數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用

范曉蓉 吳文中

摘要：從數(shù)字化傳感技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢入手，利用溫度傳感器測定油脂皂化反應(yīng)過程的溫度變化曲線，獲取皂化反應(yīng)“劇烈”發(fā)生的有力證據(jù)，感悟乙醇在皂化反應(yīng)中的“催化”作用。

關(guān)鍵詞：傳感技術(shù);課堂教學(xué);油脂;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);乙醇

文章編號(hào)：1008-0546（2020）02-0041-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.013

2017版《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?！倍瘜W(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)，中學(xué)化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)于有發(fā)光、發(fā)熱、顏色變化等現(xiàn)象明顯的化學(xué)反應(yīng)教學(xué)效果好。但涉及到有氣體產(chǎn)生、微弱溫度變化、微弱pH變化等用肉眼難以觀察到現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能憑空想象，教學(xué)效果不甚理想。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是使用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為圖像的形式直觀呈現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生從“掌握作為一種知識(shí)的化學(xué)”轉(zhuǎn)移到“理解作為一種思維方式的化學(xué)”。本文以溫度傳感器為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備穿插于油脂的教學(xué)活動(dòng)中，幫助學(xué)生理解油脂皂化反應(yīng)本質(zhì)特點(diǎn)，獲取皂化反應(yīng)的直接證據(jù)。

一、教學(xué)分析

通過必修教材《化學(xué)2》的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步了解食品中的有機(jī)化合物——油脂的組成和基本的性質(zhì)，但還沒有從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)油脂。本節(jié)課是選修教材烴的衍生物知識(shí)的延伸，從已有知識(shí)儲(chǔ)備看，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了碳碳雙鍵、酯基等官能團(tuán)的性質(zhì)，并已建立起研究有機(jī)物性質(zhì)的思維模型，能由結(jié)構(gòu)預(yù)測性質(zhì)，再通過物理性質(zhì)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的科學(xué)探究過程，也更好地融合了學(xué)生的認(rèn)知特征。

本節(jié)課學(xué)生通過回憶酯、醇和羧酸的知識(shí)，歸納疏理、分析總結(jié)，理解油脂的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，掌握油脂的氫化和皂化反應(yīng)等概念，溫度傳感器數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入為皂化反應(yīng)發(fā)生獲得了證據(jù)。在肥皂制備的過程中了解其去污原理，形成了將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)際的意識(shí)，樹立科學(xué)攝入油脂的理念，培養(yǎng)合理應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)的觀念。

二、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)高中學(xué)生發(fā)展的要求，蘇教版有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)“油脂”的教學(xué)目標(biāo)定位如表1所示。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

1.新課引入

[問題1]同學(xué)們，在《化學(xué)2》我們就已經(jīng)學(xué)習(xí)了乙化學(xué)教與學(xué)2020年第2期

酸乙酯的制備和乙酸乙酯的水解，請同學(xué)們寫出乙酸乙酯制備的化學(xué)方程式。

[問題2]這是一個(gè)典型的酯化反應(yīng)，所謂酯化反應(yīng)就是酸和醇反應(yīng)得到酯和水的反應(yīng)，我們學(xué)過的醇，除了乙醇、甲醇以外，還有哪些常見的醇？

學(xué)生：乙二醇、丙三醇等。

[引導(dǎo)]請同學(xué)們寫出乙酸分別與乙二醇和丙三醇反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[設(shè)計(jì)意圖]從已有的知識(shí)儲(chǔ)備——乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)引入，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，再通過類比、分析和思考物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及酯化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，仿照必修階段中乙酸乙酯的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)書寫油脂的組成與結(jié)構(gòu)，達(dá)成必修到選修的自然過渡。

2.油脂的概念

[教師總結(jié)]由高級(jí)脂肪酸與甘油形成的酯我們稱為“油脂”。

[問題1]油脂在生命活動(dòng)中有什么用途呢？——請大家閱讀蘇教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》96頁，實(shí)際上，我們在生物學(xué)科中就已經(jīng)有所了解。

