“问题导向模式”的教学设计与实践—以医用基础化学“缓冲溶液”为例

王美芹，王 颂，孟 蕾

(菏泽家政职业学院，山东 菏泽 274300)

化学不仅是研究现代生命科学的基础，而且其进步也带动了医学的迅猛发展，是医学院校不可缺少的一门重要基础课。化学知识是医务工作者必备的知识。但由于学生知识的局限性，他们会认为医学与化学关系不大，这在一定程度上削弱了医学学生学习化学的兴趣。人卫出版社出版的全国高职十三五规划教材《基础化学》，第6章第3节缓冲溶液讨论了缓冲溶液的概念、缓冲作用及其机制、缓冲溶液的组成、缓冲溶液pH值计算等知识，这些知识对于化学基础知识较差的高职医学学生来说都是抽象和乏味的，不能引起其学习兴趣。 如何在课堂教学中将缓冲溶液知识与医学现象有效结合起来，激发学生的学习积极性，引导其自主学习，破解知识难点，进而培养学生学习化学的兴趣和解决问题的能力，从而牢固掌握本节的内容，为后续课程学习奠定坚实的化学基础，是该教学设计解决的主要问题。

经过多年的教学实践和研究，我们发现采用“问题导向教学模式”，将与化学知识相关的医学问题或病案原因和解决措施首尾呼应地融入教学中，加强教与学的互动性，可达事半功倍的效果。鉴于此，我们对“缓冲作用和缓冲作用机制”的教学内容进行了以下的教学设计与实践[1-2]。

1 课程导入和问题提出

课程的导入是一堂课是否成功的关键之举，一个良好的开端，就意味着一堂课近乎一半的成功。本节内容引言部分，我们做了以下的教学设计：

观看PPT，讲述“人每天不断地摄入酸性食物和碱性食物，而健康人体血液的pH值却总是维持在7.35～7.45之间”，然后引导学生思考并提出问题“(1)为什么人体血液的pH值能稳定在7.35～7.45之间？(2)人体血液的pH值是如何稳定在7.35～7.45之间？(3)哪些溶液pH值不受酸、碱或稀释的影响？”，导入新课，接着介绍该知识点重要性，与医学的关系等，继而提出本节课的学习目标和任务。

通过实验，让学生感知到某些溶液(如HAc-NaAc混合溶液)加酸、加碱或稍加稀释，其pH值不发生明显改变，顺势引出缓冲溶液、缓冲作用的概念。在掌握了缓冲作用的概念后，紧接着提问“为什么向缓冲溶液中加少量酸(HCl)或少量碱(NaOH)时，溶液的pH值不变？”从而引出缓冲作用机制的问题，通过回顾复习弱酸、弱碱的电离平衡知识，分析缓冲溶液的组成及溶液中的电离平衡，让学生明白了缓冲作用的机制，再进一步探究哪些溶液可成为缓冲溶液？继而探究“人体血液的pH值是如何稳定在7.35～7.45之间？”的问题答案。

2 问题分析和解决

2.1 缓冲溶液和缓冲作用

为什么人体血液的pH值能稳定在7.35～7.45之间？以学生熟悉的醋酸和醋酸钠溶液为例，先进行定性实验，再进行定量实验，引出缓冲溶液、缓冲作用的概念。

2.1.1 实验

教学环境、班级的氛围在很大程度上会影响到教学效果[3]。直观形象的化学实验，不仅可以帮助学生理解课程知识，还可以活跃课堂气氛，提高学生学习的积极性。本堂课可在实验室中让学生分小组实验，也可在教室中由学生代替老师做演示实验，同时利用多媒体播放相关视频。

2.1.1.1 定性实验

取1支大试管，加入0.1 mol/L醋酸(HAc)和醋酸钠溶液(NaAc)各5 mL，并振荡混合均匀得醋酸与醋酸钠的混合溶液(HAc-NaAc)。

①取3支试管依次排列，分别加入0.1 mol/L NaCl溶液、0.1 mol/L NaAc溶液、HAc-NaAc溶液各4 mL，再向3支试管内各滴入甲基橙指示剂2滴并振荡，然后依次向3支试管内滴加0.05 mol/L盐酸2～4滴，观察各试管内溶液颜色是否变化？

②另取3支试管依照①操作，将其中甲基橙和盐酸分别换成酚酞和0.05 mol/L NaOH溶液，然后观察各试管内溶液颜色是否变化？

通过定性实验可让学生更直观形象地感知到：HAc-NaAc溶液加少量酸或碱或加水稀释后，酸碱指示剂颜色并没有明显改变，这说明溶液pH值没有改变或改变很小。这样有助于学生理解，也加深记忆。

2.1.1.2 定量实验

取3支试管依次排列，分别加入0.1 mol/L NaCl溶液、0.1 mol/L NaAc溶液、HAc-NaAc溶液各4 mL，然后分别测出其pH值；接着再向3支试管内各滴入0.05 mol/L盐酸2～4滴并振荡，而后分别测出其pH值。依照此法，再分别测出NaCl溶液、NaAc溶液、HAc-NaAc溶液加入少量NaOH，或用水稍加稀释后各溶液的pH值。

实验结果：在NaCl溶液中加入少量HCl或NaOH或水，溶液的pH值都会发生显著改变；而在HAc和NaAc的混合溶液中加入少量HCl或NaOH,或用水稍加稀释，溶液的pH值几乎不变(仅有微小的变化)。

