巧用思維導(dǎo)圖，助力任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在分析化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

金麗花，田磊，王超展，李延，郭艷麗，張宏芳

西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，西安 710127

1 引言

分析化學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)的化學(xué)組成、含量、結(jié)構(gòu)及有關(guān)理論的綜合性、實(shí)踐應(yīng)用型的學(xué)科。作為化學(xué)、化工、材料、醫(yī)學(xué)、食品、考古、地質(zhì)及生命科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，分析化學(xué)涉及的學(xué)習(xí)內(nèi)容廣，研究對(duì)象寬，理論性強(qiáng)，信息量大，概念、公式及計(jì)算都非常多，學(xué)生(特別是非化學(xué)專業(yè)的學(xué)生)在學(xué)習(xí)分析化學(xué)的過(guò)程中普遍感到難學(xué)、乏味。為了解決分析化學(xué)難教難學(xué)的問(wèn)題，近年來(lái)，我們根據(jù)各專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，一直冀求一種可以將理論知識(shí)講授、實(shí)驗(yàn)技能傳授及學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)三方面有效結(jié)合起來(lái)的教學(xué)新模式。思維導(dǎo)圖與任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的有機(jī)融合為我們的探索提供了一種新思路。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)(Task-driven teaching)是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法。1983年，印度教育學(xué)家Prabhu首次提出“任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)”的概念，旨在通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境提出“任務(wù)”，在完成“任務(wù)”的過(guò)程中，結(jié)合情境引領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展積極有效的探索性自主學(xué)習(xí)，進(jìn)而建構(gòu)屬于學(xué)生自己的知識(shí)和技能體系[1,2]。而思維導(dǎo)圖(Mind-mapping)是20世紀(jì)60年代左右英國(guó)教育學(xué)家東尼·博贊(Tony Buzan)開(kāi)創(chuàng)的一種建立分散信息之間內(nèi)在聯(lián)系的可視化思考工具[3,4]。它以中心主題為核心，通過(guò)分析各不同信息間的類別、遞進(jìn)和因果等關(guān)系，構(gòu)建易于理解的圖解形式和網(wǎng)狀脈狀結(jié)構(gòu)。運(yùn)用這一工具，可以引導(dǎo)和幫助學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整理歸納總結(jié)，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，有效促進(jìn)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的全面提升。任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法和思維導(dǎo)圖都是現(xiàn)代教學(xué)中先進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)工具的典型代表，各有特點(diǎn)。那么，是否可以將這兩種特色教學(xué)方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，協(xié)同促進(jìn)我們分析化學(xué)課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提升？為此，我們嘗試在分析化學(xué)課程各章節(jié)方法應(yīng)用的教學(xué)部分增加一個(gè)情境任務(wù)環(huán)節(jié)，借助任務(wù)的實(shí)施和思維導(dǎo)圖工具，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行階段性系統(tǒng)回顧和梳理。我們以配位滴定中“自來(lái)水中總硬度的測(cè)定”作為一個(gè)教學(xué)案例，談?wù)劰P者的教學(xué)實(shí)踐。

2 教學(xué)案例

2.1 根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)情境，提出任務(wù)

配位滴定這一章的難點(diǎn)很多，內(nèi)容繁雜。我們?cè)谥v授完配位滴定的基礎(chǔ)理論知識(shí)后，為學(xué)生設(shè)定了一項(xiàng)理論聯(lián)系實(shí)際的情境任務(wù)——自來(lái)水中總硬度的測(cè)定。希望學(xué)生通過(guò)該任務(wù)內(nèi)容的執(zhí)行可以理順本章節(jié)的知識(shí)脈絡(luò)，形成完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)他們運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

首先結(jié)合當(dāng)下大健康理念的普及，以多媒體視頻的形式展現(xiàn)水作為生命之源與人體健康的密切關(guān)系，介紹水質(zhì)優(yōu)劣判斷中的一系列檢測(cè)指標(biāo)及其重要性，營(yíng)造一個(gè)能激發(fā)學(xué)生好奇心和興趣的氛圍，引出水的總硬度概念。然后結(jié)合視頻內(nèi)容，提問(wèn)并引導(dǎo)學(xué)生課后通過(guò)查閱資料，開(kāi)展相關(guān)背景調(diào)查：水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)有哪些？什么是水的總硬度？水的總硬度與人體健康的關(guān)系？如何測(cè)定水的總硬度？在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中檢測(cè)水的總硬度采用的是什么方法？進(jìn)而提出此次課程的主任務(wù)，如何用配位滴定法進(jìn)行自來(lái)水中總硬度的測(cè)定？通過(guò)情境任務(wù)中內(nèi)容的調(diào)查梳理，學(xué)生可以了解目前我們生活飲用水水質(zhì)檢測(cè)的項(xiàng)目包括了10項(xiàng)，分別是感官性狀和物理指標(biāo)、無(wú)機(jī)非金屬指標(biāo)、金屬指標(biāo)、有機(jī)物綜合指標(biāo)、有機(jī)物指標(biāo)、農(nóng)藥指標(biāo)、消毒副產(chǎn)物指標(biāo)、消毒劑指標(biāo)、微生物指標(biāo)和放射性指標(biāo)。水硬度檢測(cè)僅僅是感官性狀和物理指標(biāo)項(xiàng)目里的一個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，指的是水中鈣鎂離子的總量。國(guó)家衛(wèi)計(jì)委《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB-5479-2006)，要求飲用水的硬度(以CaCO3計(jì)，mg·L-1)不超過(guò)450 mg·L-1。目前水中總硬度的測(cè)定常用的方法有：分光光度法、原子吸收法、ICP-AES法、自動(dòng)電位滴定法和EDTA配位滴定法等，其中國(guó)標(biāo)法采用的是EDTA配位滴定法。學(xué)生經(jīng)過(guò)此類聯(lián)系生活實(shí)際的背景調(diào)查訓(xùn)練，不僅深化了課堂內(nèi)容，擴(kuò)大了知識(shí)面，也為后期的儀器分析課程學(xué)習(xí)增加了有效的知識(shí)儲(chǔ)備。