[追問]由于高級(jí)脂肪酸種類較多，因此形成的甘油酯就會(huì)比較多，若硬脂酸和軟脂酸同時(shí)與甘油發(fā)生作用得到甘油酯，同學(xué)們想一想，可能會(huì)得到多少種高級(jí)脂肪酸甘油酯呢？

學(xué)生1：都是硬脂酸或油酸與甘油反應(yīng)，共2種——同酸甘油酯（單甘油酯）。

學(xué)生2：一個(gè)硬脂酸，兩個(gè)油酸，共2種。

學(xué)生3：一個(gè)油酸，兩個(gè)硬脂酸，共2種——異酸甘油酯（混甘油酯）;若是三種高級(jí)脂肪酸與甘油反應(yīng)，得到的混甘油酯種類更多。

[設(shè)計(jì)意圖]油脂是人類重要的食物之一，在熟悉油脂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的過程中學(xué)生也清楚地了解其分類方式，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)走向生活，提高學(xué)習(xí)的樂趣，也為后續(xù)探究油脂化學(xué)性質(zhì)打下基礎(chǔ)。

3.油脂的主要物理性質(zhì)

[教師總結(jié)]

（1）密度：一般來說密度比水小，此為生活常識(shí)。

（2）顏色：因含有色素而呈現(xiàn)不同的顏色，一般為白色或無色。

（3）狀態(tài)：液態(tài)或固體，油脂在常溫常壓下，既有呈固體、也有呈液體的，一般把呈固體的叫脂肪，如牛油、豬油、羊油等;呈液態(tài)的叫油，如豆油、花生油、橄欖油等，攝人油脂可以滿足人體生命活動(dòng)對(duì)脂肪酸的需要。請同學(xué)們參閱蘇教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》98頁中的“資料卡”——人體必需的脂肪酸（高級(jí)脂肪酸甘油酯）。

[問題1]其中亞油酸除了官能團(tuán)羧基以外，還有什么官能團(tuán)？如何用化學(xué)方法初步說明這一官能團(tuán)的存在？

[實(shí)驗(yàn)1]油脂中不飽和碳碳雙鍵存在的證據(jù)——高錳酸鉀溶液褪色或使用碘水進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀溶液褪色，碘水褪色。

4.油脂的化學(xué)性質(zhì)

（1）油脂的氫化

含有不飽和鍵的油脂可以通過催化加氫的方法轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡透呒?jí)脂肪酸甘油酯。我們把此過程稱為“油脂的氫化”或“油脂的硬化”，可以用于生產(chǎn)人造脂肪或人造奶油。

[設(shè)計(jì)意圖]從生活常識(shí)中感受油脂的物理性質(zhì)，印象深刻且有說服力。并從日常熟悉的油脂使用中巧妙地引出油脂氫化的性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生從生活走向化學(xué)。

[過渡]既然這些脂肪酸是人體必需的，而自身不能合成，那么人們是如何從外界獲取這些脂肪酸的呢？——吃油脂，然后水解得到（酶為催化劑）。

（2）油脂的主要化學(xué)性質(zhì)——皂化反應(yīng)證據(jù)的獲得

[問題1]實(shí)驗(yàn)室如何獲取這些脂肪酸呢？

學(xué)生：酸性水解或者堿性水解然后酸化。

[問題2]《化學(xué)2》中就有一個(gè)肥皂獲得的實(shí)驗(yàn)，具體怎樣用油脂制肥皂實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示，請同學(xué)們依據(jù)該實(shí)驗(yàn)，思考如下問題：

