王玉芹, 許 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大學 理學院化學系， 上海 200444)

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創(chuàng)新訓練成果轉(zhuǎn)化為實驗項目的實踐分析

王玉芹, 許 斌, 丁益民, 曹志源

(上海大學 理學院化學系， 上海 200444)

為了構建全新的儀器分析實驗教學體系，達到學以致用的培養(yǎng)目的，通過對一創(chuàng)新訓練項目成果進行轉(zhuǎn)化，設計出了一個儀器分析實驗：利用自動電位滴定法測定水果中的可滴定酸，計算出總酸度，并通過回收率實驗，考察實驗方法的可行性。實踐表明：以學生為主導的創(chuàng)新訓練成果成功轉(zhuǎn)化成實驗項目后，既能優(yōu)化實驗教學體系，又能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新熱情。

創(chuàng)新訓練項目； 實驗教學； 自動電位滴定； 可滴定酸

0 引 言

為促進高等學校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，增強高校大學生的創(chuàng)新能力以及在創(chuàng)新基礎之上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)符合創(chuàng)新型國家建設所需要的高水平的創(chuàng)新人才，教育部在“十二五”期間開始實施“國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”項目[1-3]。在高校的各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練的人才培養(yǎng)計劃中，大學生創(chuàng)新性實驗計劃注重自主性、探索性、過程性、實踐性和協(xié)作性，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了很好的平臺[4-7]。

我校作為上海市重點建設的高校，是上海市重要的人才培養(yǎng)基地，以特色鮮明的學分制、選課制和短學期制作為人才培養(yǎng)模式[8]。2011年起我校開始實施大類招生，大一新生入學后沒有具體專業(yè)，只分理工科、人文社科、經(jīng)濟管理三大類，并會按照大類模塊進行一年的通識教育學習[9]。在這一年時間里，學生可以接觸多樣性的知識，并且可根據(jù)興趣自愿參與多種創(chuàng)新實踐活動。但由于每年國家級、市級訓練計劃項目數(shù)量有限，高年級學生憑借扎實的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗競爭力更強，新生參與的機會微乎其微。為了拓寬新生的實踐渠道，滿足新生參與創(chuàng)新訓練的需求，我校于2012年開始實施校級創(chuàng)新訓練項目計劃，面向社區(qū)學院的大一新生征集創(chuàng)新課題。有意向的新生則可以提出書面申請，通過組織團隊、提交可行性報告，最終以學院選拔的形式，為自己爭取創(chuàng)新實踐平臺。

在傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學中，驗證性和演示性實驗占大多數(shù)，這種教學模式束縛了學生的創(chuàng)新意識，不利于學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗能力的培養(yǎng)[10-11]。因此利用一切資源對現(xiàn)行的實驗項目進行及時創(chuàng)新改革和提升很有必要。在2012年的校級創(chuàng)新訓練項目計劃中，化學實驗中心接待了一個由5人組成的大一新生團隊，他們借助中心的儀器設備，通過獨立思考、提出問題、設計實施方案、解決問題等，順利完成了關于“水果中有機酸的鑒定”的創(chuàng)新實驗計劃項目。作為指導教師，作者在征得學生同意后，把此次創(chuàng)新訓練項目內(nèi)容進行篩選和提煉，改編成一個儀器分析實驗，并應用到實際教學中，以達到優(yōu)化實驗教學體系、提升學生學以致用能力的目的。

1 實驗設計背景

水果作為人類不可或缺的食品之一，源于果汁內(nèi)含有人體所需的多種礦物質(zhì)、維生素、有機酸、糖、蛋白質(zhì)等成分，堪稱營養(yǎng)豐富的佳品。其中適量的有機酸可維持人體內(nèi)酸堿平衡，刺激胃腸道消化液分泌，促進食欲，幫助消化，益于健康。

水果中解離和未解離的有機酸可以用堿溶液滴定法計算總酸的含量，稱為可滴定酸，用質(zhì)量百分數(shù)來表示。水果中的可滴定酸含量是水果的重要營養(yǎng)指標之一[12]，常用的測定方法有有指示劑滴定法[13]和自動電位滴定法[14]。自動電位滴定儀與手工滴定相比，具有準確度高、終點判斷不受樣品溶液顏色的影響、自動控制滴定加液速度和數(shù)據(jù)自動處理等優(yōu)點，給分析測試帶來了準確簡便的新途徑。

因此以激發(fā)學生的實驗興趣為出發(fā)點，在結合自動電位滴定法的基礎上，引入目前較受關注的水果中可滴定酸含量的測定，設計出了“自動電位滴定法測定水果中的可滴定酸”的儀器分析實驗。通過本實驗的鍛煉，學生不僅可以掌握自動電位滴定法的測試原理和基本操作，還可以學習自動電位滴定法在實際分析測試中的應用，從而更加有利于實驗教學的開展和增強學習效果。

