利用数字化实验发展学生化学学科核心素养*——以“苹果醋中总酸含量测定”为例

赵晓倩 宗晓月 张玲毓 商梦香 孙艳涛** 奚 依

（1.吉林师范大学化学学院 吉林 四平 136000；2.辽源市老年大学 吉林 辽源 136200）

一、引言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出普通高中的培养目标是进一步提升学生综合素质，着力发展核心素养；以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着及其重要的作用［1］。

新课改对化学实验教学提出了新的要求，部分传统化学实验，学生难以完整、准确地观察到实验现象，无法显示化学反应的微观本质，将数字化仪器引入高中化学实验教学已成为必要的趋势。2019年，教育部颁布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，明确指出要促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实提高实验教学的质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事实和现象、变化太快或太慢的过程，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。教师引导学生利用数字化仪器改进实验，将数字化实验与传统实验有机整合，确保实验教学的科学性和严谨性，提升学生的化学学习质量［2-3］。

二、问题提出

人教版高中化学选择性必修一第三章第二节“水的电离和溶液的pH”中的酸碱中和滴定，是一种重要的定量分析方法。它是利用已知浓度酸（或碱）来测定未知浓度碱（或酸）的方法，强酸与强碱的中和滴定为学生必做实验之一。传统酸碱中和滴定要目测指示剂的颜色变化指示滴定终点，根据标准溶液消耗的体积，计算质量分数。但若待测液自身带有颜色，会容易对指示剂的变色范围产生视觉误差，难以判断指示终点，导致结果产生偏差［4-5］。

苹果醋饮料因其独特的风味、口感被越来越多的人所喜爱，兼顾了苹果和食醋的营养保健功能［6］。由于苹果醋本身存在颜色干扰，利用传统滴定法很难精确测定出其总酸的含量。教师可以从自制苹果醋入手，展示其生产的化工流程，使化学学习密切联系学生生活，调动学生学习的主动性，提高课堂参与度，从而提高教学效率；学生应用传统和数字化滴定方法自主设计并实施苹果醋总酸含量的测定实验，能够综合运用所学知识解决实际问题，依据探究目标设计并优化实验方案，培养其创新精神和实践能力。“苹果醋中总酸含量测定”以生活中常见的苹果醋为研究对象，通过感受数字化实验在化学学习中的重要作用，发展学生化学学科核心素养，如图1所示。

图1 教学目标及流程图

三、教学目标

1.理解酸碱中和滴定的实质，分析化工生产中的物质变化，发展学生运用理论知识解决实际问题的能力。

2.熟悉酸碱中和滴定的基本操作，利用数字化仪器进行实验的改进，提升学生实验素养的同时，发展其创新思维和逻辑思维。

3.掌握分析误差产生的原因和数据处理的方法，通过含量计算培养学生实事求是和严谨求实的科学态度。

四、教学设计

1.环节一：认识苹果醋的生产工艺流程

苹果醋是一种高营养、高保健功能的新饮品，富含有苹果酸、奎宁酸、柠檬酸、酒石酸、单宁酸等，具有预防血管硬化、降低血压、促进胃肠消化、消除或缓解疲劳等作用［7-8］。教师播放自制苹果醋的短视频，引导学生分析苹果醋酿造的化学原理如下：①苹果中的淀粉在酶的催化作用下转化为葡萄糖；②转化而来的葡萄糖在酵母的作用下进行酒精发酵；③发酵产生的酒精在醋酸菌的作用下进行醋酸发酵。学生了解了该反应过程后，教师可以深入介绍化工生产过程中苹果醋的酿造工艺［6］，如图2。

图2 苹果醋酿造工艺流程图

以学生日常生活中熟悉的苹果醋为例创设情境，激发学生的探究兴趣，引导学生根据所学知识分析产品的生产工艺流程，培养学生收集和处理信息的能力，发展学生“宏观辨识与微观探析”及“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。

2.环节二：传统滴定法测定苹果醋总酸含量

苹果醋中含有多种有机酸类物质，其重要检测指标为总酸度，指食品中能与强碱发生中和作用的物质总量，包括无机酸、有机酸、强酸弱碱盐等［9］。常规酸碱滴定以无色酚酞作为指示剂，利用已知浓度的氢氧化钠标准溶液来滴定未知浓度的苹果醋样品；在滴定过程中，当临近滴定终点时，每次滴加半滴碱，直到因加入半滴碱后，溶液变为粉红色，且半分钟内不变色，即为滴定终点。由于苹果醋中含有亚铁离子，在空气中易被氧化为Fe3+，呈现黄色，因此样品自身带有颜色（如图3），利用待测液恰好变色这一标准来判断滴定终点不够精确，并且人眼对滴定终点判断的主观性较大，可能会存在未到滴定终点或滴定过量的现象，增大实验误差（如图4）。我国食品安全国家标准规定《食品中总酸的测定》指出，酸碱指示剂滴定法不适用于有颜色或浑浊不透明的试液，无法使用该方法的饮品，可采用pH计电位滴定法和自动电位滴定法［10］。

