以蓝染工艺发展史为情境的有机化学复习教学

刘秀钦 杨发福

（福建师范大学化学与材料学院 福建 福州 350007）

一、问题的提出

在普通高中化学新课程中，有机化学课程可分为两个部分：必修模块《化学2》中的有机化学与选修模块《有机化学基础》。目前，学生学习有机化学通常都在高二下学期，这两部分的内容学习间隔较大且安排较为分散。因此，教师在进行有机复习课教学时往往采用“知识讲解+习题训练”模式复习某一专题内容。在这样的复习模式下，学生学习结束后能对有机化学的基础知识有一定的了解，但却不能主动将有机知识整合，构建起对有机化学的整体认识，［1］形成系统的有机化学认识思路和方法。近年来，高考有机化学除了考查学生对各种有机物性质、反应条件、反应现象等掌握情况，还利用有机物推断，设计合成路线等题型侧重考查学生的逻辑推理、分析解决问题能力。［2］这就要求教师进行有机化学复习教学时既要重视基础，又要注重培养学生有机化学认识素养。

习近平总书记曾指出：文物和文化遗产承载着中华民族的基因和血脉，是不可再生、不可替代的中华优秀文明资源。泱泱华夏，文明千载，我国传承下来的传统工艺都是先辈们留给我们的宝贵遗产。蓝染工艺是我国最古老的印染工艺之一，蓝染工艺中的印染材料、制靛技术与高中有机化学中有机物结构及性质，如碳碳双键、酯键、氨基、羟基以及水解反应、缩合反应、取代反应等都有着紧密的联系。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念”［3］。因此，本文在有机化学复习教学中构建蓝染工艺发展历史的情境，引导学生掌握蓝染工艺中印染材料的结构、性质，进而预测可能产生的有机反应；并指引学生参与合成靛蓝的整个过程，学会有机合成的方法，从而帮助学生搭建有机化学整体的复习框架，形成全面、系统的有机化学学习思路和方法，推动化学学科核心素养的落地。

二、设计思想及流程

化学复习课是以巩固所学知识并提高运用知识解决实际问题的能力为主要任务的一种课型。［4］复习课不是练习课，也不是新授课后的辅战场，更不是已有知识的简单重复或记忆强化，［5］复习课应当侧重于提高学生对知识整体结构的构建及其内在联系的把握，进而提高学生的思维品质和学习能力，落实学生化学学科核心素养培养。

本节课力求在化学学科核心素养的导向下，以蓝染工艺的发展史为轴线，创设与之相对应的教学情境。首先，向学生展示我国江苏南通的蓝印花布，并介绍我国蓝染工艺的起源，让学生感受传统工艺的独特魅力，激发起学生的民族自豪感；再通过阅读相关古籍，带领学生探究我国古代蓝染工艺中制靛技术所蕴含的丰富的有机化学知识，领略古代匠人的科学智慧和创新思想；接着，引导学生重温近代化学家合成靛蓝的思维发展历程，培养学生形成严谨求实、不畏艰难的科学探究精神，体会化学在人类社会发展进程中的重要作用；最后，引导学生关注我国蓝染工艺发展的现状及未来前景，提升学生的社会责任感。具体教学流程如图1所示。

图1 教学流程图

三、设计过程与意图

1.任务一：回顾前世传奇，感受千年蓝染工艺——了解蓝染工艺的历史起源

【PPT展示】我国江苏南通的蓝印花布，如图2所示。

图2 江苏南通蓝印花布

【教师】图2是我国江苏南通的蓝印花布，又称“靛蓝花布”，是一种出自于蓝染工艺的古老印染品。［6］蓝印花布的着色染料为靛蓝染料，主要提取自蓝草等植物。

【教师】请同学们列举一些描写蓝染工艺的名篇佳句。

【学生】《诗经·小雅·采绿》“终朝采蓝，不盈一襜”；《荀子·劝学篇》“青，取之于蓝，而青于蓝”……

【教师】上述古文体现了不同时期的蓝染工艺。早在新石器时代，古人就能通过浸揉蓝草等植物，将其汁液用于染色。［7］传统蓝染工艺最早起源于秦汉时期，至明清时期达到鼎盛，距今已有千年的悠久历史。

