無機化學課程思政探索
——以“緩沖溶液”為例

暢炳蔚，秦建芳，姜秀平，秦英戀，郭晶琳

（運城學院，山西運城 044000）

教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》[1]中指出：全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措，是全面提高人才培養質量的重要任務。理學、工學類專業課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

無機化學課程是化學、化學工程與工藝、材料化學、生命科學、藥學等專業必修的一門專業基礎課。通過本課程的學習，使學生了解無機化學的研究對象和發展趨勢；掌握化學基本概念、化學反應原理、物質結構基礎及元素化學等內容；培養學生具備綜合運用所學知識獨立完成化學實驗和化學計算的能力，以及分析問題和解決問題的能力，為學生學習后續課程以及今后在化學及其相關領域從事工作打下良好的基礎。

“緩沖溶液”是無機化學課程中很重要的一節內容，在生命科學、自然界、科學研究、工業生產、醫藥等領域中都有著廣泛應用[2-4]。然而，目前大多數老師采取的教學方法是結合PPT 講授，學生參與度低，上課注意力容易分散，很難達到提高學生的學習能力、分析問題和解決問題能力的課程目標。本文設計了以學生為中心的緩沖溶液教學方案，采用了案例教學法、問題驅動法、討論法、實驗法、任務驅動法等教學方式，充分調動學生的主觀能動性，將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體，落實立德樹人根本任務。為廣大教師踐行無機化學課程思政提供參考。

1 學情分析

無機化學課程的教學對象是大學一年級學生，學生在高中時已經對弱電解質的電離平衡有一定認識。在學習本節內容前，學生已經學習了一元弱酸、多元弱酸的解離平衡，會根據平衡常數計算平衡時溶液中各離子的濃度，溶液pH 值，為緩沖溶液的學習打下基礎。筆者所在高校使用教材為宋天佑主編的《無機化學（第四版）》[5]，授課對象是一所省屬普通本科院?；瘜W專業大一學生。學生學習的主觀能動性一般，往往需要教師下達任務驅動學生學習。此外，學生的計算能力比較薄弱，上課專注度一般。鑒于此，本文設計了以學生為中心的教學方案，將“緩沖溶液”知識點與案例充分融合，驅動學生結合案例自主探究出緩沖溶液的組成、原理及其pH 的計算。通過實驗論證，提高學生獨立思考、舉一反三、解決問題的能力。通過“人體酸堿體質”、海綿城市等案例挖掘緩沖溶液中的課程思政元素。

2 教學目標

2.1 價值塑造

（1）通過探究人體血液緩沖體系，培養學生崇尚科學，善于思考的科學態度；

（2）通過辨析“人體酸堿體質”，培養學生辨證唯物主義科學的世界觀；

（3）通過討論海綿城市的緩沖作用，使學生認識到人類要合理開發大自然，用科技手段平衡人類發展與生態環境的關系；

（4）通過討論輔導員在調節學生矛盾中的緩沖作用，培養學生解決問題的能力，遇到困難學會尋求輔導員、外界的幫助。

2.2 知識傳授

（1）掌握緩沖溶液的定義、組成、作用機制；

（2）會計算緩沖溶液的pH 值；

（3）掌握緩沖溶液的配制方法，能根據反應條件選擇合適的緩沖溶液；

（4）會運用緩沖溶液的作用機制，解釋生產生活中的緩沖作用。

2.3 能力培養

（1）將酸堿平衡知識應用到緩沖溶液pH 計算中，提升學生知識遷移能力；

（2）帶領學生推導出弱酸-弱酸鹽緩沖溶液pH計算公式后，讓學生獨立推導出弱堿-弱堿鹽緩沖溶液pH 計算公式，提升學生獨立思考，舉一反三的能力；

（3）通過實驗驗證緩沖溶液的作用機制，培養學生實驗論證的能力；

（4）結合緩沖溶液在生產生活中的案例，培養學生知識應用，學以致用的能力。

3 教學內容設計

3.1 緩沖溶液的定義——案例法導入

【導入】人體各個部位pH 值保持在一定范圍，比如正常人體血液pH 維持在7.35～7.45 之間[6-7]。而我們日常所吃的食物pH 各異，詳見表1。但是不論我們攝入酸性較強的可樂，還是偏堿性的雞蛋，或是喝了大量水后，人體各部位pH并不會有明顯變化。像血液這種“能抵抗少量強酸、強堿和大量水的稀釋而保持體系pH 基本不變的溶液”稱為緩沖溶液。

