【研学旅行】古人使用石灰的探究\n\n订阅期刊,送600元福利!
“关于古人使用石灰的探究”综合实践活动课程设计杨海波
湖南省怀化市•会同县第三中学 450436827@qq.com
一、课程背景
在湖南省会同县连山乡大坪村，有一个古人居住过的山洞叫连山洞，据专家考证，很可能是炎帝等史前部落居住的地方。为此，2010年3月，会同县还召开了“全国首届会同炎帝故里文化研讨会”，中国社会科学院的“中华炎黄文化研究会”专家王震中先生认为“可备一说”，并出版了研究专著《华夏同始祖 天下共连山》一书。
2016年5月，笔者组织科技创新小组对连山洞进行了科学考察，发现了大量的古人类活动的遗迹。大家对连山古人的穴居生活产生了浓厚的兴趣，开展了一系列为期一年的考察研究活动，考察范围以连山洞为中心，扩展到周边的五指山、药王洞、“皇帝屋场”等地方，取得了许多研究成果，同时我们也发现这里是一处极佳的综合实践活动或研学旅行的基地。为此，我们编写了此综合实践活动课程。
二、知识背景
在初中三年级化学教材中，有关于碳酸钙高温分解成氧化钙、氧化钙与水反应生成氢氧化钙、氢氧化钙吸收二氧化碳生成碳酸钙和水、碳酸钙在碳酸水中溶解生成碳酸氢钙等知识，但是比较零散，不成系统，导致学生只知道化学理论，却不知道这些理论在生活中的应用，需要通过实践活动来弥补。
开展本活动需要具备以上化学知识，适合高中各年级学生。
三、活动主线
本课程以连山古人用石灰修补山洞的过程为主线，分为开采石灰石、冶炼生石灰、用石灰浆修补山洞天花板三个阶段性研究小课题。为了增强悬疑效果，先从考察连山洞开始，发现山洞有古人用石灰浆修补过的痕迹，从而去探究石灰的来源、开采地点、开采方法，以及加工方法、加工场所等。为了增强趣味性和拓展思维，还可以增加原始人生殖崇拜探秘、女娲补天故事新解等拓展小课题。
四、课程目标
1.知识与技能：将课本知识应用到实际研究工作中去，切实做到理论联系实际。例如石灰在建筑中的应用、烧红砖青砖的原理、铁矿石的变化与检测相关的化学知识，人类穴居生活状况、原始人生殖崇拜等历史文化知识等。
2.过程与方法：培养学生调查研究的能力、发现并分析与解决问题的能力。
3.情感态度与价值观：培养学生的团队协作精神，拓展学生的思维方式。
五、课程内容
（一）考察连山洞
1.考察活动
围绕着大坪村的连山洞考察一圈，重点考察已经垮塌的山洞形成的大坑（图1，测方圆范围）、残存的小洞（不进洞，用望远镜观察）、小洞的天窗及方位（图2）、山顶的飞来石、山脉的方位走向（用指南针测量）、残留在石壁上的修补痕迹（图3）、山脚下的土质状况（取样）、山下泉水的流向、咨询附近村民等。
2.引导思考
①古人生活在山洞，天花板风化漏水，古人采取了什么措施？同学们想象一下，古人是怎么操作的？
②根据残存小洞的天窗方位，同学们判断一下这个天窗有什么用？
③根据化学书上学过的知识想一想，山洞为什么会风化漏水并且最终垮塌？古人修补山洞天花板用到了石灰，完整的实施步骤有哪些？
3.预期目标
明白石灰岩风化和用石灰浆修补漏洞的化学反应原理，并且根据石灰的加工使用原理想到先要开采石灰石，从而激发出寻找古人开采石灰石场所的兴趣。
（二）考察五指山
1.考察活动
围绕着大坪村的五指山考察一圈，重点考察对象山高（估测）、山体岩石成分（先估测，然后取小块样本现场简单检测）、山顶平台的面积范围（测量）、山顶的石柱（图4、5，数个数、测高和围径）、岩体表面的颜色状况、古人活动遗迹、咨询附近村民等。
2.引导思考
①五指山的岩石主要化学成分可能是什么？如何检测？这几根石是天生还是人为的？如果是天生，可能性大不大？如果是人为，古人为什么要这样做、怎样做？
②根据山顶平台的范围和石柱的高度，计算古人在此开采了多少立方的石灰石？
③用手机搜索古人开采石块的方法，在五指山上仔细观察是否有类似的痕迹？
3.基本目标
推测出此地是古人开采石灰石的地方，开采方法是火烧水激法。
（三）考察药王洞
1.考察活动
在大坪村的药王洞内外考察一圈，重点考察山高（图6，估测）、岩石成分（先估测，然后取小块样本现场简单检测）、山洞的容积（测量，估算）、洞内石壁的状态（图7）、洞内顶端的通风道、岩体表面的颜色状况、石壁上的石刻文字、咨询附近村民等。
