“青铜器”教学资源的开发与利用

吴晗清 李思凡

摘要：青铜器是我国古代文明的瑰宝。从化学角度可以将青铜器相关素材划分为五个方面，即青铜器的化学成分、冶炼与铸造、腐蚀与污染、保护与修复、鉴别与仿制。青铜器资源在化学教学中具有重要的意义和价值，不仅可以丰富学生的知识领域、提升学生的实验能力，而且可以培养学生科学的思想方法，增强中华民族的文化自信。

关键词： 青铜器; 化学史; 教学资源; 文化自信

文章编号： 1005-6629（2022）03-0084-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

我国是古老的文明国家之一，青铜器堪称文化瑰宝。2021年三星堆遗址的再度发掘，独树一帜的青铜造型又一次惊艳了世界。我们从化学的视角去解读青铜器，可以极大地提升学生的兴趣。不仅能够更好地掌握相关学科知识，了解化学工艺过程与方法，更重要的是增强中华民族的文化自信。

1 青铜器的历史变革与器物造型

青铜器历史悠久，一直以来都是考古学家们研究的热点。在青铜器的起源、成分、冶炼和铸造、修复与保护等多方面，取得了丰硕的研究成果。从某种意义上讲，青铜器的历史就是古代的化学史。当前基础教育越来越重视课程的开放性和综合性，提倡不同学科的交叉渗透和跨学科课程资源的整合。然而化学教学实践中，很少关注青铜器这一重要的历史资源。因此，我们有必要对此进行全面深入的分析。

1.1 青铜器的历史变革

在新石器时代与青铜器时代之间，有一个铜石并用的时代，此时的“铜”指纯铜。到了夏代，青铜器的制造工艺逐渐成熟，也是青铜器文明的发端。商代进入鼎盛时期，这时人们已经掌握了青铜含锡、铅的比例，在世界冶金史上有着重要的意义。青铜器的发展延续了一千六百多年，直到战国末期铁器的出现，才逐步被取代。具体来说，根据青铜器的化学成分和铸造工艺，可将青铜时代划分为四个时期[1]： 一是殷末周初，这一时期的铜含量差别微小;二是西周晚期至春秋中叶，此时的青铜冶炼技术逐渐向质薄、形巧过渡;三是工商业发达时期，新兴封建制度形成，这一时期青铜器文物的花纹纤细，铜含量减少而铅含量显著增加，该成分的波动源自形制波动;最后一个时期是青铜器逐步让位于铁器，种类繁多的铁器逐渐取代了青铜器在日常生产生活中的作用。

1.2 青铜器的器型

我国古代青铜器的使用十分广泛，人们将其应用于日常的生产生活中，为人类提供了许多便利。青铜器主要有三大器类： 用器、兵器和乐器。用器，主要是食器、酒器及水器。食器有，“鼎”“鬲l씓甗yǎn”“簋guǐ”“簠fǔ”“盨xǔ”“敦du씓豆”等。其中“鼎”是用来煮肉和盛肉类的用具，被视为传国重器、国家和权力的象征。酒器和水器有“爵ju锓觚gū”“斝jiǎ”“觯zh씓觥gōng”“角ju锓樽zūn”“卣yǒu”“盉h锓彝y픓勺”“罍léi”“壶”“盘”“匜y픓瓿bù”“盂yú”“鑑jiàn”“缶fǒu”等。飞觥走斝、觥筹交错、折冲樽俎、瓶罄罍耻等成语都与这些器物有关。

青铜兵器是行军打仗必备的重要工具，由于古代战争频繁，青铜兵器的种类十分丰富，如“钺yu蔓戈”“矛”“戟jǐ”“剑”“刀”“镞zú”“弩机”“胄zhòu甲”等，数量也极多。许多成语如不避斧钺、化干戈为玉帛、折戟沉沙、强弩之末等，都与兵器有关。青铜乐器是我国古代夏商周时期音乐文明中最典型的代表，其种类繁多，构建起了一个完整的音乐体系。乐器有“铎”“鑃diào”“镈bó”“铙náo”“钟”“钲zhēng”“铃”“鼓”等。如铎用于宣布政教法令，《论语》载“天下之无道也久矣，天将以夫子为木铎”。在中国国家博物馆，我们都可以一睹它们的风采。每类器物规格不一、造型各异，彰显了我国古代青铜器冶炼技术的高超，以及中华礼乐文明的发达。

