数字化实验在化学课堂教学中的应用

范晓蓉 吴文中

摘要：从数字化传感技术在化学实验教学中的优势入手，利用温度传感器测定油脂皂化反应过程的温度变化曲线，获取皂化反应“剧烈”发生的有力证据，感悟乙醇在皂化反应中的“催化”作用。

关键词：传感技术;课堂教学;油脂;创新实验;乙醇

文章编号：1008-0546（2020）02-0041-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.013

2017版《化学课程标准》指出：“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。”而化学学科的基础是实验，中学化学传统实验中对于有发光、发热、颜色变化等现象明显的化学反应教学效果好。但涉及到有气体产生、微弱温度变化、微弱pH变化等用肉眼难以观察到现象的实验，学生只能凭空想象，教学效果不甚理想。而数字化实验是使用传感器、数据采集器和计算机等数字化实验系统设备，将实验现象转化为图像的形式直观呈现出来，引导学生从“掌握作为一种知识的化学”转移到“理解作为一种思维方式的化学”。本文以温度传感器为主要实验设备穿插于油脂的教学活动中，帮助学生理解油脂皂化反应本质特点，获取皂化反应的直接证据。

一、教学分析

通过必修教材《化学2》的学习，学生已经初步了解食品中的有机化合物——油脂的组成和基本的性质，但还没有从结构角度认识油脂。本节课是选修教材烃的衍生物知识的延伸，从已有知识储备看，学生已经学习了碳碳双键、酯基等官能团的性质，并已建立起研究有机物性质的思维模型，能由结构预测性质，再通过物理性质、化学实验验证猜想的科学探究过程，也更好地融合了学生的认知特征。

本节课学生通过回忆酯、醇和羧酸的知识，归纳疏理、分析总结，理解油脂的组成、结构和性质，掌握油脂的氢化和皂化反应等概念，温度传感器数字化实验的引入为皂化反应发生获得了证据。在肥皂制备的过程中了解其去污原理，形成了将化学知识应用于生产、生活实际的意识，树立科学摄入油脂的理念，培养合理应用化学物质的观念。

二、教学目标

根据化学学科核心素养对高中学生发展的要求，苏教版有机化学基础“油脂”的教学目标定位如表1所示。

三、教学设计

1.新课引入

[问题1]同学们，在《化学2》我们就已经学习了乙化学教与学2020年第2期

酸乙酯的制备和乙酸乙酯的水解，请同学们写出乙酸乙酯制备的化学方程式。

[问题2]这是一个典型的酯化反应，所谓酯化反应就是酸和醇反应得到酯和水的反应，我们学过的醇，除了乙醇、甲醇以外，还有哪些常见的醇？

学生：乙二醇、丙三醇等。

[引导]请同学们写出乙酸分别与乙二醇和丙三醇反应的化学方程式。

[設计意图]从已有的知识储备——乙酸与乙醇的酯化反应引入，充分调动学生的学习积极性，再通过类比、分析和思考物质的结构特点，以及酯化反应的实质，仿照必修阶段中乙酸乙酯的学习，学习书写油脂的组成与结构，达成必修到选修的自然过渡。

2.油脂的概念

[教师总结]由高级脂肪酸与甘油形成的酯我们称为“油脂”。

[问题1]油脂在生命活动中有什么用途呢？——请大家阅读苏教版《有机化学基础》96页，实际上，我们在生物学科中就已经有所了解。

[追问]由于高级脂肪酸种类较多，因此形成的甘油酯就会比较多，若硬脂酸和软脂酸同时与甘油发生作用得到甘油酯，同学们想一想，可能会得到多少种高级脂肪酸甘油酯呢？

学生1：都是硬脂酸或油酸与甘油反应，共2种——同酸甘油酯（单甘油酯）。

学生2：一个硬脂酸，两个油酸，共2种。

学生3：一个油酸，两个硬脂酸，共2种——异酸甘油酯（混甘油酯）;若是三种高级脂肪酸与甘油反应，得到的混甘油酯种类更多。

[设计意图]油脂是人类重要的食物之一，在熟悉油脂结构特点的过程中学生也清楚地了解其分类方式，引导学生从化学走向生活，提高学习的乐趣，也为后续探究油脂化学性质打下基础。

