基于證據(jù)的化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

李奕霖 吳曉紅

摘要：基于證據(jù)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是在項(xiàng)目進(jìn)行的各個環(huán)節(jié)要有證據(jù)支撐，學(xué)生根據(jù)證據(jù)提出問題猜想、設(shè)計(jì)探究方案，并產(chǎn)生新證據(jù)支撐最終成果的得出。以初識人體緩沖機(jī)制為例，提供信息證據(jù)等引導(dǎo)學(xué)生從認(rèn)識人體血液pH穩(wěn)定原因到深入認(rèn)識緩沖機(jī)制，熟練運(yùn)用水溶液中離子平衡知識解決實(shí)際問題，體會生命中的化學(xué)，同時(shí)培養(yǎng)證據(jù)意識。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí);證據(jù)意識;緩沖溶液;離子平衡

文章編號：1008-0546（2021）03-0037-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.008

基于證據(jù)的化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是指在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)施過程中通過證據(jù)引導(dǎo)學(xué)生完成系列環(huán)節(jié)并最終得到一定成果[1]。其進(jìn)程分為主題確立、學(xué)生分組、項(xiàng)目實(shí)施、成果交流四步。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生首先將主題問題拆解成一個個小問題并依據(jù)證據(jù)提出合理的猜想;其次，進(jìn)一步收集證據(jù)設(shè)計(jì)探究方案并進(jìn)行有理有據(jù)的探究;在實(shí)施的過程中產(chǎn)生證據(jù)為最終項(xiàng)目成果的得出作支撐，如圖1所示。將證據(jù)貫穿項(xiàng)目實(shí)施始終，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時(shí)形成證據(jù)意識，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、項(xiàng)目簡介

正常人的血液pH相對恒定，維持在7.34～7.45。然而，在正常情況下人體代謝會不斷產(chǎn)生酸或堿，它們進(jìn)入血液中并未引起pH明顯的變化。究其原因，是由于血液中存在以HZCO3～HCO3-為主的緩沖體系。定性分析，以H2CO3～HCO3-為例，緩沖溶液作用的機(jī)制是水溶液中離子平衡（H2CO3H++HCO3-，HCO3-+H2OH2CO3+OH-）無論H+還是OH-的介入都會引起兩個平衡移動來抵抗外界酸堿的作用[2]。定量分析，根據(jù)三段式進(jìn)行緩沖體系pH計(jì)算公式推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)pH與緩沖體系共軛酸堿的濃度比有關(guān)，而與H+或OH-濃度無關(guān)。緩沖機(jī)制對于學(xué)生而言是一個較新的概念，但所用知識卻是舊知，有利于提高學(xué)生對復(fù)習(xí)課的興趣。同時(shí)該主題內(nèi)容既幫助學(xué)生復(fù)習(xí)并應(yīng)用離子平衡的原理，又涉及運(yùn)用三段式、平衡常數(shù)相關(guān)知識進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對該章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容涵蓋較全面，因此具有較好的教學(xué)價(jià)值。

在本項(xiàng)目中，教師以偽科學(xué)“酸堿體質(zhì)”理論為導(dǎo)入引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)日常生活中的證據(jù)推翻它，并繼而提出主題問題“為什么人體血液pH能維持相對穩(wěn)定”？然后將該問題拆解成三個小問題并形成子項(xiàng)目，分別是尋我維持血液pH穩(wěn)定的因素、驗(yàn)證這些因素發(fā)揮作用的原理、理論上深度探析該原理。在子項(xiàng)目1中教師提供人體血?dú)夥治霾糠种笜?biāo)供學(xué)生形成證據(jù)，推理出血液pH穩(wěn)定的因素與CO2和HCO3-有關(guān)。在子項(xiàng)目2中，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)保持pH不變的機(jī)制與溶液中離子平衡有關(guān)，并分析教師提供的人體代謝性酸堿中毒一般治療方案，形成又一證據(jù)支撐相關(guān)結(jié)論。最后，在子項(xiàng)目3中教師根據(jù)學(xué)生前面的探究提出緩沖體系的概念，引導(dǎo)學(xué)生利用三段式進(jìn)行緩沖體系pH計(jì)算公式的推導(dǎo)。以公式為證據(jù)分析得出緩沖體系pH與H+或OH-濃度無關(guān)，并將公式應(yīng)用到血液pH計(jì)算中，結(jié)果與事實(shí)相符，首尾呼應(yīng)。每一子項(xiàng)目中學(xué)生以已有知識為證據(jù)對問題進(jìn)行合理的猜想，教師為學(xué)生探究與推理提供一定的信息，供學(xué)生分析并形成證據(jù)。

