數字化實驗在化學課堂教學中的應用

范曉蓉 吳文中

摘要：從數字化傳感技術在化學實驗教學中的優勢入手，利用溫度傳感器測定油脂皂化反應過程的溫度變化曲線，獲取皂化反應“劇烈”發生的有力證據，感悟乙醇在皂化反應中的“催化”作用。

關鍵詞：傳感技術;課堂教學;油脂;創新實驗;乙醇

文章編號：1008-0546（2020）02-0041-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.013

2017版《化學課程標準》指出：“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。”而化學學科的基礎是實驗，中學化學傳統實驗中對于有發光、發熱、顏色變化等現象明顯的化學反應教學效果好。但涉及到有氣體產生、微弱溫度變化、微弱pH變化等用肉眼難以觀察到現象的實驗，學生只能憑空想象，教學效果不甚理想。而數字化實驗是使用傳感器、數據采集器和計算機等數字化實驗系統設備，將實驗現象轉化為圖像的形式直觀呈現出來，引導學生從“掌握作為一種知識的化學”轉移到“理解作為一種思維方式的化學”。本文以溫度傳感器為主要實驗設備穿插于油脂的教學活動中，幫助學生理解油脂皂化反應本質特點，獲取皂化反應的直接證據。

一、教學分析

通過必修教材《化學2》的學習，學生已經初步了解食品中的有機化合物——油脂的組成和基本的性質，但還沒有從結構角度認識油脂。本節課是選修教材烴的衍生物知識的延伸，從已有知識儲備看，學生已經學習了碳碳雙鍵、酯基等官能團的性質，并已建立起研究有機物性質的思維模型，能由結構預測性質，再通過物理性質、化學實驗驗證猜想的科學探究過程，也更好地融合了學生的認知特征。

本節課學生通過回憶酯、醇和羧酸的知識，歸納疏理、分析總結，理解油脂的組成、結構和性質，掌握油脂的氫化和皂化反應等概念，溫度傳感器數字化實驗的引入為皂化反應發生獲得了證據。在肥皂制備的過程中了解其去污原理，形成了將化學知識應用于生產、生活實際的意識，樹立科學攝入油脂的理念，培養合理應用化學物質的觀念。

二、教學目標

根據化學學科核心素養對高中學生發展的要求，蘇教版有機化學基礎“油脂”的教學目標定位如表1所示。

三、教學設計

1.新課引入

[問題1]同學們，在《化學2》我們就已經學習了乙化學教與學2020年第2期

酸乙酯的制備和乙酸乙酯的水解，請同學們寫出乙酸乙酯制備的化學方程式。

[問題2]這是一個典型的酯化反應，所謂酯化反應就是酸和醇反應得到酯和水的反應，我們學過的醇，除了乙醇、甲醇以外，還有哪些常見的醇？

學生：乙二醇、丙三醇等。

[引導]請同學們寫出乙酸分別與乙二醇和丙三醇反應的化學方程式。

[設計意圖]從已有的知識儲備——乙酸與乙醇的酯化反應引入，充分調動學生的學習積極性，再通過類比、分析和思考物質的結構特點，以及酯化反應的實質，仿照必修階段中乙酸乙酯的學習，學習書寫油脂的組成與結構，達成必修到選修的自然過渡。

2.油脂的概念

[教師總結]由高級脂肪酸與甘油形成的酯我們稱為“油脂”。

[問題1]油脂在生命活動中有什么用途呢？——請大家閱讀蘇教版《有機化學基礎》96頁，實際上，我們在生物學科中就已經有所了解。

[追問]由于高級脂肪酸種類較多，因此形成的甘油酯就會比較多，若硬脂酸和軟脂酸同時與甘油發生作用得到甘油酯，同學們想一想，可能會得到多少種高級脂肪酸甘油酯呢？

學生1：都是硬脂酸或油酸與甘油反應，共2種——同酸甘油酯（單甘油酯）。

學生2：一個硬脂酸，兩個油酸，共2種。

學生3：一個油酸，兩個硬脂酸，共2種——異酸甘油酯（混甘油酯）;若是三種高級脂肪酸與甘油反應，得到的混甘油酯種類更多。

[設計意圖]油脂是人類重要的食物之一，在熟悉油脂結構特點的過程中學生也清楚地了解其分類方式，引導學生從化學走向生活，提高學習的樂趣，也為后續探究油脂化學性質打下基礎。

