基于項目式學(xué)習(xí)的“水溶液中的離子平衡”專題復(fù)習(xí)

牛彩霞 鄒映波

摘要： 以“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計”為項目進(jìn)行專題復(fù)習(xí)，在復(fù)習(xí)梳理基礎(chǔ)知識的同時，學(xué)生自主構(gòu)建復(fù)雜溶液體系中離子平衡及反應(yīng)的基本認(rèn)知模型，并將其應(yīng)用于透析液配制中異?，F(xiàn)象的分析與解決，學(xué)生的高階思維得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 項目式學(xué)習(xí); 人體酸堿平衡; 離子平衡; 專題復(fù)習(xí)

文章編號： 10056629（2020）06005306? 中圖分類號： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 項目設(shè)計思路

項目式學(xué)習(xí)是指在課程標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，學(xué)生以小組合作的方式，在真實(shí)情境中通過問題驅(qū)動進(jìn)行探究，解決實(shí)際問題，并展示分享研究成果[1]。其中，成果形式包括一個產(chǎn)品、一份報告或?qū)嵶鞯脑O(shè)計和發(fā)展過程等。它幫助學(xué)生獲得學(xué)科知識的核心概念和原理，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)和能力，助力學(xué)生科學(xué)精神和人文精神的養(yǎng)成[2]。項目式學(xué)習(xí)流程分為選定項目、拆解項目、活動探究、交流成果和評價反思五個階段，如圖1所示。內(nèi)環(huán)中由虛線所劃分的5個區(qū)域中的內(nèi)容為學(xué)生在相應(yīng)的各個階段所開展的活動;外環(huán)各方框內(nèi)的內(nèi)容是教師在對應(yīng)各個階段所從事的各項活動。

教師在整個教學(xué)活動中起著指導(dǎo)者、組織者、監(jiān)督者、資源提供者和合作者的作用。

化學(xué)反應(yīng)原理幫助學(xué)生建立認(rèn)識世界的角度，揭示化學(xué)本質(zhì)，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。其中，水溶液中的離子平衡及反應(yīng)主題是化學(xué)平衡理論的延續(xù)，在化學(xué)反應(yīng)原理模塊中占有非常重要的地位[3]。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已基本掌握本章節(jié)的相關(guān)知識，但尚未形成系統(tǒng)的多平衡體系的分析思路，分析與解決復(fù)雜的實(shí)際問題的能力有待提高。

“人體酸堿平衡”是水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的一個應(yīng)用實(shí)例。人體有一整套調(diào)節(jié)酸堿平衡的機(jī)制，使得血液pH恒定在7.35～7.45之間，當(dāng)體內(nèi)血液和組織液中酸性物質(zhì)堆積，則會導(dǎo)致血液中HCO-3與H2CO3濃度及其比值的變化超出正常范圍，引起酸堿平衡紊亂，如酸中毒。此時，治療方案的設(shè)計仍需利用化學(xué)反應(yīng)原理相關(guān)知識。從知識層面，HCO-3自身存在電離和水解兩個平衡，此外在一定濃度時還能與Ca2+相互作用產(chǎn)生沉淀，能夠?qū)⑺芤褐械碾x子平衡（電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡）很好地進(jìn)行整合;從實(shí)際應(yīng)用層面，HCO-3參與維持人體血液pH，與Ca2+的相互作用直接影響透析液的配制和使用。因此，本案例具有豐富的教學(xué)價值（見圖2）。學(xué)生若以此為項目，以項目式學(xué)習(xí)的五個環(huán)節(jié)展開活動，以“為病人分析酸中毒原因、設(shè)計治療方案、配制透析液、優(yōu)化配制方案”為活動主線，把“水溶液中的離子平衡與反應(yīng)的基礎(chǔ)知識和基本分析思路”貫穿于整個項目的完成過程中，學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀等化學(xué)思想將得到進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展，模型認(rèn)知、證據(jù)推理、變化觀念、平衡思想等核心素養(yǎng)也將得到落實(shí)。

