“問題導向模式”的教學設計與實踐—以醫用基礎化學“緩沖溶液”為例

王美芹，王 頌，孟 蕾

(菏澤家政職業學院，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學的迅猛發展，是醫學院校不可缺少的一門重要基礎課。化學知識是醫務工作者必備的知識。但由于學生知識的局限性，他們會認為醫學與化學關系不大，這在一定程度上削弱了醫學學生學習化學的興趣。人衛出版社出版的全國高職十三五規劃教材《基礎化學》，第6章第3節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學現象有效結合起來，激發學生的學習積極性，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，從而牢固掌握本節的內容，為后續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，我們發現采用“問題導向教學模式”，將與化學知識相關的醫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值能穩定在7.35～7.45之間？(2)人體血液的pH值是如何穩定在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，與醫學的關系等，繼而提出本節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。

緩沖液在醫藥領域具有重要意義。微生物的培養、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。