设计意图：引导学生欣赏江苏南通蓝印花布，既了解了其印染材料的由来，又领略了传统蓝染工艺的魅力以及古代先人的聪慧。接着引入不同时期记载蓝染工艺的名篇佳句，并介绍我国蓝染工艺的历史起源，这样不仅有利于提升学生的人文素养，还有利于激发学生强烈的民族自豪感，增强文化自信。

2.任务二：探析古文典籍，领略古代匠人智慧——有机化合物的结构及性质探究

【教师】明清时期可谓是我国蓝染工艺发展的鼎盛时期，蓝染工艺中的工序复杂精细，环环相扣，具体为：织布、雕版、制靛、印染等程序。古籍《天工开物·彰施》对其中的制靛技术作了较为详细的记载，那制靛技术背后蕴藏着什么样的化学原理呢？今天我们来解析古籍，穿越千年历史来探究我国古代制靛工艺背后的科学奥秘吧。

【PPT展示】《天工开物》是中国古代一部综合性的科学技术著作。其彰施篇中完整地记述了明代制靛工艺：“凡造淀，叶与茎多者入窖，少者入桶与缸。水浸七日，其汁自来。每水浆一石下石灰五升，搅冲数十下，淀信即结。水性定时，淀沉于底……其掠出浮沫晒干者曰靛花。”［8］

【教师】请同学们阅读古文，找出其中涉及化学实验的相关操作。

【学生】“水浸七日，其汁自来”涉及到溶解；“搅冲数十下”涉及到搅拌，“其掠出浮沫晒干者曰靛花”涉及到蒸发结晶。

【教师】其古文的大意为：在制靛的过程中，染工们会将蓝草放入窖、桶或缸内浸泡发酵七天以上，这样一来便会有蓝色的汁液产出，并且在浸泡的过程中会往一石染液中加入五升生石灰，随后搅动染液，静放数日之后就可沉淀出靛蓝，将其晒干以备用于后面的印染工序中。

【教师】蓝草中的主要成分是菘蓝甙，如图3所示。［9］

图3 菘蓝甙的结构简式

结合菘蓝甙的结构简式，请同学们观察并思考菘蓝甙结构中有哪些常见的官能团？

【学生】碳碳双键、酯基以及氨基。

【教师】菘蓝甙结构中的官能团氨基能够与纤维结构形成氢键，从而使蓝草的颜色能够附着在织物上，但其色牢度差且色泽暗淡。由此，人们在实践过程中发现可以将蓝草放入染缸中制备出靛蓝来提高染料的色牢度和色泽。

【教师】根据菘蓝甙的结构式，思考以下问题：

1.菘蓝甙水浸的过程中会发生什么样的化学反应？

2.结合有机物的结构，试着分析水浸菘蓝甙的目的是什么？

3.从化学反应原理角度出发，思考古人为什么要用七日时间来浸泡菘蓝甙呢？

【学生】用水浸泡七日，菘蓝甙在水中会发生水解反应，其化学方程式如图4所示：

图4 菘蓝甙水解的反应方程式

【教师】水解生成的有机物名称为吲哚酚，如图5所示。

图5 吲哚酚的结构简式

【学生】从有机物的结构角度来看，吲哚酚中有羟基、氨基，这两个基团都能够与纤维结构形成氢键，附着在织物上。因此，水浸菘蓝甙的目的就是将菘蓝甙水解生成吲哚酚，增强染料的附着性。

【学生】从化学反应原理的角度上来看，用七天时间浸泡，水中以及植物中的微生物在适宜的温度、pH等条件下可以大量繁殖，分泌出大量的生物酶促进水解，因此用七天时间浸泡菘蓝甙的目的是让菘蓝甙充分地水解。

