無機化學(xué)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(xué)院，山西運城 044000）

教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[1]中指出：全面推進課程思政建設(shè)是落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程，要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

無機化學(xué)課程是化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、材料化學(xué)、生命科學(xué)、藥學(xué)等專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解無機化學(xué)的研究對象和發(fā)展趨勢；掌握化學(xué)基本概念、化學(xué)反應(yīng)原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及元素化學(xué)等內(nèi)容；培養(yǎng)學(xué)生具備綜合運用所學(xué)知識獨立完成化學(xué)實驗和化學(xué)計算的能力，以及分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及今后在化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域從事工作打下良好的基礎(chǔ)。

“緩沖溶液”是無機化學(xué)課程中很重要的一節(jié)內(nèi)容，在生命科學(xué)、自然界、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥等領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用[2-4]。然而，目前大多數(shù)老師采取的教學(xué)方法是結(jié)合PPT 講授，學(xué)生參與度低，上課注意力容易分散，很難達到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、分析問題和解決問題能力的課程目標(biāo)。本文設(shè)計了以學(xué)生為中心的緩沖溶液教學(xué)方案，采用了案例教學(xué)法、問題驅(qū)動法、討論法、實驗法、任務(wù)驅(qū)動法等教學(xué)方式，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體，落實立德樹人根本任務(wù)。為廣大教師踐行無機化學(xué)課程思政提供參考。

1 學(xué)情分析

無機化學(xué)課程的教學(xué)對象是大學(xué)一年級學(xué)生，學(xué)生在高中時已經(jīng)對弱電解質(zhì)的電離平衡有一定認識。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一元弱酸、多元弱酸的解離平衡，會根據(jù)平衡常數(shù)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(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。筆者所在高校使用教材為宋天佑主編的《無機化學(xué)（第四版）》[5]，授課對象是一所省屬普通本科院?；瘜W(xué)專業(yè)大一學(xué)生。學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性一般，往往需要教師下達任務(wù)驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生的計算能力比較薄弱，上課專注度一般。鑒于此，本文設(shè)計了以學(xué)生為中心的教學(xué)方案，將“緩沖溶液”知識點與案例充分融合，驅(qū)動學(xué)生結(jié)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(xué)生獨立思考、舉一反三、解決問題的能力。通過“人體酸堿體質(zhì)”、海綿城市等案例挖掘緩沖溶液中的課程思政元素。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 價值塑造

（1）通過探究人體血液緩沖體系，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)，善于思考的科學(xué)態(tài)度；

（2）通過辨析“人體酸堿體質(zhì)”，培養(yǎng)學(xué)生辨證唯物主義科學(xué)的世界觀；

（3）通過討論海綿城市的緩沖作用，使學(xué)生認識到人類要合理開發(fā)大自然，用科技手段平衡人類發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系；

（4）通過討論輔導(dǎo)員在調(diào)節(jié)學(xué)生矛盾中的緩沖作用，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，遇到困難學(xué)會尋求輔導(dǎo)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(jù)反應(yīng)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(chǎn)生活中的緩沖作用。

2.3 能力培養(yǎng)

（1）將酸堿平衡知識應(yīng)用到緩沖溶液pH 計算中，提升學(xué)生知識遷移能力；

（2）帶領(lǐng)學(xué)生推導(dǎo)出弱酸-弱酸鹽緩沖溶液pH計算公式后，讓學(xué)生獨立推導(dǎo)出弱堿-弱堿鹽緩沖溶液pH 計算公式，提升學(xué)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(yǎng)學(xué)生實驗論證的能力；

（4）結(jié)合緩沖溶液在生產(chǎn)生活中的案例，培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用，學(xué)以致用的能力。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

3.1 緩沖溶液的定義——案例法導(dǎo)入

【導(dǎo)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?nèi)粘Ｋ缘氖澄飌H 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(dǎo)入緩沖溶液的定義，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 緩沖溶液的作用機制——問題驅(qū)動式教學(xué)