2.引导思考
①这个洞是用来干什么的？传说是药王熬药的地方，你觉得可信吗？你判断的依据是什么？洞外石壁上有一层青色的石皮（图8），猜测是什么化学成分？是怎样形成的？如何设计方案进行检测？（现场实验检测）
②初步判断药王洞是古人烧石灰的窑洞，根据洞的容积，计算一次可以烧多少立方的生石灰？并猜测具体操作方法。
3.基本目标
推测出此地是古人烧生石灰的地方，洞内顶部的小通风道是烟囱，古人将石灰石放在洞内用火烧成生石灰，烧完后在洞外泼水熄火导致石壁变成青色。要弄明白烧制生石灰和泼水熄火时红色石灰岩变成青色的化学反应原理。
（四）研究小结
同学们将三个地方的考察情况综合起来，形成一条完整的链条，还原古人开采、加工、使用石灰修补山洞的完整过程。
（五）拓展研究
1.古人生殖崇拜
考察连山洞、药王洞、五指山以及有两公里外“皇帝屋场”等地方的生殖崇拜遗迹，回校后自行到网上查阅生殖崇拜相关知识，写出自己的观点。
2.女娲补天故事新解
观察药王洞外石壁上的石刻“娲”字，尝试提出女娲补天故事的科学的解读。
六、课程流程
七、安全问题
1.注意交通安全，安全员在学生上下车时要维持好秩序。
2.重点防范落石，考察前做好纪律训话，禁止学生在考察地带放肆蹦跳、拉扯藤条、摇曳树枝、钻山洞、敲石头等，要有一颗敬畏的心，安全员在关键地方要站岗。
3.防止动物袭击，安全员持木棍带路，观察是否有狗出没，禁止学生远离山路到草丛中乱窜，以防蛇、蜂袭击。
4.夏季组织考察活动要防暑，带清凉油，看天气预报，最高气温达到40℃以上时取消活动计划。冬季防冰、雪，冰雪天气取消活动计划。
八、开展条件
1. 学生准备：
知识准备：熟悉石灰的变化、铁元素的转化与检测等相关化学知识。
器材准备：笔记本、笔、手机或数码相机、饮用水等。
2. 辅导员准备：
辅助用品：手机、数码相机、手持DV机、强光电筒、望远镜、指南针等。
实验用品篮：锤子、镊子、研钵、试管、导气管、酒精灯、打火机、稀盐酸、过氧化氢、硫氰化钾、澄清石灰水等。
3.安全员准备：药箱、棍子、小喇叭等。
4.联系会同县炎帝故里文化研究会，争取他们的支持，最好在活动前举行一个小时的讲座，了解考察目的地的文化背景。
九、评价方法
十、辅助资源
1.检测石灰岩的原理
石灰岩的主要成分是碳酸钙，与盐酸反应能产生二氧化碳气体，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，通过这个原理可以检验岩石是否确实是石灰岩。
2. 烧生石灰的原理
高温煅烧石灰石，其中的碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳，就得到了生石灰。
3. 洞内流体状石壁形成原理
石壁也是石灰岩，在洞内煅烧石灰岩时，石壁与摆放的石灰岩一起发生分解生成生石灰，后来石壁上的生石灰慢慢吸收水蒸气或洞顶渗漏的水，变成氢氧化钙，遇水形成流体状石灰浆，然后吸收空气中的二氧化碳变成坚硬的碳酸钙，石壁上的流体状态就被固定下来了。
4. 洞外石壁上青色石皮的主要成分检测
根据岩体呈微红色、石皮呈青色，初步判断岩体可能含有氧化铁（红色）、石皮含有氧化亚铁（纯的是黑色）。氧化亚铁溶于盐酸，加硫氰化钾不变色，再加入过氧化氢将亚铁离子氧化成铁离子，就变成血红色。
5. 青色石皮形成原因
药王洞的石灰岩本身含有大量氧化铁而显红色，在窑洞内烧生石灰，烧完成后泼水熄火，局部地方温度甚高，水与炭在高温下反应生成的氢气和一氧化碳，在高温下将石壁上的氧化铁还原成氧化亚铁，于是就形成了这层青色的石皮，原理与烧青砖一样。
说明：
研究成果《关于人类穴居生活状况的探究》在2017年5月参加湖南省第38届青少年科技创新大赛，荣获优秀科技实践活动二等奖。研究成果《关于古人使用石灰的研究》参加2016年度湖南省中小学研究性学习成果奖评选活动，荣获一等奖。
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