2 基于化学视角的青铜器解析

2.1 青铜器的化学成分

目前出土的青铜文物多以铜锡合金、铜锡铅合金为主，其中也含少量其他金属。最早详尽准确的合金配比技术，应为《周礼·考工记》中记载的“金有六齐： 六分其金而锡居一，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;参分其金而锡居一，谓之大刃之齐;五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐;金锡半，谓之鉴燧之齐”[2]。然而研究者對“六分其金”有不同看法，部分认为“金”指青铜，部分则认为是纯铜。经过后人不断地研究与比对，最终确认此处“金”指的是纯铜。即铜占六份，锡占一份[3，4]。

随着研究的深入，人们发现了不同朝代青铜器成分的规律。其中夏代晚期青铜器合金主要为锡青铜、铅锡青铜和纯铜;商代和西周时期为锡青铜和铅锡青铜两类，且以后者居多;春秋战国青铜器中则还含有铁和锌等元素。随着铸造技术的发展和工艺的要求，铅锡青铜等更能满足复杂造型的需要。青铜作为一种合金材料，与其他合金一样有着良好的性能。与纯铜相比，青铜硬度高，熔点较低，具有金属光泽和抗腐蚀性。向铜中加入其他金属元素对改变其性能有着不同的作用，具体如表1所示。

青铜器中所含的不同金属元素也对其鉴别有着重要的作用，考古学上经常使用铅同位素标记的方法对青铜器的产地、年代进行研究。如地球化学家在研究甘肃黑河流域商代早期的青铜冶炼遗址时，发现使用的伟晶岩矿石中含有锂云母、锂辉石、铯榴石、锆石、细晶石、绿柱石（含铍）和铌钽铁矿，因而推断商代的青铜器已经开始使用锂、铍、铯、锆、铌、钽等稀有金属来改良器具的外观和性能[5]。在初中“合金”、高中必修“金属材料”的教学中，可以引入这一教学资源，让学生了解合金工艺的传承与发展，同时掌握加入不同的金属元素，合金性能的变化及原因，从而迁移至其他情境之中。同位素标记法是现今最为常见的一种探寻物质变化的重要手段，广泛应用于青铜器的鉴别。如由于不同地域铅同位素含量有差异，因而可以判断青铜器的铸造地。这些素材让学生更加直观地感受到化学无处不在。

2.2 青铜器的冶炼与铸造

我国古代青铜器制造工艺的全过程可以概括为三个主要程序： 勘探原料、冶炼精铜、浇铸成器。首先，勘探原料。金属在地球上主要以矿石的形式存在，多为金属氧化物或者盐类。《管子·地数篇》中总结了勘采规律，“上有丹砂者，下有黄金;上有慈石者，下有铜金;上有陵石者，下有铅锡赤铜;上有赭者，下有铁”[6]。经学者们深入研究，认为目前最早用于冶铜的矿石为孔雀石，其成分可用Cu2（OH）2CO3来表示。

其次，冶炼精铜。古代冶炼金属时主要使用木炭还原，碳与氧气反应提供能量，同时伴随生成一氧化碳为后续还原铜做准备。孔雀石加热分解生成氧化铜、二氧化碳和水。在高温环境下氧化铜会被一氧化碳还原成单质铜。战国初期，人们利用皮囊这一最原始的鼓风设备，使得反应炉内的温度急剧上升，因而在炼铜反应中由一氧化碳还原为主转至以碳还原为主。冶铜是制造青铜器中非常重要的一步，青铜时代对冶炼进程的把握全凭观察火焰颜色。《周礼·考工记》载“凡铸金之状，金与锡黑浊之气竭，黄白次之;黄白之气竭，青白次之;青白之气竭，青气次之，然后可铸也”[7]。铜矿由于经历了蒸发、分解、化合等过程，分别出现不同颜色的火焰。黑色火焰源于铜矿中有机物的燃烧，黄白色源于氧化物、硫化物等杂质，青白色是由于部分铜熔化造成的，而青色主要源自高温时比二价铜离子更稳定的一价铜离子[8]。智慧的古人根据经验得出，只有当青色的火焰出现，也就是“炉火纯青”时才可铸器。

