巧用思維導圖，助力任務驅動式教學法在分析化學課程教學中的應用

金麗花，田磊，王超展，李延，郭艷麗，張宏芳

西北大學化學與材料科學學院，西安 710127

1 引言

分析化學是一門研究物質的化學組成、含量、結構及有關理論的綜合性、實踐應用型的學科。作為化學、化工、材料、醫學、食品、考古、地質及生命科學等相關專業的必修基礎課，分析化學涉及的學習內容廣，研究對象寬，理論性強，信息量大，概念、公式及計算都非常多，學生(特別是非化學專業的學生)在學習分析化學的過程中普遍感到難學、乏味。為了解決分析化學難教難學的問題，近年來，我們根據各專業的培養目標，一直冀求一種可以將理論知識講授、實驗技能傳授及學生自主學習能力培養三方面有效結合起來的教學新模式。思維導圖與任務驅動式教學法的有機融合為我們的探索提供了一種新思路。

任務驅動式教學(Task-driven teaching)是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學法。1983年，印度教育學家Prabhu首次提出“任務驅動教學”的概念，旨在通過創設情境提出“任務”，在完成“任務”的過程中，結合情境引領學生開展積極有效的探索性自主學習，進而建構屬于學生自己的知識和技能體系[1,2]。而思維導圖(Mind-mapping)是20世紀60年代左右英國教育學家東尼·博贊(Tony Buzan)開創的一種建立分散信息之間內在聯系的可視化思考工具[3,4]。它以中心主題為核心，通過分析各不同信息間的類別、遞進和因果等關系，構建易于理解的圖解形式和網狀脈狀結構。運用這一工具，可以引導和幫助學生對教學內容進行整理歸納總結，進一步加深學生對知識點的理解，有效促進學生分析問題、解決問題能力的全面提升。任務驅動式教學法和思維導圖都是現代教學中先進教學方法和教學工具的典型代表，各有特點。那么，是否可以將這兩種特色教學方式進行有機結合，協同促進我們分析化學課程教學效果和教學質量的穩步提升？為此，我們嘗試在分析化學課程各章節方法應用的教學部分增加一個情境任務環節，借助任務的實施和思維導圖工具，引導學生對所學內容進行階段性系統回顧和梳理。我們以配位滴定中“自來水中總硬度的測定”作為一個教學案例，談談筆者的教學實踐。

2 教學案例

2.1 根據教學目標，創設情境，提出任務

配位滴定這一章的難點很多，內容繁雜。我們在講授完配位滴定的基礎理論知識后，為學生設定了一項理論聯系實際的情境任務——自來水中總硬度的測定。希望學生通過該任務內容的執行可以理順本章節的知識脈絡，形成完整的知識網絡結構。在鞏固基礎知識的同時，進一步培養他們運用已學知識解決實際問題的綜合能力。

首先結合當下大健康理念的普及，以多媒體視頻的形式展現水作為生命之源與人體健康的密切關系，介紹水質優劣判斷中的一系列檢測指標及其重要性，營造一個能激發學生好奇心和興趣的氛圍，引出水的總硬度概念。然后結合視頻內容，提問并引導學生課后通過查閱資料，開展相關背景調查：水質檢測指標有哪些？什么是水的總硬度？水的總硬度與人體健康的關系？如何測定水的總硬度？在國家標準中檢測水的總硬度采用的是什么方法？進而提出此次課程的主任務，如何用配位滴定法進行自來水中總硬度的測定？通過情境任務中內容的調查梳理，學生可以了解目前我們生活飲用水水質檢測的項目包括了10項，分別是感官性狀和物理指標、無機非金屬指標、金屬指標、有機物綜合指標、有機物指標、農藥指標、消毒副產物指標、消毒劑指標、微生物指標和放射性指標。水硬度檢測僅僅是感官性狀和物理指標項目里的一個檢測項目，指的是水中鈣鎂離子的總量。國家衛計委《生活飲用水衛生標準》(GB-5479-2006)，要求飲用水的硬度(以CaCO3計，mg·L-1)不超過450 mg·L-1。目前水中總硬度的測定常用的方法有：分光光度法、原子吸收法、ICP-AES法、自動電位滴定法和EDTA配位滴定法等，其中國標法采用的是EDTA配位滴定法。學生經過此類聯系生活實際的背景調查訓練，不僅深化了課堂內容，擴大了知識面，也為后期的儀器分析課程學習增加了有效的知識儲備。

2.2 分析涉及關鍵知識點，總結構建知識體系

根據前面所學的配位滴定分析的基礎知識，在明確任務內容(測水硬度其實是測水中鈣鎂的總量)的前提下，首先需要分析找出完成這一任務必須解決的問題和涉及的關鍵知識點。為此，我們結合思維導圖工具，以滴定分析法對化學反應的基本要求作為出發點，搭建了如圖1所示的知識框架體系：

圖1 自來水總硬度的測定涉及的知識脈絡思維導圖

(1) 反應必須具有確定的化學計量關系和較快的反應速率。根據EDTA和金屬離子形成的螯合物的特點，我們可以確定EDTA和Ca2+、Mg2+形成螯合物滿足上述的要求：配位比為1 : 1，反應速率快且配位化合物水溶好。

