李佳軒，鄒培杰，陳晗萏，黃又舉，章鵬飛，徐偉明,＊

1杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，杭州 311121

2杭州師范大學(xué)公共管理學(xué)院，杭州 311121

文化是民族的根脈，只有擁有強(qiáng)健的文化根基，才有各個(gè)領(lǐng)域的枝繁葉茂和整個(gè)民族的健康發(fā)展。我國將在本世紀(jì)中葉建成世界科技強(qiáng)國，而科學(xué)文化建設(shè)將在這一進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，在高校化學(xué)類課程的教學(xué)中，充分利用好、傳承好我國傳統(tǒng)文化中的化學(xué)因素，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生在未來的科學(xué)發(fā)展和科學(xué)文化建設(shè)上貢獻(xiàn)力量，是課程教學(xué)的應(yīng)有之義，也是化學(xué)類課程契合思政建設(shè)改革的重要方向。

化學(xué)與人類文明是一門講述化學(xué)科技史與人類文明史相生相息關(guān)系的通識(shí)課程。雖然輝煌悠久的文明史使得我國在古代擁有著領(lǐng)先于世界的科技發(fā)展水平，然而，今天提起科學(xué)與技術(shù)，很多人難免聯(lián)想到的是諸如牛頓、愛因斯坦、居里夫人等一眾西方科學(xué)家的赫赫大名和以邏輯、理性著稱的西式思維方式和研究方式。為了打破這一片面的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)上必須向?qū)W生闡釋科學(xué)和技術(shù)并非是西方起源的舶來品，邏輯與理性的思維方式也并非西方的專屬，這需要教師從古代科技典籍中選取實(shí)例進(jìn)行教學(xué)。在我國眾多優(yōu)秀的古代科技典籍中，宋應(yīng)星著述的《天工開物》可謂是中國古代科技史上里程碑式的著作。其以簡(jiǎn)明的文筆、獨(dú)特的視角和詳細(xì)的描述，介紹了我國古代勞動(dòng)人民在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了科技和文化的相融，傳至西方以后被譽(yù)為“中國17世紀(jì)的工藝百科全書”，以直接或間接的方式推動(dòng)了18世紀(jì)歐洲的技術(shù)進(jìn)步。在本課程設(shè)計(jì)上，我們考慮將古代科技文獻(xiàn)與課程知識(shí)點(diǎn)加以結(jié)合與詮釋，堅(jiān)持思想政治導(dǎo)向，將思政元素有機(jī)融入，做到上好化學(xué)課的同時(shí)上好思政課，在課程教學(xué)中將“科技傳承”與“文化自信”有機(jī)結(jié)合起來。

通過在課程中詮釋《天工開物》這一古代科技文獻(xiàn)中與化學(xué)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)比古人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與今人的科技發(fā)展，同時(shí)在教學(xué)實(shí)踐中完整保留學(xué)生自主觀察問題、解決問題、激發(fā)思維的學(xué)習(xí)自主權(quán)[1]，我們立足中國的傳統(tǒng)科技文化，向?qū)W生講好中國故事。通過思想導(dǎo)向和思政元素引領(lǐng)，使得學(xué)生在中國傳統(tǒng)視角下的科學(xué)體系中感悟古代勞動(dòng)人民的智慧，了解中國古代的科技思想，增進(jìn)對(duì)化學(xué)與人類文明之間關(guān)系的理解，尤其是樹立民族的自豪感和推動(dòng)科學(xué)發(fā)展的自信心，進(jìn)而樹立一種科技和文化上的雙重自信，促進(jìn)科技強(qiáng)國建設(shè)。

1 天工人代——從經(jīng)驗(yàn)總結(jié)到現(xiàn)代科技

《天工開物》開篇有這樣一句話，“為方萬里中，何事何物不可見見聞聞”[2]，正是一種認(rèn)為萬事萬物都有其運(yùn)行規(guī)律，可以通過觀察實(shí)踐形成理論的觀點(diǎn)。這一認(rèn)知同近代西方自然科學(xué)的邏輯思維和研究方法基本一致，有其相通性。在先秦時(shí)期，人的工作被完全看成是天意的實(shí)現(xiàn)，人取得的成果是上天的恩賜，而《天工開物》隱含的“天工人代”的思想則是人可以尋找、發(fā)現(xiàn)進(jìn)而運(yùn)用自然規(guī)律。人及其實(shí)踐活動(dòng)的價(jià)值，在文明持續(xù)發(fā)展和不斷的科技進(jìn)步中得以凸顯。