2 實驗原理

2.1 自動電位滴定法工作原理[15]

電位分析是通過在零電流條件下測定兩電極間的電位差(電池電動勢)，設法求出待測物質(zhì)含量的分析方法，可分為直接電位法和電位滴定法。

電位分析的理論基礎基于能斯特方程，即電極電位與溶液中待測離子間的定量關系。測定時，參比電極的電極電位保持不變，電池電動勢隨指示電極的電極電位而變，而指示電極的電極電位隨溶液中待測離子活度而變。

氧化還原體系：Ox + ne-= Red，

金屬電極(還原態(tài)為金屬，活度定為1)：

電位滴定法是用電位測量裝置指示滴定分析過程中被測組分的濃度變化，通過記錄或繪制滴定曲線來確定滴定終點的分析方法。和直接電位法相比，電位滴定法不需要準確的測量電極電位值，因此，溫度、液體接界電位的影響并不重要，其準確度優(yōu)于直接電位法。

在電位滴定實驗中每滴加一次滴定劑，溶液體系平衡后自動測量電動勢。隨著滴定劑的加入，由于發(fā)生化學反應，被測離子濃度不斷變化，指示電極的電位也相應地變化。在等當點附近發(fā)生電位的突躍。因此測量工作電池電動勢的變化，即可確定滴定終點。實驗的關鍵是要確定滴定反應的化學計量點時，所消耗的滴定劑的體積，快速滴定尋找化學計量點所在的大致范圍。突躍范圍內(nèi)每次滴加體積控制在0.1 mL。記錄每次滴定時的滴定劑用量(V)和相應的電動勢數(shù)值(E)，作圖得到滴定曲線。

通常采用三種方法來確定電位滴定終點，見圖1。

圖1 滴定曲線類型

2.2 水果中總酸度的計算[16]

水果中含有各種不同的有機酸，主要有蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、草酸等。水果種類不同，含有機酸的種類和數(shù)量也不同。果汁的酸性取決于游離態(tài)的酸或酸式鹽存在的數(shù)量，這些酸都是有機弱酸，所以在測定時，用氫氧化鈉標準溶液滴定即能測出酸度。這樣測得的數(shù)據(jù)是總酸度，包含了未離解酸和已離解酸的濃度。用下式計算總酸度：

總酸度

式中：V樣為樣品稀釋總體積(mL)；V取樣為滴定時取樣體積(mL)；VNaOH為滴定時用去的NaOH標準溶液體積(mL)；CNaOH為NaOH標準溶液的濃度(mol/L)；W樣為樣品質(zhì)量(g)；折算系數(shù)為不同有機酸的毫摩爾質(zhì)量(g/mmol)。

食品中的總酸度往往根據(jù)所含酸的不同，而取其中某種主要有機酸計量。食品中常見的有機酸及其毫摩爾質(zhì)量折算系數(shù)如下：蘋果酸：0.067(蘋果、梨、桃、杏、李子、蕃茄、萵苣)；醋酸：0.060(蔬菜罐頭)；酒石酸：0.075(葡萄)；檸檬酸：0.070(柑橘類)；乳酸：0.090(魚、肉罐頭、牛奶)。

3 實驗步驟

3.1 水果的前處理

將蘋果和檸檬去皮，按四分法取對角可食部分(葡萄則直接去皮去籽即可)，于滴定塑膠杯中稱重，再于榨汁機中處理，用塑膠杯接取果汁部分，并用高純水把粘附在榨汁機上的果漿不斷洗入杯中；隨后把杯中混合物轉(zhuǎn)移至離心管中離心，最后把離心管中的清液轉(zhuǎn)移定容到250 mL的容量瓶中，待測。

3.2 標準滴定溶液和回收率溶液的配制與標定

滴定劑是標準溶液，即含確定量反應劑的溶液。一般堿用鄰苯二甲酸氫鉀標定，酸用三羥甲基氨基甲烷。

(1) 0.1 mol/L NaOH溶液的配制。稱取約4.4 g NaOH顆粒置于燒杯中，加入少量蒸餾水，稍微蝸旋攪拌一下以便溶解表面的Na2CO3，倒掉這少量的溶液。剩余的NaOH用無CO2蒸餾水溶解后，轉(zhuǎn)移到一個1 000 mL容量瓶中，定容，混勻。將蒸餾水煮沸，或通氮氣可以去除蒸餾水中的二氧化碳。

