【STEAM教育理念下民间传统文化与化学教学的融合】扎染工艺融入“化学反应速率”教学！

　　（1.华南师范大学化学学院 广州 510006；2.罗甸县第一中学 贵州 550100）

　　本节课选自高中化学人教版（2019版）选择性必修一第二章第一节《化学反应速率》[1]。本节课从民间传统扎染工艺出发，让学生在体验扎染工艺“染料制备、织物退浆、织物染色”等核心步骤中学习和探究化学反应速率及其影响因素，书写扎染材料包的使用需要注意的几点，最后应用于生产生活。本课时的主要内容有：（1）浓度、温度和催化剂对化学反应速率的影响（2）碰撞理论解释影响化学反应速率的本质原因。

　　在《普通高中化学课程标准》中强调“能运用温度、浓度和催化剂等因素对化学反应速率的影响规律解释生产生活中的实际问题”[2]，能够准确的看出课标重视本节知识在生产生活中的应用。检索近年来的教学论文，虽然有部分以“化学反应速率”为主题的教学设计[3-4]，但将STEAM教育方法的理念与“化学反应速率”主题相结合的优质教学设计很少，且在STEAM教育理念下，将民间传统文化与该主题结合的教学设计并没有检索到。课程标准建议化学教学中应体现科学与人文的融合，注重挖掘中华民族优良历史传统文化蕴含的知识。STEAM教育融合了科学、技术、工程、艺术和数学，培养学生以跨学科的思维解决问题的能力，提升学生的艺术修养[5]。基于以上背景，笔者以“STEAM教育理念下传统扎染文化与化学教学的融合”开展主题教学，以“扎染工艺”为情境，引导学生从扎染工艺的流程进行探究，主要内容为化学反应速率及其影响因素，结合手持技术数字化实验和微型实验，在探究与思考中发展学生科学探究与创新意识和科学态度与社会责任的学科核心素养。

　　扎染是我国重要的非物质文化遗产，传统扎染工艺的周期长，从染料制备到织物染色，受到温度、浓度等因素影响，蕴含着与“化学反应速率”相关的化学知识，如表1。

　　以扎染工艺为载体，基于STEAM教育理念将民间传统文化和化学教学融合，通过对传统扎染工艺步骤设问，将生活问题化学化，用化学知识揭示民间传统工艺的奥秘，感受化学知识的价值和魅力。具体创新点如下：（1）挖掘传统文化中化学知识，体现化学学科价值。本教学内容结合STEAM教育理念，以扎染工艺为主题情境贯穿教学活动的各环节，建立扎染工艺与化学反应速率之间的联系。将课程思政与化学知识融合，让学生在学习化学知识的同时，能感受到我国传统工艺的魅力，体会古时候匠人们的“工匠精神”，认识化学在生产生活中的价值。（2）运用微型实验和手持技术数字化实验，发挥创新实验功能。教师创设真实的课堂教学情境，以学生小组合作学习、教师演示实验等方式开展教学活动。本节课中使用针筒和三通阀组装微型化实验仪器，学生通过对比活塞运动快慢从定性视角认识到浓度对化学反应速率的影响。除此之外，压强传感器测定锌粒与不同浓度H2SO4溶液反应体系的压强变化。学生通过数字化实验从定量视角认识到浓度对化学反应速率的影响。

　　（1）通过微型实验和数字化实验，研究浓度、温度和催化剂等因素对化学反应速率的影响，培育学生动手实验和分析实验结果的能力，发展科学探究的核心素养。

　　（2）通过碰撞理论解释影响化学反应速率的本质原因，培养学生从微观、能量视角认识化学反应速率的能力。

　　（3）通过书写扎染材料包的使用注意事项并动手体验，将学习成果应用于实践，感受传统文化的价值和魅力。

　　（4） 通过分析扎染“染料制备、织物退浆、织物染色”等核心工艺流程，认识化学反应速率在生产生活中的作用，体会化学在生产生活中的重要价值。

　　【教师讲解】扎染是我国极具特色的传统工艺，其流程大致包括染料制备、织物退浆和织物染色等步骤，今天我们一起来重温这个过程，探究蕴含在其中的化学之美。

　　【资料卡片】传统扎染技术中，天然发酵还原染色，在夏天一般需要5-7天，冬天则半个月以上；在现代技术中，通过化学还原法，利用靛蓝和还原剂反应，半个小时就可以完成还原。

