大学化学, 2020, 35(8): 54-59 doi: 10.3866/PKU.DXHX202006007

教学研究与改革

传统文化蕴含的化学智慧在元素无机化学教学中的有机融入

要红昌,, 李一珂, 武杰, 李中军

Appropriately Integrating Chemical Wisdom in Excellent Traditional Culture into the Teaching of Elements in Inorganic Chemistry

Yao Hongchang,, Li Yike, Wu Jie, Li Zhongjun

通讯作者: 要红昌, Email: yaohongchang@zzu.edu.cn

收稿日期: 2020-06-1   接受日期: 2020-06-10  

基金资助: 教育部首批“三全育人”综合改革试点院系
河南省高校精品在线开放课程
河南省线上线下混合式一流课程
2019年度郑州大学线下精品课程.  2019ZZUXXKC009

Received: 2020-06-1   Accepted: 2020-06-10  

摘要

在讲授元素无机化学时,把中国传统文化中所包含的化学知识、化学智慧有机地融入课堂教学,将元素无机化学讲授与课程思政教学有机融合,从而增加理科课堂的文化性、知识性和趣味性,激发学生的学习兴趣;同时培养学生的文化自信,激发学生的民族自豪感。

关键词: 元素无机化学 ; 传统文化 ; 课程思政

Abstract

In this paper, we have incorporated the chemical wisdom contained in Chinese traditional culture into classroom teaching, and appropriately integrated inorganic chemistry teaching with ideological and political education in class, thus increasing the culture, knowledge and interest of science class. At the same time, it can cultivate students' cultural self-confidence and stimulate students' national pride.

Keywords: Elements in inorganic chemistry ; Traditional Chinese culture ; Curriculum with ideological and political education

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要红昌, 李一珂, 武杰, 李中军. 传统文化蕴含的化学智慧在元素无机化学教学中的有机融入. 大学化学[J], 2020, 35(8): 54-59 doi:10.3866/PKU.DXHX202006007

Yao Hongchang. Appropriately Integrating Chemical Wisdom in Excellent Traditional Culture into the Teaching of Elements in Inorganic Chemistry. University Chemistry[J], 2020, 35(8): 54-59 doi:10.3866/PKU.DXHX202006007

元素无机化学课程是化学专业无机化学教学的重要组成部分,知识点多、信息量大,教学内容多以描述性、罗列性为主,规律性、系统性不强,学生学习时不但需要记忆各种元素单质、重要化合物的性质及其变化规律,还需掌握各种元素的存在、制备、用途以及各自的特性,学习内容枯燥,缺乏趣味性。为激发学生的学习兴趣,同时也为深入贯彻落实习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上的重要讲话精神,构建全员、全过程、全方位的协同育人模式,我们以“课程思政”理念促进元素无机化学课程的教学改革,将中国传统文化中涉及的化学智慧融入课程体系,使学生在掌握相关化学专业知识的同时,感受中华传统文化的博大精深,潜移默化地接受思想教育,从而激发学生的民族自豪感,培养正确的世界观、人生观和价值观[14]

优秀的传统文化是中华民族千百年来生产实践的结果,更是前人智慧、情感与审美意识的结晶。传统文化内容丰富,包罗万象,其中的青铜器文化、瓷器文化、四大发明、医药典籍,甚至成语故事、习俗、歇后语里,无不蕴含着丰富的化学知识和化学智慧。为践行“课程思政”教育理念,元素无机化学课程在教学实践中,将传统文化中涉及的化学知识、包含的化学原理有机地融入到相关章节里讲解,这样,既让学生学到了相关的化学知识,又使他们了解灿烂的中华文明,既展现中华民族千百年来的化学智慧,又可以将其中蕴含的德育内涵潜移默化地传授给学生,从而达到“润物细无声”的思政教育效果。

1 典籍中的化学知识

早期的制陶、冶炼工艺以及后来的炼丹术、本草学、农学,都包含着古代化学思想的萌芽。虽然古籍中记载的化学内容不系统,但这些散见的化学智慧充分反映了前人探究物质变化规律的实践活动,对于化学的发展具有开拓意义。