最后，浇铸成器。由铜和锡铅制青铜属于物理、化学过程，不同的成分配比炼得不同性质的青铜，然后用于铸造不同类型和不同风格的青铜器。中学阶段在学习金属的冶炼、工业流程等相关内容时，可以引入冶炼和铸造青铜器的素材。让学生通过化学史的情境，激发他们学习化学的兴趣，引领他们用化学专业的视角去阐释古人留下的宝贵财富，进一步深刻掌握相关化学知识与技能，并在此过程中感悟中华文化的博大精深和先人的聪明才智，增强文化自信与学科自信，水到渠成地落实课程思政。

2.3 青铜器的腐蚀与污染

2.3.1 青铜器的腐蚀

青铜器的腐蚀，外观结果主要是生成锈迹。青铜器的铜锈分为两种，即无害锈和有害锈，见表2。无害锈主要以氧化铜等氧化产物为主，还有少量铜盐和硫化物。它们在青铜器表面形成保护膜，防止进一步被腐蚀。主要原因是潮湿环境下，铜与氧气、二氧化碳、硫化物等物质发生反应。有害锈则以粉状锈为代表，它是一种恶性膨胀的铜锈，其质地疏松呈粉状易脱落，文物界称之为“青铜病”，还会“传染”。粉状锈的主要成分是碱式氯化铜，其化学式为CuCl2·3Cu（OH）2。氯离子、溶解氧、潮湿环境是造成粉状锈产生的主要原因。

青铜器腐蚀本质上是金属腐蚀，因受环境影响而发生化学反应或电化学作用引起金属的变质或损坏。金属腐蚀受到多重因素的综合影响，其中自身因素主要是化学成分、元素分布、是否含有杂质以及其热力学稳定性等。环境因素主要包括环境之中是否含有杂质或易于氧化变质的物质、有无缓蚀剂、腐蚀产物的性质和分布等。除此之外温度、湿度、压力、放射性辐照等也是重要因素。研究者们通过电化学测试分析发现，随锡含量增加，锡青铜的耐腐蚀性增强。

青铜器腐蚀问题涉及到化学教学中电化学、金属的腐蚀与防护等问题，可在相关教学中引入青铜器腐蚀的素材。电化学的内容一直是教学的重难点，学生容易出现畏难情绪而有所抵触和懈怠。教师若能结合青铜器这一新颖独特而又有价值的素材，引领学生进行探究，不仅能激发学生的兴趣，还能将复杂而抽象的理论直观化，有助于学生对原理的理解，同时深刻感知化学理论对于实践的重要意义。

2.3.2 青铜器的污染

随着大量青铜器产业的发展，工业制造所产生的污染也难以避免。青铜器的主要成分为铜元素，尽管铜元素是人体所必需的微量元素，但含量超标就会产生毒性作用。铜元素中毒引发疾病，轻则腹泻恶心，重则昏迷甚至死亡。同时吸入铜盐粉尘可能会引起鼻隔膜穿孔，若大量沉积在肺部可能会导致肺癌和肝癌。这部分的资源可以融入化学元素与人体健康的学习，让学生对铜元素等重金属中毒的机理和症状有新的认识，同时辩证地看待每一种物质。

2.4 青铜器的保护与修复

青铜器的保护与修复方法多样，包括物理方法和化学方法。物理方法，如机械法、超声波法。化学方法，有酸碱法去锈、局部封闭法、金属缓蚀剂、电解还原去锈、电化学还原去锈、铜及铜合金的涂装等。化学除锈和保护应在除去有害锈的同时，保存无害锈，使文物的特征颜色不被改变，修旧如旧，保留文物上原有的考古信息。根据青铜器的锈蚀形成的原理，化学除锈主要目的是清除锈层中的氯离子，同时隔绝空气中的氧气和二氧化碳，防止氧化和保持表面干燥。因此主要分为除锈和防护两个环节，应根据实际情况选择合适的处理方法。下文是具有代表性的三种方法[11～14]。

