)象等掌握情況，還利用有機(jī)物推斷，設(shè)計合成路線等題型側(cè)重考查學(xué)生的邏輯推理、分析解決問題能力。［2］這就要求教師進(jìn)行有機(jī)化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)時既要重視基礎(chǔ)，又要注重培養(yǎng)學(xué)生有機(jī)化學(xué)認(rèn)識素養(yǎng)。

習(xí)近平總書記曾指出：文物和文化遺產(chǎn)承載著中華民族的基因和血脈，是不可再生、不可替代的中華優(yōu)秀文明資源。泱泱華夏，文明千載，我國傳承下來的傳統(tǒng)工藝都是先輩們留給我們的寶貴遺產(chǎn)。藍(lán)染工藝是我國最古老的印染工藝之一，藍(lán)染工藝中的印染材料、制靛技術(shù)與高中有機(jī)化學(xué)中有機(jī)物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，如碳碳雙鍵、酯鍵、氨基、羥基以及水解反應(yīng)、縮合反應(yīng)、取代反應(yīng)等都有著緊密的聯(lián)系。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念”［3］。因此，本文在有機(jī)化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中構(gòu)建藍(lán)染工藝發(fā)展歷史的情境，引導(dǎo)學(xué)生掌握藍(lán)染工藝中印染材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，進(jìn)而預(yù)測可能產(chǎn)生的有機(jī)反應(yīng)；并指引學(xué)生參與合成靛藍(lán)的整個過程，學(xué)會有機(jī)合成的方法，從而幫助學(xué)生搭建有機(jī)化學(xué)整體的復(fù)習(xí)框架，形成全面、系統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)思路和方法，推動化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。

二、設(shè)計思想及流程

化學(xué)復(fù)習(xí)課是以鞏固所學(xué)知識并提高運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力為主要任務(wù)的一種課型。［4］復(fù)習(xí)課不是練習(xí)課，也不是新授課后的輔戰(zhàn)場，更不是已有知識的簡單重復(fù)或記憶強(qiáng)化，［5］復(fù)習(xí)課應(yīng)當(dāng)側(cè)重于提高學(xué)生對知識整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其內(nèi)在聯(lián)系的把握，進(jìn)而提高學(xué)生的思維品質(zhì)和學(xué)習(xí)能力，落實(shí)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

本節(jié)課力求在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下，以藍(lán)染工藝的發(fā)展史為軸線，創(chuàng)設(shè)與之相對應(yīng)的教學(xué)情境。首先，向?qū)W生展示我國江蘇南通的藍(lán)印花布，并介紹我國藍(lán)染工藝的起源，讓學(xué)生感受傳統(tǒng)工藝的獨(dú)特魅力，激發(fā)起學(xué)生的民族自豪感；再通過閱讀相關(guān)古籍，帶領(lǐng)學(xué)生探究我國古代藍(lán)染工藝中制靛技術(shù)所蘊(yùn)含的豐富的有機(jī)化學(xué)知識，領(lǐng)略古代匠人的科學(xué)智慧和創(chuàng)新思想；接著，引導(dǎo)學(xué)生重溫近代化學(xué)家合成靛藍(lán)的思維發(fā)展歷程，培養(yǎng)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不畏艱難的科學(xué)探究精神，體會化學(xué)在人類社會發(fā)展進(jìn)程中的重要作用；最后，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注我國藍(lán)染工藝發(fā)展的現(xiàn)狀及未來前景，提升學(xué)生的社會責(zé)任感。具體教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程圖

三、設(shè)計過程與意圖

1.任務(wù)一：回顧前世傳奇，感受千年藍(lán)染工藝——了解藍(lán)染工藝的歷史起源

【PPT展示】我國江蘇南通的藍(lán)印花布，如圖2所示。

圖2 江蘇南通藍(lán)印花布

【教師】圖2是我國江蘇南通的藍(lán)印花布，又稱“靛藍(lán)花布”，是一種出自于藍(lán)染工藝的古老印染品。［6］藍(lán)印花布的著色染料為靛藍(lán)染料，主要提取自藍(lán)草等植物。

