第五单元宋元时期民族关系与社会经济文化的新发展
四大发明
一、导入
2015年“五一”开始，央视新闻推出八集系列节目——《大国工匠》，引起了广泛的热议，节目讲述了8个工匠缔造的神话，他们数十年如一日地追求着职业技能的极致化，靠着传承和钻研，凭着专注和坚守，诠释和弘扬了大国工匠精神。其实这种精神自古有之，今天就从大国工匠精神的角度回顾和反思四大发明。
二、新课
（一）造纸术
1. 世界上最早的纸
在纸未发明之前，我国的书写工具主要为竹木简，笨重，不方便，据说东方朔给汉武帝的奏折需要两个人抬进宫去，汉武帝用了两个月的时间才看完。但纸的发明改变这种状况。最早的纸出现于西汉，这比东汉蔡伦改进造纸术大约要早170年左右。但当时的纸张质量较差，不能用于书写。直到蔡伦造出质地优良的“蔡候纸”之后，纸真正用于书写。
2．蔡伦改进造纸术
据《后汉书?蔡伦传》记载，蔡伦15岁入宫为太监，曾主管宫廷御用手工作坊，由于职务上的关系，蔡伦得以观察、接触生产实践。每有空闲，他就亲自到作坊进行调查，学习和总结工匠们多年积累的丰富经验，促进了冶铁、机械制造等方面工艺发展。这在《后汉书》中也有记载：监作秘划及诸器械，莫不精工坚密，为后世法。在这个过程中，蔡伦认真总结了前人的经验，他认为扩大造纸原料的来源，改进造纸技术，提高纸张质量，就可以使纸张为大家接受。蔡伦首先使用树皮造纸，这是比较丰富易得原料，大幅度提高纸的产量。但树皮中所含的果胶、蛋白质很高，因此脱胶、制浆难度大。蔡伦等人尝试用草木灰取代水石灰水制浆，草木灰水有较大的碱性，有利于提高纸浆的质量。其实造纸技术环节复杂，绝非一人之功，必然有一个发展和演进的过程，它是我国劳动人民长期经验的积累和智慧的结晶。
3．造纸术的发展
到了宋代，造纸术又有了新的进步。主要表现为造纸的手工业作坊遍布全国；纸张的品种也越来越多，其中最有名的是安徽宣城的“宣纸”、浙江嘉兴的‘田拳纸’和成都的‘蜀笺’等。纸张原料和制作技术等方面也有重大的进步。宋朝开始以竹造纸，比西方早约1000年。制作技术上，造纸作坊普遍利用一种被称水碓的设备，以水为动力，大大提高了生产效率。另外，纸的用途也更为广泛，北宋苏易简所著《文房四谱》中有《纸谱》卷，书中记载了宋人以纸张造衣服的方式，并说山中居民“常以纸为衣”。
（二）印刷术
1．雕版印刷
印刷术开始于隋唐的雕版印刷。这是中国最早的印刷形式，有2000余年的历史，凝聚了中国造纸术、制墨术、雕刻术、摹拓术等几种传统工艺，其工艺流程，从写样上板、刻版到刷印、装订等共有20余道工序。
事实上，雕版印刷技术并不像我们想象的那样简单，从雕版的选材到最后成书的每一道工序都是经过上百年的探索发展才逐渐成熟。明代学者胡应麟说：雕本（印刷）肇自隋时，行于唐世，扩于五代，精于宋人。概括了雕版印刷发展的漫长过程。就拿雕版的选材来说，要选择是纹理细密、质地均匀、加工容易的木材最好。为了使印版不变形，还要想办法进行干燥处理，最初就是存放多年，使木材干透。后来开始采用水浸和蒸煮的方法来处理木材。水浸的时间大约一个月，凉干后再用，蒸煮则要在水中煮3-4个小时，凉干后再用。木板干燥后，还有进行两面刨光、刨平，再用植物油涂拭板面，最后进行打磨，使之光滑平整。这些都严格完成之后才能进行后续的工作。
史料记载：公元971年宋太祖命宦官张从信前往益州开雕《大藏经》，一直到公元983年宋太宗时期才完成，历时12年，雕经板十三万块。因此雕版印刷多用于印刷使用量比较大佛经、史书、纸币和广告等。