首先是倍半碳酸钠浸泡法。倍半碳酸钠（NaHCO3·Na2CO3·2H2O）溶液是一种弱碱性的缓冲溶液，一般用5%的浸泡液浸泡，由于CO2-3可以使含氯有害锈转化为碱式碳酸铜，而碱式碳酸铜是一种稳定的铜锈，它使铜锈古斑能够长期保存。这种浸泡需要很长时间才能使铜器表面颜色变成绿色，期间要不断地更换溶液，需要大量的药品溶液，而且处理过的青铜器表面由于氧化而发黑。化学反应为Cu2（OH）3Cl+CO2-3CuCO3·Cu（OH）2+OH-+Cl-。其次是氧化银（Ag2O）局部封闭法。用乙醇将氧化银调制成糊状，涂抹在锈蚀的器物上。氧化银在潮湿的条件下遇氯化物，形成氯化银的棕褐色角银膜，从而将含有氯化亚铜的病区封闭起來。反应的方程式为Ag2O+2CuCl2AgCl+Cu2O。它不适合大面积处理，适用于斑点状“粉状锈”局部腐蚀的器物。还有缓蚀保护法。苯并三氮唑（C6H4N2·NH）保护法，1965年开始用于保护青铜器，已被国际上公认为理想方法。苯并三氮唑是一种奶白色的针状结晶，比重很小，其熔点为96～100℃，易溶于醇、丙酮、氯仿等有机溶剂中，在水中溶解度很小。苯并三氮唑能与铜及铜盐形成较为稳定的配合物，在青铜器表面形成一层透明保护膜。反应的方程式为2Cu+O2+4C6H4N2·NH2（C6H4N2·N）2Cu+2H2O。用脱脂溶剂也很难去除掉它，阻止了器物的进一步腐蚀。

青铜器的保护与修复涉及到的内容依然是以电化学为主，教学中引入这部分素材可以作为青铜器腐蚀学习的延续，以系列探究的方式让学生形成更加完善的认识系统。同时可以让学生亲自动手体验除锈过程，在做中学。通过实验探究与深度思维的有机结合，突破电化学学习困难的瓶颈，落实学科核心素养。

2.5 青铜器的鉴别与仿制

2.5.1 青铜器的鉴别

作为文物的青铜器价值极高，以致市面上出现大量的仿制品。目前，考古学家们使用现代化学、冶金学等技术和仪器来进行青铜器真伪的判别，取得了良好的效果。在鉴定青铜器的研究中，比如检测器物的年代、结构、物相及组成等，科学手段起了重要的作用。主要内容如表3所示。

上述主要的科学检测手段，部分教材中有所呈现，如C-14、 X射线衍射、核磁共振、质谱、X射线光电子能谱。但是这些技术都较远离学生的直接经验，学生难以感受到它们的实际应用。如果引入青铜器相关素材，则有利于学生更深入地认识这些技术背后的原理，同时感知科技在实践中的重要价值。有部分内容是学生没有接触过的，如原子力显微镜、激光拉曼光谱等。原子力显微镜，通常用来检测物质的表面结构;激光拉曼光谱分析，是对结构和物相的研究，原理是电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。

同时，金相分析、原子发射光谱、原子吸收光谱、热分析法以及元素分析法等都是在青铜器的鉴定中所应用的检测方法。这些检测方法通过对青铜器本体、锈蚀进行检测[15～17]，判断其真假与年代，为历史学家探寻青铜器的奥秘提供便利的途径。尽管仪器分析相关内容在中学化学中涉猎较少，但是物质结构的测定等却是重要的学习内容。如果循着科技工作者探秘青铜器的路径，以化学的眼光寻找历史痕迹，可以在很大程度上激发学生的探究欲，从而体验技术手段在科学研究中的重要作用。

2.5.2 青铜器的仿制

在文化传承的过程中，如何复原、仿制古代青铜器是一个重大问题。经过前人的不断探索，形成了较为完善的工艺流程[18]，如表4所示。包括化学材料的选定、铸形的准备、化学材料的配制、浇铸、起模、修整、铸镀、粗化处理、化学处理、化学腐蚀、敏化处理、化学沉银、化学沉铜、镀铜、着古铜色、产品检验等过程。

