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在真实的情景中运用知识解决实际问题

发布时间：2021-06-09

文/周景明 

一、案例背景

《Dissolving Kidney Stone》是一节校公开课，内容是化学平衡这一章的沉淀溶解平衡的几个知识点运用，包括溶解度的计算，反应商 Q计算和平衡位置的判断，以及运用勒夏特原理来分析判断平衡移动的方向。在之前的几节课就这些知识点已经有过初步的介绍和比较浅显的练习。这一节课我没有选择在深度或难度上有所提高，相反我选择了以肾结石这一真实的问题为背景，让学生有机会用之前所学的新知识来理解一个生活中可能会遇到的问题，并灵活地运用这些知识，从化学的角度来分析解决实际问题，有可能的话我还希望他们能综合考虑多方因素对一些所谓的生活常识做出分析判断。

 

二、案例描述

这节课的引入从“研究肾结石是为何会产生？”这个任务开始。学生经过前期学习，很快找出答案，结石的产生是因为“尿液中的阳离子和阴离子产生了沉淀，因为这些盐的Ksp 数值很小“。当教师给出了一些常见肾结石种类时，学生能很快够从Ksp 表中找到相应的数值，计算出溶解度来验证自己的假设。

 

接下来以尿结石中常见的磷酸氢钙结石为研究对象，学生开始分组完成第二个任务，判断当尿液中的钙离子和磷酸氢根离子达到不同浓度的时候会不会产生结石，并讨论如何能避免结石的产生。在这个任务中，学生先根据不同组的离子浓度计算了反应商Q，并根据Q与平衡常数Ksp的数值比较来判断溶解沉淀平衡移动的方向。在此过程中，计算部分大部分学生都完成的很好，但在判断平衡移动方向时个别学生弄错了Q数值大小与平衡移动方向的关系，经过同组同学的提醒才意识到Q越大说明离子产物越多，平衡应该向产生沉淀的方向移动。在讨论如何避免产生沉淀时，多喝水稀释是绝大部分学生立刻能想到的。部分同学建议可以减少钙元素和磷元素的摄入。但考虑到骨质疏松的风险，必要的摄入还是得保证。还有学生想到可以根据同离子效应，通过反应降低磷酸氢根离子或钙离子浓度，但在如何降低时产生了分歧。部分学生建议用其他阴离子和钙离子反应，被提醒后意识到后者还是会产生其他成分结石，该提议未被采纳。另一部分学生提议用沉淀以外的方法降低磷酸氢根离子浓度，但不知道如何降低。

 

于是教师顺势提出第三个任务，在假设磷酸氢钙结石已经产生的基础上，讨论如何消除结石。因为已经排除了沉淀掉钙离子的选项，主要考虑的就是如何把磷酸氢根离子转化成不与钙产生沉淀的其他离子。教师首先给学生展示了三组数据，一组是尿液的pH范围，第二组是磷酸三步解离的pKa，第三组是磷酸钙、磷酸氢钙和磷酸二氢钙的三个Ksp。根据这三组数据，大部分学生反应过来可以通过改变尿液的酸碱度，把磷酸氢根离子转化为磷酸二氢根离子，从而避免与钙离子产生沉淀。但在如何调节尿液的酸碱度上学生再次发生分歧。教师给学生展示了三种常见的饮食偏方，包括柠檬汁、可乐和大量饮水。学生一致认为大量饮水有效，并解释为通过稀释尿液使平衡往溶解的方向移动。但经过计算，学生意识到如果通过平衡移动来溶解结石，饮水量将会非常巨大，给肾脏造成严重负担，无法实现。有学生提出资料显示多饮水确实有助于去除结石。学生讨论，经教师提示，得出一种可能性，排尿增加有利于把微小结石冲出膀胱，不会进一步生成大结石。学生也认为饮用柠檬汁和可乐有效，因为柠檬汁和可乐都是酸性的。但当教师指出柠檬汁其实是碱性食物，因为产生碱性代谢物，而可乐的代谢产物还是酸性，学生意识到食物本身的酸碱度和代谢后对尿液的酸碱度的影响不一样。三个偏方中只有可乐可以使尿液变酸，从而减少磷酸氢根离子。有学生考虑到大量饮用可乐对健康可能造成负面影响，教师也提示了尿液过度酸化会产生其他成分的尿结石，学生得出了不能过度依赖可乐的结论。

 

