《天工开物》 蕴含的化学知识分析与应用

朱汝葵 李硕 陈思静

【摘 要】本文基于对《天工开物》中蕴含的化学史料的研读，针对如何将《天工开物》融入化学课堂并挖掘其中的化学素材、如何将传统文化与学科相融合的问题，提出通过读古籍悟化学、读古籍用化学来帮助学生理解知识，涵养人文精神，弘扬并传承中国文化，并提出要从辩证思维角度去学习传统文化，要以发展的眼光看待古人的一些观点，这样才能形成正确的思辨观与科学观。

【关键词】天工开物 化学教学 传统文化

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）38-0119-03

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中指出化学教材的编写与内容的选择上要体现基础性、时代性与人文性，增强文化自信，提升人文素养，要体现科学与人文的融合，自觉传承科学文化。2019年，人教版新编高中化学出版，并在一些省市地区开始使用。相比上一版，新版在绪言中加入了这样的描述：我国明代李时珍的《本草纲目》和宋应星的《天工开物》等著作中，都蕴含着丰富的化学知识和经验。可见，传统文化、人文教育、学科融合越来越受到党和国家以及教育界的关注。

《典籍里的中国》是由中央广播电视总台推出的大型文化节目，第二期节目呈现了袁隆平院士与宋应星先生跨越300多年的握手，“禾下乘凉，天下富足”，两位科学家透过一粒种子找到了科学家共同的梦想，求真务实、造福人民，而连接这场跨越时空对话的正是一本典籍《天工开物》。此书是中国科技史料保存最为丰富的一部古籍，也是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作。作者宋应星，字长庚，明末著名科学家，其作品《天工开物》根据“贵五谷而贱金玉”的思想原则，记述了许多生产技术及农业用具。《天工开物》中包含着作者独到的見解，虽有一些错误论述，但仍不失为一部重要的科学巨作，有研究与借鉴价值。笔者在研读过程中发现，其中有许多的化学知识可以融入现代的化学课堂中，为理性严谨的化学学习涵养人文精神，让学生感受中国古代科技的力量。

一、读古籍悟化学

（一）下篇卷十五《火药料》与“氧化还原反应”

《火药料》中记载：“凡火药以硝石、硫黄为主，草木灰为辅。硝性至阴，硫性至阳，阴阳两神物相遇于无隙可容之中。其出也，人物膺之，魂散惊而魄齑粉。”

此篇介绍火药为何会爆炸，我国发明并使用火药的历史悠久，火药最早来源于炼丹家的“意外”。在宋代《真元妙道要略》中有记载“有以硫磺，雄黄合硝石，并密烧之，焰起，烧手面及屋宇者”，书中告诫炼丹家谨防此类事件的发生。火药不能解决“长生不老”的问题，因此并没有得到炼丹方士的重视，但其威力被军事家看重，而后逐步发展改良，成为中国古代四大发明之一，并应用于战场。至明成祖朱棣一朝，成立了以火药、火铳以及火油绳为主要作战武器的“神机营”，这也是中国乃至世界上最早的独立枪炮部队建制。古人也一直在思考研究火药爆炸的原因，宋应星受制于当时社会的“五行阴阳”学说，认为火药的主要成分是硝石和硫磺，以木炭为铺垫，硝石属阴，硫磺属阳，一阴一阳，放在密闭的铁筒里面，阴阳相克，自然会爆炸。

（二）中篇卷五作咸《井盐》：“火井”与天然气

《井盐》记载：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，绝无火气，但以长竹剖开去节，合缝漆布，一头插入井底，其上曲接，以口紧对釜脐，注卤水釜中。只见火意烘烘，水即滚沸。启竹而视之，绝无半点焦炎意。未见火形而用火神，此世间大奇事也，凡川、滇盐井逃课掩盖至易，不可穷诘。”

此篇记载了西川巴蜀地区有“火井”，井里面没有火气，古人将长竹剖开，去掉里面的竹节，两半竹子再用油纸裹住（防止漏气），即现代社会输气所用的管道。把卤水注入锅中，准备熬成盐，利用“火井”中的气，但见卤水很快就沸起来了，此处的“火井”即为天然气，宋应星称此事为“世间大奇”。其实早在两千年前，两汉时期就有了天然气的使用记载与相应的开采技术，最早记载用火井煮盐的描述可见于晋代张华所著的《博物志》，这在人类能源史上留下了光辉的一页，它比英国17世纪使用天然气约早了13个世纪。

（三）下篇卷十四《倭铅》与“金属锌的冶炼”

卷十四介绍了黄金、银、铜、锡等金属的开采与冶炼，其中首次详细技术了金属锌的冶炼技术。此卷中有众多涉及合金、金属的活泼性以及置换反应、氧化还原反应知识的记述。

五金《倭铅》篇记载：“凡倭铅古书本无之，乃近世所立名色。其质用炉甘石熬炼而成，繁产山西太行山一带，而荆、衡为次之。每炉甘石十斤，装载入一泥罐内，封裹泥固，以渐砑干，勿使见火拆裂。然后逐层用煤饼垫盛，其底铺薪，发火锻红，罐中炉甘石熔化成团，冷定毁罐取出。”

