利用數字化實驗發展學生化學學科核心素養*
——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.吉林師范大學化學學院 吉林 四平 136000；2.遼源市老年大學 吉林 遼源 136200）

一、引言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出普通高中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，著力發展核心素養；以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一，化學實驗對于全面發展學生的化學學科核心素養有著及其重要的作用［1］。

新課改對化學實驗教學提出了新的要求，部分傳統化學實驗，學生難以完整、準確地觀察到實驗現象，無法顯示化學反應的微觀本質，將數字化儀器引入高中化學實驗教學已成為必要的趨勢。2019年，教育部頒布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，明確指出要促進傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，切實提高實驗教學的質量和效果。對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事實和現象、變化太快或太慢的過程，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現。教師引導學生利用數字化儀器改進實驗，將數字化實驗與傳統實驗有機整合，確保實驗教學的科學性和嚴謹性，提升學生的化學學習質量［2-3］。

二、問題提出

人教版高中化學選擇性必修一第三章第二節“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生必做實驗之一。傳統酸堿中和滴定要目測指示劑的顏色變化指示滴定終點，根據標準溶液消耗的體積，計算質量分數。但若待測液自身帶有顏色，會容易對指示劑的變色范圍產生視覺誤差，難以判斷指示終點，導致結果產生偏差［4-5］。

蘋果醋飲料因其獨特的風味、口感被越來越多的人所喜愛，兼顧了蘋果和食醋的營養保健功能［6］。由于蘋果醋本身存在顏色干擾，利用傳統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，展示其生產的化工流程，使化學學習密切聯系學生生活，調動學生學習的主動性，提高課堂參與度，從而提高教學效率；學生應用傳統和數字化滴定方法自主設計并實施蘋果醋總酸含量的測定實驗，能夠綜合運用所學知識解決實際問題，依據探究目標設計并優化實驗方案，培養其創新精神和實踐能力。“蘋果醋中總酸含量測定”以生活中常見的蘋果醋為研究對象，通過感受數字化實驗在化學學習中的重要作用，發展學生化學學科核心素養，如圖1所示。

圖1 教學目標及流程圖

三、教學目標

1.理解酸堿中和滴定的實質，分析化工生產中的物質變化，發展學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，利用數字化儀器進行實驗的改進，提升學生實驗素養的同時，發展其創新思維和邏輯思維。

3.掌握分析誤差產生的原因和數據處理的方法，通過含量計算培養學生實事求是和嚴謹求實的科學態度。

四、教學設計

1.環節一：認識蘋果醋的生產工藝流程

蘋果醋是一種高營養、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，具有預防血管硬化、降低血壓、促進胃腸消化、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，引導學生分析蘋果醋釀造的化學原理如下：①蘋果中的淀粉在酶的催化作用下轉化為葡萄糖；②轉化而來的葡萄糖在酵母的作用下進行酒精發酵；③發酵產生的酒精在醋酸菌的作用下進行醋酸發酵。學生了解了該反應過程后，教師可以深入介紹化工生產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

以學生日常生活中熟悉的蘋果醋為例創設情境，激發學生的探究興趣，引導學生根據所學知識分析產品的生產工藝流程，培養學生收集和處理信息的能力，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”及“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養。

2.環節二：傳統滴定法測定蘋果醋總酸含量

蘋果醋中含有多種有機酸類物質，其重要檢測指標為總酸度，指食品中能與強堿發生中和作用的物質總量，包括無機酸、有機酸、強酸弱堿鹽等［9］。常規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準溶液來滴定未知濃度的蘋果醋樣品；在滴定過程中，當臨近滴定終點時，每次滴加半滴堿，直到因加入半滴堿后，溶液變為粉紅色，且半分鐘內不變色，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準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象，增大實驗誤差（如圖4）。我國食品安全國家標準規定《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 傳統滴定法滴定前后對比圖

基于學生已有知識，分析傳統滴定法測定蘋果醋中總酸含量的不足，引發學生認知沖突，激起學生探究興趣；從微觀角度分析蘋果醋中色素的來源，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

3.環節三：pH計電位滴定法測定蘋果醋總酸含量

由于食品中有機酸均為弱酸，用強堿滴定生成強堿弱酸鹽，顯堿性，一般pH在8.2左右，因此根據酸堿中和原理，用氫氧化鈉標準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，用氫氧化鈉標準溶液滴定至pH計指示為8.2，據其消耗的氫氧化鈉標準溶液的體積，計算酸度，裝置如圖5［11］，學生進行如下實驗操作：

圖5 pH計電位滴定法裝置圖

（1）NaOH 標準滴定溶液配置及標定：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，利用標準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讀數開關，開動攪拌器，迅速用上述氫氧化鈉標準滴定溶液滴定，待pH=8.2時停止滴定，記錄消耗氫氧化鈉標準滴定溶液的體積。

（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準滴定溶液的體積。

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

表1 pH計電位滴定法測定蘋果醋總酸含量的數據分析

學生通過實驗發現，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，需進一步改進。

學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標準滴定溶液的體積和滴定液pH 的變化，發展學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養；教師引導學生利用數字化儀器改進實驗方案，自主進行實驗探究，發展學生“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

4.環節四：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，當達到預設滴定終點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，能夠準確判定滴定終點，簡化操作步驟，減小誤差。學生搭建實驗裝置，按照環節三的實驗操作步驟進行實驗改進，得出如表2所示的結果。

表2 自動電位滴定法測定蘋果醋總酸含量的數據分析

教師引導學生對比兩種方法測定蘋果醋中總酸含量的數據，如表3 所示，得到如下結論：①《蘋果醋飲料》（GB/T 30884-2014）規定蘋果醋中總酸含量應≥3 g·100 mL-1，三種品牌的蘋果醋中總酸含量均符合標準，屬于合格產品，可以放心食用；②利用數字化儀器進行酸堿中和滴定，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對比相對標準偏差數值，發現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據分析

教師引導學生進行實驗優化，利用自動電位滴定儀測定蘋果醋中總酸的含量，培養學生的創新精神和實踐能力，發展學生“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

五、結論

本節課以學生生活中常見的蘋果醋為素材，教師從自制蘋果醋入手，引導學生利用所學知識分析產品的生產工藝流程，培養學生有序思維，發展“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養；利用傳統滴定法測定蘋果醋總酸含量，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養；利用數字化儀器測定蘋果醋總酸含量，發展學生“變化觀念與平衡思想”“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。學生在了解數字化儀器工作原理和使用方法的基礎上，利用數字化儀器進行實驗優化，深入理解酸堿中和滴定的本質，使實驗過程清晰化、可視化，培養學生實驗探究、獲取知識和解決實際問題等的綜合能力，進而促進學生化學學科核心素養的發展。