二、項(xiàng)目目標(biāo)

（1）學(xué)會從已有的知識經(jīng)驗(yàn)中搜集并利用證據(jù)，能利用證據(jù)解決問題，形成證據(jù)意識，落實(shí)證據(jù)推理核心素養(yǎng);

（2）掌握科學(xué)探究的一般過程和規(guī)律，學(xué)會根據(jù)證據(jù)進(jìn)行問題的猜想、科學(xué)的探究、結(jié)論的獲得;

（3）能結(jié)合微粒觀、平衡觀解釋人體血液維持穩(wěn)定的原因，并認(rèn)識緩沖作用，體會化學(xué)知識在生命健康中的重要性。

三、項(xiàng)目實(shí)施

1.項(xiàng)目背景

【背景情境】“酸堿體質(zhì)”理論（通過食用蘇打水等堿性食物、藥品使血液越來越偏堿性，成為堿性體質(zhì)從而利于健康）被不少養(yǎng)生達(dá)人奉為真理，大量的保健品也基于此誕生。就在近期，這套理論終于被“官宣”偽科學(xué)。美國圣地亞哥法庭判一個叫做羅伯特·歐·陽的人賠償一名癌癥患者1.05億美元。而這位羅伯特·歐·陽就是“酸堿體質(zhì)”理論的創(chuàng)始人。如果你們是癌癥患者的律師，會如何反駁這套偽科學(xué)理論？

【學(xué)生】該理論是不成立的。（反駁的證據(jù)：①根據(jù)已學(xué)生物知識可知人體八大平衡之一是酸堿平衡，會自動調(diào)節(jié)酸堿平衡，使血液pH正常維持在7.34～7.45。②根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，正常人日常攝人食物既有酸性的、也有堿性的，并未影響到人體血液酸堿性改變。）

【提出問題】為什么人體血液pH能夠維持穩(wěn)定？

2.項(xiàng)目拆解

（1）子項(xiàng)目1：解讀人體血?dú)夥治霰?/p>

【拆解問題1]從血液環(huán)境中探尋影響血液酸堿性的因素。

【學(xué)生猜想】血液中含有一定的粒子造成血液偏堿性并保持pH穩(wěn)定（猜想的證據(jù)：根據(jù)已有生物和化學(xué)知識，人體內(nèi)液體由水及其溶解在水中的無機(jī)鹽、有機(jī)物一起構(gòu)成，統(tǒng)稱為體液。血漿屬于體液之一，類似于水溶液，pH是其重要的理化參數(shù)。溶液酸堿性取決于H+和OH-的濃度，電解質(zhì)的電離，一些陰陽離子的水解都會產(chǎn)生H+或OH-。）。

【解決方案】參考資料了解血液環(huán)境中與pH相關(guān)的因素以及酸堿平衡紊亂后相關(guān)影響因素的變化。

【具體探究】教師提供相關(guān)資料，人體血?dú)夥治霾糠种笜?biāo)說明，如表1。學(xué)生小組分析討論，歸納由表格可發(fā)現(xiàn)的信息并作為證據(jù)繼而得出初步結(jié)論[3]。

【結(jié)論展示】（1）血液呈現(xiàn)弱堿性是由于碳酸氫根的存在。（支撐的證據(jù)：通過血?dú)夥治霰碇?，血液中含有一定量的HCO3-;根據(jù)已有的水溶液中離子平衡知識知HCO3-水解（HCO3+H2O=H2CO3+OH-）會產(chǎn)生少量OH-。）（2）血液pH是CO2與HCO3-洪同影響的結(jié)果。（支撐的證據(jù)：根據(jù)血?dú)夥治霰砜芍x性酸（堿）中毒會打破血液pH穩(wěn)定，除了體現(xiàn)在pH不在正常參考范圍內(nèi)，同時(shí)也伴隨PCO2，AB發(fā)生變化。）