《天工开物》中最令人瞩目的是有关金属锌的冶炼技术，虽然在史料中记载我国在明朝已经大量使用金属锌，如明宣德三年用31680斤铜与13600斤锌（倭铅）铸造了大量的鼎彝，但有关金属锌冶炼技术的文字记载只有在《天工开物》中出现，且《天工开物》配有图解，即“凡倭铅古书本无之”。书中记载的炼锌方法称为土罐高温蒸馏法（有学者认为是迥流法），锌的冶炼原理是将炉甘石（主要成分为ZnCO3）装入泥罐，高温下煅烧分解成氧化锌与二氧化碳，二氧化碳与煤炭反应生成一氧化碳用于还原得到金属锌，由于金属锌的沸点只有907℃，为防止其逸散或者被氧化，因此要做好密封工作，再降温冷凝得到金属锌。反观欧洲人在16世纪才知道锌是一种金属，17世纪才懂得锌能从菱锌矿中冶炼而成，但一直未掌握相应的技术，长期从中国进口金属锌。可见，至明朝时期我国在科学技术与生产方面仍是领先西方世界的。

“物自天生，工开于人”，书中共梳理的一百三十多种生产技术和工具，其中不论是农业灌溉稻田的高转筒车，还是炼铁养蚕等精巧技术，字里行间，都流淌着格物致知、经世致用的科学态度，闪烁着熠熠生辉的智慧光芒。《天工开物》中还蕴含着许多丰富的化学史料，如“冶炼钢铁”“利用置换反应湿法炼铜”“物质的溶解性”“皂角结盐法”“开采与煅烧石灰石”“利用酸碱平衡原理为丝绸染色”等。

二、读古籍用化学

将《天工开物》中的化学素材融入课堂教学，根据知识内容与性质的不同，结合当代教育学理论将其融入教学设计的不同环节中，实现中国传统文化与化学跨学科相融合，为严谨求实的理性学习注入感性认识，涵养人文精神，可以让学生在学习中感受传统文化的魅力，促进文化传承，增强民族自豪感。本文选取其中涉及氧化还原反应、酸碱中和反应、天然气这三个文段分析探讨，进行教学设计与试题编制。

（一）“火药料”与情境创设

本篇可作为新课的导入，创设情境，在人教版高中化学必修一“氧化还原反应”中呈现：火药作为中国的四大发明之一，其历史悠久，最早可见于宋人《真元妙道要略》中的记载，千百年来，人们也在思考研究火药为何会爆炸？明朝科学家宋应星在其著作《天工开物》中记载：“凡火药以硝石、硫黄为主，草木灰为辅。硝性至阴，硫性至阳，阴阳两神物相遇于无隙可容之中。”受制于当时的发展，宋应星将火药爆炸归结于“阴阳相克”，处在新时代的我们，知道要用科学的观点去解释，那火药爆炸的原理到底是什么呢？通过本节课的学习我们会找到答案。在内容的学习之后，引导学生从氧化还原的角度去思考分析火药的爆炸，首尾呼应。此处针对宋应星的“五行阴阳”学说的错误解释，可以融入辩证思维，让学生学会用辩证的观点看待问题，既要看到古人的伟大，又不能盲从权威，要有自己的观点，科学是在发展中前进的。

编制试题1：

我国发明并使用火药的历史悠久，关于火药爆炸的原因，经典古籍《天工开物》中写道，“凡火药以硝石、硫黄为主，草木灰为辅。硝性至阴，硫性至阳，阴阳两神物相遇于无隙可容之中”，硝石的主要成分是硝酸钾，硫磺的主要成分问为硫，并结合草木灰中的碳，发生如下的氧化还原反应：

2KNO3+S+3C[反应]K2S+N2↑+3CO2↑

对于此反应，下列说法正确的是（ B ）。

A.硝石作为“氧化剂”，硫磺作为还原剂

B.每生成1mol的氮气，需要转移12mol的电子

C.二氧化碳的氧化性强于硫的氧化性

D.氧化劑与还原剂的物质的量之比为2∶3

（二）《稻宜》《造糖》与化学知识的价值分析

在人教版九年级化学《酸与碱的性质》学习中，待学习了酸碱中和反应的原理之后，在介绍其应用时，可以引入此段材料：酸碱中和反应的原理在现实生活中有着广泛的应用，例如可用医疗卫生口服液碱性药物治疗胃酸，被蚊虫叮咬后，可以用小苏打溶液或肥皂水涂抹止痒，而在古代酸碱中和反应也被广泛应用于工农业生产活动中。《天工开物》稻宜中记载：“土性带冷浆者，宜骨灰蘸稻根（反禽兽骨），石灰淹苗足，向阳暖土不宜也。”土性带冷浆即“冷水田”，土壤呈酸性，不宜于作物的生长，劳动人民用石灰改良。在《造糖》中记载：“每汁一石下石灰五合于中”。用石灰中和甘蔗汁的酸性以达到非糖分凝聚的最佳pH值，同学们还能举出其他的有关酸碱中和反应的例子吗？在这样的学习中，学生体会到化学知识的重要性，能感受化学带来的益处以及我国劳动人民的智慧，增加民族自豪感。