【教师】在溶液中，吲哚酚容易发生酮式互变现象形成吲哚酮，［10］如图6所示。

图6 吲哚酚与吲哚酮的互变现象

由反应可知，吲哚酚与吲哚酮构成了一对同分异构体。在吲哚酮静放过程中，吲哚酮在碱性条件下能够被氧化成靛蓝，由此便可制得靛蓝染料。具体反应如图7所示：

图7 吲哚酮的氧化反应

【教师】纵观整道制靛工序，靛蓝染料已初步制得。请同学们结合上述反应方程式，从控制反应条件的角度出发，思考制靛过程中加入生石灰的目的是什么？

【学生】上述反应中菘蓝甙中酯基的水解，以及吲哚酮氧化反应都需要在碱性的条件下进行，生石灰的主要成分为CaO，属于碱性氧化物，因此加入生石灰的目的是为上述反应提供碱性的环境。

【教师】加入生石灰的另一目的则是菘蓝甙发酵水解的过程中会产生二氧化碳气体，生石灰能够与二氧化碳气体反应生成碳酸钙，碳酸钙对着色物质具有吸附作用，［11］从而吸附悬浮的靛蓝，加快靛蓝沉淀的速度。

【教师】仅是通过了解蓝染工艺中的制靛工序，就能探究发现其中蕴含着丰富的有机化学知识，这让我们不禁佩服与赞叹我国古代劳动人民的聪明才智，正是如此，我国的蓝染工艺才能在世界文化遗产中熠熠生辉。

设计意图：通过引用古籍《天工开物》中有关制靛工艺的记述，一面是为了展示并宣扬我国古代科技典籍以及传统工艺，使学生坚定文化自信，激发起学生继承中华民族优秀传统文化的信念；另一方面学生通过阅读古籍——解析大意——分析原理，对制靛工艺原理进行综合的探究，以此为专题来进行复习，有利于促进学生有机化学知识的整体建构，以及满足学生不同程度的复习需求，学生在复习巩固有机物的结构（碳碳双键、酯基、氨基）、有机基本反应类型（酯的水解）、氢键的形成等基础知识的同时，还能够进一步学习有机反应条件的控制以及复杂有机反应的原理，提升其高阶思维，进而达到发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养的目的。

3.任务三：走进科学史海，探寻染料合成原理——有机物的合成路线的制定

【PPT展示】19世纪中叶，以纺织工业革命为先导的产业革命大幅度增加了世界各国对染料的需求，从蓝草植物中提取的靛蓝染料已无法满足印染业的需求，于是用化学方法合成靛蓝染料成为亟待解决的问题。1878年6月，德国化学家拜尔首次人工合成出靛蓝，这一成果成为了人工有机合成染料史上的一个重要里程碑，标志着人工合成复杂有机物的开始。［12］到1890年，德国化学家霍曼在前人研究的基础上为靛蓝的工业化生产提供了理论指导，实现了靛蓝的工业化生产。