3.油脂的主要物理性质

[教师总结]

（1）密度：一般来说密度比水小，此为生活常识。

（2）颜色：因含有色素而呈现不同的颜色，一般为白色或无色。

（3）状态：液态或固体，油脂在常温常压下，既有呈固体、也有呈液体的，一般把呈固体的叫脂肪，如牛油、猪油、羊油等;呈液态的叫油，如豆油、花生油、橄榄油等，摄人油脂可以满足人体生命活动对脂肪酸的需要。请同学们参阅苏教版《有机化学基础》98页中的“资料卡”——人体必需的脂肪酸（高级脂肪酸甘油酯）。

[问题1]其中亚油酸除了官能团羧基以外，还有什么官能团？如何用化学方法初步说明这一官能团的存在？

[实验1]油脂中不饱和碳碳双键存在的证据——高锰酸钾溶液褪色或使用碘水进行有关实验。发现高锰酸钾溶液褪色，碘水褪色。

4.油脂的化学性质

（1）油脂的氢化

含有不饱和键的油脂可以通过催化加氢的方法转变为饱和高级脂肪酸甘油酯。我们把此过程称为“油脂的氢化”或“油脂的硬化”，可以用于生产人造脂肪或人造奶油。

[设计意图]从生活常识中感受油脂的物理性质，印象深刻且有说服力。并从日常熟悉的油脂使用中巧妙地引出油脂氢化的性质，引导学生从生活走向化学。

[过渡]既然这些脂肪酸是人体必需的，而自身不能合成，那么人们是如何从外界获取这些脂肪酸的呢？——吃油脂，然后水解得到（酶为催化剂）。

（2）油脂的主要化学性质——皂化反应证据的获得

[问题1]实验室如何获取这些脂肪酸呢？

学生：酸性水解或者碱性水解然后酸化。

[问题2]《化学2》中就有一个肥皂获得的实验，具体怎样用油脂制肥皂实验过程如图1所示，请同学们依据该实验，思考如下问题：

①除了实验中，获得了货真价实的肥皂外，还有其他什么证据可以说明油脂已经发生碱性水解？

②在实验中，乙醇的作用是什么？如何证明？

[实验3]是否能用数字化实验验证油脂与氢氧化钠溶液反应过程中温度的变化？使用温度传感器来说明是否发生反应。因为一般的化学过程都伴随着能量的变化，而且主要以热能的形成呈现，要么放热要么吸热，而传感器可以很好地测定反应温度的变化，已知大多数酯的强碱性水解为放热反应。

实验内容：取体积分别为20mL饱和的NaOH溶液和豆油于100mL锥形瓶中充分振荡，并使用温度传感器测定乳浊液温度，同时记录时间一温度变化曲线，振荡过程中，发现混合物温度基本不变;一段时间后，加入12mL乙醇于上述锥形瓶中，振荡，温度传感器测定混合物温度，如图2所示。

振荡乳浊液的过程中，乳浊液从浑浊转化为透明澄清溶液，最后转化为类似肥皂的固体，如图3所示。

[实验4]为了使得豆油充分发生皂化反应，把上述已经转化为“固体”的锥形瓶放在沸水中加热10min（温度升高，加快皂化反应速率），取出锥形瓶倒入50mL饱和的氯化钠溶液，发现乳浊液分层，上层为淡黄色固体，下层为无色透明溶液。

[问题3]如何证明皂化反应得到了甘油？

学生：氢氧化铜悬浊液中滴入乙二醇或葡萄糖，溶液能转化为绛蓝色溶液，可以用氢氧化铜悬浊液检验多羟基类物质。

[实验5]取下层溶液（用硫酸中和到中性）滴入到氢氧化铜悬浊液中，发现溶液变为绛蓝色。

[引导]乙酸乙酯与氢氧化钠溶液反应是不是也这样呢？

[实验6]实验内容：取体积分别为20mL饱和的NaOH溶液和乙酸乙酯于100mL锥形瓶中充分振荡，并使用温度传感器测定乳浊液温度，同时记录时间一温度变化曲线，发现，振荡过程中，混合物温度基本不变;一段时间后，加入12mL乙醇于上述锥形瓶中，振荡，温度传感器测定混合物温度，如图4所示。