以化學(xué)與人類文明課程為主線，我們?cè)谝韵氯齻€(gè)章節(jié)中選取一到兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)照《天工開物》的具體篇章加以詮釋，如表1所示，加深學(xué)生對(duì)我國古代科技成果及科技思想的認(rèn)識(shí)；通過古今對(duì)照，使得學(xué)生感受到古人智慧，樹立起民族自豪感，最終對(duì)傳承好古代科技和在未來發(fā)展好現(xiàn)代科技有一定的信心。

表1 化學(xué)與人類文明與《天工開物》的有機(jī)融合示例

1.1 化學(xué)與能源

1.1.1 薪火相傳的天然氣

《天工開物》的作咸篇在描述四川西部的井鹽生產(chǎn)時(shí)記述道：“西川有火井，事奇甚。其井居然冷水，絕無火氣，但以長(zhǎng)竹剖開去節(jié)，合縫漆布，一頭插入井底，其上曲接，以口緊對(duì)釜臍，注鹵水釜中。只見火意烘烘，水即滾沸。啟竹而視之，絕無半點(diǎn)焦炎意?！钡叵戮谷宦癫刂≈槐M卻無跡無形的燃料，不禁讓作者感嘆：“未見火形而用火神，此世間大奇事也。[2]”

這種“火井熬鹽”的生產(chǎn)工藝實(shí)際上正是我國古代勞動(dòng)人民因地制宜使用天然氣的奇思妙想，古人還發(fā)現(xiàn)了天然氣可以完全燃燒不留殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)(圖1)。而根據(jù)晉代文獻(xiàn)《華陽國志》的記載，中國人民不僅在世界上最早開發(fā)利用了天然氣，使用的還是竹管輸氣的管道天然氣，不僅用于井鹽生產(chǎn)也用于日常生活[3]。到明中期，四川地區(qū)輸氣管線總長(zhǎng)達(dá)到了二、三百里之巨，不得不說這是人類能源史的奇觀。在今天，便捷的管道天然氣通到千家萬戶，又有誰會(huì)想到兩千多年前的古人跟我們用的是一樣的技術(shù)。

圖1 (a) 甲烷水合物在甲烷-水氣液界面的生成過程示意圖[4]；(b) 可燃冰試采現(xiàn)場(chǎng)；(c) 甲烷和甲烷水合物燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式

從化學(xué)的角度看，天然氣的主要成分是以甲烷(CH4)為主的烴類，密度小于空氣，無色、無味、無毒，是一種安全理想的燃料，屬于清潔能源。專家預(yù)測(cè)，我國的天然氣資源總量可達(dá)40-60萬億立方米，可以說是一個(gè)天然氣資源大國。近年來科學(xué)家在南海底部發(fā)現(xiàn)了天然氣的水合物——可燃冰，這種物質(zhì)是一種籠型結(jié)晶化合物，在低溫高壓的環(huán)境中生成，生成過程如圖1a所示[4]。它不僅擁有氣態(tài)天然氣燃燒后不產(chǎn)生任何殘?jiān)陀卸練怏w的優(yōu)點(diǎn)，而且1立方米可燃冰能夠釋放出約164立方米的天然氣，能量密度巨大，因而被稱為“能滿足人類使用1000年的新能源”，是各國能源領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。

為了有效利用南?？扇急@座“能源寶庫”，我國的科研人員付出了“十年磨一劍”的恒心與努力，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題。從2007年6月首次于南海神狐海域發(fā)現(xiàn)了可燃冰樣品，到2017年南海可燃冰試采點(diǎn)火成功(圖1)，科研人員依靠自主創(chuàng)新技術(shù)，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量”和“日均產(chǎn)氣量”的兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。在“火井”被燃起的千年之后，我國的天然氣綜合開發(fā)能力薪火相傳，又一次站在了世界前列，完成了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的突破，向著實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)邁進(jìn)，將有效保障我國的能源安全[5]。

這一部分的教學(xué)，我們從日常生活常見的天然氣切入，通過對(duì)古代文獻(xiàn)的解讀，使得學(xué)生有一種時(shí)空重疊的感覺，直觀感受到古人的智慧。再通過對(duì)可燃冰的綜合開發(fā)進(jìn)行介紹，將我國科技工作者的重大突破置于人類文明史的歷史長(zhǎng)河中，根植過去、立足當(dāng)下、展望未來，古老的天然氣開發(fā)領(lǐng)域也有新的活力，鼓勵(lì)學(xué)生樹立科研創(chuàng)新、服務(wù)社會(huì)的理想，勤勉鉆研，取得突破。