【教師】請同學(xué)們列舉一些描寫藍(lán)染工藝的名篇佳句。

【學(xué)生】《詩經(jīng)·小雅·采綠》“終朝采藍(lán)，不盈一襜”；《荀子·勸學(xué)篇》“青，取之于藍(lán)，而青于藍(lán)”……

【教師】上述古文體現(xiàn)了不同時期的藍(lán)染工藝。早在新石器時代，古人就能通過浸揉藍(lán)草等植物，將其汁液用于染色。［7］傳統(tǒng)藍(lán)染工藝最早起源于秦漢時期，至明清時期達(dá)到鼎盛，距今已有千年的悠久歷史。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生欣賞江蘇南通藍(lán)印花布，既了解了其印染材料的由來，又領(lǐng)略了傳統(tǒng)藍(lán)染工藝的魅力以及古代先人的聰慧。接著引入不同時期記載藍(lán)染工藝的名篇佳句，并介紹我國藍(lán)染工藝的歷史起源，這樣不僅有利于提升學(xué)生的人文素養(yǎng)，還有利于激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的民族自豪感，增強(qiáng)文化自信。

2.任務(wù)二：探析古文典籍，領(lǐng)略古代匠人智慧——有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)探究

【教師】明清時期可謂是我國藍(lán)染工藝發(fā)展的鼎盛時期，藍(lán)染工藝中的工序復(fù)雜精細(xì)，環(huán)環(huán)相扣，具體為：織布、雕版、制靛、印染等程序。古籍《天工開物·彰施》對其中的制靛技術(shù)作了較為詳細(xì)的記載，那制靛技術(shù)背后蘊(yùn)藏著什么樣的化學(xué)原理呢？今天我們來解析古籍，穿越千年歷史來探究我國古代制靛工藝背后的科學(xué)奧秘吧。

【PPT展示】《天工開物》是中國古代一部綜合性的科學(xué)技術(shù)著作。其彰施篇中完整地記述了明代制靛工藝：“凡造淀，葉與莖多者入窖，少者入桶與缸。水浸七日，其汁自來。每水漿一石下石灰五升，攪沖數(shù)十下，淀信即結(jié)。水性定時，淀沉于底……其掠出浮沫曬干者曰靛花?！保?］

【教師】請同學(xué)們閱讀古文，找出其中涉及化學(xué)實(shí)驗的相關(guān)操作。

【學(xué)生】“水浸七日，其汁自來”涉及到溶解；“攪沖數(shù)十下”涉及到攪拌，“其掠出浮沫曬干者曰靛花”涉及到蒸發(fā)結(jié)晶。

【教師】其古文的大意為：在制靛的過程中，染工們會將藍(lán)草放入窖、桶或缸內(nèi)浸泡發(fā)酵七天以上，這樣一來便會有藍(lán)色的汁液產(chǎn)出，并且在浸泡的過程中會往一石染液中加入五升生石灰，隨后攪動染液，靜放數(shù)日之后就可沉淀出靛藍(lán)，將其曬干以備用于后面的印染工序中。

【教師】藍(lán)草中的主要成分是菘藍(lán)甙，如圖3所示。［9］

圖3 菘藍(lán)甙的結(jié)構(gòu)簡式

結(jié)合菘藍(lán)甙的結(jié)構(gòu)簡式，請同學(xué)們觀察并思考菘藍(lán)甙結(jié)構(gòu)中有哪些常見的官能團(tuán)？

【學(xué)生】碳碳雙鍵、酯基以及氨基。

【教師】菘藍(lán)甙結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)氨基能夠與纖維結(jié)構(gòu)形成氫鍵，從而使藍(lán)草的顏色能夠附著在織物上，但其色牢度差且色澤暗淡。由此，人們在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)可以將藍(lán)草放入染缸中制備出靛藍(lán)來提高染料的色牢度和色澤。

【教師】根據(jù)菘藍(lán)甙的結(jié)構(gòu)式，思考以下問題：

1.菘藍(lán)甙水浸的過程中會發(fā)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)？

2.結(jié)合有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，試著分析水浸菘藍(lán)甙的目的是什么？