表1 常見食物的pH

通過列舉人體血液的緩沖作用，導入緩沖溶液的定義，激發學生的學習興趣。

3.2 緩沖溶液的作用機制——問題驅動式教學

【教師提出問題】血液是如何控制pH 在如此小的波動范圍內呢？

【教師引導】在血液中存在4 種緩沖對：①碳酸鹽緩沖體系（NaHCO3/H2CO3）；②血紅蛋白緩沖體系（Hbb/KHb；HbbO2/KHbO2）；③血漿蛋白緩沖體系（HPr/NaPr）；④磷酸氫鹽緩沖體系（Na2HPO4/NaH2PO4；K2HPO4/KH2PO4）[8]。其 中NaHCO3/H2CO3起主導作用。

【教師提出問題】以NaHCO3/H2CO3緩沖體系為例，當血液中酸性物質增多時會發生什么？

【學生分析問題】HCO3-會結合H+生成H2CO3，從而保持血液中H+濃度基本不變，血液pH 不變。同理，當血液中堿性物質產生或增多時，H2CO3與OH-反應生成HCO3-，從而維持血液pH 基本恒定。

【教師】當攝入酸性物質時，體內產生的H2CO3會分解出CO2從肺部排出；當攝入堿性物質后，產生的HCO3-則會從腎臟排出，如圖1所示。

圖1 血液的緩沖機制[9]

【討論】緩沖溶液的作用機制是什么？

【學生分析問題】通過緩沖對之間的質子轉移，消耗外加的少量的H+和OH-，從而維持緩沖溶液pH 值基本不變。

3.3 緩沖溶液的組成——討論式教學

【討論】緩沖溶液是由什么組成的？請以血液緩沖體系為例進行分析。

【學生分析問題】血液中碳酸鹽緩沖體系（NaHCO3/H2CO3）是由弱酸-弱酸鹽構成的，磷酸氫鹽緩沖體系（Na2HPO4/NaH2PO4）是由多元酸鹽及其次級酸鹽構成。

【教師提出問題】那么弱堿-弱堿鹽可以構成緩沖溶液嗎？

【學生分析問題】在NH3-NH4Cl 體系中加入少量酸，NH3可以和H+結合生成NH4+；加入少量堿后，NH4Cl 會和OH-反應生成NH3·H2O，不會引起溶液pH 明顯變化，因此弱堿-弱堿鹽也可以構成緩沖溶液。

【歸納總結】緩沖溶液的三種組成方式：弱酸-弱酸鹽、弱堿-弱堿鹽、多元酸鹽及其次級酸鹽。

相較于傳統的講授法，討論式教學法不僅活躍了課堂氣氛，充分調動了學生的主觀能動性，學生對于“緩沖溶液組成”這一知識點的理解和認識也更加深入。

3.4 緩沖溶液pH 的計算——任務驅動式教學

【教師】以弱酸-弱酸鹽緩沖溶液HAc-NaAc 為例，引導學生找出其中的平衡關系，推理出弱酸-弱酸鹽緩沖溶液pH 的計算公式pH=

【教師下達任務】請同學們以NH3-NH4Cl 緩沖溶液為例，自主推導出弱堿-弱堿鹽緩沖溶液pH 的計算公式。

【學生解決問題】學生找出NH3-NH4Cl 緩沖溶液的平衡關系：NH3+H+?NH4+；NH4++OH-?NH3·H2O。最終推導出弱堿-弱堿鹽緩沖溶液pH 的計算公式：pOH=

學生自主推導出緩沖溶液pH 的計算公式，相比于講授法，學生主觀能動性大幅提高，有效避免學生對這兩個公式的混淆，清楚各公式的適用條件。

【練習】緩沖溶液中有1 mol/L HAc 和1 mol/L NaAc，試計算：

（1）緩沖溶液的pH；

（2）將1 mL 1 mol/L HCl 加入100 mL 該緩沖溶液引起的pH 變化；

（3）將100 mL 1 mol/L HCl 加入100 mL 該緩沖溶液引起的pH 變化；

【學生解決問題】經計算得，（1）緩沖溶液的pH為4.74；（2）緩沖溶液pH 變為4.73，pH 變化僅0.01；（3）緩沖溶液pH 變為2.37，pH 下降了2.37。

學生通過對比練習（2）（3），發現（2）在緩沖溶液中加入少量強酸時其pH 基本不變，而（3）在緩沖溶液中加入大量強酸后pH 有較大變化，失去緩沖作用。因此緩沖溶液抵抗強酸、強堿的能力是有限度的。進而提出緩沖容量及緩沖溶液pH 范圍的概念。

【討論】緩沖容量跟什么有關系？請同學結合表2、表3 進行分析。

表2 HAc-NaAc 緩沖對總濃度與緩沖能力的關系

表3 HAc-NaAc 緩沖對濃度比與緩沖能力的關系

【學生分析問題】由表2 數據可得，緩沖對濃度越大，緩沖容量越大；由表3 數據可得，緩沖對濃度比值越接近，緩沖容量越大。

【教師】當c鹽=c酸，緩沖對濃度較大時，緩沖容量較大。但一旦加入過多的強酸或強堿時，緩沖對將被大量消耗，抗酸抗堿能力也隨之減弱甚至消失。緩沖溶液都有最佳的緩沖范圍，理論上最佳pH 緩沖范圍在pKaΘ±1 區間，實際應用中因緩沖對不同略有變化。