1.1.2 化工原料之母：煤炭

我國是煤炭資源大國，也是世界上最早開發(fā)利用煤炭的國家，先秦典籍《山海經(jīng)》中就將煤炭稱為“石涅”，到了明代首次使用了“煤”這一名稱。在《天工開物》燔石篇中，不僅指出煤炭在我國的地理分布“普天皆生”，還指出了當(dāng)時(shí)煤炭的主要用途是“鍛煉金石”[2]。

在煤炭這一重要燃料的開采上，燔石篇中記述：“初見煤端時(shí)，毒氣灼人。有將巨竹鑿去中節(jié)，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施拾取者。[2]”遠(yuǎn)古植物在堆積成煤的初期，經(jīng)過微生物的分解作用和高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境伴生了大量的瓦斯，這種氣體也屬于天然氣的一種。然而煤礦生產(chǎn)的主要目的是挖掘煤炭，煤炭深埋地下，作業(yè)往往在狹小的地下空間內(nèi)，開采過程中瓦斯達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)使人窒息，如果不慎遇到明火也可能發(fā)生爆炸，嚴(yán)重威脅到了煤礦的生產(chǎn)安全，這就是所謂“毒氣灼人”的原因。古人利用瓦斯比空氣密度低的特點(diǎn)，通過竹制管道向上排氣，保障井下的作業(yè)安全。在今天的煤礦生產(chǎn)中防止瓦斯集聚最有效而廣泛使用的方法同樣是用管道將瓦斯抽到地面，稱為瓦斯抽放，雖然技術(shù)水平有質(zhì)的飛躍，但是思路上可以說完全一致[6]。此外煤礦也伴生有多種礦物，通過提煉古人得到“皂礬”(FeSO4·7H2O)與“硫磺”(S)兩種物質(zhì)，這也讓我們感慨古人善于利用資源的智慧。

在今天，煤炭不再簡(jiǎn)單地作為一種燃料，而是成為了化工原料之母?？此葡駢K黑色石頭的煤炭，其實(shí)蘊(yùn)含大量有機(jī)質(zhì)，水分和礦物質(zhì)的含量很少，如果僅僅用作燃料效益很低。煤的氣化、液化和干餾三大工藝使得我們可以從煤中獲得多種有機(jī)化合物，經(jīng)過煤化工的綜合利用，這些化合物不僅可以用作燃油，還可以用作化肥和塑料等工業(yè)產(chǎn)品的原料，如圖2所示[7,8]。當(dāng)然，煤炭作為一種優(yōu)良的燃料在發(fā)電、冶金等工業(yè)領(lǐng)域還在發(fā)光發(fā)熱，但是由于煤炭含有硫等成分，直接燃燒會(huì)導(dǎo)致酸雨等環(huán)境危害，用作燃料的煤炭也必須進(jìn)行脫硫等處理以保護(hù)環(huán)境。

圖2 (a) 煤炭燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式；(b) 硫酸型酸雨形成的化學(xué)反應(yīng)方程式；(c)煤炭的綜合利用示意圖

隨著我們對(duì)煤炭認(rèn)識(shí)的深入，相較于古人，我們能夠更好地保證煤炭開采的安全，更好地利用好煤炭中的各種化學(xué)物質(zhì)，也能更好地消除環(huán)境污染。通過教學(xué)，我們不僅使得學(xué)生了解我國古代的煤炭開發(fā)和利用情況，也對(duì)現(xiàn)代煤炭的綜合利用有所了解，更幫助學(xué)生樹立了綠色化學(xué)和環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)。

1.2 化學(xué)與生命：制曲

發(fā)酵是微生物催化下的化學(xué)反應(yīng)。古人雖沒有明確地認(rèn)識(shí)到發(fā)酵的本質(zhì)是不同真菌在有氧與厭氧環(huán)境的不同應(yīng)用，只是簡(jiǎn)單地按用途或形態(tài)將其稱為“酒曲”“紅曲”等，但在《天工開物》曲蘗篇中也總結(jié)出了一套制曲的一般規(guī)律。

古人在制作“酒曲”時(shí)，需“用楮葉包扎，懸風(fēng)處，或用稻秸掩黃”；在制作“面曲”時(shí)，需“和踏成餅，楮葉包懸，與稻秸掩黃”；在制作“藥曲”時(shí)，需“過礬水一次，然后分散入篾盤，登架乘風(fēng)”。而如果有“毫滓穢”進(jìn)入，“則敗乃事也”。由此可見，古人意識(shí)到不同的“曲”，即不同的微生物，需要不同的繁殖環(huán)境。此外，古人還認(rèn)為在空氣中存在著某種看不見的物質(zhì)，可以影響“曲”的形成，從而形成了用包裹密封、保持通風(fēng)的方法減少外界污染的經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)[2]。

