“問題導向模式”的教學設計與實踐—以醫(yī)用基礎化學“緩沖溶液”為例

王美芹，王 頌，孟 蕾

(菏澤家政職業(yè)學院，山東 菏澤 274300)

化學不僅是研究現代生命科學的基礎，而且其進步也帶動了醫(yī)學的迅猛發(fā)展，是醫(yī)學院校不可缺少的一門重要基礎課?；瘜W知識是醫(yī)務工作者必備的知識。但由于學生知識的局限性，他們會認為醫(yī)學與化學關系不大，這在一定程度上削弱了醫(yī)學學生學習化學的興趣。人衛(wèi)出版社出版的全國高職十三五規(guī)劃教材《基礎化學》，第6章第3節(jié)緩沖溶液討論了緩沖溶液的概念、緩沖作用及其機制、緩沖溶液的組成、緩沖溶液pH值計算等知識，這些知識對于化學基礎知識較差的高職醫(yī)學學生來說都是抽象和乏味的，不能引起其學習興趣。 如何在課堂教學中將緩沖溶液知識與醫(yī)學現象有效結合起來，激發(fā)學生的學習積極性，引導其自主學習，破解知識難點，進而培養(yǎng)學生學習化學的興趣和解決問題的能力，從而牢固掌握本節(jié)的內容，為后續(xù)課程學習奠定堅實的化學基礎，是該教學設計解決的主要問題。

經過多年的教學實踐和研究，我們發(fā)現采用“問題導向教學模式”，將與化學知識相關的醫(yī)學問題或病案原因和解決措施首尾呼應地融入教學中，加強教與學的互動性，可達事半功倍的效果。鑒于此，我們對“緩沖作用和緩沖作用機制”的教學內容進行了以下的教學設計與實踐[1-2]。

1 課程導入和問題提出

課程的導入是一堂課是否成功的關鍵之舉，一個良好的開端，就意味著一堂課近乎一半的成功。本節(jié)內容引言部分，我們做了以下的教學設計：

觀看PPT，講述“人每天不斷地攝入酸性食物和堿性食物，而健康人體血液的pH值卻總是維持在7.35～7.45之間”，然后引導學生思考并提出問題“(1)為什么人體血液的pH值能穩(wěn)定在7.35～7.45之間？(2)人體血液的pH值是如何穩(wěn)定在7.35～7.45之間？(3)哪些溶液pH值不受酸、堿或稀釋的影響？”，導入新課，接著介紹該知識點重要性，與醫(yī)學的關系等，繼而提出本節(jié)課的學習目標和任務。

通過實驗，讓學生感知到某些溶液(如HAc-NaAc混合溶液)加酸、加堿或稍加稀釋，其pH值不發(fā)生明顯改變，順勢引出緩沖溶液、緩沖作用的概念。在掌握了緩沖作用的概念后，緊接著提問“為什么向緩沖溶液中加少量酸(HCl)或少量堿(NaOH)時，溶液的pH值不變？”從而引出緩沖作用機制的問題，通過回顧復習弱酸、弱堿的電離平衡知識，分析緩沖溶液的組成及溶液中的電離平衡，讓學生明白了緩沖作用的機制，再進一步探究哪些溶液可成為緩沖溶液？繼而探究“人體血液的pH值是如何穩(wěn)定在7.35～7.45之間？”的問題答案。

2 問題分析和解決

2.1 緩沖溶液和緩沖作用

為什么人體血液的pH值能穩(wěn)定在7.35～7.45之間？以學生熟悉的醋酸和醋酸鈉溶液為例，先進行定性實驗，再進行定量實驗，引出緩沖溶液、緩沖作用的概念。

2.1.1 實驗

教學環(huán)境、班級的氛圍在很大程度上會影響到教學效果[3]。直觀形象的化學實驗，不僅可以幫助學生理解課程知識，還可以活躍課堂氣氛，提高學生學習的積極性。本堂課可在實驗室中讓學生分小組實驗，也可在教室中由學生代替老師做演示實驗，同時利用多媒體播放相關視頻。