(2) 0.1 mol/L NaOH溶液的標定。將鄰苯二甲酸氫鉀放入105℃ 的烘箱中烘過夜，然后置于干燥器中冷卻至少1 h。注意滴定必須在恒定溫度下進行。一般測定3次取平均值。精密稱取約200 mg鄰苯二甲酸氫鉀(精確到0.1 mg)到滴定杯中，加入約50 mL無CO2蒸餾水溶解，立即用配好的NaOH溶液滴定到出現(xiàn)第一個終點。一般平行測定三次，取平均值。

(3) NaOH溶液濃度的計算。1 mL 0.1mol/L的NaOH溶液相當于20.423 mg鄰苯二甲酸氫鉀。所以，滴定劑NaOH的濃度c(NaOH)=m0/20.423/V(EP1)×0.1 (mol/L)。其中：m0為鄰苯二甲酸氫鉀質(zhì)量(mg)；V(EP1)為滴定終點時所消耗NaOH的體積(mL)。

(4) 回收率溶液的配制。分別稱取固體蘋果酸0.667 9 g、檸檬酸0.698 1 g和酒石酸0.747 2 g溶于高純水，于100 mL容量瓶中定容；每次移取5 mL配制溶液至滴定杯中，用標準氫氧化鈉溶液標定。平行測定三次，取平均值作為三種酸溶液的標準濃度，將在回收率實驗中作為標樣添加。

3.3 水果中總酸濃度的測定

分別用移液管移取四種水果的定容液10、20和30 mL于塑膠杯中，進行自動電位滴定。

3.4 水果定容液樣品的加標回收測定

對三類不同酸轉(zhuǎn)換系數(shù)的樣品進行加標回收測定，蘋果樣品加標蘋果酸，檸檬樣品加標檸檬酸，葡萄樣品加標酒石酸，按以下公式計算回收率：

具體方法為：各移取10 mL水果樣品和標準樣品于同一測試杯中，滴定時編輯公式為：DET pH{x} Vol*CV NaOH/10(x為滴定終點數(shù))。

4 實驗數(shù)據(jù)的處理及總結

由于此次試驗中涉及到的數(shù)據(jù)比較多，因此要求學生們自主設計表格填充數(shù)據(jù)，有平行樣測定的還要進行相對標準偏差的計算。最終學生們能夠根據(jù)三種水果定容液樣品的滴定數(shù)據(jù)，使用Origin軟件作出滴定曲線，標出滴定終點pH值以及所消耗的氫氧化鈉的體積，并計算出四種水果的總酸度。可能需要的數(shù)據(jù)表格包含了下面四項測試內(nèi)容的結果：

(1) 三種水果中的總酸濃度測定；

(2) 回收率實驗中加標溶液的濃度測定；

(3) 三種水果定容液樣品的加標回收測定；

(4) 三種水果樣品總酸度計算。

5 實踐效果探討

此實驗項目信息量豐富，內(nèi)容充實，涉及到儀器分析課程中一系列的基本理論和概念。實驗中，首先水果前處理部分貼近生活，豐富有趣，大家爭相參與；其次儀器(見圖2(a))響應快，靈敏度高，程序設定簡便，操作快捷，滴定過程中的現(xiàn)象也易于觀察；再次，實驗數(shù)據(jù)結果除了會在數(shù)據(jù)庫保存，還會生成PDF格式的文件作為測量報告(見圖2(b))，從而能充分提高學生參與和投入的積極性，在成就感中形成自我肯定意識。另外通過數(shù)據(jù)處理及繪圖過程，可以讓學生熟練使用Origin軟件作圖，加深他們對實驗內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理的理解。

圖2 實驗效果

利用Origin軟件作出的滴定曲線見圖3，為ΔE/ΔV-V曲線法。由圖可見，三種水果可食部分經(jīng)過處理形成溶液后，在滴定過程中所消耗氫氧化鈉的體積按照葡萄、蘋果和檸檬的順序遞增，證明它們的酸度也是按照這種順序增強，這與現(xiàn)實中的口感規(guī)律是相似的。另外因為絕大部分水果中含有的都是有機弱酸，如檸檬酸，酒石酸和蘋果酸等，且都是一元α羥酸，解離常數(shù)(pKa)比較接近，無法分步滴定，所以用氫氧化鈉標準溶液滴定測得的數(shù)據(jù)是總酸度，包含了未離解酸和已離解酸的濃度。在不斷的數(shù)據(jù)總結中，學生們期待能夠選取更多種類的水果進行酸度測試，了解更多水果的酸度規(guī)律以及繼續(xù)探索水果的秘密。