如东汉魏伯阳所著《周易参同契》中记载:胡粉投火中,色坏还为铅。它描述了碱式碳酸铅在高温下遇炭火还原为铅这一化学现象。在讲解三氧化二砷的制备时,可以加入晋代葛洪在《仙药》中记述的砒霜的制备方法:“又雄黄……饵服之法,或以蒸煮之;或以酒饵;或先以硝石化为水,乃凝之;或以玄胴肠裹蒸于赤土下;或以松脂和之;或以三物炼之,引之如布,白如冰”。而李时珍的《本草纲目》中将铅、汞、铁硫化物之间的相互转化,以及铅化合物之间的转化关系描述得淋漓尽致。“朱砂伏于铅而死于硫。硫恋于铅而伏于硇。铁恋于磁而死于铅。雄恋于铅而死于五脂。故金公(铅)变化最多。一变而成胡粉(2PbCO3∙Pb(OH)2)。再变而成黄丹(Pb3O4)。三变而成密陀僧(PbO)。四变而为白霜(Pb(Ac)2)。”

通过这些文献典籍里涉及的化学原理的讲解,使学生在了解其中化学知识的同时,激发学生的民族自豪感,增强文化自信。

2 成语故事、习俗中蕴含的化学智慧

经典的成语故事,言简意赅、含蓄隽永、引人深思。特别是一些成语故事里还包含着深刻的化学原理,如点石成金、花而不实、灵丹妙药、洗尽铅华、炉火纯青、青出于蓝、信口雌黄等。

点石成金一直是古人的一个梦想,在讲碳的同素异形体石墨向金刚石的转变时,可引入这一典故。科学家通过热力学计算,在一定的温度和压力下,廉价的石墨可以变成金刚石。经过多次试验,该技术现已工业化生产,实现了“稻草变黄金”,也实现了古人梦寐以求的“点石成金”的梦想。

花而不实的原意是花开得好看,但不结果实,出自《晏子春秋∙外篇∙不合经术者》:“东海之中,有水而赤,其中有枣,华而不实,何也”。在农业生产中的确存在“华而不实”的现象,如油菜花的花而不实。产生这一现象的原因其实与土壤中硼元素的缺乏有关。因此,在讲授硼元素时,可以提及硼与花粉形成、花粉管萌发密切相关,植物缺硼时,花丝萎缩,发育不良,会导致甜菜的褐腐病、马铃薯的卷叶病和苹果的缩果病等。

端午节是中国的传统佳节,习俗甚多,包括划龙舟、食粽子、饮雄黄酒等。在讲砷的化合物时可将端午习俗和成语“信口雌黄”引入。雄黄是一种含硫和砷的矿石(As4S4),常与雌黄(As2S3)共生;雄黄置于阳光下曝晒,会变为雌黄和砷华(As2O3)。自南宋时期,我国南方地区就已有端午节饮雄黄酒的习俗。人们把雄黄溶在酒中,用来杀菌、驱虫、解毒,抹在孩子脸上,用以辟邪驱魔。而在诸多《白蛇传》版本里,都有白娘子在端午节饮雄黄酒而现形这一桥段。

雌黄,柠檬黄色,用作颜料。中国早期使用的纸张颜色偏黄,用雌黄作涂改液可以匹配纸张的颜色,如果字写错了,用雌黄涂抹后,可以遮盖错字。晋∙孙盛《晋阳秋》记载:“王衍字夷甫,能言,于意有不安者,辄更易之,时号口中雌黄”。后人将随意改窜文字、变更语词谓之口中雌黄或信口雌黄,比喻不顾事实,随口乱说或妄作评论。如敦煌藏经洞发现的隋抄本《文选∙运命论》残卷,有7处清晰可见的黄色涂改液修改痕迹,专家推断其为雌黄涂改[5]。随着造纸、制浆、漂白技术的不断发展,纸张的白度逐渐提高,白纸的使用日渐增多。因此,涂改液的颜色与时俱进,逐渐由黄色转变为白色,以匹配纸张的颜色。研究表明,《古今图书集成》描润本中所用涂改液的白色颜料为铅白,2PbCO3∙Pb(OH)2。随着现代科技的发展,白色涂改液所用颜料又从铅白演变为钛白(TiO2)、硫酸钡等。由于钛白的优异性能,现代涂改液主要以钛白为主[6]

3 青铜器文化、鎏金技术里的化学内容

中国的青铜器文化源远流长,司母戊鼎、四羊方尊、莲鹤方壶、虢季子白盘等是其中的典型代表。在讲授铜副族章节时,可以讲解战国时期《周礼∙冬官∙辀人》记载的铸造青铜合金的方法。“金有六齐(方剂)。六分其金(铜)而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢(箭)之齐;金锡半,谓之鉴(镜子)燧(利用镜子聚光取火)之齐。”

