數字化實驗在中學化學教學中的應用
——以雪碧中苯甲酸含量測定為例

張原旗，李雪松，龐 婧，馮靜東，孫艷濤

(吉林師范大學化學學院，吉林四平，136000)

一、引言

數字化實驗技術具有實時性、直觀性和準確性等特點，使學生在實驗教學與科學探究中，通過動手實踐、分析實時數據而進行深度學習。[1]如何將數字化實驗有針對性地應用于中學化學實驗中，既體現創新性，提高學生的學習能力，又聯系生活，增強學生的參與熱情，是值得深入思考的問題。[2]

“雪碧中苯甲酸含量的測定”實驗以常見的碳酸飲料為研究對象，引導學生依據理論知識解決實際問題，激發學生學習興趣，提高課堂教學質量。同時，該實驗對比分析傳統法與數字化技術的實驗數據，培養學生的科學探究能力與創新意識，提高學生的化學學科核心素養。

二、學情分析

人教版高中化學選修四第三章第二節“pH的應用”中，介紹了酸堿中和滴定是高中化學典型的定量實驗，也是重要的概念系統。[3]學生在學習本節課前，查找并閱讀了酸堿中和反應原理和pH的相關概念，為本次實驗操作提供了理論基礎。[4]

三、教學設計

隨著人們生活質量的提高，食品安全問題已成為不可忽視的問題。一些黑心商家過量使用添加劑，給人們的健康造成危害。為減少此類事件的發生，不僅食品安全部門需要嚴格監管，個人也需要提高安全意識。

圖1 苯甲酸分子結構式

苯甲酸常用作酸性食品防腐劑，其分子結構如圖1所示。食品安全國家標準中嚴格規定了我國苯甲酸(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，但過量攝入易引起流口水、腹痛腹瀉等不良反應，長期食用還會導致過敏或中毒。[5]

師：本次實驗課我們檢測雪碧中苯甲酸的含量是否符合國家標準。結構決定性質，請同學們分析苯甲酸的結構式，利用所學知識設計實驗方案。

生1：苯甲酸含有羧基，可用氫氧化鈉滴定，發生酸堿中和反應。通過觀察酚酞指示劑的顏色變化判斷反應終點，計算含量。

生2：通過查閱資料可知，苯甲酸是芳香酸，在紫外區有吸收，可用紫外分光光度計檢測。

(一)傳統滴定法測定苯甲酸

師：完成如表1的實驗過程后，請總結傳統酸堿滴定實驗中，哪些地方操作不當會使結果產生誤差？(根據學生回答，教師做出如圖2的總結。)

表1 傳統滴定實驗過程

圖2 傳統滴定法誤差原因

(二)自動電位滴定法測定苯甲酸

自動電位滴定法是在滴定過程中通過測量電位(或pH)變化以確定滴定終點的方法，我們可以通過繪制pH-V滴定曲線準確地確定化學計量點。實驗過程如表2所示。

師：對比實驗數據，試總結自動電位滴定法的優點。

生1：不需要加入指示劑，避免其對實驗的影響。

生2：不需要觀察溶液的顏色變化，避免了人眼對顏色辨別的差異對實驗的影響。

生3：先粗測再細測，使結果更準確。

自動電位滴定法相比于傳統滴定，操作者可理性地判斷用肉眼觀察困難的化學現象，實驗數據更直觀，結果更精準，可作為傳統法的補充與擴展。

表2 自動電位滴定實驗過程

(三)紫外分光光度法測定苯甲酸

苯甲酸具有芳香結構，因此在紫外區有吸收，可用紫外分光光度計繪制吸收曲線并確定最大吸收波長，根據標準曲線的線性方程計算含量。[6]現階段中學化學實驗未涉及紫外知識，因此，教師常使用“移動虛擬實驗室”軟件播放演示視頻進行實時講解，讓學生了解紫外分光光度計的使用原理和操作步驟，如表3所示。

表3 紫外分光光度法實驗過程

表4 雪碧中苯甲酸含量數據對比

師：通過實驗數據(見表4)，我們可以獲得哪些信息？

生1：本次檢測的市售雪碧符合國家標準，可以放心飲用。

生2：對比三組實驗數據，發現傳統滴定法與數字化儀器所得結果有偏差，數字化儀器測定的苯甲酸含量準確度更高。

本次實驗打破了傳統實驗教學的一貫模式，學生在掌握數字化儀器的使用原理后，能按照實驗步驟完成基本操作和數據處理。通過對比三組實驗數據，發現數字化儀器能更精準地測出雪碧中苯甲酸的含量，主要是由于儀器比人眼判斷終點更靈敏，更具有說服力。

四、結論

將傳統滴定和數字化儀器的實驗結果進行比較，使學生加深了對酸堿中和反應的理解，體會了數字化技術的便捷、直觀、準確等優勢，促進了學習方式向多元化轉變。通過創設生活情境，激發了學生的學習興趣，增強了學生的主人翁意識和社會責任感，提升了學生的綜合素質。

開展數字化實驗技術可提高我國的化學實驗教學水平，但需注意數字化實驗并不能完全否定或取代傳統實驗，而是應積極探索傳統與數字化實驗技術的有機融合方式，結合中學化學教學內容的重點、難點，有針對性地將數字化技術應用于創新實驗中，使其發揮巨大作用，促進中學化學實驗教學質量的整體提升。