曲蘗篇中還記載了一種可以藥用和防腐的“丹曲”的制作：“凡曲信必用絕佳紅酒糟為料。每糟一斗，入馬蓼自然汁三升，明礬水和化。[2]”今天我們認(rèn)識(shí)到這一菌種就是紅曲霉菌，在現(xiàn)代食品工業(yè)中依然在釀制黃酒、制作腐乳、食品著色中發(fā)揮著重要作用。紅曲霉菌耐酸性，而明礬為硫酸鉀鋁(KAl(SO4)2·12H2O)，溶于水呈弱酸性，在培養(yǎng)基中可有效抑制雜菌繁殖，這顯示出古人早已掌握酸堿性環(huán)境對(duì)微生物繁殖的影響。同時(shí)，紅曲霉菌喜歡在30 °C左右的恒溫條件下繁殖生長(zhǎng)。在沒有保溫設(shè)備的古代，為了在自然條件下控制紅曲霉菌的繁殖溫度，工匠創(chuàng)造了打堆和分堆的辦法，巧妙地利用了紅曲霉菌的呼吸作用這一放熱反應(yīng)來調(diào)節(jié)品溫，既節(jié)約了能源，又降低了成本。通過對(duì)紅曲霉菌的進(jìn)一步研究，其代謝產(chǎn)物中的莫納可林是醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的降低膽固醇的理想藥物，洛伐他汀也具有很強(qiáng)的降低膽固醇的作用，基于此我國一些紅曲藥物相繼問世，如脂必妥、紅曲膠囊、血康膠囊等，在新型健康食品加工領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用[9,10]。

如今，我們認(rèn)識(shí)到生物催化是各種微生物和酶在起作用，在生物化學(xué)的作用下才造就了許多美食和美酒。小小的“曲”有大大的學(xué)問，雖然古人并沒有現(xiàn)在系統(tǒng)性的微生物學(xué)和生物化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，但是通過觀察和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)也摸索出了有效培育特定微生物的方法，實(shí)在難能可貴。通過解讀文獻(xiàn)，使得學(xué)生了解生物催化的相關(guān)情況，日常生活中常見的白酒、饅頭、腐乳都是由古代傳承下來的生物催化實(shí)例，這些古老的生物催化領(lǐng)域依舊有著很高的研究?jī)r(jià)值。在教學(xué)中我們拉近了學(xué)生與化學(xué)和生物催化的距離，使得學(xué)生感受到古代科技一直在我們生活中傳承并且在繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。

1.3 化學(xué)與材料

1.3.1 瓷器與瓷國

從商周遺址中略顯粗糙的原始瓷，到海上絲綢之路行銷海外的珍寶，不起眼的瓷土在一代代工匠巧手的周轉(zhuǎn)變幻中變?yōu)橐患赖拇善?。瓷器是中國人民?dú)特的發(fā)明創(chuàng)造，不僅實(shí)用，還反映了各個(gè)時(shí)期社會(huì)生活的審美情趣，這種對(duì)瓷器的喜愛歷經(jīng)千年已經(jīng)完全融入我們的民族文化之中，瓷器成了中國傳統(tǒng)文化的一個(gè)重要符號(hào)。

瓷器脫胎于陶器，兩者有所區(qū)別但又極為相似。從陶到瓷的發(fā)展，一方面是燒制溫度有很大的提高，陶的燒制溫度在1200 °C以下，而瓷的燒制溫度在1200 °C以上；另一方面是胎質(zhì)不同，陶胎使用黏土或陶土即可，而瓷胎則需要高嶺土與瓷石、石英石、莫來石等調(diào)制而成的瓷泥。陶埏篇中記載景德鎮(zhèn)的瓷器“土出婺源、祁門兩山：一名高梁山，出粳米土，其性堅(jiān)硬；一名開化山，出糯米土，其性粢軟。兩土和合，瓷器方成。[2]”獨(dú)特的地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)成就了“瓷都”景德鎮(zhèn)。古人雖然對(duì)陶瓷的化學(xué)本質(zhì)并不清晰，但是對(duì)于原材料的選取、燒制的溫度控制等方面已經(jīng)有了一定經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。此外，《天工開物》中提到“凡諸陶器精者中外皆過釉，粗者或釉其半體”[2]，釉的發(fā)明也是古代陶瓷技術(shù)的一大突破。釉是一種玻璃質(zhì)，通過施釉，產(chǎn)品表面就變得平滑光亮、不吸濕、不透氣；釉層還能保護(hù)釉下的畫面，使之經(jīng)久耐用，還能防止彩料中有毒元素的溶出。釉的發(fā)明使得我們的陶器和瓷器不僅更加實(shí)用也兼具美觀，例如唐三彩、青花或者琺瑯彩的各種陶瓷制品[11]。