在讲授砷分族时可以讲解砷白铜、砷黄铜。砷白铜是用砷矿石(砒石、雄黄等)点化赤铜而得到的。铜中合砷小于10%时,呈金黄色,炼丹家称其为“药金”(即砷黄铜);当含砷量大于10%时,就变得洁白如雪,灿烂如银,称为“药银”(即砷白铜)。晋代著名炼丹大师葛洪的《抱朴子∙金丹篇》和南朝医药大师陶弘景的《名医别录》中都有“雄黄得铜可作金”的记载。

鎏金技术是将金形成金汞齐涂在铜器表面,加热蒸发汞,金就附着器物表面。汉代鎏金和镶嵌技术已十分发达,东汉《周易参同契》里就有关于鎏金技术的记载。在讲授汞的性质时可以引入古老的鎏金艺术,精选一些鎏金精品让学生欣赏,使学生感受古代金属工艺装饰这一巅峰技法,呈现我国博大精深的冶炼文化。

4 瓷器文化中的化学元素

陶瓷是中国的象征,一部陶瓷史就是一部中国文明史。五千年来流传沉淀下来的陶瓷器物,反映了各个时代的文化特征,成为中华民族宝贵的文化遗产。原始陶器实用绚烂、秦汉陶瓷朴拙典雅、唐代瓷器雄浑大气、宋代瓷器精致内敛、元代瓷器一枝独秀,而明代瓷器浓艳多姿、清代瓷器繁缛富丽,民国瓷器则百花齐放。

陶和瓷其实是两个不同的概念,二者出现的年代、烧制的温度、原料和釉料、质地和透明度等各不相同。陶器,是用黏土或陶土经捏制成形后于700–1000 ℃烧制下而成的器具,为多孔、不透明的非玻璃质,上釉或不上釉。陶器历史悠久,早在新石器时代就已有简单粗糙的陶器。随着陶器制备工艺的成熟,彩陶应运而生。彩陶即彩色陶器,系利用赤铁矿粉和氧化锰作颜料,在陶坯表面彩绘各种图案,入窑经900–1050℃火烧后在橙红的底色上呈现出黑、红、白等颜色的图案,使陶器不仅是实用品,还具备了艺术品的审美价值。随后,在漫长的制陶生产实践中,经过不断改进和提高,人们发明了瓷器。瓷器是由瓷石、高岭土、石英石、莫来石等经过高温(1200–1400 ℃)烧制,外表施有玻璃质釉或彩绘的器物。瓷器表面的釉色因为原料、烧制温度的不同而呈现各种不同的颜色。中国是瓷器的故乡,在英文中“瓷器(china)”与中国(China)同为一词。因此,瓷器不仅仅是器物,更是凝聚着中华民族智慧的艺术品。

在讲授元素无机化学课程的不同章节时,可以把陶瓷精品展示给学生看,让学生在欣赏陶瓷的同时,了解陶瓷的胎质成分,特别是了解陶瓷呈现不同釉色的原因。如邢窑雪白瓷的胎质为高铝低铁胎,一般A12O3含量约31.0%、Fe2O3含量约0.5%。由于含铁量少,其胎皆呈白色。而其釉质为低铝高钙釉,Al2O3含量约16%,CaO含量约8% [7, 8]。低温铅釉陶的釉是用铅粉、石末(石英粉)和少量着色剂如赭石(赤铁矿)、孔雀石(Cu2(OH)2CO3)、矾红料(绿矾中提炼的氧化铁)和叫珠料(含锰量较高的钴土矿)等在700–900 ℃的温度和氧化气氛中烧制而成[9-11]。唐三彩的主要颜色为黄、褐、绿,即来源于这种低温铅釉。再比如四川省的会理绿陶,“坯胎白又细,绿釉美如玉”,其釉料以天然的优质孔雀绿石即Cu2(OH)2CO3为原料,经1260 ℃氧化焰烧制后,成为致密度高、声音清脆、无铅无毒等的中国唯一绿釉陶[12]。而青花瓷、景泰蓝中的蓝色源于钴矿中的四氧化三钴(Co3O4),宋代钧窑、元明清景德镇窑釉里红、郎窑红、豇豆红等都是铜红釉的名贵品种,其釉料以铜为主要着色元素,在高温还原气氛中焙烧而呈现氧化亚铜(Cu2O)的红色。此外,在瓷器的釉料中加入钒,由于不同价态的钒氧化物呈现不同颜色,可以得到虹彩釉瓷器和金光釉瓷器。