图3 不同品牌苹果醋

图4 传统滴定法滴定前后对比图

基于学生已有知识，分析传统滴定法测定苹果醋中总酸含量的不足，引发学生认知冲突，激起学生探究兴趣；从微观角度分析苹果醋中色素的来源，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

3.环节三：pH计电位滴定法测定苹果醋总酸含量

由于食品中有机酸均为弱酸，用强碱滴定生成强碱弱酸盐，显碱性，一般pH在8.2左右，因此根据酸碱中和原理，用氢氧化钠标准滴定溶液滴定试液中的酸，中和试样溶液至8.2 时，确定为滴定终点，按碱液的消耗量计算食品中的总酸含量。pH计电位滴定法是以pH 玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，与被试样组成原电池并接入pH计，用氢氧化钠标准溶液滴定至pH计指示为8.2，据其消耗的氢氧化钠标准溶液的体积，计算酸度，装置如图5［11］，学生进行如下实验操作：

图5 pH计电位滴定法装置图

（1）NaOH 标准滴定溶液配置及标定：称取2 g NaOH，溶解于500 mL 蒸馏水中，用邻苯二甲酸氢钾溶液标定后备用。

（2）样品制备：用移液管吸取25.00 mL 试液至250 mL容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，备用。

（3）样品测定：接通酸度计及磁力搅拌器电源，利用标准缓冲溶液校正酸度计。用移液管吸取25.00 mL 试液，置于150 mL 烧杯中，将烧杯放到磁力搅拌器上，浸入酸度计电极。按下pH读数开关，开动搅拌器，迅速用上述氢氧化钠标准滴定溶液滴定，待pH=8.2时停止滴定，记录消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积。

（4）空白实验：按上述操作步骤，用蒸馏水代替试液做空白试验，记录消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积。

式中，X为试样中总酸含量，单位为g·100 mL-1；c为氢氧化钠标准滴定溶液的浓度，单位为mol·L-1；V1为滴定试液时消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，单位为mL；V2为空白试验时消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，单位为mL；k 为酸的换算系数，其中乙酸为0.060；F为试液的稀释倍数；m为吸取试样的体积，单位为mL；100为换算系数。结果如表1所示。

表1 pH计电位滴定法测定苹果醋总酸含量的数据分析

学生通过实验发现，利用pH 计测定苹果醋中总酸含量，能够有效避免样品本身颜色干扰，精确判断滴定终点，减小误差。但该过程仍采用人工滴定法，可能存在滴定终点判定延误，导致滴定过量，增大偏差；碱式滴定管每次加入滴定液的体积较大，在接近临界值时，难以精确控制滴定量，需进一步改进。

学生通过实验体会酸碱中和滴定过程，直观感受滴定过程中消耗NaOH标准滴定溶液的体积和滴定液pH 的变化，发展学生“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养；教师引导学生利用数字化仪器改进实验方案，自主进行实验探究，发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

4.环节四：自动电位滴定法测定苹果醋总酸含量

自动电位滴定法利用微电脑程序自动控制滴定过程，通过pH 变化确定滴定终点，当达到预设滴定终点pH 时自动停止滴定，并且每次加入滴定液的体积可以精确到0.05 mL，能够准确判定滴定终点，简化操作步骤，减小误差。学生搭建实验装置，按照环节三的实验操作步骤进行实验改进，得出如表2所示的结果。

表2 自动电位滴定法测定苹果醋总酸含量的数据分析

教师引导学生对比两种方法测定苹果醋中总酸含量的数据，如表3 所示，得到如下结论：①《苹果醋饮料》（GB/T 30884-2014）规定苹果醋中总酸含量应≥3 g·100 mL-1，三种品牌的苹果醋中总酸含量均符合标准，属于合格产品，可以放心食用；②利用数字化仪器进行酸碱中和滴定，可以有效避免样品本身颜色对于滴定终点的干扰，提高精确性；③对比相对标准偏差数值，发现自动电位滴定法相对于pH 计电位滴定法误差较小，精确度和可信度更高。

表3 苹果醋中总酸含量的数据分析

教师引导学生进行实验优化，利用自动电位滴定仪测定苹果醋中总酸的含量，培养学生的创新精神和实践能力，发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

五、结论

本节课以学生生活中常见的苹果醋为素材，教师从自制苹果醋入手，引导学生利用所学知识分析产品的生产工艺流程，培养学生有序思维，发展“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养；利用传统滴定法测定苹果醋总酸含量，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养；利用数字化仪器测定苹果醋总酸含量，发展学生“变化观念与平衡思想”“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。学生在了解数字化仪器工作原理和使用方法的基础上，利用数字化仪器进行实验优化，深入理解酸碱中和滴定的本质，使实验过程清晰化、可视化，培养学生实验探究、获取知识和解决实际问题等的综合能力，进而促进学生化学学科核心素养的发展。