编制试题2：

我国劳动人民很早就懂得利用酸碱中和反应，在《天工开物》《稻宜》中记载：“土性带冷浆者，宜骨灰蘸稻根（反禽兽骨），石灰淹苗足，向阳暖土不宜也。”在《造糖》篇中亦有记载：“反汁浆流板有槽枧，汁入于缸内。每汁一石下石灰五合于中。”土性带冷浆即“冷水田”，土壤呈碱性不易农作物生长，在制糖中可用石灰中和过度的酸，下列有关酸碱中和反应正确的是（ A ）。

A.石蕊试纸测定石灰水的酸碱性的颜色是蓝色

B.中和反应生成盐和水，所以生成盐和水的一定是中和反应

C.可以利用氢氧化钠溶液改良“冷水田”

D.用酚酞试液测定甘蔗汁的酸碱性

（三）《火井》与化学知识拓展

本篇可在人教版必修二“煤、石油和天然气的综合利用”作为知识拓展的素材呈现：我国使用天然气的历史悠久，古称之为“火井”，《文选》卷4《蜀都赋》中有“火井沉荧于幽泉，高烟飞煽于天垂”，这是晋代人对四川火井的诗意描写。在明宋应星所著《天工开物》中则介绍了利用天然气煮盐以及竹筒法从井中取天然气。如今天然气作为一种高效、清洁的优质燃料被广泛应用，国家开展了“西气东输”工程，让更多的家庭能方便快捷地使用天然气，改善了管道沿线地区的人民生活质量，有效地治理了大气污染，这是我国又一项伟大的惠民利民工程。

编制试题3：

《天工开物》中有西川地区使用天然气的记录：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，绝无火气，但以长竹剖开去节，合缝漆布，一头插入井底，其上曲接，以口紧对釜脐，注卤水釜中。只见火意烘烘，水即滚沸。”这里的“火井”即为天然气，下列说法正确的是（ B ）。

A.天然气是二次能源

B.天然气充分燃烧后的产物是水和二氧化碳

C.天然气组成中一般乙烷的所占比例最大

D.天然气作为可再生能源被广泛地应用

三、思考与总结

“古有《天工开物》，今人继往开来”，书中记载的古代技艺值得今人研究，其中所蕴含的哲学思想与先人之智慧同样值得后世挖掘。《天工开物》中的思想精髓，如人与自然相协调，是中国传统的哲学思想，这与马克思主义的自然观不谋而合。近年来，以传统文化为背景的化学试题命制逐渐成为热点，这提示我们要将教材与古籍中的化学知识相融合，培养学生人文底蕴与审美情趣，让学生感受传统文化的博大精深，弘扬并传承传统文化。本文根据《天工开物》中的相关内容结合化学学科特点、学生核心素养的培养进行教学设计，在设计的同时确保以化学科学知识为主角，辅以传统文化，帮助学生更好地理解化学知识，让学生在理性学习的同时融入感性的审美;亦可以将《天工开物》作为学生化学学习的课外阅读书籍，让学生自主研究，学习其中的化学知识，感受传统文化的魅力。当然对于传统文化，要以辩证思维的角度去学习，“取其精华，去其糟粕”，学习其优秀的一面，也要认识到其受制于当时社会的发展，一些观点是有历史局限性的，要以发展的眼光来看待，帮助学生形成正确的思辨观与科学观。

【参考文献】

[1]王晶，郑长龙主编.普通高中课程标准教科书·化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]宋应星.古法今观天工开物[M].俞婷，译.江苏：江苏凤凰科学技术出版社.

[3]陈亦人.“天工开物”中的化学史料[J].化学教学，2003（11）.

[4]陈磊磊.全国高考Ⅰ卷中化学与传统文化题的分析[J].化学教育（中英文），2019（5）.

【作者简介】朱汝葵（1970— ），女，汉族，广西玉林人，硕士研究生学历，南宁师范大学化学与材料学院副院长，副教授，硕士生导师，研究方向为化学课程与教学研究、信息技术与课程整合;李 硕（1998— ），男，汉族，辽宁康平人，硕士研究生在读，研究方向为化学学科教学;陈思静（1980— ），女，汉族，广西柳州人，硕士研究生学历，南宁师范大学化学与材料学院讲师，主要研究方向为化学课程与教学论。

（责编 杨 光）