【教师】通过前面的学习，各位同学对靛蓝染料的结构有了一定的了解，那如何根据靛蓝这一目标产物来制定其合成路线呢？

【学生】可以将靛蓝结构进行拆分→寻找上一步反应的原料，依次倒推→确定最基础的原料以及最终合成路线。

【教师】这就是有机合成的一种重要的方法——逆向合成分析法，如图8所示。

图8 逆向合成分析法思维模型

而拜尔也正是利用此方法通过降解靛蓝，对靛蓝的结构进行拆分，发现它与氢氧化钾高温熔融时得到的原料为苯胺。

【教师】结合已有知识，请同学们思考苯胺具有哪些化学性质呢？

【学生】苯胺属于胺类有机物，而胺与氨气结构相似，具有碱性，可以与酸反应生成铵盐。

【教师】德国化学家霍曼就是利用苯胺的这一化学性质，先将苯胺与氯乙酸混合，然后将其再进行碱熔，氧化等步骤，就可合成得到靛蓝。［13］其合成路线如图9所示

图9 苯胺合成靛蓝的路线

这种从已知原料入手，找出合成所需的中间体，逐步推向目标有机物的合成方法称为正向合成分析法。具体步骤，如图10所示。

图10 正向合成分析法思维模型

在有机化学中，正向和逆向合成分析法相辅相成，对有机物的合成有着极大的推动作用。

【教师】请同学写出此合成路线中苯胺与氯乙酸反应的化学方程式，并思考这属于哪种类型的有机反应？

【学生】该反应属于取代反应，具体反应方程式，如图11所示：

图11 苯胺与氯乙酸的反应方程式

【教师】请同学们以分组讨论的形式，对比实际生产来对此合成路线作出合理的评价。

【学生】此合成路线中的原料苯胺会污染环境，同时也会对人体健康产生不良的影响。

【教师】除此之外，此路线中还存在一个问题就是苯胺和氯乙酸成本偏高，不适宜应用于工业化生产。由于萘在煤焦油中含量较高，价格便宜。因此，霍曼以萘为基本原料进一步改进与完善了靛蓝的合成工艺路线。其部分合成路线如图12所示：

图12 萘合成靛蓝的部分路线

【教师】根据上述合成路线，请同学们写出每个步骤反应方程式并尝试分析其反应原理。

【学生】步骤1的反应方程式，如图13所示：

图13 萘生成邻苯二甲酸的反应方程式

其反应原理为与苯环直接相连的碳原子上连接有氢原子，则与苯环相连的烷基通常会被氧化剂氧化为羧基。

【学生】步骤2的反应方程式，如图14所示：

图14 邻苯二甲酸与氨的反应方程式

其反应机理为羧酸中的羟基被氨基取代，形成酰胺基。

设计意图：以近代化学家合成靛蓝的路线为线索，引导学生在历史的真实情境中循序渐进地感受科学家在科学探索中的思维发展过程、科学研究的艰难以及体会化学学科在人类文明和社会中的重要价值，促进对化学学科本质的理解。在课堂上，学生可以综合利用有机化学知识、“正向合成、逆向拆分”的有机物合成方法来参与靛蓝合成路线的制定，以及对合成路线中单步反应或部分连锁反应的原理探析，从而提升自身的科学探究精神以及“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

4.任务四：前瞻今生发展，传承弘扬蓝染工艺——蓝染工艺的未来展望

【PPT展示】蓝染工艺发展现状以及未来前景。

【教师】随着社会的发展，传统的蓝染工艺正面临着失传的处境。传统蓝染工艺中采用的植物染料环保无害且气味芬芳，而现代工业中的合成染料在染色时虽方便快捷、色牢度高，却对人体以及环境存在一定的危害性。若能够将二者的优势相结合，这样既能实现合成染料的绿色化生产，又能实现蓝染工艺的传承。目前，人们已经探索出了一些应用于蓝染工艺的科学技术，例如：微波法制备纯化靛蓝、［14］微生物法合成靛蓝、［15］电化学还原法进行染色［16］等。随着科学技术的进步，人们将会不断研究新的植物染料染色技术，让蓝染工艺更好地适应社会的需求。

设计意图：化学史教学不仅要回顾过去，更要关注当下现状以及展望未来发展趋势，这样才能让学生将所学的知识与实际相结合，开拓学生的知识面，更好地落实“绿色化学”的科学理念以及发展学生“科学态度与社会责任”“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

四、小结

化学史教学能够在历史演进的背景下将静态知识结论与动态知识产生过程紧密结合，引导学生追根溯源，促进理解学习。［17］本教学设计结合蓝染工艺发展史的情境，串联起有机化学复习课的教学逻辑，既引据古籍文献解析了蓝染工艺背后所蕴含的科学原理，又讲述了近代化学家合成染料的探究历程，渗透其中的科学探究的思维和精神。将课程内容与化学史料相互融合，不仅能丰富课程内容，拓宽学生的知识面以及提升学生的化学学科核心素养，还能将传统文化渗透于教学中，有助于学生树立文化自信。