最后学生就肾结石的形成、预防和消除做了如下归纳，当尿液中钙离子和磷酸氢根离子的浓度过高时就开始形成磷酸钙结石。为了预防结石的产生，需要多喝水稀释尿液，也需要注意不过度摄入钙和磷，但另一方面为了健康考虑也不宜摄入过少。一旦结石已经产生，多饮水能冲出小结石，防止结石进一步变大，适当摄入可乐等产生酸性代谢物的食物可以使尿液变酸，有利于磷酸钙结石溶解，但当尿液过酸其他种类的结石产生的风险增加。作为课后作业，学生将分组合作完成一个制造和溶解碳酸钙结石的微项目以进一步加深理解。

 

三、案例思考

在这节课后，我对这节课的设计思路和课堂教学中出现的一些问题做了认真的思考。

首先，这一节课我选择了在初步理解了知识后让学生有机会把这些知识运用到一个真实存在的健康问题上，来理解、分析、解决一些相关问题。这样的选择一是为了给学生机会把学过的概念运用到解决实际问题上，从问题出发，找到对应的知识点，并根据对知识点的理解来分析解决问题，从而对所学的内容加深理解。二是为了让学生们对化学学科的知识产生信任感，感受到学科的价值。让他们知道学科知识不仅是用来考试做题，在真实生活中也是很有用的。化学的学科知识可以用来分析一些常识性知识的对错，也能用来解决一些日常生活中中可能出现的问题。对于化学知识是真实有用的这种想法会进一步激发一部分学生的学习兴趣。

 

其次，联系实际的时候需要用到的知识之间有关联，但不局限于某一个或几个知识点。这样的联系有助于学生培养出思考时跳出某个学科框架或者某章知识点小框架的习惯。以本节课选取的肾结石问题为例，知识点基本是集中在溶解沉淀这一部分，但也包括了勒夏特原理的运用，很适合作为一个单元新知识的学习项目。如果要做一个更全面的分析，其实还可以涉及到酸碱平衡，同离子效应等方面的内容，因此学生需要综合考虑各方面的因素，这个肾结石的问题也可以设计成一个大一点的项目作为章节的复习。由于本节课的选题是针对实际问题提出解决方案，学生在分析问题的时候还需要全盘的考虑学科之外的各种因素。在本节课上学生在分析问题的时候会习惯性地在知识相关性最高的小框架里思考问题，因此常常忽略一些其他的因素。但在教师的提示下，越来越多的学生开始慢慢拓展思考的范围。如果在今后的教学中能给学生更多的机会这样思考、分析，学生应该会越来越适应这种跳出框架进行思考的行为模式。从长远看，有助于培养学生的思维能力。

 

第三，肾结石的内容不可避免的会牵涉到医学、生物学等其他领域的一些知识。本节课呈现的学科外知识，课前预习搜索到的相关信息，以及课后作业的微项目学习中收集的资料都可能扩大了学生的知识范围。如果借此机会能让学生对某一领域产生浓厚的兴趣，从而给他们将来的学习方向提供了一个新的可能也算是意外之喜。

 

第四，本节课的设计没有包括实验环节，所有的探究都只是学生的思考过程和纸面探究。从惯例来说化学作为一门非常重视实验的学科，公开课的设计中常常会包括实验探究的环节。一来实验环节深受学生喜爱，学生的参与度较高，二来“做中学”有利于加深理解，学生的学习效果可能较好。但我对这节课的设计选择了把实验探究的内容留到课后的微项目学习中。这个设计的初衷是因为课堂上进行实验探究时间有限，很多信息不得不由教师告诉学生，学生失去了自主收集信息以及从大量信息中选择和提炼出关键要素的机会。课后的项目学习没有了时间限制，学生可以更自由的挖掘、选择、提炼，这有助于提升他们的信息检索和信息处理能力。同时，信息的正确选择和有效提炼依赖于学生对问题的分析和对核心知识的理解，因此收集和处理信息这一过程也培养了学生的分析能力，加深了他们对核心知识的理解。因为去掉了实验探究环节，学生在课堂上有更多时间深入思考和讨论。其次课内的实验探究要求在有限的时间里看到明显现象，对实验选择限制很多。由于时间限制，也不允许学生反复尝试和探究错误产生的原因。而课后的项目学习则允许学生多次尝试犯错、反思修正的，这样的探究更能学到东西。

 

最后，本节课的实施过程中暴露出最明显的问题就是没有给学生足够的时间。由于全英文授课，学生热身较慢，再加上问题听得不明白，学生一开始思考时间较长，回答时也比较迟疑。出于控制节奏的考虑，我给了过多提示，没能让学生充分的思考和深入的讨论，这其实有悖于省略实验探究的设计初衷。在今后的课堂中，我会给学生更多的信任和更充分的时间，鼓励他们尝试和犯错，让他们在讨论环节能够充分的思考、自信的表达。

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