周媛媛 周子藝

STEM 是一個(gè)基于自然學(xué)習(xí)模式的教學(xué)框架，在科學(xué)、技術(shù)、工程等知識(shí)的探索中融入人文、藝術(shù)、歷史等學(xué)科，在課程培養(yǎng)過程中加強(qiáng)人文核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。南京博物院作為我國第一座由國家投資興建的大型綜合類博物館，有著悠久的建院歷史和豐富的館藏資源，可以說是一個(gè)在STEM 課程發(fā)展時(shí)代融合各個(gè)學(xué)科非常好的載體。為此，我校與南京博物院合作設(shè)計(jì)開發(fā)了“博物館課程”，為培養(yǎng)南外學(xué)子的創(chuàng)新能力和學(xué)科融合能力，尤其在加強(qiáng)人文核心素養(yǎng)培養(yǎng)方面，找到一條打通文理的學(xué)科融合之路。

本節(jié)課源于選修明清文物修復(fù)課程的一個(gè)學(xué)習(xí)小組的探究匯報(bào)課題，該小組的學(xué)生在博物館課程中對(duì)瓷器紅釉產(chǎn)生了濃厚興趣，他們從紅釉的前世今生說起，提出了“古法今析”的思考。學(xué)生從高中所學(xué)化學(xué)知識(shí)入手，用化學(xué)方法來推斷紅釉的燒制方法，并向老師提出“如何便捷可控地制備出成分、顏色、質(zhì)地均接近于古代瓷器的銅紅釉仿色劑”的問題。此次探究實(shí)驗(yàn)涵蓋了歷史、化學(xué)等學(xué)科，運(yùn)用學(xué)科融合，發(fā)展學(xué)生思維，培養(yǎng)家國情懷，弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化，取得了良好的教學(xué)效果。具體實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)過程如下。

從課題小組的研究展示中，我們了解到，紅色在瓷器文化中是不可或缺的一部分，而銅紅釉的燒制在古代是非常困難的?，F(xiàn)今利用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)以及現(xiàn)代技術(shù)手段，我們能否便捷、可控地制備出成分和顏色與這些古代瓷器相接近的，用于瓷器修復(fù)的銅紅釉仿色劑呢？

探究一：銅紅釉的主要成分是什么？

師：要想制備出成分與古代銅紅釉瓷器相近的仿色劑，首先要了解銅紅釉中顯色的主要成分。我們學(xué)過哪些含銅的物質(zhì)是紅色的呢？

生：單質(zhì)銅、氧化亞銅……

師：沒錯(cuò)，在我們常見的含銅元素的物質(zhì)中，銅單質(zhì)和氧化亞銅都是紅色的。通過查找資料，我們獲得了下面兩個(gè)信息——

資料一：

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資料二：銅紅釉的燒成溫度為1100 ～1200℃，在還原氣氛中燒成，氧化氣氛中冷卻。

師：根據(jù)所給的資料，你認(rèn)為銅紅釉的主要顯色成分是什么？

生1：我認(rèn)為銅紅釉的主要顯色成分是氧化亞銅，因?yàn)樗谶€原氣氛中燒成后又在氧化氣氛中冷卻，銅元素應(yīng)該處于中間價(jià)態(tài)。

師：同學(xué)們有沒有其他想法或補(bǔ)充？

生2：我也覺得銅紅釉中的主要顯色成分應(yīng)該是氧化亞銅，因?yàn)闊蓽囟仍?100℃以上，這個(gè)溫度超過了銅的熔點(diǎn)，液態(tài)的銅可能會(huì)流動(dòng)，也可能會(huì)揮發(fā)而損失，而氧化亞銅不會(huì)。

師：如今科學(xué)家利用電子顯微探針等現(xiàn)代技術(shù)手段，對(duì)銅紅釉中銅的分布情況進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)與同學(xué)們的推斷相吻合，銅紅釉中的發(fā)色團(tuán)主要是氧化亞銅。

探究二：有哪些方法制備氧化亞銅？

師：既然銅紅釉的主要生色成分是氧化亞銅，那么你知道有哪些方法可以制備氧化亞銅呢？

生：我們?cè)谇捌谘芯恐辛私獾剑诟邷叵逻€原氧化銅，制備氧化亞銅的方法與銅紅釉窯內(nèi)燒成的過程較為接近。

師：大家在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過這個(gè)反應(yīng)，當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為生成的紅色物質(zhì)為銅。而向試管冷卻后的剩余固體中加入少量鹽酸，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了白色的氯化亞銅沉淀，這個(gè)特征現(xiàn)象說明紅色固體中含有氧化亞銅。但這個(gè)方法需要較高的溫度，我們有沒有學(xué)習(xí)過其他一些方法，可以在較低溫度下制備氧化亞銅呢？（學(xué)生有些困惑，表示想不起來了）

師：要想把化合物中銅元素的化合價(jià)從正二價(jià)降低至正一價(jià)，需要加入還原劑，那么在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，有沒有通過氧化還原反應(yīng)，生成氧化亞銅的例子？

