利用數(shù)字化實驗發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)*
——以“蘋果醋中總酸含量測定”為例

趙曉倩 宗曉月 張玲毓 商夢香 孫艷濤** 奚 依

（1.吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 吉林 四平 136000；2.遼源市老年大學(xué) 吉林 遼源 136200）

一、引言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)；以實驗為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實驗對于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有著及其重要的作用［1］。

新課改對化學(xué)實驗教學(xué)提出了新的要求，部分傳統(tǒng)化學(xué)實驗，學(xué)生難以完整、準(zhǔn)確地觀察到實驗現(xiàn)象，無法顯示化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，將數(shù)字化儀器引入高中化學(xué)實驗教學(xué)已成為必要的趨勢。2019年，教育部頒布《關(guān)于加強和改進(jìn)中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，明確指出要促進(jìn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，切實提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事實和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段呈現(xiàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化儀器改進(jìn)實驗，將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗有機(jī)整合，確保實驗教學(xué)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量［2-3］。

二、問題提出

人教版高中化學(xué)選擇性必修一第三章第二節(jié)“水的電離和溶液的pH”中的酸堿中和滴定，是一種重要的定量分析方法。它是利用已知濃度酸（或堿）來測定未知濃度堿（或酸）的方法，強酸與強堿的中和滴定為學(xué)生必做實驗之一。傳統(tǒng)酸堿中和滴定要目測指示劑的顏色變化指示滴定終點，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積，計算質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但若待測液自身帶有顏色，會容易對指示劑的變色范圍產(chǎn)生視覺誤差，難以判斷指示終點，導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生偏差［4-5］。

蘋果醋飲料因其獨特的風(fēng)味、口感被越來越多的人所喜愛，兼顧了蘋果和食醋的營養(yǎng)保健功能［6］。由于蘋果醋本身存在顏色干擾，利用傳統(tǒng)滴定法很難精確測定出其總酸的含量。教師可以從自制蘋果醋入手，展示其生產(chǎn)的化工流程，使化學(xué)學(xué)習(xí)密切聯(lián)系學(xué)生生活，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高課堂參與度，從而提高教學(xué)效率；學(xué)生應(yīng)用傳統(tǒng)和數(shù)字化滴定方法自主設(shè)計并實施蘋果醋總酸含量的測定實驗，能夠綜合運用所學(xué)知識解決實際問題，依據(jù)探究目標(biāo)設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力?！疤O果醋中總酸含量測定”以生活中常見的蘋果醋為研究對象，通過感受數(shù)字化實驗在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，如圖1所示。

圖1 教學(xué)目標(biāo)及流程圖

三、教學(xué)目標(biāo)

1.理解酸堿中和滴定的實質(zhì)，分析化工生產(chǎn)中的物質(zhì)變化，發(fā)展學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力。

2.熟悉酸堿中和滴定的基本操作，利用數(shù)字化儀器進(jìn)行實驗的改進(jìn)，提升學(xué)生實驗素養(yǎng)的同時，發(fā)展其創(chuàng)新思維和邏輯思維。

3.掌握分析誤差產(chǎn)生的原因和數(shù)據(jù)處理的方法，通過含量計算培養(yǎng)學(xué)生實事求是和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。

四、教學(xué)設(shè)計

1.環(huán)節(jié)一：認(rèn)識蘋果醋的生產(chǎn)工藝流程

蘋果醋是一種高營養(yǎng)、高保健功能的新飲品，富含有蘋果酸、奎寧酸、檸檬酸、酒石酸、單寧酸等，具有預(yù)防血管硬化、降低血壓、促進(jìn)胃腸消化、消除或緩解疲勞等作用［7-8］。教師播放自制蘋果醋的短視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析蘋果醋釀造的化學(xué)原理如下：①蘋果中的淀粉在酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為葡萄糖；②轉(zhuǎn)化而來的葡萄糖在酵母的作用下進(jìn)行酒精發(fā)酵；③發(fā)酵產(chǎn)生的酒精在醋酸菌的作用下進(jìn)行醋酸發(fā)酵。學(xué)生了解了該反應(yīng)過程后，教師可以深入介紹化工生產(chǎn)過程中蘋果醋的釀造工藝［6］，如圖2。

圖2 蘋果醋釀造工藝流程圖

以學(xué)生日常生活中熟悉的蘋果醋為例創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識分析產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程，培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息的能力，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”及“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.環(huán)節(jié)二：傳統(tǒng)滴定法測定蘋果醋總酸含量

蘋果醋中含有多種有機(jī)酸類物質(zhì)，其重要檢測指標(biāo)為總酸度，指食品中能與強堿發(fā)生中和作用的物質(zhì)總量，包括無機(jī)酸、有機(jī)酸、強酸弱堿鹽等［9］。常規(guī)酸堿滴定以無色酚酞作為指示劑，利用已知濃度的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液來滴定未知濃度的蘋果醋樣品；在滴定過程中，當(dāng)臨近滴定終點時，每次滴加半滴堿，直到因加入半滴堿后，溶液變?yōu)榉奂t色，且半分鐘內(nèi)不變色，即為滴定終點。由于蘋果醋中含有亞鐵離子，在空氣中易被氧化為Fe3+，呈現(xiàn)黃色，因此樣品自身帶有顏色（如圖3），利用待測液恰好變色這一標(biāo)準(zhǔn)來判斷滴定終點不夠精確，并且人眼對滴定終點判斷的主觀性較大，可能會存在未到滴定終點或滴定過量的現(xiàn)象，增大實驗誤差（如圖4）。我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定《食品中總酸的測定》指出，酸堿指示劑滴定法不適用于有顏色或渾濁不透明的試液，無法使用該方法的飲品，可采用pH計電位滴定法和自動電位滴定法［10］。

