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,在真實情境中通過問題驅(qū)動進(jìn)行探究,解決實際問題,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。
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)異常現(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,形成解決實際問題的科學(xué)思維,體會化學(xué)知識在實際生活中的重要性,進(jìn)一步發(fā)展和落實模型認(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,血氣分析報告結(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)病人血氣分析部分檢查結(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,并制定實驗方案。
[教師]組織學(xué)生匯報實驗方案,并對方案進(jìn)行點評和優(yōu)化,最終確立方案(見表3)。
[學(xué)生]小組活動,完成實驗。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際問題。學(xué)生通過親自動手實驗,發(fā)現(xiàn)并關(guān)注到了實驗過程中的“異常現(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),在解決實際問題過程中,關(guān)注學(xué)生基礎(chǔ)知識的落實、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。
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