2.2 分析涉及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，總結(jié)構(gòu)建知識(shí)體系

根據(jù)前面所學(xué)的配位滴定分析的基礎(chǔ)知識(shí)，在明確任務(wù)內(nèi)容(測(cè)水硬度其實(shí)是測(cè)水中鈣鎂的總量)的前提下，首先需要分析找出完成這一任務(wù)必須解決的問(wèn)題和涉及的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。為此，我們結(jié)合思維導(dǎo)圖工具，以滴定分析法對(duì)化學(xué)反應(yīng)的基本要求作為出發(fā)點(diǎn)，搭建了如圖1所示的知識(shí)框架體系：

圖1 自來(lái)水總硬度的測(cè)定涉及的知識(shí)脈絡(luò)思維導(dǎo)圖

(1) 反應(yīng)必須具有確定的化學(xué)計(jì)量關(guān)系和較快的反應(yīng)速率。根據(jù)EDTA和金屬離子形成的螯合物的特點(diǎn)，我們可以確定EDTA和Ca2+、Mg2+形成螯合物滿足上述的要求：配位比為1 : 1，反應(yīng)速率快且配位化合物水溶好。

(2) 化學(xué)反應(yīng)的完全程度要達(dá)到99.9%。理論上EDTA和Ca2+、Mg2+配位反應(yīng)是滿足滴定分析法對(duì)化學(xué)反應(yīng)完全程度要求的，因?yàn)椴楸砜傻肊DTA和Ca2+、Mg2+形成的配合物的穩(wěn)定常數(shù)分別為lgKCaY= 10.69和lgKMgY= 8.7。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，溶液中EDTA (簡(jiǎn)稱為Y)和Ca2+、Mg2+(總稱為M)除了相互作用生成配合物MY (M + Y ? MY)的主反應(yīng)外，還存在各自的副反應(yīng)，如Ca2+、Mg2+水解效應(yīng)(αM(OH))和配位效應(yīng)(αM(L))以及EDTA的酸效應(yīng)(αY(H))和共存離子效應(yīng)(αY(N))。因此，在測(cè)定過(guò)程中，為了有效避免EDTA酸效應(yīng)及平衡體系中Ca2+、Mg2+的水解效應(yīng)的影響，保障化學(xué)反應(yīng)的完全程度達(dá)到99.9%，我們必須將測(cè)定體系pH控制在一個(gè)合適的酸度范圍。在終點(diǎn)誤差要求(|E| ≤ 0.1%)前提下，依據(jù)金屬離子準(zhǔn)確滴定的判據(jù)推導(dǎo)出的最高酸度計(jì)算公式(lgαY(H)= lgKMY- 2)和最低酸度計(jì)算公式([OH-] = (Ksp/cM)1/2)[5]，我們以Ca2+、Mg2+的初始濃度0.02 mol·L-1為例，可以得到EDTA滴定Ca2+的適宜酸度范圍大致為pH 8-14，EDTA滴定Mg2+的適宜酸度則為pH ≈ 10。綜合兩種離子的適宜酸度區(qū)間，可以確定測(cè)定水中Ca2+、Mg2+含量的pH應(yīng)在10左右。為此，測(cè)量體系中我們可以選用pH = 10的NH3-NH4Cl緩沖溶液來(lái)維持溶液的pH基本不變。