3.從化學(xué)反應(yīng)原理角度出發(fā)，思考古人為什么要用七日時間來浸泡菘藍(lán)甙呢？

【學(xué)生】用水浸泡七日，菘藍(lán)甙在水中會發(fā)生水解反應(yīng)，其化學(xué)方程式如圖4所示：

圖4 菘藍(lán)甙水解的反應(yīng)方程式

【教師】水解生成的有機(jī)物名稱為吲哚酚，如圖5所示。

圖5 吲哚酚的結(jié)構(gòu)簡式

【學(xué)生】從有機(jī)物的結(jié)構(gòu)角度來看，吲哚酚中有羥基、氨基，這兩個基團(tuán)都能夠與纖維結(jié)構(gòu)形成氫鍵，附著在織物上。因此，水浸菘藍(lán)甙的目的就是將菘藍(lán)甙水解生成吲哚酚，增強(qiáng)染料的附著性。

【學(xué)生】從化學(xué)反應(yīng)原理的角度上來看，用七天時間浸泡，水中以及植物中的微生物在適宜的溫度、pH等條件下可以大量繁殖，分泌出大量的生物酶促進(jìn)水解，因此用七天時間浸泡菘藍(lán)甙的目的是讓菘藍(lán)甙充分地水解。

【教師】在溶液中，吲哚酚容易發(fā)生酮式互變現(xiàn)象形成吲哚酮，［10］如圖6所示。

圖6 吲哚酚與吲哚酮的互變現(xiàn)象

由反應(yīng)可知，吲哚酚與吲哚酮構(gòu)成了一對同分異構(gòu)體。在吲哚酮靜放過程中，吲哚酮在堿性條件下能夠被氧化成靛藍(lán)，由此便可制得靛藍(lán)染料。具體反應(yīng)如圖7所示：

圖7 吲哚酮的氧化反應(yīng)

【教師】縱觀整道制靛工序，靛藍(lán)染料已初步制得。請同學(xué)們結(jié)合上述反應(yīng)方程式，從控制反應(yīng)條件的角度出發(fā)，思考制靛過程中加入生石灰的目的是什么？

【學(xué)生】上述反應(yīng)中菘藍(lán)甙中酯基的水解，以及吲哚酮氧化反應(yīng)都需要在堿性的條件下進(jìn)行，生石灰的主要成分為CaO，屬于堿性氧化物，因此加入生石灰的目的是為上述反應(yīng)提供堿性的環(huán)境。

【教師】加入生石灰的另一目的則是菘藍(lán)甙發(fā)酵水解的過程中會產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，生石灰能夠與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)生成碳酸鈣，碳酸鈣對著色物質(zhì)具有吸附作用，［11］從而吸附懸浮的靛藍(lán)，加快靛藍(lán)沉淀的速度。

【教師】僅是通過了解藍(lán)染工藝中的制靛工序，就能探究發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含著豐富的有機(jī)化學(xué)知識，這讓我們不禁佩服與贊嘆我國古代勞動人民的聰明才智，正是如此，我國的藍(lán)染工藝才能在世界文化遺產(chǎn)中熠熠生輝。

設(shè)計意圖：通過引用古籍《天工開物》中有關(guān)制靛工藝的記述，一面是為了展示并宣揚(yáng)我國古代科技典籍以及傳統(tǒng)工藝，使學(xué)生堅定文化自信，激發(fā)起學(xué)生繼承中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的信念；另一方面學(xué)生通過閱讀古籍——解析大意——分析原理，對制靛工藝原理進(jìn)行綜合的探究，以此為專題來進(jìn)行復(fù)習(xí)，有利于促進(jìn)學(xué)生有機(jī)化學(xué)知識的整體建構(gòu)，以及滿足學(xué)生不同程度的復(fù)習(xí)需求，學(xué)生在復(fù)習(xí)鞏固有機(jī)物的結(jié)構(gòu)（碳碳雙鍵、酯基、氨基）、有機(jī)基本反應(yīng)類型（酯的水解）、氫鍵的形成等基礎(chǔ)知識的同時，還能夠進(jìn)一步學(xué)習(xí)有機(jī)反應(yīng)條件的控制以及復(fù)雜有機(jī)反應(yīng)的原理，提升其高階思維，進(jìn)而達(dá)到發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