2．毕升发明活字印刷
印刷术在北宋时期的另外一个巨大的发展就是活字印刷术的发明。这一伟大的发明者就是毕升。关于毕升的生平事迹，除了沈括在《梦溪笔谈》一书中的记载为布衣，还找不到第二个文献资料。
据推测毕升应当是一个从事雕版印刷的工匠。由于毕升在长期的雕版工作中，
发现了雕版时最大缺点就是每印一本书都要重新雕一次版，不但要用较长时间，而且加大了印刷的成本。如果改用活字版，只需雕制一副活字，则可排印任何书籍，活字可以反复使用。虽然制作活字的工程大一些，但以后排印书籍则十分方便。正是在这种启示下，毕升才发明了活字版。沈括《记活字印刷术》详细记录的活字印刷术的使用方法：其法，用胶泥刻字，薄如钱唇，每字为一印，火烧令坚。……若止印三二本，未为简易；若印数十百千本，则极为神速。常作二铁板，一板印刷，一板已自布字，此印者才毕，则第二板已具，更互用之，瞬息可就。从此，印刷技术进入了一个新时代——活字版印刷的时代。
（三）指南针
1．沈括和指南针
指南针在宋代的大发展是开始利用地磁感应来制作指南针。将薄铁片剪裁成鱼形，以炭火、烧红。然后取出铁片，让鱼尾对准子位，浮在水盆之中，在地球磁场作用下，铁片便会被磁化，成为指南针。
北宋科学家沈括对指南针的改良和研究有很大贡献。他发现磁针并个是指向正南正北，而是“常微偏东，不全南也”，这是世界上首次发现磁偏角的现象。另外，他又在《梦溪笔谈》中记载了四种安置磁针的方法：将磁针平放在指甲上；将磁针平放在瓷碗的口沿上；漂浮式指南针；缕悬式指南。沈括指出第一、二种方法的稳定性较差，并不实用。所以当时较多使用漂浮式和缕悬式指南针，它们后来分别演变成“水罗盘”和“旱罗盘”。
2．指南针的应用
我国不仅发明了指南针，也将他最好应用于航海。北宋著作《萍洲可谈》记载：“舟师（水手）识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这是世界上使用指南针航海的最早记录。南宋时，指南针广泛应用于航海，明朝郑和下西洋的船队中水罗盘已经是标配了。
（四）火药
何为火药？容易着火的药，硫磺、硝石都属于这一类。关于火药武器的应用要追溯到唐代，而广泛用于军事，则开始用宋代。北宋兵书《武经总要》记载了毒药烟球、羡黎火球和火炮火药三种火药配方，这是世界上最早的火药配方。这些配方和后世黑火药中硝石的含量相似，但仍以燃烧为主。南宋时，木炭的含量
增加，爆炸性更强，杀伤力更大。蒺藜火球——一种炸药包，外绑铁刃，内包火药和铁刺，由抛石机投射后，铁刃将炸药包固定在城楼上，爆炸后散出铁刺兼有杀伤作用。
元代，火药武器进一步发展，出现了大型管状武器——铜火铳。史书记载了一次火药爆炸的事件，可见其威力巨大。
（五）四大发明的外传
四大发明问世后，相继向外传播。基本路线是向东传入朝鲜和日本，向西经阿拉伯人传入欧洲。给世界带来翻天覆地的变化。乃至英国近代科学家弗兰西斯?培根有这样高度的评价：印刷术、火药和指南针……这三种发明都曾改变了整个世界的全部面貌和状态。第一种在文学上，第二种在战争上，第三种在航海上，并且随着这些发明的利用又引起了无数的变迁。这是我国对世界发展的贡献，也是我国古代一代又一代工匠智慧的体现。
三、小结
为什么我国古代会出现如此瞩目的发明呢？有社会的因素，更多的则是科学家和劳动者们不断探索，不断钻研的结果。先辈们立足实践，锲而不舍，最终创造了辉煌的成就。这就是大国工匠精神最好的表现。