古代的陶瓷制品主要成分都是鋁硅酸鹽，稱為傳統(tǒng)陶瓷材料。燒制過程一般經(jīng)歷四個(gè)階段：在低溫階段(常溫到300 °C)主要是排除坯體的水分，使得固體的顆粒相互靠攏，屬于物理變化；隨著窯溫升高進(jìn)入氧化分解階段(300-950 °C)，此時(shí)瓷坯會(huì)排除分子結(jié)構(gòu)水，有機(jī)質(zhì)和碳素充分燃燒氧化，瓷土中的硫酸鹽、碳酸鹽分解氧化，石英在950 °C左右的時(shí)候開始熔融，使得坯體的顆粒黏合在一起，坯體的強(qiáng)度得到提高，主要發(fā)生化學(xué)變化；溫度繼續(xù)升高進(jìn)入高溫階段(950 °C至燒結(jié)溫度)，這一階段坯體液相化、收縮強(qiáng)度加強(qiáng)、重結(jié)晶充分，坯體的顆粒結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變得緊密，坯體的強(qiáng)度增大，收縮劇烈，使得坯體幾乎不吸水且沒有孔隙，其中的著色金屬氧化物也已經(jīng)充分發(fā)色；完成燒結(jié)后轉(zhuǎn)入冷卻階段，逐漸將窯溫冷卻至室溫經(jīng)過這個(gè)階段，這個(gè)階段發(fā)生液相結(jié)晶、晶型轉(zhuǎn)變、液相的過冷凝固等變化，最終制成陶瓷制品[12]。而從選材到燒制溫度的把握，一步步的工藝流程都是古人經(jīng)過無數(shù)次摸索和嘗試才得到的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為后人開辟了一個(gè)全新的材料領(lǐng)域。

通過對(duì)傳統(tǒng)陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能的研究，如今陶瓷材料的范圍得到極大擴(kuò)展，如今凡是可以借助三維成鍵并且通過成型和高溫?zé)Y(jié)所得到的燒結(jié)體均可稱為陶瓷材料。由此，陶瓷材料已經(jīng)發(fā)展出了一個(gè)龐大的材料家族，除硅酸鹽外，還包括氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、金剛石(C)、二氧化硅(SiO2)等材料，具有耐高溫、耐磨、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，在各種的高端科研領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[13,14]。中國空間站的天和核心艙中就應(yīng)用了多種陶瓷復(fù)合材料，天和核心艙霍爾推力器的腔體采用了氮化硼陶瓷基復(fù)合材料(圖3)，太陽翼伸展機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件也應(yīng)用了高性能碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料[15]。

圖3 (a) 中科院金屬研究所研制的霍爾推進(jìn)器氮化硼陶瓷基復(fù)合材料腔體；(b) 霍爾推進(jìn)器

從精美的瓷器到高精尖的材料，陶瓷材料舊貌換新顏，代表著我國的尖端科研實(shí)力隨天和核心艙翱翔九天。這部分的教學(xué)從傳統(tǒng)的陶瓷材料過渡到新型的陶瓷材料，不僅打破了學(xué)生對(duì)于陶瓷的固有認(rèn)知，同時(shí)認(rèn)識(shí)到古老的智慧帶給我們現(xiàn)代科研很大的啟示，也引導(dǎo)學(xué)生開拓創(chuàng)新，發(fā)掘傳統(tǒng)材料中新的因素取得突破。

1.3.2 鋼鐵的冶煉

從青銅時(shí)代到鐵器時(shí)代是古代生產(chǎn)力的一次飛躍，中國也是世界上較早掌握冶鐵技術(shù)的國家。根據(jù)碳含量的不同，鐵被分為生鐵(含碳量大于2%的鐵碳合金)和熟鐵(用生鐵精煉而成的比較純的鐵，含碳量約在0.02%以下)。生鐵性能為堅(jiān)硬、耐磨、鑄造性好，但性脆、不能鍛壓、幾乎沒有塑性；熟鐵質(zhì)軟，強(qiáng)度和硬度均較低，但容易變形，而鋼(含碳量介于0.02%-2.11%之間)則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)?！短旃ら_物》系統(tǒng)總結(jié)了在歷史上不斷發(fā)展完善的灌鋼法：“凡鋼鐵煉法，用熟鐵打成薄片如指頭闊，長(zhǎng)寸半許，以鐵片束包尖緊，生鐵安置其上，又用破草履蓋其上，泥涂其底下。洪爐鼓鞴，火力到時(shí)，生鋼先化，滲淋熟鐵之中，兩情投合，取出加錘，再煉再錘，不一而足。俗名團(tuán)鋼，亦曰灌鋼者是也。[2]”