2 項目學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1） 能利用“水溶液中的離子平衡”專題基礎(chǔ)知識，結(jié)合微粒觀、平衡觀和守恒觀思想，解釋緩沖溶液緩沖失效的原因，并應(yīng)用于人體代謝性酸中毒的原因分析，自主構(gòu)建水溶液中的離子平衡問題的分析思路和模型。

（2） 能應(yīng)用構(gòu)建的思路模型分析透析液配制過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（出現(xiàn)沉淀、氣泡）的原因，進(jìn)一步提出合理的解決方案。

（3） 梳理關(guān)于離子平衡的知識體系，形成解決實(shí)際問題的科學(xué)思維，體會化學(xué)知識在實(shí)際生活中的重要性，進(jìn)一步發(fā)展和落實(shí)模型認(rèn)知、證據(jù)推理、變化觀念、平衡思想等學(xué)科核心素養(yǎng)[4]。

3 項目實(shí)施過程

3.1 選定項目

[創(chuàng)設(shè)情境]播放視頻（該視頻由本班學(xué)生提前錄制），病人不舒服，到醫(yī)院就診，醫(yī)生開出化驗單。經(jīng)檢查后，血?dú)夥治鰣蟾娼Y(jié)果顯示“代謝性酸中毒”。

[驅(qū)動性問題]如果你是一名醫(yī)生，你會怎么做？

[學(xué)生]選定項目為“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計”。

設(shè)計意圖： 采用角色扮演的方式，提出相關(guān)驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生主動選定研究項目為“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計”，激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生初步了解和體會化學(xué)在人體健康方面的應(yīng)用價值。

3.2 拆解項目

[學(xué)生]依據(jù)驅(qū)動性問題，主動對研究項目進(jìn)行拆解，確定子項目——（1）病因診斷： 人體代謝性酸中毒的原因;（2）對癥下藥： 治療方案的設(shè)計。

[教師]提供資料：

（1） 正常人體血液中各物質(zhì)濃度;

（2） 透析液及透析原理介紹。

[學(xué)生]分組活動，結(jié)合資料，利用水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的基礎(chǔ)知識，確立完成該項目的整體方案，并規(guī)劃方案完成的流程。

[教師]組織學(xué)生分組完成規(guī)劃方案的匯報，對方案進(jìn)行點(diǎn)評和優(yōu)化，最終確立方案（見圖3）。

3.3 活動探究

3.3.1 病因診斷——人體酸中毒的原因

[學(xué)生]依據(jù)病人血?dú)夥治霾糠謾z查結(jié)果（見表1），逐步分析正常人體血液呈堿性、pH穩(wěn)定在7.35～7.45及病人代謝性酸中毒時血液pH小于7.35的原因。

[教師]觀察和傾聽，在學(xué)生需要時提供必要的支持。

[學(xué)生]構(gòu)建分析思路： 從關(guān)注單一粒子的單一行為（HCO-3的水解），到關(guān)注多粒子間行為（HCO-3的水解和H2CO3的電離）的相互作用，最后關(guān)注其相互作用的程度： 當(dāng)H+過多時，溶液中的OH-不能充分結(jié)合H+，使得溶液中c（H+）增大，c（CO2）也增大，引起溶液酸性的增強(qiáng)（見圖4）。

[教師]引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)水溶液中的離子平衡及反應(yīng)問題的分析思路。

[學(xué)生]根據(jù)上述分析過程，提煉總結(jié)思路和方法（見圖5）。

設(shè)計意圖： 通過分析人體代謝性酸中毒的原因，學(xué)生從只能孤立分析單一粒子HCO-3的水解行為，到最后能夠關(guān)注多粒子之間的相互作用（H2CO3電離及HCO-3水解）和作用程度大小，自主形成水溶液中的離子平衡及反應(yīng)問題研究思路，為后續(xù)實(shí)際問題的分析和解決奠定基礎(chǔ)。