圖3 水果中可滴定酸的滴定曲線

6 結 語

把創(chuàng)新訓練活動的成果進行轉(zhuǎn)化，設計出實驗項目并實施，① 加強創(chuàng)新意識的輻射，激發(fā)學生們的探索熱情，② 延伸理論知識的應用領域，促進學生們?nèi)ブ鲃铀伎?、學會思考，③ 切實激發(fā)學生們參與實驗過程的興趣和積極性，達到背景知識拓展和實驗技能鍛煉的目的。如在指導學生處理樣品與操作儀器的同時，教師還可以引導學生思考和學習日常生活中關于食品營養(yǎng)成分、有害物質(zhì)分析的測定手段，例如水果中酸度和糖度的測定，果汁中防腐劑的含量測定，可樂中咖啡因的含量測定等等。通過此次實驗內(nèi)容的啟發(fā)和操作流程的訓練，可以引導學生們?nèi)ブ鲃訉ふ已芯績?nèi)容，自主設計測試方法，獨立完成數(shù)據(jù)的記錄、處理和分析，在潛移默化中樹立起創(chuàng)新意識，并逐漸地關注起化學學科與社會應用的關系，真正做到學以致用。

[1] 秦建華, 黃婷婷, 周凱紅. 關于大學生創(chuàng)新訓練計劃的選題實踐與思考[J]. 高教論壇, 2013(9): 66-68.

[2] 劉長宏, 李曉輝, 李 剛, 等. 大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目的實踐與探索[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(5):163-166.

[3] 張志強，史秉強. 大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練的長效化建設[J]. 河北師范大學學報/教育科學版, 2015, 17(5):94-98.

[4] 杜龍兵, 徐書克. 淺析大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目[J]. 實驗室研究與探索，2012，31(2): 81-84.

[5] 張友琴, 王 萍, 朱昌平. 以大學生創(chuàng)新性實驗計劃為契機培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J]. 實驗技術與管理, 2011, 28(7): 167-170.

[6] 李 昂, 陳雅潔, 詹官凱, 等. “大學生創(chuàng)新性實驗計劃”學生自主管理模式[J]. 高等教育研究學報, 2015, 38(3):90-93.

[7] 孫天昊, 楊夢寧, 王 茜, 等. 基于實驗項目的開放創(chuàng)新型實驗管理系統(tǒng)探究[J]. 實驗室研究與探索，2015, 34(8): 227-230.

[8] 曾文彪. 錢偉長教育思想對上海大學發(fā)展的作用及啟示[J]. 高校教育管理, 2008, 2(6):15-19.

[9] 高紅梅, 吳 蔚, 周慧恩. 大類招生背景下理工科學院學風現(xiàn)狀及對策——基于上海大學學生自我管理學業(yè)促進平臺的視角[J]. 高校輔導員學刊, 2015, 7(5): 83-86.

[10] 周曉梅, 劉躍華. 大學生創(chuàng)新基金與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J]. 高等理科教育, 2006 (1) : 94-96.

[11] 易蘭花, 馮春生, 周方欽. 儀器分析實驗教學模式的改革與實踐[J]. 高校實驗室工作研究,2010(2):10-11.

[12] 葛 枝, 丁 甜, 劉東紅. 基于自動滴定儀測定水果可滴定酸含量樣品前處理的簡化[J]. 中國食物與營養(yǎng)2013, 19( 6): 32-34.

[13] GB12293-90，水果、蔬菜制品可滴定酸的測定[S]. 北京: 中國標準出版社，1999: 431-433.

[14] 李文生, 馮曉元, 王寶剛, 等. 應用自動電位滴定儀測定水果中的可滴定酸[J].食品科學，2009, 30(4):247-249.

[15] 斯維拉 G. 自動電位滴定[M]. 高 立譯. 北京：原子能出版社，1985.

[16] 徐培珍. 化學實驗與社會生活[M]. 南京；南京大學出版社, 2008: 127.

The Practical Analysis on the Transformation of Innovation Training Production into an Experimental Project

WANGYu-qin,XUBin,DINGYi-min,CAOZhi-yuan

(College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

In order to establish a new instrumental analysis experiment course and achieve the planned purpose of practicing the skill learned in the classroom, an instrumental analysis experiment is designed by the conversion of a school level innovation training production. The experiment describes the determination of the titratable acidity of the fruits by potentiometric titrator. The total acidity of the fruits is calculated and the feasibility of the method is studied by the recovery test. The result shows that, the experiment converted from the innovation training project which is dominated by undergraduate could optimize the experimental teaching system, and stimulate students’ interests and innovation enthusiasm of learning.

innovation training project； potentiometric titrator； the titratable acidity

2015-05-11

上海大學首批綜合改革課程立項項目(2015年度)

王玉芹(1982-)，女，江蘇大豐人，碩士，實驗師，化學實驗中心副主任，現(xiàn)主要從事化學實驗教學及管理方面的工作。

Tel.：021-66134732，18017860869； E-mail: yqwang@shu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)04-0223-05