張?jiān)?，李雪松，?婧，馮靜東，孫艷濤

(吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林四平，136000)

一、引言

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、直觀性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)探究中，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。[1]如何將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性地應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，既體現(xiàn)創(chuàng)新性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，又聯(lián)系生活，增強(qiáng)學(xué)生的參與熱情，是值得深入思考的問(wèn)題。[2]

“雪碧中苯甲酸含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)以常見(jiàn)的碳酸飲料為研究對(duì)象，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析傳統(tǒng)法與數(shù)字化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、學(xué)情分析

人教版高中化學(xué)選修四第三章第二節(jié)“pH的應(yīng)用”中，介紹了酸堿中和滴定是高中化學(xué)典型的定量實(shí)驗(yàn)，也是重要的概念系統(tǒng)。[3]學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課前，查找并閱讀了酸堿中和反應(yīng)原理和pH的相關(guān)概念，為本次實(shí)驗(yàn)操作提供了理論基礎(chǔ)。[4]

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，食品安全問(wèn)題已成為不可忽視的問(wèn)題。一些黑心商家過(guò)量使用添加劑，給人們的健康造成危害。為減少此類事件的發(fā)生，不僅食品安全部門(mén)需要嚴(yán)格監(jiān)管，個(gè)人也需要提高安全意識(shí)。

圖1 苯甲酸分子結(jié)構(gòu)式

苯甲酸常用作酸性食品防腐劑，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格規(guī)定了我國(guó)苯甲酸(鹽)在飲料中最大添加量為0.2g/kg。適量的苯甲酸可以保鮮食品，但過(guò)量攝入易引起流口水、腹痛腹瀉等不良反應(yīng)，長(zhǎng)期食用還會(huì)導(dǎo)致過(guò)敏或中毒。[5]

師：本次實(shí)驗(yàn)課我們檢測(cè)雪碧中苯甲酸的含量是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，請(qǐng)同學(xué)們分析苯甲酸的結(jié)構(gòu)式，利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

生1：苯甲酸含有羧基，可用氫氧化鈉滴定，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)。通過(guò)觀察酚酞指示劑的顏色變化判斷反應(yīng)終點(diǎn)，計(jì)算含量。

生2：通過(guò)查閱資料可知，苯甲酸是芳香酸，在紫外區(qū)有吸收，可用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)。

(一)傳統(tǒng)滴定法測(cè)定苯甲酸

師：完成如表1的實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，請(qǐng)總結(jié)傳統(tǒng)酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中，哪些地方操作不當(dāng)會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生誤差？(根據(jù)學(xué)生回答，教師做出如圖2的總結(jié)。)

表1 傳統(tǒng)滴定實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖2 傳統(tǒng)滴定法誤差原因

(二)自動(dòng)電位滴定法測(cè)定苯甲酸

自動(dòng)電位滴定法是在滴定過(guò)程中通過(guò)測(cè)量電位(或pH)變化以確定滴定終點(diǎn)的方法，我們可以通過(guò)繪制pH-V滴定曲線準(zhǔn)確地確定化學(xué)計(jì)量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如表2所示。

師：對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試總結(jié)自動(dòng)電位滴定法的優(yōu)點(diǎn)。

生1：不需要加入指示劑，避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

生2：不需要觀察溶液的顏色變化，避免了人眼對(duì)顏色辨別的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

生3：先粗測(cè)再細(xì)測(cè)，使結(jié)果更準(zhǔn)確。

自動(dòng)電位滴定法相比于傳統(tǒng)滴定，操作者可理性地判斷用肉眼觀察困難的化學(xué)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更直觀，結(jié)果更精準(zhǔn)，可作為傳統(tǒng)法的補(bǔ)充與擴(kuò)展。

表2 自動(dòng)電位滴定實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(三)紫外分光光度法測(cè)定苯甲酸

苯甲酸具有芳香結(jié)構(gòu)，因此在紫外區(qū)有吸收，可用紫外分光光度計(jì)繪制吸收曲線并確定最大吸收波長(zhǎng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程計(jì)算含量。[6]現(xiàn)階段中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)未涉及紫外知識(shí)，因此，教師常使用“移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室”軟件播放演示視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)講解，讓學(xué)生了解紫外分光光度計(jì)的使用原理和操作步驟，如表3所示。

表3 紫外分光光度法實(shí)驗(yàn)過(guò)程

表4 雪碧中苯甲酸含量數(shù)據(jù)對(duì)比

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)，我們可以獲得哪些信息？

生1：本次檢測(cè)的市售雪碧符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以放心飲用。

生2：對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)滴定法與數(shù)字化儀器所得結(jié)果有偏差，數(shù)字化儀器測(cè)定的苯甲酸含量準(zhǔn)確度更高。

本次實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一貫?zāi)Ｊ?，學(xué)生在掌握數(shù)字化儀器的使用原理后，能按照實(shí)驗(yàn)步驟完成基本操作和數(shù)據(jù)處理。通過(guò)對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化儀器能更精準(zhǔn)地測(cè)出雪碧中苯甲酸的含量，主要是由于儀器比人眼判斷終點(diǎn)更靈敏，更具有說(shuō)服力。

四、結(jié)論

將傳統(tǒng)滴定和數(shù)字化儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，使學(xué)生加深了對(duì)酸堿中和反應(yīng)的理解，體會(huì)了數(shù)字化技術(shù)的便捷、直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了學(xué)習(xí)方式向多元化轉(zhuǎn)變。通過(guò)創(chuàng)設(shè)生活情境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的主人翁意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可提高我國(guó)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，但需注意數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并不能完全否定或取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)積極探索傳統(tǒng)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的有機(jī)融合方式，結(jié)合中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)，有針對(duì)性地將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，使其發(fā)揮巨大作用，促進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的整體提升。