除了上述内容,还有许多包含化学知识的传统文化可以引入。表1列出了元素无机化学课程各章节可以融入的典型的传统文化蕴含的化学知识内容。

表1   元素无机化学各章节可融入的传统文化中的化学知识

章节传统文化内容蕴含的化学知识
碱金属熬制中药的无釉砂锅容易炸裂,而现代的陶瓷砂锅不易炸裂在陶瓷砂锅胚体中加入了锂辉石(Li2O∙Al2O3∙4SiO2)。锂辉石既作助熔剂,同时又生成低热膨胀体
碱土金属西游记里的女儿国;
曾有媒体报道,广东某山村相继生出的都是女孩
经研究发现,曾有地质队在山村附近探矿,导致当地饮用水中铍含量升高。铍及化合物有毒,人体铍含量高时,Y染色体受损害,而X染色体抵抗力强,故容易生女孩
硼族元素花而不实硼与花粉形成、花粉管萌发密切相关。缺硼时,花丝萎缩,发育不良。植物的“花而不实”现象与土壤中硼元素的缺乏有关
历史上有名的“希望蓝钻”钻石中含有B则显蓝色,稀有程度仅次于红钻石
清代官员帽子上的“顶戴花翎”,是身份的象征一品官员的“顶戴”为红宝石:α-Al2O3含有色素离子Cr;三品官员的“顶戴”为蓝宝石:α-Al2O3含有色素离子Ti、Fe
碳族元素点石成金通过热力学计算,在一定的温度和压力下,廉价的石墨可以变成金刚石。该技术现已工业化生产,实现了古人梦寐以求的“点石成金”梦想
《列子∙汤问》:周穆王大征西戎,西戎献锟铻之剑,火浣之布。……火浣之布,浣之必投于火,布则火色,垢则布色,出火而振之,皓然疑乎雪;
《三国志》《抱朴子》等皆有火浣布的记载;
火浣布:自然石棉,为硅氧四面体通过共用1个氧原子链聚而成无限长链的硅酸盐,具有纤维状结构,如石棉;
四川雅安石棉县:全国唯一一个以矿物名称命名的县
敦煌壁画:色彩艳丽,有闪烁感含有云母颜料;云母:每个硅氧四面体通过共用3个氧与邻近3个硅氧四面体连接,形成层状结构的聚硅酸盐,片层间靠静电引力结合在一起
魏伯阳所著的《周易参同契》中说:胡粉投火中,色坏还为铅涉及的化学反应为:
${\rm{2PbC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \cdot {\rm{Pb}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ = 3PbO + 2C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}$
${\rm{PbO + C = Pb + CO}}$
氮族元素中国工程院院士李俊贤:被誉为国家腾飞的推进剂肼的衍生物——偏二甲肼:火箭发射的燃料
烟花爆竹里的化学传统烟花爆竹的主要成分是黑火药,含有硫磺、木炭、硝酸钾,反应方程式为${\rm{2KN}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 3C + S = }}{{\rm{K}}_{\rm{2}}}{\rm{S + }}{{\rm{N}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 3C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}$
部分烟花爆竹中还含有氯酸钾KClO3和高氯酸钾KClO4
为了产生绚丽的色彩和闪光效果,有些烟花中加入了镁、铝、锑等金属粉末和无机盐等成分。不同的金属和金属离子在燃烧时会呈现出不同的颜色,如硝酸锶和锂燃烧时会发出红色光,硝酸钠燃烧时会发出黄色光,硝酸钡燃烧时则会发出绿色光等
安全火柴:红磷的应用泊头火柴的兴衰历史鬼火火柴头:硫、氯酸钾、二氧化锰、沾合剂等
火柴盒侧面:红磷、三硫化二锑、沾合剂等
联膦P2H4较磷化氢更活泼,能在空气中自燃