2.1.2 缓冲溶液和缓冲作用的概念

能抵抗外加少量强酸、强碱或稍加稀释，而自身pH值基本保持不变的溶液，称为缓冲溶液。能抵抗外来少量酸或少量碱,或稍加稀释的影响，而保持溶液pH值相对稳定(基本不变)的作用称为缓冲作用[4]。提示：“少量”、“相对”说明缓冲作用有限度。

2.1.3 问题解决“为什么人体血液pH值能稳定在7.35～7.45之间？”

血液属于缓冲溶液，具有缓冲作用。

2.2 缓冲机制

回顾复习溶液pH值和弱电解质电离平衡的知识。以HAc-NaAc缓冲溶液为例，说明缓冲机制。

2.2.1 引导学生思考回答

①上述定性实验中，在NaAc溶液中加少量HCl，溶液的pH值几乎不变，为什么？②设想在HAc溶液中加少量NaOH溶液，溶液的pH值是否也不变？(可实验验证之)③HAc-NaAc缓冲溶液中，H+、Ac-和HAc的浓度大小如何？

2.2.2 师生共同解析

在醋酸是弱酸，在溶液中的离解度很小，常温下达到电离平衡时，H+和Ac-很少，大部分仍是HAc 分子的形态存在。 HAcH++ Ac-

醋酸钠是强电解质，在溶液中全部离解成Na+和Ac-。NaAc = Na++ Ac-

由于同离子效应，加入NaAc后HAc离解平衡向左移动，这使 HAc的离解度减小，H+浓度减小，HAc浓度增大。故在HAc-NaAc混合溶液中，存在一个平衡(醋酸电离平衡)和两个大量(HAc和Ac-都是大量的)。

在HAc-NaAc缓冲溶液中，加入少量强酸，则溶液中H+浓度瞬间增大。但因溶液中存在醋酸的电离平衡，故增加的H+可与溶液中的共轭碱Ac-结合成HAc，使HAc原有的电离平衡左移。因为加入H+较少，溶液中Ac-浓度较大，所以加入的H+绝大部分被转变成弱酸HAc，溶液中H+浓度几乎不变，故溶液的pH值不发生明显的减小(图1)。在缓冲溶液中加入少量强碱，则溶液中OH-浓度瞬间增大。但因溶液中存在醋酸的电离平衡，故增加的OH-可与溶液中的共轭酸HAc反应生成Ac-，使HAc原有的电离平衡右移。因为加入OH-较少，溶液中HAc浓度较大，所以加入的OH-绝大部分与HAc电离生成的H+结合成更难离解的H2O，溶液中H+浓度几乎不变，故溶液的pH值不发生明显的增大(图1)。

图1 缓冲机制(缓冲作用原理)

在溶液稍加稀释时，其中H+浓度会瞬间降低，但Ac-浓度也会同时降低，故同离子效应减弱，促使HAc的离解度增大，平衡右移所产生的H+可维持溶液的pH值不发生明显的变化。

2.2.3 结论(缓冲机制)

①较大浓度的共轭酸、共轭碱是缓冲作用的物质基础。

②共轭酸碱物质之间的质子传递平衡是缓冲作用的内在动力。

③缓冲对中的共轭酸与共轭碱必须在同一个化学平衡式中。

2.2.4 缓冲溶液组成

缓冲溶液是由具有足够浓度、适当比例的共轭酸碱对的两种物质组成。通常弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸(如：HAc-NaAc，H2CO3-NaHCO3，H3PO4-NaH2PO4，NH3·H2O-NH4Cl，NaHCO3-Na2CO3)都能组成缓冲溶液。一般把组成缓冲溶液的共轭酸碱对称为缓冲对或缓冲系。

【问题】(1)H2CO3-Na2CO3和H3PO4-Na3PO4、NaH2PO4-Na2HPO4可否构成缓冲对？

(2)试说明H2CO3—NaHCO3缓冲溶液的缓冲机制

设计此问题目的：通过此问题，让学生巩固应用缓冲机制。

2.2.5 问题解决“人体血液pH值如何稳定在7.35～7.45之间？”

由于食物的消化、吸收和组织中新陈代谢会产生大量的酸性物质或碱性物质，人体血液的pH值之所以能维持在一定的范围内，说明血液中存在着多种缓冲对。血液中主要的缓冲对：CO2溶解或碳酸H2CO3-NaHCO3、NaH2PO4-Na2HPO4、HHb-NaHb(血浆蛋白及其钠盐)、HA-NaA(有机酸及其钠盐)。其中H2CO3-HCO3-缓冲对在血液中浓度最高，缓冲能力最强，维持血液正常pH值也最重要。

缓冲液在医药领域具有重要意义。微生物的培养、血液的冷藏保存以及药品的药理、生理、生化实验等都需要选择一定pH值的缓冲溶液，才能达到预期的效果。正常人体血液的pH值须要维持在7.35～7.45之间，临床上把血液pH值<7.35称为酸中毒，pH值>7.45称为碱中毒，其结果都是致命的。

【问题】如何治疗酸中毒？碱中毒？(设计目的：培养学生运用知识解决实际问题的能力。)

图2 H2CO3-Na2CO3(缓冲作用原理)

3 结语

课堂教学设计之于课堂，犹如建筑设计之于建筑，所以好的课堂需要一个好的教学设计支撑。问题导向模式的教学设计是指根据教学对象和课程目标,从问题和需要入手来确定学习目标，运用教学规律设计合适的教学起点与终点,选相应的策略和方法，将教学诸要素有序优化地安排,建立解决问题的步骤，使课程知识与实践有机结合，对“教”“学”具有理论和实践意义。