3.任務(wù)三：走進(jìn)科學(xué)史海，探尋染料合成原理——有機(jī)物的合成路線的制定

【PPT展示】19世紀(jì)中葉，以紡織工業(yè)革命為先導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)革命大幅度增加了世界各國對染料的需求，從藍(lán)草植物中提取的靛藍(lán)染料已無法滿足印染業(yè)的需求，于是用化學(xué)方法合成靛藍(lán)染料成為亟待解決的問題。1878年6月，德國化學(xué)家拜爾首次人工合成出靛藍(lán)，這一成果成為了人工有機(jī)合成染料史上的一個重要里程碑，標(biāo)志著人工合成復(fù)雜有機(jī)物的開始。［12］到1890年，德國化學(xué)家霍曼在前人研究的基礎(chǔ)上為靛藍(lán)的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了靛藍(lán)的工業(yè)化生產(chǎn)。

【教師】通過前面的學(xué)習(xí)，各位同學(xué)對靛藍(lán)染料的結(jié)構(gòu)有了一定的了解，那如何根據(jù)靛藍(lán)這一目標(biāo)產(chǎn)物來制定其合成路線呢？

【學(xué)生】可以將靛藍(lán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分→尋找上一步反應(yīng)的原料，依次倒推→確定最基礎(chǔ)的原料以及最終合成路線。

【教師】這就是有機(jī)合成的一種重要的方法——逆向合成分析法，如圖8所示。

圖8 逆向合成分析法思維模型

而拜爾也正是利用此方法通過降解靛藍(lán)，對靛藍(lán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，發(fā)現(xiàn)它與氫氧化鉀高溫熔融時得到的原料為苯胺。

【教師】結(jié)合已有知識，請同學(xué)們思考苯胺具有哪些化學(xué)性質(zhì)呢？

【學(xué)生】苯胺屬于胺類有機(jī)物，而胺與氨氣結(jié)構(gòu)相似，具有堿性，可以與酸反應(yīng)生成銨鹽。

【教師】德國化學(xué)家霍曼就是利用苯胺的這一化學(xué)性質(zhì)，先將苯胺與氯乙酸混合，然后將其再進(jìn)行堿熔，氧化等步驟，就可合成得到靛藍(lán)。［13］其合成路線如圖9所示

圖9 苯胺合成靛藍(lán)的路線

這種從已知原料入手，找出合成所需的中間體，逐步推向目標(biāo)有機(jī)物的合成方法稱為正向合成分析法。具體步驟，如圖10所示。

圖10 正向合成分析法思維模型

在有機(jī)化學(xué)中，正向和逆向合成分析法相輔相成，對有機(jī)物的合成有著極大的推動作用。

【教師】請同學(xué)寫出此合成路線中苯胺與氯乙酸反應(yīng)的化學(xué)方程式，并思考這屬于哪種類型的有機(jī)反應(yīng)？

【學(xué)生】該反應(yīng)屬于取代反應(yīng)，具體反應(yīng)方程式，如圖11所示：

圖11 苯胺與氯乙酸的反應(yīng)方程式

【教師】請同學(xué)們以分組討論的形式，對比實(shí)際生產(chǎn)來對此合成路線作出合理的評價。

【學(xué)生】此合成路線中的原料苯胺會污染環(huán)境，同時也會對人體健康產(chǎn)生不良的影響。

【教師】除此之外，此路線中還存在一個問題就是苯胺和氯乙酸成本偏高，不適宜應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。由于萘在煤焦油中含量較高，價格便宜。因此，霍曼以萘為基本原料進(jìn)一步改進(jìn)與完善了靛藍(lán)的合成工藝路線。其部分合成路線如圖12所示：