（2）子項(xiàng)目2：探析血液pH穩(wěn)定原因

【拆解問題2】CO2與HCO3-是如何具體影響血液pH穩(wěn)定。

【猜想】CO2與HCO3-之間存在的平衡關(guān)系維持血液pH穩(wěn)定（猜想的證據(jù)：根據(jù)已有的離子平衡知識，CO2溶于水生成HZCO3，H2CO3電離會產(chǎn)生HCO3-，HCO3-水解也會生成H2CO3。這對平衡中產(chǎn)生H+和OH-影響著pH）。

【驗(yàn)證方案】思路1：營造體外含有H2CO3與HCO3-的溶液環(huán)境，添加少量外界酸堿，以及稀釋，驗(yàn)證溶液pH不變。（設(shè)計(jì)的證據(jù)：較可能真實(shí)地模擬體內(nèi)血液要探究的環(huán)境）

思路2：用其他弱酸及對應(yīng)的鹽代替H2CO3與HCO3-，如HAc與NaAc，營造溶液環(huán)境，添加少量外界酸堿，以及稀釋，驗(yàn)證溶液pH不變。（替代的證據(jù)：根據(jù)已有知識，HAc與NaAc同樣存在著電離與水解的平衡關(guān)系且HAc易保存。本探究驗(yàn)證的是H2CO3與HCO3-的作用機(jī)制對維持溶液pH有效而非粒子本身，因而找具有相同作用機(jī)制的粒子進(jìn)行替代。）

【具體探究】教師提供實(shí)驗(yàn)藥品和儀器，藥品有0.9%的NaCl溶液、HAc、NaAc、稀鹽酸、NaOH溶液、NaHCO3溶液、甲基橙、酚酞、紫色石蕊溶液等;儀器有錐形瓶、小燒杯、玻璃棒、量筒，pH試紙、pH計(jì)等。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組和對照組中有外界酸堿加入后酸堿性的變化。

【資料卡片】對于一般代謝性酸中毒，常用的治療方法是補(bǔ)充NaHCO3堿性藥物。對于代謝性堿中毒，有循環(huán)血容量不足的病人，先快速輸人右旋糖酐70鹽水注射液，恢復(fù)有效循環(huán)血容量，然后輸生理鹽水補(bǔ)足細(xì)胞外液容量，以減少遠(yuǎn)端腎曲小管的以H+換Na+，發(fā)揮腎臟排出HCO3-的功能;對于心力衰竭、肝硬化的病人可服抑制碳酸配酶利尿劑，減少H+排出，增加K+與Na+交換，減少HCO3-回收，增加HCO3-排出。（教師為學(xué)生認(rèn)識人體中H2CO3～HCO3-通過平衡移動維持血液pH穩(wěn)定提供事實(shí)證據(jù)）

【結(jié)論展示】在血液中CO2溶解生成H2CO3，H2CO3的電離與其對應(yīng)的鹽中微粒 HCO3-的水解維持著平衡狀態(tài)，外界酸堿介入時(shí)會促進(jìn)平衡移動消耗多余的H+或OH-，從而保持血液pH穩(wěn)定。（支撐的證據(jù)：在探究實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組pH在外界酸堿的少量干預(yù)下維持穩(wěn)定。通過教師提供的資料卡片可知在醫(yī)學(xué)中，一般治療代謝性酸（堿）中毒，原理都是補(bǔ)充（排出）HCO3-，促進(jìn)平衡的移動。）

