巧用滴定实验培养IBDP学生定量及自主探究实验能力

巧用滴定实验培养IBDP学生定量及自主
探究实验能力
摘要：IBDP高中化学课程中系列滴定实验课的采用即“引导式精熟”在培养学生定量探究能力方面体现发挥了重要的作用。

学生通过实践亲自动手实验深化了对化学学科中酸碱反应和氧化还原反应知识的理解、熟悉了常用玻璃仪器的使用，同时也培养了动手实验的技能，尤为重要的是通过定量分析实验及其实验报告的书写为高三独立完成学科要求的研究性论文打下了良好的基础。

关键词： IBDP 化学；滴定；实验教学；定量；自主探究实验
1滴定实验的定义及在IBDP化学学科教学中的目的和作用
IBDP（International Baccalaureate Diploma Programme, 国际预科证书课程，是国际文凭组织为16-19岁的青少年设计的课程）与美国的 AP （Advanced Placement，由美国大学委员会为高中生设计的大学预科课程）、英国的 A-level （全称 General Certificate of Education Advanced Level, 英国高中课程）等一些其它国际课程项目相比具有独特的价值和优势，在课程框架的构建中引入学科群概念，化学学科处于学科群中的第四组自然科学领域，学生根据自己对知识的接受能力和将来大学所学专业课程的要求可选择标准水平或高水平不同层次的课程。

IBDP化学课程注重学生动手实验的能力及开展研究性课题并撰写IA（Internal Assessment, 自主探究实验）论文的能力，规定所有学生必须有25% 的课时用于实践研究，独立完成的自主探究实验的研究报告或论文占评估总分的20% [1]。

IA从自主选题到实验探究再到研究论文的完成是IBDP 化学课程评估的重点，也是大部分学生的难点，因此早期在教学过程中相关要素的培养可以使学生逐渐形成能力进而高标准的完成IA论文。

滴定是化学实验室中非常有用的一种实验技术，通过与已知标准溶液反应进而确定未知样品中物质的含量或计算未知溶液的浓度[2]。

在IBDP教科书[3]的
章节中滴定实验可以涵盖到高水平和标准水平课程中三个章节的内容，包括化学
计量学、酸碱和氧化还原过程，如果是高水平课程还涉及到过渡金属章节，在IBDP大纲中提到学生应有“通过滴定实验中标准溶液的量计算未知物质浓度”和“使用不同指示剂进行酸碱滴定”的体验，还提到在氧化还原反应章节和过渡金
属章节中可以使用氧化还原滴定研究氧化态。

因此本文系列滴定实验的采纳既是
对大纲内容的实践深化也是迷你版IA的训练，在高三的时候学生只需对自主选
题再下功夫即可。

中学生在初中阶段的培养主要基于对化学元素及化学反应的认识，缺乏“量”的意识。

到了高中阶段随着知识面的拓展，通过定量实验培养学生的科学素养变
得非常重要[4,5]。

实验化学作为一条主线，可在其中运用定量实验提高学生“量”的意识和科学探究能力，进一步培养学生观察反应现象、理解现象背后的
原理和动手操作的能力。

在人教版选择性必修一教材中的实验活动“强酸与强碱
的中和滴定”的实验目的是练习中和滴定的实验操作，理解中和滴定的原理，探
究酸碱中和反应过程中酸碱度的变化特点[6]。

而在IBDP课程中的滴定实验则更
加深化，学生通过实验进一步掌握使用各种化学器具收集数据和对数据进行分析，深刻体会定量在化学实验中的作用，为化学学科自主实验的论文评估及未来做好
准备。

2IBDP化学中滴定实验案例研究
2.1 氨基磺酸与氢氧化钠的滴定实验，以甲基橙作为指示剂。

当IBDP学生初次接触滴定时，我们采用了氨基磺酸与氢氧化钠反应的滴定练习，我们没有选择盐酸和氢氧化钠或者其他类型的滴定原因有二，首先，氨基磺酸是强酸也是固体，学生可以通过称量体会反应质量的概念，与常见的盐酸、硫酸等强酸不同还在于其为固
体强酸，有助于学生打破初中时形成的酸都是液体的思维定式，引发进一步探索的好奇心。

其次，氨基磺酸中存在不同化学环境的氢，通过已知滴定浓度和体积的氢氧化钠滴定未知的
氨基磺酸，进而通过物质量和体积等连续的计算最终可以确定氨基磺酸和氢氧化钠酸碱反应
的化学计量比，最终深刻理解化学方程式中反应物之间量的关系。

(1) 实验器材和药品
50 ml聚四氟乙烯酸碱两用滴定管，护目镜，铁架台及滴定管夹，25 ml移
液管，漏斗，移液器，白瓷砖，1个100 ml烧杯，药匙，玻璃棒，锥形瓶，250 ml容量瓶，读数为小数点后两位的天平。

