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(jì)”為項(xiàng)目進(jìn)行專題復(fù)習(xí)，在復(fù)習(xí)梳理基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，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(xiàng)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(hào)： 10056629（2020）06005306? 中圖分類號(hào)： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

項(xiàng)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(shí)情境中通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)進(jìn)行探究，解決實(shí)際問(wèn)題，并展示分享研究成果[1]。其中，成果形式包括一個(gè)產(chǎn)品、一份報(bào)告或?qū)嵶鞯脑O(shè)計(jì)和發(fā)展過(guò)程等。它幫助學(xué)生獲得學(xué)科知識(shí)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程分為選定項(xiàng)目、拆解項(xiàng)目、活動(dòng)探究、交流成果和評(píng)價(jià)反思五個(gè)階段，如圖1所示。內(nèi)環(huán)中由虛線所劃分的5個(gè)區(qū)域中的內(nèi)容為學(xué)生在相應(yīng)的各個(gè)階段所開(kāi)展的活動(dòng);外環(huán)各方框內(nèi)的內(nèi)容是教師在對(duì)應(yīng)各個(gè)階段所從事的各項(xiàng)活動(dòng)。

教師在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)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(shí)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(guò)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(shí)，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(shí)際問(wèn)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(gè)應(yīng)用實(shí)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(huì)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(shí)，治療方案的設(shè)計(jì)仍需利用化學(xué)反應(yīng)原理相關(guān)知識(shí)。從知識(shí)層面，HCO-3自身存在電離和水解兩個(gè)平衡，此外在一定濃度時(shí)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(shí)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(jià)值（見(jiàn)圖2）。學(xué)生若以此為項(xiàng)目，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的五個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)活動(dòng)，以“為病人分析酸中毒原因、設(shè)計(jì)治療方案、配制透析液、優(yōu)化配制方案”為活動(dòng)主線，把“水溶液中的離子平衡與反應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本分析思路”貫穿于整個(gè)項(xiàng)目的完成過(guò)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(shí)。

2 項(xiàng)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(shí)，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(wèn)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(guò)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(shí)體系，形成解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思維，體會(huì)化學(xué)知識(shí)在實(shí)際生活中的重要性，進(jìn)一步發(fā)展和落實(shí)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(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

3.1 選定項(xiàng)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(kāi)出化驗(yàn)單。經(jīng)檢查后，血?dú)夥治鰣?bào)告結(jié)果顯示“代謝性酸中毒”。

[驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題]如果你是一名醫(yī)生，你會(huì)怎么做？

[學(xué)生]選定項(xiàng)目為“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計(jì)”。

設(shè)計(jì)意圖： 采用角色扮演的方式，提出相關(guān)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)選定研究項(xiàng)目為“人體代謝性酸中毒治療方案的設(shè)計(jì)”，激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生初步了解和體會(huì)化學(xué)在人體健康方面的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 拆解項(xiàng)目

[學(xué)生]依據(jù)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，主動(dòng)對(duì)研究項(xiàng)目進(jìn)行拆解，確定子項(xiàng)目——（1）病因診斷： 人體代謝性酸中毒的原因;（2）對(duì)癥下藥： 治療方案的設(shè)計(jì)。

[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(dòng)，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(shí)，確立完成該項(xiàng)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(bào)，對(duì)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和優(yōu)化，最終確立方案（見(jiàn)圖3）。

3.3 活動(dòng)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?dú)夥治霾糠謾z查結(jié)果（見(jiàn)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(shí)血液pH小于7.35的原因。

[教師]觀察和傾聽(tīng)，在學(xué)生需要時(shí)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(guò)多時(shí)，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(jiàn)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(wèn)題的分析思路。

[學(xué)生]根據(jù)上述分析過(guò)程，提煉總結(jié)思路和方法（見(jiàn)圖5）。

設(shè)計(jì)意圖： 通過(guò)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(wèn)題研究思路，為后續(xù)實(shí)際問(wèn)題的分析和解決奠定基礎(chǔ)。

3.3.2 對(duì)癥下藥——治療方案的設(shè)計(jì)

（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(duì)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(dòng)，依據(jù)人體血液中主要無(wú)機(jī)離子含量（見(jiàn)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(jì)算各物質(zhì)質(zhì)量，并制定實(shí)驗(yàn)方案。

[教師]組織學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和優(yōu)化，最終確立方案（見(jiàn)表3）。

[學(xué)生]小組活動(dòng)，完成實(shí)驗(yàn)。在溶液配制過(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jiàn)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(wèn)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(méi)有CaCO3呢？

[學(xué)生]小組討論，主動(dòng)將血液與透析液進(jìn)行對(duì)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?yàn)镃H3COO-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(gè)CH3COO-可以通過(guò)該循環(huán)代謝成為HCO-3，同時(shí)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(shí)間，并受到肝功能的影響，故糾正酸中毒較慢且不充分。此過(guò)程還增加了耗氧量，抑制病人的呼吸中樞，帶來(lái)低血壓、消化道問(wèn)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(guò)程中，避免Ca2+和HCO-3直接接觸。小組經(jīng)討論具體方案，匯報(bào)交流，確立方案如表4所示。

[學(xué)生]針對(duì)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(huì)有CO2離開(kāi)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(guò)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(guò)程中使用的透析液中還包含MgCl2，在高濃度溶液中，會(huì)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(jì)意圖： 利用形成的思路分析實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并關(guān)注到了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的“異?，F(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(guò)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(guò)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(wèn)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(duì)比的環(huán)節(jié)，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，充分體會(huì)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(shí)際問(wèn)題解決過(guò)程中的應(yīng)用。

最后，學(xué)生在思路形成、分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決，是前兩個(gè)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(guò)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(huì)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(shí)際使用情況，觀察到稀釋混合后無(wú)CaCO3沉淀和CO2氣體的產(chǎn)生，并測(cè)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(bào)，互相點(diǎn)評(píng)。

3.5 評(píng)價(jià)反思

[教師]組織各組進(jìn)行交流反思。

[學(xué)生]反思該項(xiàng)目完成的過(guò)程，梳理基礎(chǔ)知識(shí)，總結(jié)水溶液中的離子平衡及反應(yīng)的分析思路（見(jiàn)圖7）。

4 教學(xué)反思

基于項(xiàng)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(jì)”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(shí)際問(wèn)題過(guò)程中，關(guān)注學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的落實(shí)、研究思路的形成、解決問(wèn)題能力的提升以及化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。在此過(guò)程中，學(xué)生作為項(xiàng)目完成的主體，自己選定、拆解、完成項(xiàng)目，利用已學(xué)知識(shí)，逐漸形成系統(tǒng)分析思路，并將其用于實(shí)際問(wèn)題解決過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知沖突的分析和解決。整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生興趣濃厚，參與度高，許多平時(shí)上課不太活躍的學(xué)生也積極參與到項(xiàng)目中來(lái)，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(shí)際生活中的魅力，課后有不少學(xué)生表示通過(guò)該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，對(duì)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(xiě)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(xiě)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(cè)試，正確率達(dá)85%左右，說(shuō)明學(xué)生對(duì)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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