(2) 化學反應的完全程度要達到99.9%。理論上EDTA和Ca2+、Mg2+配位反應是滿足滴定分析法對化學反應完全程度要求的，因為查表可得EDTA和Ca2+、Mg2+形成的配合物的穩定常數分別為lgKCaY= 10.69和lgKMgY= 8.7。但是在實際的應用過程中，溶液中EDTA (簡稱為Y)和Ca2+、Mg2+(總稱為M)除了相互作用生成配合物MY (M + Y ? MY)的主反應外，還存在各自的副反應，如Ca2+、Mg2+水解效應(αM(OH))和配位效應(αM(L))以及EDTA的酸效應(αY(H))和共存離子效應(αY(N))。因此，在測定過程中，為了有效避免EDTA酸效應及平衡體系中Ca2+、Mg2+的水解效應的影響，保障化學反應的完全程度達到99.9%，我們必須將測定體系pH控制在一個合適的酸度范圍。在終點誤差要求(|E| ≤ 0.1%)前提下，依據金屬離子準確滴定的判據推導出的最高酸度計算公式(lgαY(H)= lgKMY- 2)和最低酸度計算公式([OH-] = (Ksp/cM)1/2)[5]，我們以Ca2+、Mg2+的初始濃度0.02 mol·L-1為例，可以得到EDTA滴定Ca2+的適宜酸度范圍大致為pH 8-14，EDTA滴定Mg2+的適宜酸度則為pH ≈ 10。綜合兩種離子的適宜酸度區間，可以確定測定水中Ca2+、Mg2+含量的pH應在10左右。為此，測量體系中我們可以選用pH = 10的NH3-NH4Cl緩沖溶液來維持溶液的pH基本不變。

(3) 有合適的指示劑確定終點。為了準確地判斷滴定的終點，我們需要系統考查金屬離子指示劑的適用條件。首先，Ca2+、Mg2+與指示劑形成的配位化合物(MIn)顏色和游離指示劑(In)顏色在我們所選用的酸度范圍內(pH = 10)要有顯著不同；其次，Ca2+、Mg2+與指示劑形成的配位化合物(MIn)易溶于水且有適當的穩定性；第三，要避免指示劑的封閉、僵化與變質等現象；第四，要求指示劑的變色點pM′ep和化學計量點的pM′sp相近，兩者根據林邦終點誤差公式計算得到的滴定分析誤差應控制在0.1%以內。綜合以上的因素，在總硬度測定實驗中，我們可以選擇鉻黑T (EBT)或酸性鉻藍K作為此次滴定分析實驗的指示劑。但使用EBT指示劑的時候應當注意，由于水樣中主體測定成分Ca2+與EBT指示劑顯色反應不夠靈敏，而與EBT指示劑顯色反應靈敏的Mg2+含量較低。因此，為了使滴定終點顏色變化更敏銳，提高測定的準確度，我們需要在待測含Ca2+試液先加入少量Mg-EDTA配合物。因為KCaY＞KMgY，待測液中會發生Ca2++ MgY ? CaY + Mg2+置換反應，生成Mg-EBT配合物。滴定開始后，EDTA先和試液中大量的Ca2+配位，在計量點附近再奪取Mg-EBT配合物中的Mg2+(KMg-EBT＞ KCa-EBT)，指示滴定終點。

(4) 具有較好的選擇性，共存物不干擾測定。在實際水樣中，我們還需考慮其他共存離子對總硬度測定的干擾。解決該問題的關鍵則是要求我們掌握使用控制酸度或者掩蔽法提高配位滴定選擇性的知識內容。例如，水樣中可能存在的Fe3+和Al3+對EBT指示劑有一定的封閉作用，我們可以利用配位掩蔽的原理選用三乙醇胺進行掩蔽；而水樣中可能存在的Cu2+和Pb2+等重金屬離子，我們則可以利用沉淀掩蔽的方法選用Na2S掩蔽，進一步保障了EDTA測定Ca2+、Mg2+含量的方法選擇性。

綜上所述，在這一任務驅動的教學設計中，我們以滴定分析法對化學反應的基本要求作為出發點，引導學生對知識點活學活用。通過分析任務內容的層層深入，抽絲剝繭，找出完成這一測定任務需要解決的各個問題。學生在探索和處理問題的過程中逐步領會本章主要知識點和它們之間的內在邏輯聯系；并進一步利用思維導圖將在任務完成過程中獲得的零散知識點進行系統總結和梳理，建立所學知識的系統脈絡(圖1)。在明確檢測原理、評價指標的基礎上，設計合理實驗思路和測定方法，最終結合結果處理步驟，完成既定的情境任務。

2.3 多元評價模式，強化過程考核

根據任務驅動的教學設計理念，強化過程考核評價。我們通過方案設計報告(包括背景調查，思維導圖的構建)，實驗操作技能考核，數據處理報告，任務結果匯報等多方面多形式的過程考核方式，全面、客觀地反映學生的真實學習狀況，增加學生的自我成就感，充分激發學生的學習積極性和主動探究的意識，培養學生良好的學風，卓有成效地促進學生的全面發展。

2.4 課程總結和反饋

組織學生以小組為單位，討論總結項目實施過程中出現的問題及解決方法，交流學習心得。通過自評和互評的方式，指導學生在總結反思中完善優化知識結構和認知結構，提高學生的自我規劃、自主實施、自我反思的能力，實現學習進階。教師亦可在這一環節中通過與學生的互動反饋，及時準確地了解學生的學習情況，總結課堂教學中存在的問題，進一步優化教學過程，提高教學效率。

3 結語

實踐證明，與傳統的教學方式相比，任務驅動式教學法這種將知識點蘊含于具體任務中的教學方法，可有效激發學生參與教學活動的積極性與主動性，從根本上提升學生的自主學習能力。而思維導圖作為一種有效的知識組織工具，則可以在任務驅動式教學實施過程中，有效幫助學生構建系統的知識框架體系，將零散知識一體化，促進學生對教學內容的理解和掌握，極大地提高學習效率。任務驅動式教學法和思維導圖的有機結合是教學中多種先進教學理念、教學方法和教學工具相得益彰的探索與嘗試，不僅培養學生知識遷移和應用整合的綜合能力，也進一步充實了分析化學的教學模式，促進分析化學教學質量穩步提升。