3.5 緩沖溶液的性質探究實驗——實驗教學

（1）分別向100 mL 蒸餾水和100 mL HAc-NaAc 緩沖溶液（HAc 和NaAc 濃度均為1 mol/L）中加入1 mL 1 mol/L HCl 溶液，觀察溶液pH 的變化。

（2）向上述蒸餾水和HAc-NaAc 緩沖溶液中分別加入1 mL 1 mol/L NaOH 溶液，觀察溶液pH 的變化。

（3）取10 mL 1 mol/L HCl 溶液和10 mL HAc-NaAc緩沖溶液，分別加水稀釋至100 mL，觀察溶液pH的變化。

在該實驗教學中實驗（1）和（2）探究了酸堿對緩沖溶液pH 的影響，實驗（3）探究了稀釋對緩沖溶液pH 的影響。

結果與討論中，學生不僅要記錄實驗觀察到溶液pH 的實際變化值，還需要通過緩沖溶液pH的計算公式，求解出溶液pH 的理論變化值。通過對比pH 的理論值和實際值，學生發現兩者十分相近，進一步驗證了緩沖溶液pH 的計算公式。

通過實驗和計算讓學生深切感受到緩沖溶液的作用機制，同時加深了學生對緩沖溶液pH 計算知識點的掌握，鍛煉了學生的實踐應用能力、計算能力和實驗技能。

3.6 緩沖溶液的配制——任務驅動式教學

【教師】在化工生產，醫藥領域經常需要控制反應pH 在一定范圍內，那么如何選擇和配制合適的緩沖溶液呢？①緩沖溶液中弱酸或弱堿的p和p應盡量接近于反應所需pH。②通過調整弱酸-弱酸鹽c酸/c鹽或弱堿弱堿鹽c堿/c鹽比值，使緩沖溶液的緩沖范圍與反應pH 范圍相吻合。

【案例】栲膠脫硫工藝是一種脫除H2S 氣體的濕法脫硫工藝,是我國目前在煤化工氣體凈化領域使用效果最好的脫硫方法之一[10]。脫硫液的pH值是影響整個脫硫工藝最重要的因素。pH 過低，H2S 去除率較低；pH 過高，平衡時HS-的轉化率降低。脫硫液的pH 值需控制在9.00～9.20 之間。

【教師下達任務】請你從以下緩沖對（HAc-NaAc：pKaΘ=4.75、NaH2PO4-Na2HPO4：pKaΘ=7.21、NH4Cl-NH3·H2O：pKaΘ=9.25、NaHCO3-H2CO3：pKaΘ=10.25）中選擇一組你認為最適合栲膠脫硫工藝的緩沖對，并設計配制該緩沖溶液的方案。

【學生解決問題】緩沖對的pKaΘ值應盡量接近所要求的pH 值，因此表4 中NH4Cl-NH3·H2O 緩沖對更符合要求，再根據亨德森-哈塞爾巴爾赫方程，設計出配制NH4Cl-NH3·H2O 緩沖溶液方案。

通過工業實例探究，讓學生獨立設計配制緩沖溶液，即加強了學生對知識點的掌握，也將知識付諸于實踐，讓學生不再覺得“知識無用論”，感受知識與人們生產生活的密切聯系。

3.7 思政案例1：辨析人體酸堿體質——討論式教學

【討論】“有人說人體有酸性體質，堿性體質，并通過保健品、食療等方式可以使酸性體質變為堿性體質。你認為這有科學依據嗎？請說明原因?！?/p>

【學生】人體血液中存在以NaHCO3/H2CO3為主的緩沖體系，適量攝入堿性食物或保健品后，由于血液緩沖體系的存在，正常人血液pH 依舊維持在7.35～7.45，因此酸堿體質是不可信的。

【教師】網絡上一些公眾號、視頻號經常發布關于人體酸堿質的內容，誤導了很多群眾。請同學們將血液緩沖體系的知識科普給家人朋友，幫助身邊人分辨網絡上關于酸堿體質的謬論。

3.8 思政案例2：海綿城市——討論式教學

【教師】2021 年7 月發生在河南的特大暴雨令很多人終身難忘，當地很多人民的房屋、車輛被洪水淹沒，群眾被困家中，河南省緊急轉移安置147.08 萬人。這次災害雖為極端天氣引發，但集中暴露出許多問題，請同學們討論分析。