氮族元素砒霜的砒字由“貔”而来;
传说,貔是吃人的凶猛野兽
晋代葛洪在《仙药》中记述:“又雄黄……饵服之法,或以蒸煮之;或以酒饵;或先以硝石化为水,乃凝之;或以玄胴肠裹蒸于赤土下;或以松脂和之;或以三物炼之,引之如布,白如冰。”
将砷的硫化物焙烧就得到白色As2O3。As2O3在我国古代被称为砒霜,说明已了解其毒性
信口雌黄:形容不顾事实,随口乱说或妄作评论古人在黄纸上写字,常用雌黄修改错处;
铅字字模利用锑、铋的热缩冷涨现象:制造铅字时,往铅字合金里加入一些锑或铋。当合金浇入铜模后,再冷却凝固时,合金就会膨胀使字的笔划都清晰地凸显出来
氧族元素水文化人类文明起源多在大河流域,如尼罗河流域的古埃及文明,两河流域的巴比伦文明,长江黄河流域的中华文明;
《山海经》:精卫填海大禹治水;
《诗经》:蒹葭苍苍白露为霜所谓伊人在水一方
中草药熏蒸剂利用SO2的漂白作用
葡萄酒中的防腐剂利用SO2的防腐和保鲜作用
卤素谚语:卤水点豆腐  一物降一物原理:卤水主要成分有氯化镁、硫酸钙、氯化钙及氯化钠等,味苦黄豆→豆浆→滤渣→煮开→“胶体”;
胶体溶液变成豆腐,必须点卤。点卤后胶体聚沉,变成豆腐脑。再挤出水分,就变成了豆腐
铜副族元素青铜器文化:司母戊鼎、四羊方尊、莲鹤方壶、虢季子白盘、越王勾践剑青铜是金属冶铸史上最早的合金,在纯铜中加入锡或铅的合金
《甄嬛传》《延禧攻略》《如懿传》等电视剧中常见的“银针试毒”桥段:如果银针碰到食物后变黑了,就证明食物有毒古代的砒霜里面常伴有少量的杂质——硫或硫化物。当用银针试验时,其中的硫会和银针产生化学反应生成黑色的硫化银,从而在银针的表面上形成一层黑色的银垢
锌副族元素鎏金技术鎏金:将金形成金汞齐,涂在铜器表面,加热,金就附着在器物表面。汉代鎏金和镶嵌技术已十分发达
涂朱甲骨涂朱甲骨:把辰砂磨成红色粉末涂嵌在甲骨文的刻痕中以示醒目
朱笔御批朱笔御批:为醒目和保存,帝王用辰砂写批文
朱砂墨朱砂墨:近朱者赤,近墨者黑;声和则响清,形正则影直
钛副族元素钛白:涂改液、防晒霜、增白剂钛白是世界上最白的颜料,比锌钡白白5倍,具有优良的增白、遮盖性能
铬副族元素翡翠的绿色、祖母绿皆是因为含有铬离子
锰副族元素秦始皇兵马俑出土的秦俑剑:1994年3月兵马俑二号坑出土了19把青铜剑。这些剑毫无锈蚀,光洁如新。有一把被压弯45°的剑,出土后瞬间恢复经试验,一次尚能划透18层纸,无比锋利;
研究表明,剑的表面竟涂有一层厚约10 μm的含铬氧化膜
铁系元素《鬼谷子∙谋篇第十》:“故郑人之取玉也,载司南之车,为其不惑也。” 《梦溪笔谈》:“方家以磁石磨针缝,则能指南。”司南:中国汉代甚至战国时代华夏劳动人民发明的一种最早的指示南北方向的指南器,是现在所用指南针的始祖。其材料是天然磁铁矿石
铁系元素元青花鬼谷子下山图灌描述了孙膑的师傅鬼谷子在齐国使节再三请求下,答应下山搭救被燕国陷阵的齐国名将孙膑的故事。2005年7月12日伦敦佳士得拍卖会上,该器物以1400万英镑拍出,创下了当时中国艺术品在世界上的最高拍卖纪录

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上述讲授内容既是元素无机化学课程大纲要求的内容,又将优秀的中国传统文化完美融入。通过教学内容的充实、教学理念的创新和教学观念的更新,我们将教师的教书育人职责不断地进行深化和拓展,并将思想政治教育恰如其分地融入到知识传授的过程中,引导学生坚定理想信念、厚植爱国情怀、加强品德修养,促进学生全面、健康地发展,从而实现显性教育与隐性教育相结合、知识讲授和思政引领相统一的新的教学模式。

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