3.油脂的主要物理性質

[教師總結]

（1）密度：一般來說密度比水小，此為生活常識。

（2）顏色：因含有色素而呈現不同的顏色，一般為白色或無色。

（3）狀態：液態或固體，油脂在常溫常壓下，既有呈固體、也有呈液體的，一般把呈固體的叫脂肪，如牛油、豬油、羊油等;呈液態的叫油，如豆油、花生油、橄欖油等，攝人油脂可以滿足人體生命活動對脂肪酸的需要。請同學們參閱蘇教版《有機化學基礎》98頁中的“資料卡”——人體必需的脂肪酸（高級脂肪酸甘油酯）。

[問題1]其中亞油酸除了官能團羧基以外，還有什么官能團？如何用化學方法初步說明這一官能團的存在？

[實驗1]油脂中不飽和碳碳雙鍵存在的證據——高錳酸鉀溶液褪色或使用碘水進行有關實驗。發現高錳酸鉀溶液褪色，碘水褪色。

4.油脂的化學性質

（1）油脂的氫化

含有不飽和鍵的油脂可以通過催化加氫的方法轉變為飽和高級脂肪酸甘油酯。我們把此過程稱為“油脂的氫化”或“油脂的硬化”，可以用于生產人造脂肪或人造奶油。

[設計意圖]從生活常識中感受油脂的物理性質，印象深刻且有說服力。并從日常熟悉的油脂使用中巧妙地引出油脂氫化的性質，引導學生從生活走向化學。

[過渡]既然這些脂肪酸是人體必需的，而自身不能合成，那么人們是如何從外界獲取這些脂肪酸的呢？——吃油脂，然后水解得到（酶為催化劑）。

（2）油脂的主要化學性質——皂化反應證據的獲得

[問題1]實驗室如何獲取這些脂肪酸呢？

學生：酸性水解或者堿性水解然后酸化。

[問題2]《化學2》中就有一個肥皂獲得的實驗，具體怎樣用油脂制肥皂實驗過程如圖1所示，請同學們依據該實驗，思考如下問題：

①除了實驗中，獲得了貨真價實的肥皂外，還有其他什么證據可以說明油脂已經發生堿性水解？

②在實驗中，乙醇的作用是什么？如何證明？

[實驗3]是否能用數字化實驗驗證油脂與氫氧化鈉溶液反應過程中溫度的變化？使用溫度傳感器來說明是否發生反應。因為一般的化學過程都伴隨著能量的變化，而且主要以熱能的形成呈現，要么放熱要么吸熱，而傳感器可以很好地測定反應溫度的變化，已知大多數酯的強堿性水解為放熱反應。

實驗內容：取體積分別為20mL飽和的NaOH溶液和豆油于100mL錐形瓶中充分振蕩，并使用溫度傳感器測定乳濁液溫度，同時記錄時間一溫度變化曲線，振蕩過程中，發現混合物溫度基本不變;一段時間后，加入12mL乙醇于上述錐形瓶中，振蕩，溫度傳感器測定混合物溫度，如圖2所示。

振蕩乳濁液的過程中，乳濁液從渾濁轉化為透明澄清溶液，最后轉化為類似肥皂的固體，如圖3所示。

[實驗4]為了使得豆油充分發生皂化反應，把上述已經轉化為“固體”的錐形瓶放在沸水中加熱10min（溫度升高，加快皂化反應速率），取出錐形瓶倒入50mL飽和的氯化鈉溶液，發現乳濁液分層，上層為淡黃色固體，下層為無色透明溶液。

[問題3]如何證明皂化反應得到了甘油？

學生：氫氧化銅懸濁液中滴入乙二醇或葡萄糖，溶液能轉化為絳藍色溶液，可以用氫氧化銅懸濁液檢驗多羥基類物質。

[實驗5]取下層溶液（用硫酸中和到中性）滴入到氫氧化銅懸濁液中，發現溶液變為絳藍色。

[引導]乙酸乙酯與氫氧化鈉溶液反應是不是也這樣呢？

[實驗6]實驗內容：取體積分別為20mL飽和的NaOH溶液和乙酸乙酯于100mL錐形瓶中充分振蕩，并使用溫度傳感器測定乳濁液溫度，同時記錄時間一溫度變化曲線，發現，振蕩過程中，混合物溫度基本不變;一段時間后，加入12mL乙醇于上述錐形瓶中，振蕩，溫度傳感器測定混合物溫度，如圖4所示。

