数字化实验在中学化学教学中的应用——以雪碧中苯甲酸含量测定为例

张原旗，李雪松，庞 婧，冯静东，孙艳涛

(吉林师范大学化学学院，吉林四平，136000)

一、引言

数字化实验技术具有实时性、直观性和准确性等特点，使学生在实验教学与科学探究中，通过动手实践、分析实时数据而进行深度学习。[1]如何将数字化实验有针对性地应用于中学化学实验中，既体现创新性，提高学生的学习能力，又联系生活，增强学生的参与热情，是值得深入思考的问题。[2]

“雪碧中苯甲酸含量的测定”实验以常见的碳酸饮料为研究对象，引导学生依据理论知识解决实际问题，激发学生学习兴趣，提高课堂教学质量。同时，该实验对比分析传统法与数字化技术的实验数据，培养学生的科学探究能力与创新意识，提高学生的化学学科核心素养。

二、学情分析

人教版高中化学选修四第三章第二节“pH的应用”中，介绍了酸碱中和滴定是高中化学典型的定量实验，也是重要的概念系统。[3]学生在学习本节课前，查找并阅读了酸碱中和反应原理和pH的相关概念，为本次实验操作提供了理论基础。[4]

三、教学设计

随着人们生活质量的提高，食品安全问题已成为不可忽视的问题。一些黑心商家过量使用添加剂，给人们的健康造成危害。为减少此类事件的发生，不仅食品安全部门需要严格监管，个人也需要提高安全意识。

图1 苯甲酸分子结构式

苯甲酸常用作酸性食品防腐剂，其分子结构如图1所示。食品安全国家标准中严格规定了我国苯甲酸(盐)在饮料中最大添加量为0.2g/kg。适量的苯甲酸可以保鲜食品，但过量摄入易引起流口水、腹痛腹泻等不良反应，长期食用还会导致过敏或中毒。[5]

师：本次实验课我们检测雪碧中苯甲酸的含量是否符合国家标准。结构决定性质，请同学们分析苯甲酸的结构式，利用所学知识设计实验方案。

生1：苯甲酸含有羧基，可用氢氧化钠滴定，发生酸碱中和反应。通过观察酚酞指示剂的颜色变化判断反应终点，计算含量。

生2：通过查阅资料可知，苯甲酸是芳香酸，在紫外区有吸收，可用紫外分光光度计检测。

(一)传统滴定法测定苯甲酸

师：完成如表1的实验过程后，请总结传统酸碱滴定实验中，哪些地方操作不当会使结果产生误差？(根据学生回答，教师做出如图2的总结。)

表1 传统滴定实验过程

图2 传统滴定法误差原因

(二)自动电位滴定法测定苯甲酸

自动电位滴定法是在滴定过程中通过测量电位(或pH)变化以确定滴定终点的方法，我们可以通过绘制pH-V滴定曲线准确地确定化学计量点。实验过程如表2所示。

师：对比实验数据，试总结自动电位滴定法的优点。

生1：不需要加入指示剂，避免其对实验的影响。

生2：不需要观察溶液的颜色变化，避免了人眼对颜色辨别的差异对实验的影响。

生3：先粗测再细测，使结果更准确。

自动电位滴定法相比于传统滴定，操作者可理性地判断用肉眼观察困难的化学现象，实验数据更直观，结果更精准，可作为传统法的补充与扩展。

表2 自动电位滴定实验过程

(三)紫外分光光度法测定苯甲酸

苯甲酸具有芳香结构，因此在紫外区有吸收，可用紫外分光光度计绘制吸收曲线并确定最大吸收波长，根据标准曲线的线性方程计算含量。[6]现阶段中学化学实验未涉及紫外知识，因此，教师常使用“移动虚拟实验室”软件播放演示视频进行实时讲解，让学生了解紫外分光光度计的使用原理和操作步骤，如表3所示。

表3 紫外分光光度法实验过程

表4 雪碧中苯甲酸含量数据对比

师：通过实验数据(见表4)，我们可以获得哪些信息？

生1：本次检测的市售雪碧符合国家标准，可以放心饮用。

生2：对比三组实验数据，发现传统滴定法与数字化仪器所得结果有偏差，数字化仪器测定的苯甲酸含量准确度更高。

本次实验打破了传统实验教学的一贯模式，学生在掌握数字化仪器的使用原理后，能按照实验步骤完成基本操作和数据处理。通过对比三组实验数据，发现数字化仪器能更精准地测出雪碧中苯甲酸的含量，主要是由于仪器比人眼判断终点更灵敏，更具有说服力。

四、结论

将传统滴定和数字化仪器的实验结果进行比较，使学生加深了对酸碱中和反应的理解，体会了数字化技术的便捷、直观、准确等优势，促进了学习方式向多元化转变。通过创设生活情境，激发了学生的学习兴趣，增强了学生的主人翁意识和社会责任感，提升了学生的综合素质。

开展数字化实验技术可提高我国的化学实验教学水平，但需注意数字化实验并不能完全否定或取代传统实验，而是应积极探索传统与数字化实验技术的有机融合方式，结合中学化学教学内容的重点、难点，有针对性地将数字化技术应用于创新实验中，使其发挥巨大作用，促进中学化学实验教学质量的整体提升。