灌鋼法創(chuàng)造性地將生鐵作為一種滲碳劑，高溫熔化后液態(tài)生鐵向熟鐵快速滲碳，生鐵中的碳、硅、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發(fā)生反應(yīng)去除雜質(zhì)，純化金屬組織并提高金屬品質(zhì)。此時(shí)，熟鐵因?yàn)樘嫉臐B入而成為鋼，生鐵由于脫碳也可以變成鋼，而生產(chǎn)不同含碳量的鋼只要調(diào)節(jié)生鐵和熟鐵的比例即可，縮短了冶煉時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，既增加了鋼的產(chǎn)量，又提高鋼的質(zhì)量。這一冶鐵方法還利用半連續(xù)流程進(jìn)行冶煉，例如煉鐵爐和炒鐵爐的串聯(lián)使用，鐵礦石煉成生鐵進(jìn)而煉成熟鐵，生產(chǎn)流程連續(xù)進(jìn)行，較最早需要千錘百煉以去除雜質(zhì)的“百煉鋼”尤其省工省時(shí)。這一技術(shù)與現(xiàn)代的鋼鐵生產(chǎn)思想上非常一致，集中體現(xiàn)了減少中間環(huán)節(jié)、節(jié)約成本、注重提高效率的先進(jìn)工藝思想。高溫條件下煉鋼過程中的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

工欲善其事，必先利其器，各類金屬的冶煉始終與人類文明的進(jìn)程息息相關(guān)。今天，鋼鐵產(chǎn)量依舊是衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，但是普通的鋼鐵已經(jīng)滿足不了時(shí)代的需求，各種先進(jìn)鋼鐵材料的研發(fā)和生產(chǎn)是未來鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要方向，例如應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高檔軸承鋼、應(yīng)用于能源輸送領(lǐng)域的高強(qiáng)厚壁直縫埋弧焊管、應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域的低溫韌性結(jié)構(gòu)鋼板等[16,17]。

通過對(duì)灌鋼法的講解，學(xué)生不僅對(duì)古代冶鐵技術(shù)有了一定的認(rèn)識(shí)，也對(duì)現(xiàn)代鋼鐵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展有一定了解。古人的技術(shù)今天看來已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代，但是他們的思想和創(chuàng)造力依舊值得我們學(xué)習(xí)和傳承。

2 以理載道——從樸素唯物主義到科學(xué)唯物主義

在教學(xué)中，通過對(duì)《天工開物》部分文本的詮釋，學(xué)生已經(jīng)對(duì)我國古代化學(xué)科技發(fā)展水平與當(dāng)今科技前沿都有了一定的認(rèn)識(shí)，但是站在文明史的角度，促成人類文明向前發(fā)展的因素除了物質(zhì)上的必要準(zhǔn)備，還有思想上的進(jìn)步。從這個(gè)角度看，《天工開物》不僅是一份重要的古代科技文獻(xiàn)，也是當(dāng)時(shí)具有一定先進(jìn)性的古代樸素唯物主義思想的集中體現(xiàn)。

陰陽五行學(xué)說是我國傳統(tǒng)世界觀的基礎(chǔ)，雖然歷史上也有唯心主義與唯物主義的觀點(diǎn)之爭(zhēng)，但總體來說屬于樸素唯物主義的陰陽五行學(xué)說是被社會(huì)大眾廣泛接受的。在這種世界觀下，世界的物質(zhì)性得到肯定，世界可以被認(rèn)識(shí)并加以改造，進(jìn)而形成了“天工人代”的思想，在改造世界的同時(shí)也追求人與自然的和諧。雖然今天來看古人對(duì)于世界物質(zhì)性的認(rèn)識(shí)有所偏差，但是基于長(zhǎng)期實(shí)踐和大量的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，陰陽五行學(xué)說在古代科技實(shí)踐中也起到了一定的指導(dǎo)作用。與單純的哲學(xué)論述不同，《天工開物》以理載道，通過一個(gè)個(gè)科技應(yīng)用實(shí)例，闡明其陰陽五行學(xué)說與氣一元論的思想。