振蕩乳濁液的過程中，乳濁液從渾濁轉化為透明澄清溶液，混合溶液溫度顯著升高，最高溫度可達78°C左右，溶液出現沸騰現象。

這一現象也說明了不同的酯與NaOH溶液反應的熱效率有顯著差異。

[設計意圖]從化學2中制肥皂的提出，到真實的肥皂的制取，再到皂化反應過程中另一產物——甘油的驗證，環環相扣，思路清晰，學生眼見為實，感受頗深。而對于皂化反應的發生提供了新的證據——溫度傳感器證實有熱量的放出，同時增加乙酸乙酯與氫氧化鈉的對比實驗，更具有說服力，再次證明酯的水解是一個放熱的過程。

（3）肥皂的去污原理

硬脂酸鈉在水溶液中電離成鈉離子和硬脂酸根離子（C17H35COO-），硬脂酸根離子由兩部分組成，一部分[CH3（CH2）16-]與油脂的親和力大，是親油基團;另一部分[-COO-]與水的親和力大，是親水基團，如圖5所示。將沾了油污的衣服擦上肥皂搓洗時，硬脂酸根離子一頭“拉著油”，另一頭“拉著水”，將油污“拖入水”，洗凈衣服。

5.課外作業

如何讓地溝油變廢為寶？地溝油中的黃曲霉素（黃曲霉素的結構如圖6所示）如何處理？從官能團的角度看，黃曲霉素與油脂有何相同的地方？使用地溝油制造肥皂會發生黃曲霉素的中毒嗎？為什么？

[設計意圖]“地溝油”談之色變，聞之悚然，一度成為熱門話題，然而實則是一種放錯了位置的資源，讓學科知識與社會熱點結合，更能激發學生主動思考，積極探究。黃曲霉素的引入讓酯類性質的知識學以致用。學生感受到化學源于生活，為生活服務。

四、課后反思

1.對數字化實驗的反思

日常的化學教學過程中，穿插一些真實簡單快速的科學實驗，這樣既能夠帶動課堂氛圍，又能提高學生的學習效率，激發學生探究事物本質的興趣，數字化實驗是對傳統實驗教學的有益補充和發展。利用溫度傳感器進行乙酸乙酯和氫氧化鈉反應的實驗和油脂的皂化反應實驗，通過對比了解兩者性質的相同之處，也發現了不同的酯與氫氧化鈉反應的熱效率有顯著差異。由于溫度傳感器能快速清晰地展現溫度的變化，學生也體會到了新技術帶來的便利。本實驗選擇了一種溶解性較好的乙醇。因為其在皂化過程中，一方面起到表面活性劑的作用，不管是油脂還是氫氧化鈉，在其中的溶解度都較大，從而加大了油脂與氫氧化鈉接觸的機會;另一方面又作為溶劑，加速了反應的進行。在實驗探究過程中，學生通過對一系列油脂皂化反應過程中的宏觀現象的觀察，以及數字化實驗數據的采集和分析，建立“宏觀一微觀一符號”的三重表征的學習思維。

2.課堂教學注重培養學生化學核心素養

學生已經完成了乙酸乙酯水解反應的學習，物質“微觀”的結構決定“宏觀”的性質，依據學生的認知發展規律，考查學生“思維模型”的建構，根據已有知識儲備和提示書寫油脂結構簡式，進而根據官能團預測化學性質，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養;基于油脂與氫氧化鈉溶液反應過程中有溫度的變化進行推理分析，完成乙酸乙酯與氫氧化鈉反應的實驗論證，培養學生“證據推理”的思維方式，認識化學現象與模型認知的聯系;探究油脂主要化學性質的過程中，根據探究目的提出并優化實驗方案，共連環設計六個實驗，培養學生合作交流的能力，養成敢于質疑、勇于創新的“科學探究”精神。課外作業的布置——如何讓地溝油變廢為寶？地溝油中黃曲霉素如何處理？使用地溝油制造肥皂會發生黃曲霉素的中毒嗎？設計一連串具有思考價值的問題，層層遞進，開拓學生的思路，促進學生對知識的深層理解和挖掘，形成系統的知識結構。同時讓學生感受到生活與化學知識緊密相連，自己有“責任”借助“科學”的力量豐富人類的生活。