①除了實(shí)驗(yàn)中，獲得了貨真價(jià)實(shí)的肥皂外，還有其他什么證據(jù)可以說明油脂已經(jīng)發(fā)生堿性水解？

②在實(shí)驗(yàn)中，乙醇的作用是什么？如何證明？

[實(shí)驗(yàn)3]是否能用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證油脂與氫氧化鈉溶液反應(yīng)過程中溫度的變化？使用溫度傳感器來說明是否發(fā)生反應(yīng)。因?yàn)橐话愕幕瘜W(xué)過程都伴隨著能量的變化，而且主要以熱能的形成呈現(xiàn)，要么放熱要么吸熱，而傳感器可以很好地測定反應(yīng)溫度的變化，已知大多數(shù)酯的強(qiáng)堿性水解為放熱反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：取體積分別為20mL飽和的NaOH溶液和豆油于100mL錐形瓶中充分振蕩，并使用溫度傳感器測定乳濁液溫度，同時(shí)記錄時(shí)間一溫度變化曲線，振蕩過程中，發(fā)現(xiàn)混合物溫度基本不變;一段時(shí)間后，加入12mL乙醇于上述錐形瓶中，振蕩，溫度傳感器測定混合物溫度，如圖2所示。

振蕩乳濁液的過程中，乳濁液從渾濁轉(zhuǎn)化為透明澄清溶液，最后轉(zhuǎn)化為類似肥皂的固體，如圖3所示。

[實(shí)驗(yàn)4]為了使得豆油充分發(fā)生皂化反應(yīng)，把上述已經(jīng)轉(zhuǎn)化為“固體”的錐形瓶放在沸水中加熱10min（溫度升高，加快皂化反應(yīng)速率），取出錐形瓶倒入50mL飽和的氯化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)乳濁液分層，上層為淡黃色固體，下層為無色透明溶液。

[問題3]如何證明皂化反應(yīng)得到了甘油？

學(xué)生：氫氧化銅懸濁液中滴入乙二醇或葡萄糖，溶液能轉(zhuǎn)化為絳藍(lán)色溶液，可以用氫氧化銅懸濁液檢驗(yàn)多羥基類物質(zhì)。

[實(shí)驗(yàn)5]取下層溶液（用硫酸中和到中性）滴入到氫氧化銅懸濁液中，發(fā)現(xiàn)溶液變?yōu)榻{藍(lán)色。

[引導(dǎo)]乙酸乙酯與氫氧化鈉溶液反應(yīng)是不是也這樣呢？

[實(shí)驗(yàn)6]實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：取體積分別為20mL飽和的NaOH溶液和乙酸乙酯于100mL錐形瓶中充分振蕩，并使用溫度傳感器測定乳濁液溫度，同時(shí)記錄時(shí)間一溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)，振蕩過程中，混合物溫度基本不變;一段時(shí)間后，加入12mL乙醇于上述錐形瓶中，振蕩，溫度傳感器測定混合物溫度，如圖4所示。

振蕩乳濁液的過程中，乳濁液從渾濁轉(zhuǎn)化為透明澄清溶液，混合溶液溫度顯著升高，最高溫度可達(dá)78°C左右，溶液出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。

這一現(xiàn)象也說明了不同的酯與NaOH溶液反應(yīng)的熱效率有顯著差異。

[設(shè)計(jì)意圖]從化學(xué)2中制肥皂的提出，到真實(shí)的肥皂的制取，再到皂化反應(yīng)過程中另一產(chǎn)物——甘油的驗(yàn)證，環(huán)環(huán)相扣，思路清晰，學(xué)生眼見為實(shí)，感受頗深。而對(duì)于皂化反應(yīng)的發(fā)生提供了新的證據(jù)——溫度傳感器證實(shí)有熱量的放出，同時(shí)增加乙酸乙酯與氫氧化鈉的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，更具有說服力，再次證明酯的水解是一個(gè)放熱的過程。