氣一元論認(rèn)為“氣”是世界的本源，五行陰陽是其不同的表現(xiàn)形式?！暗\”是古人對(duì)很多物質(zhì)的稱謂，如皂礬(FeSO4·7H2O)、膽礬(CuSO4·5H2O)、明礬(KAl(SO4)2·12H2O)等。不難發(fā)現(xiàn)都屬于帶結(jié)晶水的硫酸鹽，這種命名來自于古人對(duì)它們本質(zhì)的把握，認(rèn)為它們“皆出一種而成，變化其質(zhì)”[2]，并且認(rèn)為礬的生成是“火石精氣”與自然氣候的共同作用。雖然古人對(duì)各種礬實(shí)際的本質(zhì)并不了解，而是歸結(jié)于“氣”，但是這種基于實(shí)踐的認(rèn)識(shí)具有一定的合理性，符合實(shí)踐論的觀點(diǎn)。我們?cè)诮虒W(xué)中也鼓勵(lì)學(xué)生積極實(shí)踐，善于總結(jié)，畢竟科學(xué)就是在實(shí)踐中發(fā)展的。

《天工開物》中認(rèn)為“五行之內(nèi)，土為萬物之母。子之貴者豈惟五金哉！金與火相守而流，功用謂莫尚焉矣。[2]”描述的是土屬性是萬物演化的起點(diǎn)，并且舉例土屬性的礦石經(jīng)過火屬性的作用變?yōu)榻饘傩缘慕饘?。這種按事物外在特性劃分屬性的方式，是古人認(rèn)為的事物之間聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的方式，對(duì)照科學(xué)唯物主義中普遍性和特殊性原理，一方面古人將物質(zhì)世界有機(jī)地聯(lián)系了起來，另一方面這種聯(lián)系與實(shí)際的自然規(guī)律相比有所偏差，導(dǎo)致古人對(duì)世界的認(rèn)識(shí)有一定的局限性。

例如關(guān)于黑火藥的論述，“凡火藥以硝石、硫黃為主,草木灰為輔。硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙無容之中。[2]”這一陰陽相沖的思想具有一定的氧化還原反應(yīng)的雛形。但是事實(shí)上，黑火藥反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下，

其中硫和硝酸鉀均作為氧化劑，反而是作為輔料的草木灰才是還原劑。這種有所偏差的認(rèn)識(shí)能夠使古人成功研制出黑火藥，但是由于缺乏對(duì)本質(zhì)的準(zhǔn)確把握，也就止步于此，對(duì)火藥的研究和開發(fā)反而是西方科學(xué)家后來居上了。

雖然宋應(yīng)星樸素唯物主義的世界觀具有一定的歷史局限性，但是也極大地肯定了人的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)規(guī)律，認(rèn)識(shí)世界并加以改造。這也是中華民族幾千年來不斷創(chuàng)造保持活力的力量之源。通過挖掘《天工開物》背后的指導(dǎo)思想，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)古代科技思想的先進(jìn)性和局限性兩個(gè)方面進(jìn)行思考，凝聚對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)代科技發(fā)展的科學(xué)唯物主義思想的共識(shí)。同時(shí)也打通科技性的化學(xué)自然科學(xué)與人文性的哲學(xué)社會(huì)科學(xué)之間的界限，向?qū)W生明確科學(xué)的世界觀下才會(huì)有科學(xué)的方法論，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生樹立科技文化自信。

3 培育科技文化自信

“化學(xué)與人類文明”課程是化學(xué)科技發(fā)展史和人類文明史的統(tǒng)一，借助《天工開物》這一古代典籍在課程中的詮釋，將化學(xué)這門中心學(xué)科在人類文明史尤其是中華文明史上起到的重要作用進(jìn)一步凸顯。

在高校自然科學(xué)類課程中，由于長(zhǎng)期受到重視邏輯、理性的西式思維方式和研究方式的影響，我國古代經(jīng)驗(yàn)科學(xué)在科技文明發(fā)展中的作用沒有得到重視，在教學(xué)中往往淺嘗輒止，這一問題也影響了學(xué)生對(duì)中國優(yōu)秀傳統(tǒng)科技文化的認(rèn)知，在科學(xué)研究上不知道我們從哪里來、要到哪去。相比主干課程的教學(xué)，通識(shí)課程的教學(xué)形式與內(nèi)容更加靈活，面向?qū)ο蟾訌V泛，利用《天工開物》這一優(yōu)秀古代科技典籍深入開展教學(xué)，為不同專業(yè)的學(xué)生提供了立足傳統(tǒng)科技文化并且面向未來發(fā)展的視角，不僅使得學(xué)生對(duì)于化學(xué)與人類文明之間的過去、現(xiàn)在和未來有較深的認(rèn)識(shí)，也使得學(xué)生從更深的層面上理解了世界的本源，學(xué)會(huì)用化學(xué)的眼光和科學(xué)的思維剖析問題，喚起學(xué)生投身強(qiáng)國實(shí)踐的積極性。