(3) 有合適的指示劑確定終點(diǎn)。為了準(zhǔn)確地判斷滴定的終點(diǎn)，我們需要系統(tǒng)考查金屬離子指示劑的適用條件。首先，Ca2+、Mg2+與指示劑形成的配位化合物(MIn)顏色和游離指示劑(In)顏色在我們所選用的酸度范圍內(nèi)(pH = 10)要有顯著不同；其次，Ca2+、Mg2+與指示劑形成的配位化合物(MIn)易溶于水且有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性；第三，要避免指示劑的封閉、僵化與變質(zhì)等現(xiàn)象；第四，要求指示劑的變色點(diǎn)pM′ep和化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的pM′sp相近，兩者根據(jù)林邦終點(diǎn)誤差公式計(jì)算得到的滴定分析誤差應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)。綜合以上的因素，在總硬度測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，我們可以選擇鉻黑T (EBT)或酸性鉻藍(lán)K作為此次滴定分析實(shí)驗(yàn)的指示劑。但使用EBT指示劑的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注意，由于水樣中主體測(cè)定成分Ca2+與EBT指示劑顯色反應(yīng)不夠靈敏，而與EBT指示劑顯色反應(yīng)靈敏的Mg2+含量較低。因此，為了使滴定終點(diǎn)顏色變化更敏銳，提高測(cè)定的準(zhǔn)確度，我們需要在待測(cè)含Ca2+試液先加入少量Mg-EDTA配合物。因?yàn)镵CaY＞KMgY，待測(cè)液中會(huì)發(fā)生Ca2++ MgY ? CaY + Mg2+置換反應(yīng)，生成Mg-EBT配合物。滴定開(kāi)始后，EDTA先和試液中大量的Ca2+配位，在計(jì)量點(diǎn)附近再奪取Mg-EBT配合物中的Mg2+(KMg-EBT＞ KCa-EBT)，指示滴定終點(diǎn)。

(4) 具有較好的選擇性，共存物不干擾測(cè)定。在實(shí)際水樣中，我們還需考慮其他共存離子對(duì)總硬度測(cè)定的干擾。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵則是要求我們掌握使用控制酸度或者掩蔽法提高配位滴定選擇性的知識(shí)內(nèi)容。例如，水樣中可能存在的Fe3+和Al3+對(duì)EBT指示劑有一定的封閉作用，我們可以利用配位掩蔽的原理選用三乙醇胺進(jìn)行掩蔽；而水樣中可能存在的Cu2+和Pb2+等重金屬離子，我們則可以利用沉淀掩蔽的方法選用Na2S掩蔽，進(jìn)一步保障了EDTA測(cè)定Ca2+、Mg2+含量的方法選擇性。

綜上所述，在這一任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們以滴定分析法對(duì)化學(xué)反應(yīng)的基本要求作為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)活學(xué)活用。通過(guò)分析任務(wù)內(nèi)容的層層深入，抽絲剝繭，找出完成這一測(cè)定任務(wù)需要解決的各個(gè)問(wèn)題。學(xué)生在探索和處理問(wèn)題的過(guò)程中逐步領(lǐng)會(huì)本章主要知識(shí)點(diǎn)和它們之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系；并進(jìn)一步利用思維導(dǎo)圖將在任務(wù)完成過(guò)程中獲得的零散知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和梳理，建立所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)脈絡(luò)(圖1)。在明確檢測(cè)原理、評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn)思路和測(cè)定方法，最終結(jié)合結(jié)果處理步驟，完成既定的情境任務(wù)。

2.3 多元評(píng)價(jià)模式，強(qiáng)化過(guò)程考核

根據(jù)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)化過(guò)程考核評(píng)價(jià)。我們通過(guò)方案設(shè)計(jì)報(bào)告(包括背景調(diào)查，思維導(dǎo)圖的構(gòu)建)，實(shí)驗(yàn)操作技能考核，數(shù)據(jù)處理報(bào)告，任務(wù)結(jié)果匯報(bào)等多方面多形式的過(guò)程考核方式，全面、客觀地反映學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀況，增加學(xué)生的自我成就感，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)探究的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)風(fēng)，卓有成效地促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

2.4 課程總結(jié)和反饋

組織學(xué)生以小組為單位，討論總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法，交流學(xué)習(xí)心得。通過(guò)自評(píng)和互評(píng)的方式，指導(dǎo)學(xué)生在總結(jié)反思中完善優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的自我規(guī)劃、自主實(shí)施、自我反思的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階。教師亦可在這一環(huán)節(jié)中通過(guò)與學(xué)生的互動(dòng)反饋，及時(shí)準(zhǔn)確地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，總結(jié)課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法這種將知識(shí)點(diǎn)蘊(yùn)含于具體任務(wù)中的教學(xué)方法，可有效激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的積極性與主動(dòng)性，從根本上提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。而思維導(dǎo)圖作為一種有效的知識(shí)組織工具，則可以在任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，有效幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的知識(shí)框架體系，將零散知識(shí)一體化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，極大地提高學(xué)習(xí)效率。任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法和思維導(dǎo)圖的有機(jī)結(jié)合是教學(xué)中多種先進(jìn)教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)工具相得益彰的探索與嘗試，不僅培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移和應(yīng)用整合的綜合能力，也進(jìn)一步充實(shí)了分析化學(xué)的教學(xué)模式，促進(jìn)分析化學(xué)教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升。