振荡乳浊液的过程中，乳浊液从浑浊转化为透明澄清溶液，混合溶液温度显著升高，最高温度可达78°C左右，溶液出现沸腾现象。

这一现象也说明了不同的酯与NaOH溶液反应的热效率有显著差异。

[设计意图]从化学2中制肥皂的提出，到真实的肥皂的制取，再到皂化反应过程中另一产物——甘油的验证，环环相扣，思路清晰，学生眼见为实，感受颇深。而对于皂化反应的发生提供了新的证据——温度传感器证实有热量的放出，同时增加乙酸乙酯与氢氧化钠的对比实验，更具有说服力，再次证明酯的水解是一个放热的过程。

（3）肥皂的去污原理

硬脂酸钠在水溶液中电离成钠離子和硬脂酸根离子（C17H35COO-），硬脂酸根离子由两部分组成，一部分[CH3（CH2）16-]与油脂的亲和力大，是亲油基团;另一部分[-COO-]与水的亲和力大，是亲水基团，如图5所示。将沾了油污的衣服擦上肥皂搓洗时，硬脂酸根离子一头“拉着油”，另一头“拉着水”，将油污“拖入水”，洗净衣服。

5.课外作业

如何让地沟油变废为宝？地沟油中的黄曲霉素（黄曲霉素的结构如图6所示）如何处理？从官能团的角度看，黄曲霉素与油脂有何相同的地方？使用地沟油制造肥皂会发生黄曲霉素的中毒吗？为什么？

[设计意图]“地沟油”谈之色变，闻之悚然，一度成为热门话题，然而实则是一种放错了位置的资源，让学科知识与社会热点结合，更能激发学生主动思考，积极探究。黄曲霉素的引入让酯类性质的知识学以致用。学生感受到化学源于生活，为生活服务。

四、课后反思

1.对数字化实验的反思

日常的化学教学过程中，穿插一些真实简单快速的科学实验，这样既能够带动课堂氛围，又能提高学生的学习效率，激发学生探究事物本质的兴趣，数字化实验是对传统实验教学的有益补充和发展。利用温度传感器进行乙酸乙酯和氢氧化钠反应的实验和油脂的皂化反应实验，通过对比了解两者性质的相同之处，也发现了不同的酯与氢氧化钠反应的热效率有显著差异。由于温度传感器能快速清晰地展现温度的变化，学生也体会到了新技术带来的便利。本实验选择了一种溶解性较好的乙醇。因为其在皂化过程中，一方面起到表面活性剂的作用，不管是油脂还是氢氧化钠，在其中的溶解度都较大，从而加大了油脂与氢氧化钠接触的机会;另一方面又作为溶剂，加速了反应的进行。在实验探究过程中，学生通过对一系列油脂皂化反应过程中的宏观现象的观察，以及数字化实验数据的采集和分析，建立“宏观一微观一符号”的三重表征的学习思维。

2.课堂教学注重培养学生化学核心素养

学生已经完成了乙酸乙酯水解反应的学习，物质“微观”的结构决定“宏观”的性质，依据学生的认知发展规律，考查学生“思维模型”的建构，根据已有知识储备和提示书写油脂结构简式，进而根据官能团预测化学性质，培养学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养;基于油脂与氢氧化钠溶液反应过程中有温度的变化进行推理分析，完成乙酸乙酯与氢氧化钠反应的实验论证，培养学生“证据推理”的思维方式，认识化学现象与模型认知的联系;探究油脂主要化学性质的过程中，根据探究目的提出并优化实验方案，共连环设计六个实验，培养学生合作交流的能力，养成敢于质疑、勇于创新的“科学探究”精神。课外作业的布置——如何让地沟油变废为宝？地沟油中黄曲霉素如何处理？使用地沟油制造肥皂会发生黄曲霉素的中毒吗？设计一连串具有思考价值的问题，层层递进，开拓学生的思路，促进学生对知识的深层理解和挖掘，形成系统的知识结构。同时让学生感受到生活与化学知识紧密相连，自己有“责任”借助“科学”的力量丰富人类的生活。