我們通過教學(xué)梳理了古代科技與現(xiàn)代科技的傳承性，也梳理了古代樸素唯物主義與科學(xué)唯物主義的傳承性。我們的現(xiàn)代科技不是舶來的，是我國傳統(tǒng)科技和西方近代科技融合的共同產(chǎn)物，是中華文明發(fā)展的薪火相傳、世代接續(xù)。從因地制宜開發(fā)天然氣到可燃冰的開采，從挖掘煤炭作為燃料到煤化工的綜合利用，從古老的曲到現(xiàn)代生物催化工程，從美麗的青花瓷到高精尖的陶瓷材料，從省工省時(shí)的灌鋼法到先進(jìn)鋼鐵材料……千百年來代代相傳的科技思想，包括陰陽五行學(xué)說在內(nèi)的理念，豐富了我們的社會(huì)物質(zhì)，更構(gòu)成了每個(gè)中國人價(jià)值觀和精神世界的基石。古代勞動(dòng)人民在有限的社會(huì)生產(chǎn)力水平下，貫徹人與自然和諧的生產(chǎn)生活方式，善于觀察總結(jié)，勇于開拓創(chuàng)新，堅(jiān)韌不拔，大量試驗(yàn)，艱苦奮斗，發(fā)明創(chuàng)造出了輝煌的古代科技成果和唯物主義世界觀，這就是我們深厚的歷史文化積淀，是我們的科技文化基因，是我們未來堅(jiān)定不移推動(dòng)我國科技水平再上新臺(tái)階的力量之源。

古人的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，實(shí)干才能興邦。對(duì)于培養(yǎng)新時(shí)代的科技工作者來說，需要學(xué)習(xí)和傳承古人的經(jīng)驗(yàn)和智慧，需要立足國情和實(shí)際，立志把科研實(shí)踐上升為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)力，把科研論文寫在祖國大地上。我們通過教學(xué)和思政元素浸潤(rùn)式的引導(dǎo)[18,19]，基本在學(xué)生心中培育起了科技文化自信，一方面學(xué)生能夠充分認(rèn)識(shí)到古代優(yōu)秀科技成果和文化對(duì)今天的積極影響，能夠?qū)鹘y(tǒng)文化的積極因素與科學(xué)實(shí)踐相結(jié)合；另一方面學(xué)生愿意未來積極投身社會(huì)和科研實(shí)踐，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，開拓創(chuàng)新，發(fā)揚(yáng)好、傳承好優(yōu)秀科技文化，對(duì)學(xué)生思想政治教育起到了積極正面的影響，對(duì)未來科技強(qiáng)國建設(shè)起到積極促進(jìn)作用。

4 結(jié)語

古代科技文獻(xiàn)是先人留給我們寶貴財(cái)富，是我們民族科技和文化上的瑰寶。通過尋找《天工開物》與“化學(xué)與人類文明”課程教學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，加強(qiáng)思想政治導(dǎo)向，我們既詮釋了文獻(xiàn)的內(nèi)容和背后的思想，又講述了我國現(xiàn)代化學(xué)科技的發(fā)展故事。將《天工開物》有機(jī)融入化學(xué)與人類文明課程，不僅是在課程知識(shí)的供給側(cè)創(chuàng)新和拓展課程內(nèi)容，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)、對(duì)古代科技文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)興趣，更是在學(xué)生學(xué)習(xí)的需求側(cè)幫助學(xué)生樹立科技文化自信，培育社會(huì)責(zé)任感與民族自豪感，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

在中華民族偉大復(fù)興的征程上，人是社會(huì)發(fā)展的重要因素，能否通過教育培養(yǎng)出新時(shí)代的科技人才至關(guān)重要。本文工作也為其他自然科學(xué)類通識(shí)課程的教學(xué)提供了參考思路，即在教學(xué)中發(fā)掘相關(guān)古代科技典籍和文獻(xiàn)的價(jià)值，將科學(xué)與文化相結(jié)合，傳承好優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，樹立科技文化自信，培育新時(shí)代的青年科技工作者。