（3）肥皂的去污原理

硬脂酸鈉在水溶液中電離成鈉離子和硬脂酸根離子（C17H35COO-），硬脂酸根離子由兩部分組成，一部分[CH3（CH2）16-]與油脂的親和力大，是親油基團(tuán);另一部分[-COO-]與水的親和力大，是親水基團(tuán)，如圖5所示。將沾了油污的衣服擦上肥皂搓洗時(shí)，硬脂酸根離子一頭“拉著油”，另一頭“拉著水”，將油污“拖入水”，洗凈衣服。

5.課外作業(yè)

如何讓地溝油變廢為寶？地溝油中的黃曲霉素（黃曲霉素的結(jié)構(gòu)如圖6所示）如何處理？從官能團(tuán)的角度看，黃曲霉素與油脂有何相同的地方？使用地溝油制造肥皂會(huì)發(fā)生黃曲霉素的中毒嗎？為什么？

[設(shè)計(jì)意圖]“地溝油”談之色變，聞之悚然，一度成為熱門話題，然而實(shí)則是一種放錯(cuò)了位置的資源，讓學(xué)科知識(shí)與社會(huì)熱點(diǎn)結(jié)合，更能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，積極探究。黃曲霉素的引入讓酯類性質(zhì)的知識(shí)學(xué)以致用。學(xué)生感受到化學(xué)源于生活，為生活服務(wù)。

四、課后反思

1.對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的反思

日常的化學(xué)教學(xué)過程中，穿插一些真實(shí)簡單快速的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣既能夠帶動(dòng)課堂氛圍，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生探究事物本質(zhì)的興趣，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和發(fā)展。利用溫度傳感器進(jìn)行乙酸乙酯和氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和油脂的皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比了解兩者性質(zhì)的相同之處，也發(fā)現(xiàn)了不同的酯與氫氧化鈉反應(yīng)的熱效率有顯著差異。由于溫度傳感器能快速清晰地展現(xiàn)溫度的變化，學(xué)生也體會(huì)到了新技術(shù)帶來的便利。本實(shí)驗(yàn)選擇了一種溶解性較好的乙醇。因?yàn)槠湓谠砘^程中，一方面起到表面活性劑的作用，不管是油脂還是氫氧化鈉，在其中的溶解度都較大，從而加大了油脂與氫氧化鈉接觸的機(jī)會(huì);另一方面又作為溶劑，加速了反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)探究過程中，學(xué)生通過對(duì)一系列油脂皂化反應(yīng)過程中的宏觀現(xiàn)象的觀察，以及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，建立“宏觀一微觀一符號(hào)”的三重表征的學(xué)習(xí)思維。

2.課堂教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)

學(xué)生已經(jīng)完成了乙酸乙酯水解反應(yīng)的學(xué)習(xí)，物質(zhì)“微觀”的結(jié)構(gòu)決定“宏觀”的性質(zhì)，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，考查學(xué)生“思維模型”的建構(gòu)，根據(jù)已有知識(shí)儲(chǔ)備和提示書寫油脂結(jié)構(gòu)簡式，進(jìn)而根據(jù)官能團(tuán)預(yù)測化學(xué)性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng);基于油脂與氫氧化鈉溶液反應(yīng)過程中有溫度的變化進(jìn)行推理分析，完成乙酸乙酯與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)論證，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理”的思維方式，認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型認(rèn)知的聯(lián)系;探究油脂主要化學(xué)性質(zhì)的過程中，根據(jù)探究目的提出并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，共連環(huán)設(shè)計(jì)六個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生合作交流的能力，養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的“科學(xué)探究”精神。課外作業(yè)的布置——如何讓地溝油變廢為寶？地溝油中黃曲霉素如何處理？使用地溝油制造肥皂會(huì)發(fā)生黃曲霉素的中毒嗎？設(shè)計(jì)一連串具有思考價(jià)值的問題，層層遞進(jìn)，開拓學(xué)生的思路，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深層理解和挖掘，形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。同時(shí)讓學(xué)生感受到生活與化學(xué)知識(shí)緊密相連，自己有“責(zé)任”借助“科學(xué)”的力量豐富人類的生活。