　　【教师引导】在化学反应中，一般用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示化学反应速率，即：

　　【资料卡片】如图1所示，传统发酵法也叫生物还原法，使用酒糟还原靛蓝，酒糟中的酵母菌发酵的主要产物是氢气，而现代工业化还原靛蓝使用连二亚硫酸钠作为还原剂[8]。

　　【教师提问】将生产染液的现代化学还原法和传统发酵法对比，分析影响化学反应速率的因素有什么呢？

　　【学生回答】这是两种不同的方法，是靛蓝与不同还原剂发生反应，即与发生反应的反应物有关。

　　【教师讲解】这是影响化学反应速率一个重要的内因——反应物。反应物不同，则反应原理也不同。而反应体系所处的环境对化学反应速率有很大的影响，我们称之为外因。

　　【资料卡片】将板蓝浸入一定量的水中，常温下发酵，与石灰反应产生具有还原性的吲哚酮溶液，充分搅拌与空气接触氧化形成蓝靛沉淀。民间打靛是制备靛蓝染料的关键步骤，需不断搅动靛池中的液体使之充分接触空气中的氧气被氧化，其对体力要求很高，通常是年轻人打靛[9]。

　　【学生回答】增大靛池中溶解氧的浓度，使板蓝水充分被氧化，快速制备靛蓝染料。

　　【演示实验】如图2，通过手持技术数字化实验的溶解氧传感器进行证明。在清水中不断搅拌，测量溶液中的溶解氧浓度。

　　【教师讲解】由数字化实验得到的曲线）可以看出，搅拌使得水中的溶解氧更多了，所以民间打靛不断搅动的目的是增加制靛池中氧气的浓度，加快制靛过程。这说明什么是影响化学反应速率的因素呢？

　　【教师活动】准备1mol/L、2.5mol/L H2SO4溶液，0.5g形状完全相同的Mg，4支针筒。各小组设计实验方案，组装实验装置，通过实验证明反应物的浓度影响化学反应速率。下方针筒装入Mg，上方针筒1中装入1 mol/L H2SO4溶液，2中装入2.5 mol/L H2SO4溶液，同时推动针筒，观察两支针筒移动的快慢（见图4）。

　　【学生汇报】2中上面针筒中的活塞移动更快，因为2中 H2SO4溶液浓度更大，产生氢气的速率更快。

　　【教师活动】上述实验是定性探究反应物浓度对化学反应速率的影响，即通过观察上方针筒移动的快慢。请同学们根据上述实验现象，预测锌粒和不同浓度的H2SO4溶液反应，其中曲线溶液。预测并绘制压强随时间变化的曲线图。

　　【教师活动】接下来我们用手持技术数字化实验[10]，定量探究浓度对化学反应速率的影响，验证同学们预测的曲线是否准确。

　　【演示实验】实验装置见图6，针筒中的溶液是4 mL H2SO4溶液，其中1中浓度为1 mol/L，2中为2.5 mol/L，液面上面用细线悬挂质量大小都一样的锌粒。移动锌粒和H2SO4溶液反应，通过气压传感器测反应体系的压强。接下来老师进行操作，同学们认真观看压强数据的变化（见图7）。

　　【学生回答】曲线中相同时间内体系的压强变化更大，即2.5 mol/L H2SO4溶液的反应体系中化学反应速率更大。

　　【学生活动】总结：一定条件下，增大反应物的浓度，化学反应速率增大；降低反应物的浓度，化学反应速率减小。

　　【资料卡片】退浆是染色前对大多数织物进行的预处理之一，浆料用得最多的是淀粉[11]，退浆时通常使用酸催化或者淀粉酶等除去织物上的淀粉，能提高退浆效率。退浆使用的酸或淀粉酶有什么作用呢？

　　【教师活动】接下来我们一起来探究这个过程。甲乙两支试管分别装有0.5 g淀粉和3滴碘水，甲中加入2 mol/L的H2SO4溶液，乙中加入等量的水，两支试管微热，相同时间后，看到甲中蓝色褪去，乙中无明显现象。（见图8）

　　【学生实验】常温下，向甲、乙下方针筒中均加入5mL 5% H2O2溶液，其中甲上方针筒中装有几滴1mol/L FeCl3溶液，同时推动上方针筒（见图9）。

　　【学生回答】甲针筒中产生大量气泡，上面针筒中的活塞快速移动。乙针筒中无明显现象。FeCl3溶液是催化剂，促进 H2O2溶液的分解。

　　【学生回答】一定条件下，催化剂可以改变化学反应速率，一般情况下，使用大多数催化剂可以加快化学反应速率。

　　【教师活动】靛蓝染料对棉纤维没有亲和力。所以在织物染色之前，首先要将靛蓝染料进行还原。染色时需要在强还原剂和碱性条件下，将染料还原成可溶性靛白（黄绿色），靛白能直接上染棉、麻、丝、毛织物。在传统的扎染工艺中，常常采用水煮上色的方式。

　　【教师提问】在传统的扎染工艺中，常常采用水煮上色的方式，夏季是比冬季更适合扎染的季节，这是为什么呢？试着从化学反应速率的角度分析。

　　【学生回答】水煮时可以提高温度使织物容易上色，夏天的温度比较高，可以缩短扎染的时间。温度影响了化学反应速率。

　　【教师活动】针对靛蓝被还原剂成靛白这一反应，探究温度对化学反应速率的影响，靛蓝呈深蓝色，靛白呈黄绿色。请同学们结合桌面上的扎染材料包进行实验（见图10）。

　　【学生汇报】在冷水中加入靛蓝泥、助染剂和还原剂，在热水中加入相同的物质（见图11-12），设置相同的时间（大约5分钟），观察溶液颜色的变化情况。发现热水中溶液颜色变得更绿，说明反应速率更快（见图13-14）。