（3）子項(xiàng)目3：認(rèn)識緩沖溶液

【拆解問題3】理論深入認(rèn)識作用機(jī)制。

【教師】講解緩沖作用以及緩沖溶液定義。

【學(xué)生】按照教師講解思路分析加少量堿后，緩沖溶液起作用的原理。認(rèn)識到H2CO3與HCO3在血液中實(shí)際上形成了緩沖體系。

【小組活動】理論計(jì)算推導(dǎo)緩沖溶液pH。

設(shè)體系中原有的濃度H2CO3為a，HCO3-為b，加入少量外界酸時(shí)，增加的H+濃度為x根據(jù)三段式算得pH=-lgk1-lga/b[4]。

【結(jié)論】緩沖溶液的pH與緩沖對中弱酸電離常數(shù)以及緩沖對共扼酸堿濃度比有關(guān)，故當(dāng)有少量外界的酸堿介入或者稀釋時(shí)，共扼酸堿濃度比基本不變從而保持溶液PH不變。（支撐的證據(jù)：推導(dǎo)的緩沖溶液pH計(jì)算公式）

【教師】提供信息37℃下，H2CO3電離常數(shù)是7.9×10-7;人體血漿中HCO3-是H2CO3含量的20倍;計(jì)算該溫度、配比下HCO3-～H2CO3溶液的pH。

【學(xué)生】根據(jù)推導(dǎo)公式計(jì)算pH=7.4，與血液pH在7.35～7.45相吻合。

【小組活動】討論配制緩沖溶液的注意事項(xiàng)及緩沖溶液的應(yīng)用。

繪制H2CO3～HCO3-在人體中維持血液酸堿平衡的調(diào)節(jié)圖示。

【最終成果】展示人體血液維持穩(wěn)定的作用機(jī)制圖，如圖2。

四、項(xiàng)目反思

本項(xiàng)目通過“人體血液pH為什么會維持穩(wěn)定”這一核心問題驅(qū)動學(xué)生探究其原因，按照“尋找與問題相關(guān)的因素——驗(yàn)證該因素的影響并分析因素作用的機(jī)制——上升高度認(rèn)識原因背后的科學(xué)理論”的規(guī)律逐步認(rèn)識緩沖機(jī)制，并將離子平衡相關(guān)知識得以回顧與運(yùn)用。在知識層面，學(xué)生對緩沖機(jī)制的認(rèn)識主要是通過自主探究的方式得到，更多的是內(nèi)在動機(jī)驅(qū)動著學(xué)生，在項(xiàng)目探究中綜合離子平衡的相關(guān)知識包括弱電解質(zhì)電離平衡、離子水解平衡、平衡常數(shù)的計(jì)算等，有利于學(xué)生對知識整合并綜合運(yùn)用，提高理解與復(fù)習(xí)效果。在能力方面，該學(xué)習(xí)鍛煉學(xué)生人際交往、動手實(shí)踐等適應(yīng)現(xiàn)代化社會生活的種種能力。同時(shí)項(xiàng)目活動各個環(huán)節(jié)基于證據(jù)進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題中根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)知識作為證據(jù)提出對問題的猜想，針對猜想搜集相關(guān)信息結(jié)合已有知識經(jīng)驗(yàn)作為證據(jù)進(jìn)行合理的探究方案設(shè)計(jì)，在探究過程中產(chǎn)生的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、計(jì)算的理論結(jié)果等等篩選出有效的，形成證據(jù)支撐最終結(jié)論，讓整個過程有理有據(jù)，具有說服力。在這樣的一步步引導(dǎo)下，有利于學(xué)生證據(jù)意識的培養(yǎng)，在信息化時(shí)代中，養(yǎng)成搜集信息、獲取證據(jù)并科學(xué)推理的科學(xué)態(tài)度，打下終身學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2]蘭婷，冀楠，王海波，秦向陽，何煒.化學(xué)教育醫(yī)用基礎(chǔ)化學(xué)緩沖溶液及其作用機(jī)制的教學(xué)設(shè)計(jì)與思考[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（10）：67-70

[3]牛彩霞，鄒映波.基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的“水溶液中的離子平衡”專題復(fù)習(xí)——以“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計(jì)”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2020（6）：53-58

[4]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：310-312，323-329

*本文系國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目“西北民族地區(qū)科學(xué)探究教育績效評價(jià)及影響因素研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號71663042）階段性研究成果。

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