3.3.2 對癥下藥——治療方案的設(shè)計

（1） 確定治療方案。

[學(xué)生]結(jié)合資料和病人病情進(jìn)行討論交流，確定對病人采用透析的方式進(jìn)行治療，并確定下一步任務(wù)為透析液的配制。

（2） 透析液的配制。

[教師]發(fā)布任務(wù)，模擬100 mL 5倍血液成分濃度透析液的配制。

[學(xué)生]小組活動，依據(jù)人體血液中主要無機(jī)離子含量（見表2），根據(jù)電荷守恒的思想，篩選出配制透析液所需的溶質(zhì)——NaCl、 KCl、 CaCl2和NaHCO3，計算各物質(zhì)質(zhì)量，并制定實(shí)驗方案。

[教師]組織學(xué)生匯報實(shí)驗方案，并對方案進(jìn)行點(diǎn)評和優(yōu)化，最終確立方案（見表3）。

[學(xué)生]小組活動，完成實(shí)驗。在溶液配制過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了白色沉淀和氣體。

[學(xué)生]分析異?，F(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗中所用原料，認(rèn)為白色沉淀可能是CaCl2、 NaHCO3和CaCO3，氣體是CO2，需要教師提供室溫下各物質(zhì)的溶解度。

[教師]提供室溫時以上四種物質(zhì)的溶解度，確定白色沉淀為CaCO3，氣體是CO2，引導(dǎo)學(xué)生分析CaCO3和CO2產(chǎn)生的原因。

[學(xué)生]應(yīng)用水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的分析思路，確定了CaCO3和CO2產(chǎn)生的原因（見圖6）。反應(yīng)Ca2++CO2-3CaCO3↓的發(fā)生促進(jìn)HCO-3的電離，c（H+）增大，引起CO2+H2OH2CO3HCO? -3+ H+逆移及HCO? -3+H2OH2CO3+OH-正移，從而產(chǎn)生CO2。

[學(xué)生]提出問題，透析液是根據(jù)人體血液成分配制的，為什么人體血液中沒有CaCO3呢？

[學(xué)生]小組討論，主動將血液與透析液進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)透析液濃度為血液成分濃度的5倍，在血液中c（CO2-3）？c（Ca2+）Ksp（CaCO3），從而產(chǎn)生CaCO3和CO2。

（3） 透析液的使用。

[學(xué)生]提出解決方案： 找尋NaHCO3的替代物質(zhì)，如CH3COONa。因為CH3COO-能結(jié)合H+，降低人體血液中H+含量，糾正酸中毒。

[教師]提供資料：

（1） 醋酸通常在肌肉中代謝為乙酰輔酶A（乙酰CoA）。乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，每一個CH3COO-可以通過該循環(huán)代謝成為HCO-3，同時還產(chǎn)生CO2和H2O。

（2） 臨床結(jié)果顯示，由透析液進(jìn)入體內(nèi)的CH3COO-轉(zhuǎn)化為HCO-3需要一定的時間，并受到肝功能的影響，故糾正酸中毒較慢且不充分。此過程還增加了耗氧量，抑制病人的呼吸中樞，帶來低血壓、消化道問題等一系列并發(fā)癥。在透析液的發(fā)展史中，僅存在了20年[5]。

[學(xué)生]放棄尋找替代物的方案，提出新方案： 配制過程中，避免Ca2+和HCO-3直接接觸。小組經(jīng)討論具體方案，匯報交流，確立方案如表4所示。

[學(xué)生]針對溶液配制和使用方案產(chǎn)生的分歧進(jìn)行討論。結(jié)合方程式2HCO? -3+Ca2+CaCO3↓+H2O+CO2↑可知，若先混合會有CO2離開溶液體系，依據(jù)物料守恒可知，混合后再稀釋，溶液也不能完全恢復(fù)，因此，應(yīng)先稀釋再混合。通過查閱資料，學(xué)生發(fā)現(xiàn)人體血液中還有Mg2+，因此真正醫(yī)療過程中使用的透析液中還包含MgCl2，在高濃度溶液中，會發(fā)生反應(yīng)2HCO-3+Mg2+MgCO3↓+H2O+CO2↑，因此濃縮溶液B中溶質(zhì)應(yīng)為NaHCO3。最終確定方案3為最佳方案。