　　【教师活动】老师准备了5% H2O2溶液、冷水、热水、烧杯、试管。甲、乙试管中均加入5mL 5% H2O2溶液，甲试管放入热水中，乙试管放入冷水中。请同学们仔细观察实验现象。

　　【学生回答】一定条件下，升高温度，化学反应速率增大，降低温度，化学反应速率减小。

　　【教师活动】现在我们认识到浓度、催化剂、温度等因素影响化学反应速率，这些因素为什么会影响化学反应速率呢？

　　【资料卡片】明代《天工开物》对蓝草制靛、染色工艺等有过记载，蓝草经发酵打靛得到的靛蓝是一种还原性染料，难以直接上色，还须在靛蓝液体中加入酒、碱性物质在染缸中发酵还原。染色时，人们将织物在染液中浸泡一段时间后，将织物捞出在空气中晾晒氧化，若要染上更深的颜色，人们可以重复染色多次。这是人们根据经验形成的手工艺，当时靛农们并不了解里面蕴含的科学原理。后来，科学家提出了关于化学反应的简单碰撞理论，为人们科学的调控化学反应进程提供了依据。

　　【教师讲解】简单碰撞理论认为：反应物分子发生反应必须同时满足以下条件：一是反应物分子获得足够的能量成为活化分子，其中获得的足够能量叫做活化能（用E表示）；二是活化分子之间的碰撞要有合适的取向，即产生有效碰撞。当单位时间内有效碰撞次数增多时，化学反应速率增大（见图15）。

　　【教师追问】以H2O2 溶液分解为例，结合教材，从简单碰撞理论角度，解释浓度、温度等因素为什么会影响化学反应速率呢？各小组的同学思考与讨论。

　　【学生回答】第一组：其他条件不变时，增大反应物H2O2溶液的浓度，使得单位体积内活化的H2O2分子数目增多，单位时间内有效碰撞的次数增大，因此化学反应速率增大。

　　第二组：其他条件不变时，升高温度，使得H2O2分子的能量增大，原来部分能量较低的H2O2分子变成活化分子，进而增加了单位体积内活化分子的百分数，单位时间内有效碰撞的次数增加，因此化学反应速率增大。

　　【教师活动】催化剂之所以能改变化学反应速率，是因为它能改变反应的历程，改变反应的活化能（见图16）。图中1和2分别表示无催化剂和有催化剂的反应过程中，反应物及生成物的能量与反应历程的关系。显然，有催化剂时反应的活化能比无催化剂时降低了很多，这就使更多的反应物分子成为活化分子，增大了单位体积内反应物分子中活化分子的数目，从而增大了化学反应速率。

　　【教师引导】接下来，请同学们运用本节课所学知识，以小组为单位，书写刚刚我们使用过的扎染材料包的使用注意事项，并进行汇报。

　　【教师总结】同学们的回答都非常好！今天这节课我们一起在体验扎染工艺中“染料制备、织物染色”等核心步骤中学习和探究化学反应速率及其影响因素，最后书写扎染材料包的使用注意事项。大家在课后可以运用本节课所学知识动手使用扎染材料包，制作各种精美的扎染作品。希望大家在生活中也能多思考多钻研，寻找生活中的化学之美，感受化学在生产生活的价值。

　　本节课结合传统工艺扎染，基于STEAM教育方法的理念将民间传统文化与化学反应速率结合，从扎染的不同步骤中学习化学反应速率，在课堂中既有传统工艺扎染的趣味实验，也有化学教材中的科学实验，学生在动手探究的过程中提高实验技能和知识综合应用能力，认识到化学与生活的紧密联系，感受化学的魅力和价值。

　　在课堂中发现学生上课的积极性显著提高，课堂参与度也比平时提高了很多，课堂效果较好。本节课学生动手实验的环节较多，如若设置成两个课时，给学生留下充足的动手实验时间，课堂效果会更好。同时，还可以将这种形式推广到其他化学主题中，在更多的民间传统文化中挖掘化学知识，还可以进行大单元和项目式的教学，在系统学习化学知识的同时，了解和弘扬民间传统文化。

　　[1] 王晶,郑长龙.普通高中课程教科书选择性必修1:化学反应原理.北京:人民教育出版社,2019:22-27.

　　[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准 (2017年版2020年修订).北京:人民教育出版社,2020:30-33.

　　[9]程治桦. 植物靛蓝在植鞣革牛皮上的染色研究及其创作实践.广州：广州美术学院硕士学位论文,2018：13-15.

　　[10]钱扬义,王立新,林惠梅.手持技术数字化化学实验教学研究:理论构建与创新实践.北京:科学出版社,2021

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