【教師提出問題】血液是如何控制pH 在如此小的波動范圍內(nèi)呢？

【教師引導(dǎo)】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(dǎo)作用。

【教師提出問題】以NaHCO3/H2CO3緩沖體系為例，當(dāng)血液中酸性物質(zhì)增多時會發(fā)生什么？

【學(xué)生分析問題】HCO3-會結(jié)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(dāng)血液中堿性物質(zhì)產(chǎn)生或增多時，H2CO3與OH-反應(yīng)生成HCO3-，從而維持血液pH 基本恒定。

【教師】當(dāng)攝入酸性物質(zhì)時，體內(nèi)產(chǎn)生的H2CO3會分解出CO2從肺部排出；當(dāng)攝入堿性物質(zhì)后，產(chǎn)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(xué)生分析問題】通過緩沖對之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)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(xué)

【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(xué)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(gòu)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(gòu)成。

【教師提出問題】那么弱堿-弱堿鹽可以構(gòu)成緩沖溶液嗎？

【學(xué)生分析問題】在NH3-NH4Cl 體系中加入少量酸，NH3可以和H+結(jié)合生成NH4+；加入少量堿后，NH4Cl 會和OH-反應(yīng)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(gòu)成緩沖溶液。

【歸納總結(jié)】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(tǒng)的講授法，討論式教學(xué)法不僅活躍了課堂氣氛，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，學(xué)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(wù)驅(qū)動式教學(xué)

【教師】以弱酸-弱酸鹽緩沖溶液HAc-NaAc 為例，引導(dǎo)學(xué)生找出其中的平衡關(guān)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(wù)】請同學(xué)們以NH3-NH4Cl 緩沖溶液為例，自主推導(dǎo)出弱堿-弱堿鹽緩沖溶液pH 的計算公式。

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

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

【練習(xí)】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(xué)生解決問題】經(jīng)計算得，（1）緩沖溶液的pH為4.74；（2）緩沖溶液pH 變?yōu)?.73，pH 變化僅0.01；（3）緩沖溶液pH 變?yōu)?.37，pH 下降了2.37。

學(xué)生通過對比練習(xí)（2）（3），發(fā)現(xiàn)（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(guān)系？請同學(xué)結(jié)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(guān)系

表3 HAc-NaAc 緩沖對濃度比與緩沖能力的關(guān)系

【學(xué)生分析問題】由表2 數(shù)據(jù)可得，緩沖對濃度越大，緩沖容量越大；由表3 數(shù)據(jù)可得，緩沖對濃度比值越接近，緩沖容量越大。

【教師】當(dāng)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(qū)間，實際應(yīng)用中因緩沖對不同略有變化。

3.5 緩沖溶液的性質(zhì)探究實驗——實驗教學(xué)

（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(xué)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(jié)果與討論中，學(xué)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(xué)生發(fā)現(xiàn)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(xué)生深切感受到緩沖溶液的作用機制，同時加深了學(xué)生對緩沖溶液pH 計算知識點的掌握，鍛煉了學(xué)生的實踐應(yīng)用能力、計算能力和實驗技能。

3.6 緩沖溶液的配制——任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)

【教師】在化工生產(chǎn)，醫(yī)藥領(lǐng)域經(jīng)常需要控制反應(yīng)pH 在一定范圍內(nèi)，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(yīng)盡量接近于反應(yīng)所需pH。②通過調(diào)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(yīng)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(lǐng)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(zhuǎn)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(wù)】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(shè)計配制該緩沖溶液的方案。

【學(xué)生解決問題】緩沖對的pKaΘ值應(yīng)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(jù)亨德森-哈塞爾巴爾赫方程，設(shè)計出配制NH4Cl-NH3·H2O 緩沖溶液方案。

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

3.7 思政案例1：辨析人體酸堿體質(zhì)——討論式教學(xué)

【討論】“有人說人體有酸性體質(zhì)，堿性體質(zhì)，并通過保健品、食療等方式可以使酸性體質(zhì)變?yōu)閴A性體質(zhì)。你認為這有科學(xué)依據(jù)嗎？請說明原因?！?/p>

【學(xué)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(zhì)是不可信的。

【教師】網(wǎng)絡(luò)上一些公眾號、視頻號經(jīng)常發(fā)布關(guān)于人體酸堿質(zhì)的內(nèi)容，誤導(dǎo)了很多群眾。請同學(xué)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(wǎng)絡(luò)上關(guān)于酸堿體質(zhì)的謬論。