2.1.1.1 定性實驗

取1支大試管，加入0.1 mol/L醋酸(HAc)和醋酸鈉溶液(NaAc)各5 mL，并振蕩混合均勻得醋酸與醋酸鈉的混合溶液(HAc-NaAc)。

①取3支試管依次排列，分別加入0.1 mol/L NaCl溶液、0.1 mol/L NaAc溶液、HAc-NaAc溶液各4 mL，再向3支試管內各滴入甲基橙指示劑2滴并振蕩，然后依次向3支試管內滴加0.05 mol/L鹽酸2～4滴，觀察各試管內溶液顏色是否變化？

②另取3支試管依照①操作，將其中甲基橙和鹽酸分別換成酚酞和0.05 mol/L NaOH溶液，然后觀察各試管內溶液顏色是否變化？

通過定性實驗可讓學生更直觀形象地感知到：HAc-NaAc溶液加少量酸或堿或加水稀釋后，酸堿指示劑顏色并沒有明顯改變，這說明溶液pH值沒有改變或改變很小。這樣有助于學生理解，也加深記憶。

2.1.1.2 定量實驗

取3支試管依次排列，分別加入0.1 mol/L NaCl溶液、0.1 mol/L NaAc溶液、HAc-NaAc溶液各4 mL，然后分別測出其pH值；接著再向3支試管內各滴入0.05 mol/L鹽酸2～4滴并振蕩，而后分別測出其pH值。依照此法，再分別測出NaCl溶液、NaAc溶液、HAc-NaAc溶液加入少量NaOH，或用水稍加稀釋后各溶液的pH值。

實驗結果：在NaCl溶液中加入少量HCl或NaOH或水，溶液的pH值都會發(fā)生顯著改變；而在HAc和NaAc的混合溶液中加入少量HCl或NaOH,或用水稍加稀釋，溶液的pH值幾乎不變(僅有微小的變化)。

2.1.2 緩沖溶液和緩沖作用的概念

能抵抗外加少量強酸、強堿或稍加稀釋，而自身pH值基本保持不變的溶液，稱為緩沖溶液。能抵抗外來少量酸或少量堿,或稍加稀釋的影響，而保持溶液pH值相對穩(wěn)定(基本不變)的作用稱為緩沖作用[4]。提示：“少量”、“相對”說明緩沖作用有限度。

2.1.3 問題解決“為什么人體血液pH值能穩(wěn)定在7.35～7.45之間？”

血液屬于緩沖溶液，具有緩沖作用。

2.2 緩沖機制

回顧復習溶液pH值和弱電解質電離平衡的知識。以HAc-NaAc緩沖溶液為例，說明緩沖機制。

2.2.1 引導學生思考回答

①上述定性實驗中，在NaAc溶液中加少量HCl，溶液的pH值幾乎不變，為什么？②設想在HAc溶液中加少量NaOH溶液，溶液的pH值是否也不變？(可實驗驗證之)③HAc-NaAc緩沖溶液中，H+、Ac-和HAc的濃度大小如何？

2.2.2 師生共同解析

在醋酸是弱酸，在溶液中的離解度很小，常溫下達到電離平衡時，H+和Ac-很少，大部分仍是HAc 分子的形態(tài)存在。 HAcH++ Ac-

醋酸鈉是強電解質，在溶液中全部離解成Na+和Ac-。NaAc = Na++ Ac-

由于同離子效應，加入NaAc后HAc離解平衡向左移動，這使 HAc的離解度減小，H+濃度減小，HAc濃度增大。故在HAc-NaAc混合溶液中，存在一個平衡(醋酸電離平衡)和兩個大量(HAc和Ac-都是大量的)。