設(shè)計意圖： 利用形成的思路分析實(shí)際問題。學(xué)生通過親自動手實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)并關(guān)注到了實(shí)驗過程中的“異?，F(xiàn)象”——白色沉淀和氣體。這與學(xué)生原有的認(rèn)知Ca2+和HCO-3能夠在水中共存產(chǎn)生了沖突。在分析白色沉淀是什么物質(zhì)這一過程中，學(xué)生利用元素守恒思想分析白色沉淀可能是哪些物質(zhì)，最后通過這些物質(zhì)的溶解度確定該白色沉淀是CaCO3。學(xué)生利用上一環(huán)節(jié)中形成的分析問題的方法，能夠順利解釋CaCO3和CO2產(chǎn)生的原因。在血液與透析液情況對比的環(huán)節(jié)，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，充分體會到沉淀產(chǎn)生的原因是相應(yīng)離子的濃度積大于沉淀物的Ksp，進(jìn)一步感受到沉淀溶解平衡在實(shí)際問題解決過程中的應(yīng)用。

最后，學(xué)生在思路形成、分析問題的基礎(chǔ)上，完成了對實(shí)際問題的解決，是前兩個環(huán)節(jié)的進(jìn)一步深入與提升。此外，學(xué)生提出解決方案——尋找替代物，避免Ca2+和HCO-3直接接觸的過程，既符合透析液由“碳酸氫鹽透析液→醋酸鹽透析液→碳酸氫鹽透析液”的發(fā)展歷程，又能讓學(xué)生充分體會到化學(xué)與醫(yī)學(xué)技術(shù)的密切關(guān)系。

3.4 交流成果

[學(xué)生]按照方案3，重新進(jìn)行透析液配制，并模擬實(shí)際使用情況，觀察到稀釋混合后無CaCO3沉淀和CO2氣體的產(chǎn)生，并測定溶液的pH，與正常人體血液的pH相近。

[學(xué)生]各組交流匯報，互相點(diǎn)評。

3.5 評價反思

[教師]組織各組進(jìn)行交流反思。

[學(xué)生]反思該項目完成的過程，梳理基礎(chǔ)知識，總結(jié)水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的分析思路（見圖7）。

4 教學(xué)反思

基于項目式學(xué)習(xí)思路，選取“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計”進(jìn)行高二水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的單元復(fù)習(xí)，在解決實(shí)際問題過程中，關(guān)注學(xué)生基礎(chǔ)知識的落實(shí)、研究思路的形成、解決問題能力的提升以及化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。在此過程中，學(xué)生作為項目完成的主體，自己選定、拆解、完成項目，利用已學(xué)知識，逐漸形成系統(tǒng)分析思路，并將其用于實(shí)際問題解決過程中產(chǎn)生的認(rèn)知沖突的分析和解決。整個過程中，學(xué)生興趣濃厚，參與度高，許多平時上課不太活躍的學(xué)生也積極參與到項目中來，生生之間的交流、辯論及合作非常自然。學(xué)生充分感受到化學(xué)在實(shí)際生活中的魅力，課后有不少學(xué)生表示通過該項目的學(xué)習(xí)，對水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的分析思路更加清晰流暢。以題目“1.寫出MnSO4溶液和NH4HCO3溶液混合制備MnCO3固體的離子方程式? ? ;2.已知： H2PO-4HPO2-4+H+; HPO2-4PO3-4+H+。寫出FeCl3溶液和Na2HPO4溶液混合制備FePO4固體的離子方程式? ? ?！边M(jìn)行課后測試，正確率達(dá)85%左右，說明學(xué)生對于復(fù)雜溶液體系中的離子平衡及反應(yīng)的分析能力得到較大的提高，學(xué)科核心素養(yǎng)得到一定的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 侯肖， 胡久華. 在常規(guī)課堂教學(xué)中實(shí)施項目式學(xué)習(xí)——以化學(xué)教學(xué)為例[J]. 教育學(xué)報， 2016， 12（4）： 39～44.

[3] 宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書？化學(xué)反應(yīng)原理（選修4）（第3版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2004： 39～61.

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