圖12 萘合成靛藍(lán)的部分路線

【教師】根據(jù)上述合成路線，請同學(xué)們寫出每個步驟反應(yīng)方程式并嘗試分析其反應(yīng)原理。

【學(xué)生】步驟1的反應(yīng)方程式，如圖13所示：

圖13 萘生成鄰苯二甲酸的反應(yīng)方程式

其反應(yīng)原理為與苯環(huán)直接相連的碳原子上連接有氫原子，則與苯環(huán)相連的烷基通常會被氧化劑氧化為羧基。

【學(xué)生】步驟2的反應(yīng)方程式，如圖14所示：

圖14 鄰苯二甲酸與氨的反應(yīng)方程式

其反應(yīng)機(jī)理為羧酸中的羥基被氨基取代，形成酰胺基。

設(shè)計意圖：以近代化學(xué)家合成靛藍(lán)的路線為線索，引導(dǎo)學(xué)生在歷史的真實(shí)情境中循序漸進(jìn)地感受科學(xué)家在科學(xué)探索中的思維發(fā)展過程、科學(xué)研究的艱難以及體會化學(xué)學(xué)科在人類文明和社會中的重要價值，促進(jìn)對化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解。在課堂上，學(xué)生可以綜合利用有機(jī)化學(xué)知識、“正向合成、逆向拆分”的有機(jī)物合成方法來參與靛藍(lán)合成路線的制定，以及對合成路線中單步反應(yīng)或部分連鎖反應(yīng)的原理探析，從而提升自身的科學(xué)探究精神以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.任務(wù)四：前瞻今生發(fā)展，傳承弘揚(yáng)藍(lán)染工藝——藍(lán)染工藝的未來展望

【PPT展示】藍(lán)染工藝發(fā)展現(xiàn)狀以及未來前景。

【教師】隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的藍(lán)染工藝正面臨著失傳的處境。傳統(tǒng)藍(lán)染工藝中采用的植物染料環(huán)保無害且氣味芬芳，而現(xiàn)代工業(yè)中的合成染料在染色時雖方便快捷、色牢度高，卻對人體以及環(huán)境存在一定的危害性。若能夠?qū)⒍叩膬?yōu)勢相結(jié)合，這樣既能實(shí)現(xiàn)合成染料的綠色化生產(chǎn)，又能實(shí)現(xiàn)藍(lán)染工藝的傳承。目前，人們已經(jīng)探索出了一些應(yīng)用于藍(lán)染工藝的科學(xué)技術(shù)，例如：微波法制備純化靛藍(lán)、［14］微生物法合成靛藍(lán)、［15］電化學(xué)還原法進(jìn)行染色［16］等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們將會不斷研究新的植物染料染色技術(shù)，讓藍(lán)染工藝更好地適應(yīng)社會的需求。

設(shè)計意圖：化學(xué)史教學(xué)不僅要回顧過去，更要關(guān)注當(dāng)下現(xiàn)狀以及展望未來發(fā)展趨勢，這樣才能讓學(xué)生將所學(xué)的知識與實(shí)際相結(jié)合，開拓學(xué)生的知識面，更好地落實(shí)“綠色化學(xué)”的科學(xué)理念以及發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、小結(jié)

化學(xué)史教學(xué)能夠在歷史演進(jìn)的背景下將靜態(tài)知識結(jié)論與動態(tài)知識產(chǎn)生過程緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生追根溯源，促進(jìn)理解學(xué)習(xí)。［17］本教學(xué)設(shè)計結(jié)合藍(lán)染工藝發(fā)展史的情境，串聯(lián)起有機(jī)化學(xué)復(fù)習(xí)課的教學(xué)邏輯，既引據(jù)古籍文獻(xiàn)解析了藍(lán)染工藝背后所蘊(yùn)含的科學(xué)原理，又講述了近代化學(xué)家合成染料的探究歷程，滲透其中的科學(xué)探究的思維和精神。將課程內(nèi)容與化學(xué)史料相互融合，不僅能豐富課程內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面以及提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，還能將傳統(tǒng)文化滲透于教學(xué)中，有助于學(xué)生樹立文化自信。