3.8 思政案例2：海綿城市——討論式教學(xué)

【教師】2021 年7 月發(fā)生在河南的特大暴雨令很多人終身難忘，當(dāng)?shù)睾芏嗳嗣竦姆课?、車輛被洪水淹沒，群眾被困家中，河南省緊急轉(zhuǎn)移安置147.08 萬人。這次災(zāi)害雖為極端天氣引發(fā)，但集中暴露出許多問題，請同學(xué)們討論分析。

【學(xué)生1】城市防雨系統(tǒng)比較薄弱，無法應(yīng)對特大暴雨。

【學(xué)生2】市政府應(yīng)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(xué)們從城市建設(shè)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(xùn)：隨著城市化發(fā)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(wǎng)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(tǒng)被擊潰。

【教師】有什么措施可以提高城市的防雨防汛能力？

【學(xué)生3】增加城市綠化面積，在居民區(qū)周圍修建公園，人工湖。

【學(xué)生4】擴容城市地下管網(wǎng)，增強排水能力。

【教師】是的，這些措施正是目前政府構(gòu)建“海綿城市”的主要舉措。除了上述同學(xué)提到的，政府將一些園區(qū)、居住區(qū)的道路改為透水混凝土，在部分居民區(qū)構(gòu)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(gòu)建蓄水模塊，如雨水花園、生態(tài)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(jié)，蓄水模塊中的水又可以涵養(yǎng)植被，也可處理后用于生產(chǎn)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(dǎo)員在調(diào)節(jié)學(xué)生矛盾中的緩沖作用——討論式教學(xué)

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

【學(xué)生1】讓時間來化解矛盾，一般過兩天大家就重歸于好了。

【學(xué)生2】舍友幫忙調(diào)解，解開誤會。

【學(xué)生3】有時因性格不合產(chǎn)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(nèi)部解決。但是當(dāng)遇到大的矛盾無法調(diào)和時，大家就要尋求輔導(dǎo)員，老師的幫助了。2013 年，復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究生林森浩因瑣事對室友黃洋懷恨在心，將劇毒化學(xué)品二甲基亞硝胺注入飲水機，導(dǎo)致黃洋死亡。林森浩與黃洋的矛盾早在2011 年就已產(chǎn)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(fā)生了如此悲劇。近年來，國家越來越重視高校輔導(dǎo)員隊伍的建設(shè)。輔導(dǎo)員更加年輕化，更好地與學(xué)生溝通、大家生活中有什么困難都可以向輔導(dǎo)員提出，輔導(dǎo)員會耐心地幫助大家解決問題，調(diào)解矛盾，作同學(xué)生活中的緩沖劑。在復(fù)旦投毒案事件中，倘若這兩位同學(xué)及時找輔導(dǎo)員或老師調(diào)解，相信不會發(fā)生這樣的悲劇。

3.10 課后作業(yè)：緩沖溶液思維導(dǎo)圖及其應(yīng)用——任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)

課尾幫助學(xué)生回顧本節(jié)所學(xué)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(yè)1】完成緩沖溶液思維導(dǎo)圖，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成及時梳理知識的良好習(xí)慣，鞏固課堂內(nèi)容。

【作業(yè)2】請同學(xué)挖掘緩沖作用在生產(chǎn)生活中案例，包括在生命科學(xué)、自然界、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。以小組為單位，進行課堂匯報。

4 教學(xué)反思

（1）課堂導(dǎo)入引入人體血液緩沖體系，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，有效提高上課注意力和學(xué)習(xí)效果。

（2）通過問題驅(qū)動式教學(xué)方法，學(xué)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(xué)生自主學(xué)習(xí)，分析問題和解決問題的能力，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。

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

（4）將例題與工業(yè)實例結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

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

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

（7）通過討論輔導(dǎo)員在調(diào)節(jié)學(xué)生矛盾中的緩沖作用，使學(xué)生認識到當(dāng)遇到自身無法調(diào)和的矛盾時，要積極尋求輔導(dǎo)員和老師的幫助。

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