在HAc-NaAc緩沖溶液中，加入少量強酸，則溶液中H+濃度瞬間增大。但因溶液中存在醋酸的電離平衡，故增加的H+可與溶液中的共軛堿Ac-結合成HAc，使HAc原有的電離平衡左移。因為加入H+較少，溶液中Ac-濃度較大，所以加入的H+絕大部分被轉變成弱酸HAc，溶液中H+濃度幾乎不變，故溶液的pH值不發(fā)生明顯的減小(圖1)。在緩沖溶液中加入少量強堿，則溶液中OH-濃度瞬間增大。但因溶液中存在醋酸的電離平衡，故增加的OH-可與溶液中的共軛酸HAc反應生成Ac-，使HAc原有的電離平衡右移。因為加入OH-較少，溶液中HAc濃度較大，所以加入的OH-絕大部分與HAc電離生成的H+結合成更難離解的H2O，溶液中H+濃度幾乎不變，故溶液的pH值不發(fā)生明顯的增大(圖1)。

圖1 緩沖機制(緩沖作用原理)

在溶液稍加稀釋時，其中H+濃度會瞬間降低，但Ac-濃度也會同時降低，故同離子效應減弱，促使HAc的離解度增大，平衡右移所產生的H+可維持溶液的pH值不發(fā)生明顯的變化。

2.2.3 結論(緩沖機制)

①較大濃度的共軛酸、共軛堿是緩沖作用的物質基礎。

②共軛酸堿物質之間的質子傳遞平衡是緩沖作用的內在動力。

③緩沖對中的共軛酸與共軛堿必須在同一個化學平衡式中。

2.2.4 緩沖溶液組成

緩沖溶液是由具有足夠濃度、適當比例的共軛酸堿對的兩種物質組成。通常弱酸及其共軛堿或弱堿及其共軛酸(如：HAc-NaAc，H2CO3-NaHCO3，H3PO4-NaH2PO4，NH3·H2O-NH4Cl，NaHCO3-Na2CO3)都能組成緩沖溶液。一般把組成緩沖溶液的共軛酸堿對稱為緩沖對或緩沖系。

【問題】(1)H2CO3-Na2CO3和H3PO4-Na3PO4、NaH2PO4-Na2HPO4可否構成緩沖對？

(2)試說明H2CO3—NaHCO3緩沖溶液的緩沖機制

設計此問題目的：通過此問題，讓學生鞏固應用緩沖機制。

2.2.5 問題解決“人體血液pH值如何穩(wěn)定在7.35～7.45之間？”

由于食物的消化、吸收和組織中新陳代謝會產生大量的酸性物質或堿性物質，人體血液的pH值之所以能維持在一定的范圍內，說明血液中存在著多種緩沖對。血液中主要的緩沖對：CO2溶解或碳酸H2CO3-NaHCO3、NaH2PO4-Na2HPO4、HHb-NaHb(血漿蛋白及其鈉鹽)、HA-NaA(有機酸及其鈉鹽)。其中H2CO3-HCO3-緩沖對在血液中濃度最高，緩沖能力最強，維持血液正常pH值也最重要。

緩沖液在醫(yī)藥領域具有重要意義。微生物的培養(yǎng)、血液的冷藏保存以及藥品的藥理、生理、生化實驗等都需要選擇一定pH值的緩沖溶液，才能達到預期的效果。正常人體血液的pH值須要維持在7.35～7.45之間，臨床上把血液pH值<7.35稱為酸中毒，pH值>7.45稱為堿中毒，其結果都是致命的。

【問題】如何治療酸中毒？堿中毒？(設計目的：培養(yǎng)學生運用知識解決實際問題的能力。)

圖2 H2CO3-Na2CO3(緩沖作用原理)

3 結語

課堂教學設計之于課堂，猶如建筑設計之于建筑，所以好的課堂需要一個好的教學設計支撐。問題導向模式的教學設計是指根據教學對象和課程目標,從問題和需要入手來確定學習目標，運用教學規(guī)律設計合適的教學起點與終點,選相應的策略和方法，將教學諸要素有序優(yōu)化地安排,建立解決問題的步驟，使課程知識與實踐有機結合，對“教”“學”具有理論和實踐意義。