圖3 不同品牌蘋果醋

圖4 傳統(tǒng)滴定法滴定前后對比圖

基于學(xué)生已有知識，分析傳統(tǒng)滴定法測定蘋果醋中總酸含量的不足，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，激起學(xué)生探究興趣；從微觀角度分析蘋果醋中色素的來源，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.環(huán)節(jié)三：pH計電位滴定法測定蘋果醋總酸含量

由于食品中有機(jī)酸均為弱酸，用強堿滴定生成強堿弱酸鹽，顯堿性，一般pH在8.2左右，因此根據(jù)酸堿中和原理，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定試液中的酸，中和試樣溶液至8.2 時，確定為滴定終點，按堿液的消耗量計算食品中的總酸含量。pH計電位滴定法是以pH 玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極為參比電極，與被試樣組成原電池并接入pH計，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至pH計指示為8.2，據(jù)其消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，計算酸度，裝置如圖5［11］，學(xué)生進(jìn)行如下實驗操作：

圖5 pH計電位滴定法裝置圖

（1）NaOH 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液配置及標(biāo)定：稱取2 g NaOH，溶解于500 mL 蒸餾水中，用鄰苯二甲酸氫鉀溶液標(biāo)定后備用。

（2）樣品制備：用移液管吸取25.00 mL 試液至250 mL容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度，搖勻，備用。

（3）樣品測定：接通酸度計及磁力攪拌器電源，利用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校正酸度計。用移液管吸取25.00 mL 試液，置于150 mL 燒杯中，將燒杯放到磁力攪拌器上，浸入酸度計電極。按下pH讀數(shù)開關(guān)，開動攪拌器，迅速用上述氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，待pH=8.2時停止滴定，記錄消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積。

（4）空白實驗：按上述操作步驟，用蒸餾水代替試液做空白試驗，記錄消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積。

式中，X為試樣中總酸含量，單位為g·100 mL-1；c為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，單位為mol·L-1；V1為滴定試液時消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，單位為mL；V2為空白試驗時消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，單位為mL；k 為酸的換算系數(shù)，其中乙酸為0.060；F為試液的稀釋倍數(shù)；m為吸取試樣的體積，單位為mL；100為換算系數(shù)。結(jié)果如表1所示。

表1 pH計電位滴定法測定蘋果醋總酸含量的數(shù)據(jù)分析

學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，利用pH 計測定蘋果醋中總酸含量，能夠有效避免樣品本身顏色干擾，精確判斷滴定終點，減小誤差。但該過程仍采用人工滴定法，可能存在滴定終點判定延誤，導(dǎo)致滴定過量，增大偏差；堿式滴定管每次加入滴定液的體積較大，在接近臨界值時，難以精確控制滴定量，需進(jìn)一步改進(jìn)。

學(xué)生通過實驗體會酸堿中和滴定過程，直觀感受滴定過程中消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積和滴定液pH 的變化，發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；教師引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化儀器改進(jìn)實驗方案，自主進(jìn)行實驗探究，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.環(huán)節(jié)四：自動電位滴定法測定蘋果醋總酸含量

自動電位滴定法利用微電腦程序自動控制滴定過程，通過pH 變化確定滴定終點，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)滴定終點pH 時自動停止滴定，并且每次加入滴定液的體積可以精確到0.05 mL，能夠準(zhǔn)確判定滴定終點，簡化操作步驟，減小誤差。學(xué)生搭建實驗裝置，按照環(huán)節(jié)三的實驗操作步驟進(jìn)行實驗改進(jìn)，得出如表2所示的結(jié)果。

表2 自動電位滴定法測定蘋果醋總酸含量的數(shù)據(jù)分析

教師引導(dǎo)學(xué)生對比兩種方法測定蘋果醋中總酸含量的數(shù)據(jù)，如表3 所示，得到如下結(jié)論：①《蘋果醋飲料》（GB/T 30884-2014）規(guī)定蘋果醋中總酸含量應(yīng)≥3 g·100 mL-1，三種品牌的蘋果醋中總酸含量均符合標(biāo)準(zhǔn)，屬于合格產(chǎn)品，可以放心食用；②利用數(shù)字化儀器進(jìn)行酸堿中和滴定，可以有效避免樣品本身顏色對于滴定終點的干擾，提高精確性；③對比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值，發(fā)現(xiàn)自動電位滴定法相對于pH 計電位滴定法誤差較小，精確度和可信度更高。

表3 蘋果醋中總酸含量的數(shù)據(jù)分析

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗優(yōu)化，利用自動電位滴定儀測定蘋果醋中總酸的含量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

五、結(jié)論

本節(jié)課以學(xué)生生活中常見的蘋果醋為素材，教師從自制蘋果醋入手，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識分析產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程，培養(yǎng)學(xué)生有序思維，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；利用傳統(tǒng)滴定法測定蘋果醋總酸含量，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；利用數(shù)字化儀器測定蘋果醋總酸含量，發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生在了解數(shù)字化儀器工作原理和使用方法的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化儀器進(jìn)行實驗優(yōu)化，深入理解酸堿中和滴定的本質(zhì)，使實驗過程清晰化、可視化，培養(yǎng)學(xué)生實驗探究、獲取知識和解決實際問題等的綜合能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。