青铜器的仿制过程涉及的教学模块较多，内容十分丰富，例如有机化学、酸碱盐、电镀、配合物知识等。教师可以根据实际教学情况，适当地设计综合性项目式教学，如“仿制一件青铜鼎”等，将相关部分的内容有机融合起来，为学生创造动手操作的机会，同时激发他们的高阶思维，创造性地完成这项实践任务。学生的实践能力、创新精神等重要素养，在活动中自然而然地形成。

3 青铜器作为教学资源的建议与策略

3.1 变革教学方式，拓展教学空间

长期以来，化学教学受到时间和空间的限制，隔离了与社会、生活的天然联系。一方面，使得学生认为化学学习就是冷冰冰的知识记忆，失去了主动探索的兴趣和欲望。另一方面，教师过于注重知识的单向传递，忽视学生知识形成的心理过程，也阻滞了教师的专业成长。青铜器教学资源的开发，能够让学生从化学視角直接感受古代璀璨的文明。从教室走向博物馆、从书本知识走向实验探索，从被动到主动、从间接到直接，实现学生与文物的直接对话。如三星堆博物馆再现了“长江文明之源”，价值极高，又极富观赏性。其中设有青铜专馆，内容与展线节奏动静结合，波澜起伏，融知识性、故事性、趣味性于一体，有力地揭示了三星堆文物的深刻内涵。四川省部分中学将三星堆博物馆作为学生重要的研学基地，极大地激发了学生的学习热情，部分学生对青铜器几近痴迷，不少曾参与活动的中学生明确表示，将有志于从事青铜器的研究。

3.2 整合教学内容，解构教学资源

网络时代学生知识的来源极为丰富，然而信息真伪的鉴别以及系统性的缺失，是一个难题，反映在教学上，就是要培养学生的批判性思维能力和优化完整的认知体系。很显然，单个知识点的教学是无法达成的。我们只有整合教学内容，对一个复杂情境进行系统的分析与研究，才能够学以致用，养成灵活的迁移能力。如青铜器作为文物，若将相应的情境内容、文物素材与对应的化学教学内容有机结合起来，为教学提供新颖的组织材料，就会事半功倍。例如青铜的成分内含元素化合物、物质分类等，让学生在认识和了解青铜器的组成时，更好地理解合金的概念与性质。青铜器的冶炼和铸造，让学习更加全面了解金属的冶炼、工业流程等相关实践内容。青铜的腐蚀问题，学生不仅可以学习到腐蚀机理，同时可以以此延伸并归纳金属腐蚀的特点，为腐蚀治理和文物修复的学习奠定基础。特别是基于青铜器仿造的项目式学习，对学生综合素养的提升具有重要价值。可以发现，青铜器这一素材可以作为化学学习的一个“晶核”，让学生围绕这个核形成美丽的核心素养晶体。

3.3 升华教学目标，增强文化自信

教学目标从“双基”到“三维目标”，再到“核心素养”，彰显了跨越式的时代进步。实践中教学目标的设计，无疑要从化学知识、专业技能、科学思想和研究方法、态度与精神等多方面切入。我们不能再局限于静态的课堂、机械的知识，要注重学生的动手操作、动脑思考与手脑并用，提升学生的综合素养。青铜器资源的教学价值，除了形而下的知识与能力，更重要的是一种文化自信。复杂的历史原因，让我们在很长的时期内落后于西方。如今处于中华民族伟大复兴的时代，需要增强文化自信，砥砺前行。正如习近平同志所说，“没有高度的文化自信，没有文化的繁荣兴盛，就没有中华民族伟大复兴”。对比国内外青铜文明的形成与发展，就青铜器的使用规模、艺术创造、技术发展等方面而言，世界上任何一个地方的青铜器都难以与中国比拟，这也奠定了我国在青铜器文明上的世界地位。学生在真实的情境中，感受到了中华民族的源远流长、生生不息。然而需要提及的是，文化自信并非盲目自负，我们要在保持自身优秀传统文化的同时，更要海纳百川，才能止于至善。

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