【學生1】城市防雨系統比較薄弱，無法應對特大暴雨。

【學生2】市政府應急管理能力有待加強。在遇到特大暴雨時，沒能第一時間進行有效的處置。

【教師】同學們從城市建設和政府管理方面都找到了問題。這次暴雨給我們也帶來了深厚的教訓：隨著城市化發展，越來越多的土地變成水泥路面、蓋上了高樓大廈，但與此同時土壤的防雨防汛能力大大下降，而地下管網容納能力又不足，因此在面臨這種特大暴雨時，整個城市的防雨防汛系統被擊潰。

【教師】有什么措施可以提高城市的防雨防汛能力？

【學生3】增加城市綠化面積，在居民區周圍修建公園，人工湖。

【學生4】擴容城市地下管網，增強排水能力。

【教師】是的，這些措施正是目前政府構建“海綿城市”的主要舉措。除了上述同學提到的，政府將一些園區、居住區的道路改為透水混凝土，在部分居民區構建綠色屋頂。這些雨水通過排水溝、雨水鏈等方式進行貯蓄或下滲。政府也在積極地構建蓄水模塊，如雨水花園、生態滯留池、滲透池、人工濕地等。

在雨水比較多的夏季，雨水通過土壤的滲透被凈化后儲存在蓄水模塊中，城市的積水、汛情也大大減少。在枯水季節，蓄水模塊中的水又可以涵養植被，也可處理后用于生產生活中。海綿城市通過儲存或排放雨水，來保護城市抵抗過澇或過旱的天氣，起到緩沖作用。

3.9 思政案例3：輔導員在調節學生矛盾中的緩沖作用——討論式教學

【教師】進入大學后，同學們都過上了寄宿生活。在集體生活中同學們難免會發生一些摩擦，大家是如何化解矛盾的呢？

【學生1】讓時間來化解矛盾，一般過兩天大家就重歸于好了。

【學生2】舍友幫忙調解，解開誤會。

【學生3】有時因性格不合產生的矛盾，互不理睬就好了。

【教師】小的矛盾大家互吐心聲，大部分能夠內部解決。但是當遇到大的矛盾無法調和時，大家就要尋求輔導員，老師的幫助了。2013 年，復旦大學醫學院研究生林森浩因瑣事對室友黃洋懷恨在心，將劇毒化學品二甲基亞硝胺注入飲水機，導致黃洋死亡。林森浩與黃洋的矛盾早在2011 年就已產生，但是兩人都沒有尋求外界的幫助，隨著長期矛盾的累積才發生了如此悲劇。近年來，國家越來越重視高校輔導員隊伍的建設。輔導員更加年輕化，更好地與學生溝通、大家生活中有什么困難都可以向輔導員提出，輔導員會耐心地幫助大家解決問題，調解矛盾，作同學生活中的緩沖劑。在復旦投毒案事件中，倘若這兩位同學及時找輔導員或老師調解，相信不會發生這樣的悲劇。

3.10 課后作業：緩沖溶液思維導圖及其應用——任務驅動式教學

課尾幫助學生回顧本節所學知識：緩沖溶液的定義、原理、緩沖溶液pH 的計算、緩沖容量、緩沖范圍、緩沖溶液的配制等。

【作業1】完成緩沖溶液思維導圖，培養學生養成及時梳理知識的良好習慣，鞏固課堂內容。

【作業2】請同學挖掘緩沖作用在生產生活中案例，包括在生命科學、自然界、科學研究、工業生產、醫藥等領域的應用。以小組為單位，進行課堂匯報。

4 教學反思

（1）課堂導入引入人體血液緩沖體系，激發學生的好奇心和求知欲，有效提高上課注意力和學習效果。

（2）通過問題驅動式教學方法，學生逐步探究出緩沖溶液的組成，作用機制，pH 的計算，鍛煉了學生自主學習，分析問題和解決問題的能力，體現了“以學生為中心”的教學理念。

（3）化學是一門實驗性的學科，結合實驗驗證緩沖溶液作用機制，加深了學生對知識點的理解與記憶，提升了學生的動手能力及科學探究能力。

（4）將例題與工業實例結合，培養學生理論聯系實際的能力。

（5）通過辨析“人體酸堿質”，不僅鞏固了知識，還提高了學生知識應用、辯證思維能力。

（6）通過討論海綿城市的緩沖作用，使學生認識到要合理開發大自然，保護土壤的蓄水作用，用科技手段平衡人類發展與生態環境的關系，與大自然和諧共處。

（7）通過討論輔導員在調節學生矛盾中的緩沖作用，使學生認識到當遇到自身無法調和的矛盾時，要積極尋求輔導員和老師的幫助。

（8）學生通過尋找生產生活中緩沖溶液案例并說明其中緩沖作用機制，提升了學生查閱文獻資料的能力及自學能力，也加強了知識的理解與運用。