生3：新制氫氧化銅可以氧化醛基，生成氧化亞銅的磚紅色沉淀。

生4（補(bǔ)充）：這也是生物課上利用菲林試劑檢驗(yàn)還原糖的原理。

師：非常好！以葡萄糖為例，我們來回憶一下該反應(yīng)的原理。具體實(shí)驗(yàn)過程主要分為兩步，首先將硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液混合制備菲林試劑，再加入葡萄糖，水浴加熱，即可得到磚紅色沉淀氧化亞銅。這個(gè)方法與高溫還原法相比有什么優(yōu)點(diǎn)？

生5：反應(yīng)溫度較低。

生6：產(chǎn)物便于分離。

生7：原料易得，污染較小。

師：基于上述優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)方法更適用于實(shí)驗(yàn)室制備氧化亞銅。根據(jù)給出的反應(yīng)原理，大家認(rèn)為有哪些因素可能會(huì)影響制備效果？

探究三：如何優(yōu)化條件制備銅紅釉仿色劑？［1］［2］

生：溫度、反應(yīng)物濃度……

師：大家提出了很多影響因素，為了細(xì)化實(shí)驗(yàn)方案，節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，老師進(jìn)一步查找了資料，發(fā)現(xiàn)氫氧化銅在80℃時(shí)會(huì)分解為氧化銅和水，那么為了保證反應(yīng)速率的同時(shí)避免副反應(yīng)的發(fā)生，我們將水浴溫度設(shè)定在75℃。同時(shí)，為了將氫氧化銅全部轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸~，防止藍(lán)色物質(zhì)剩余對(duì)產(chǎn)物顏色產(chǎn)生影響，需要加入過量的葡萄糖，因此，老師給大家準(zhǔn)備了1mol/L CuSO4溶液、2mol/L NaOH 溶液、飽和葡萄糖溶液等試劑和試管、燒杯、移液槍、恒溫水浴鍋、離心機(jī)、離心管等儀器。

師：為了控制變量及便于離心，我們規(guī)定加入飽和葡萄糖溶液的體積為2mL，加入的總液體量為5mL，請(qǐng)大家分小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過改變硫酸銅或氫氧化鈉溶液的用量，探究反應(yīng)物濃度對(duì)制備效果的影響，注意在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中需要控制變量。

（學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并交流。教師針對(duì)學(xué)生選擇的變量及每組實(shí)驗(yàn)用量的梯度間隔以及設(shè)計(jì)目的等進(jìn)行提問）

師：大家已經(jīng)依據(jù)反應(yīng)原理和探究原則設(shè)計(jì)好了實(shí)驗(yàn)方案，請(qǐng)依據(jù)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，向離心管中加入依次試劑，充分混合后放入恒溫水浴鍋中加熱2 分鐘，離心，倒去上層溶液。

（學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）

師：我們請(qǐng)兩個(gè)小組派代表匯報(bào)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

小組代表1：我們選擇的變量是硫酸銅的用量，每組選擇的用量梯度0.50mL，氫氧化鈉溶液的用量為1.00mL，我們發(fā)現(xiàn)硫酸銅加入0.50mL 的這一組制備效果最好。

小組代表2：在制備過程中我們發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)物濃度較高時(shí)，將離心管放入水浴鍋中加熱之前就開始發(fā)生顏色變化了。另外，由于反應(yīng)物中有固體，為了保證充分反應(yīng)，可利用移液槍吸打，將懸濁液中的氫氧化銅與溶液充分混合，以免有藍(lán)色固體殘留在離心管內(nèi)壁。

師：今天我們從銅紅釉仿色劑的制備入手，討論了物質(zhì)制備時(shí)反應(yīng)條件的優(yōu)化，正如同學(xué)們所總結(jié)的，反應(yīng)物濃度、加熱溫度甚至混合方式等均有可能對(duì)產(chǎn)物的制備效果產(chǎn)生影響。而在制備物質(zhì)的全過程中除了反應(yīng)條件，還需要考慮原料的來源及凈化、裝置的選擇與優(yōu)化，以及產(chǎn)品的收集和純化等。制備一般物質(zhì)思路圖可見圖1。我們可以把上述思路遷移到其他物質(zhì)的制備中。比如除銅元素外，鐵元素在釉料的顯色元素中也十分常見，當(dāng)釉料中含不同量的鐵元素時(shí)，在不同條件下可以燒制成黃色、青色、黑色等不同的色釉，課后大家可以利用我們今天總結(jié)的方法，進(jìn)行鐵釉等其他顏色釉的成分研究及仿色劑的制備。

圖1 制備物質(zhì)的一般思路

本堂課指向?qū)W科素養(yǎng)培育，利用豐富的博物館資源，為學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、合作探究提供了良好的條件，并豐富了學(xué)生的知識(shí)體驗(yàn)，拓展了學(xué)生的理論寬度，增強(qiáng)了學(xué)生的綜合能力。運(yùn)用學(xué)科融合、文理并蓄，發(fā)展學(xué)生思維，培養(yǎng)家國情懷，弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化，培養(yǎng)學(xué)生真正帶得走的能力。