2.5g氨基磺酸（保存于密闭容器中）, 300 ml蒸馏水，甲基橙指示剂，0.1 mol/L NaOH
(2) 实验过程
溶液的配置: ① 称量小烧杯质量，记录天平读数; ②加入2.40g到2.50g
的氨基磺酸并重新称重，记录新的读数；③ 向烧杯中加入约40 ml的蒸馏水，
搅拌使大部分的固体酸溶解；④ 将溶液转移到250 ml容量瓶中，不要转移剩余
的固体；⑤ 像烧杯中加入约25 ml的蒸馏水并搅拌以溶解剩余的酸，将此溶液
转移到容量瓶中，重复上述操作，直到所有酸溶解；⑥ 向烧杯中加入蒸馏水，
冲洗掉剩余的酸溶液，并将冲洗液转移到容量瓶中；⑦使溶液达到容量瓶上的刻线，塞住容量瓶摇动使溶液充分混合。

滴定实验: ① 小心夹住滴定管，使其保持垂直。

用少许氢氧化钠水溶液清
洗滴定管，并丢弃洗涤物，然后将氢氧化钠溶液注入滴定管（通过顶部插入的漏
斗注入），确保滴定管活塞下端的区域是满的，没有气泡，液面在有读数的刻线处，将漏斗移开；② 视线与液面平齐，读取凹液面最低处的读数，滴定管的最
小刻度标记是0.10 ml，一次读数精确到0.05 ml，将最初的滴定管读数记录在
一个合适的表格中。

③用25 ml移液管转移少量酸溶液润洗移液管，并丢弃洗涤物，使用移液器填充器填充移液管，直到当移液管标记线与视线平齐，移液管的
弯液面的底部位于标记线上，将25 ml酸溶液转移到锥形瓶中，将移液管底部接
触烧杯壁或溶液表面，确保转移的溶液体积准确。

④ 将锥形瓶放在滴定管下方
的白色瓷砖上，加入足量的甲基橙指示剂，使其能看到红色，进行“粗略”滴定，确定中和锥形瓶中酸所需的碱的近似体积，当从滴定管中放出碱性溶液的同时旋
转锥形瓶，一次加入约5 ml的碱，直到随着加入更多的碱，指示剂颜色开始变色，然后每次加入约1 ml的碱，直到指示剂变成黄色；⑤ 读取滴定管中新的读数；⑥ 将锥形瓶中反应溶液丢弃，并用水清洗，丢弃洗涤溶液，用移液管将25 ml的酸溶液再次转移到锥形瓶中，并加入指示剂；⑦ 进行“精确滴定”，从滴
定管中加入氢氧化钠溶液到氨基磺酸溶液中，直到旋动溶液时指示剂保持黄色，当接近终点时，应一次一滴的加碱; ⑧记录滴定管读数; ⑨ 重复步骤⑥到⑧,直到有两个一致的准确的滴定体积，滴定体积之间相差不超过0.10 ml。

(3)实验数据记录和处理
当学生细致的完成滴定过程，得到数据后，学生需要结合元素周期表中任何需要的数据进行一系列的计算。

①计算称量出的氨基磺酸的物质的量；② 用第一步中计算出的氨基磺酸的摩尔数计算锥形瓶中25 ml氨基磺酸的物质的量；③计算使用氢氧化钠溶液的平均体积用于下一步计算；④ 用第三步的结果计算氢氧化钠的物质的量；⑤ 用②和④中的结果计算酸和碱的物质的量比；⑥ 写出氢氧化钠与氨基磺酸化学反应的方程式。

以学生Daisy为例，她在实验后撰写的论文中清晰完整的展示了实验的过程和计算的过程。

表1 学生Daisy通过实验记录的滴定数据
123
滴定
管终读数
±0.05ml
26.8026.2026.10
滴定管初始读数
±0.05ml
.1
滴定用氢氧化
2
6.70
2
6.20
2
6.10
钠体积
±0.1ml
学生Daisy的计算过程如下，
①Daisy称量的氨基磺酸固体质量为2.42±0.005g，得到氨基磺酸的物质量为n（NH2SO3H）=m/M=0.0249±0.005 mol
② 用第一步结果计算锥形瓶中25ml氨基磺酸的物质的量n（NH2SO3H）=
=0.00249mol
③计算使用氢氧化钠的平均体积V= = 26.15 ml
④用③的结果计算氢氧化钠的物质的量，n（NaOH）=CV=0.1⨯26.15⨯10-3=
0.002165 mol
⑤用②和④的结果计算酸和碱的物质的量比，酸和碱的物质的量比n（NH2SO3H）/ n（NaOH）==1.064
⑥写出该反应的离子方程式，包括状态符号。

H2NSO3- H+(aq)+OH-(aq) →
H2NSO3- (aq)+H2O(l)
从氨基磺酸与氢氧化钠的滴定实验过程来看，学生通过该实验认识了反应的质量和体积，如何准确配制溶液和进行准确滴定的过程，最终也通过计算达成了该实验的目标即计算出二者反应的摩尔比。

(4) 教师提出系列问题，引导学生进行实验误差的分析。

① 移液器的误差如果精确到±0.06 ml, 你移到锥形瓶中的氨基磺酸
的最大百分比误差是多少？
②若滴定管的误差精确到±0.05 ml，滴定体积为24.85 ml，则最大百分比误差是多少？
③天平读数的误差为最小刻度的一半，对于小数点后2位的天平，则误差为
±0.005g，计算称出氨基磺酸质量的最大百分比误差。

④在实验中滴定管、移液管和天平，哪种仪器造成的误差最大？
通过误差分析既可以培养学生严谨、耐心的科学精神，也可以引导学生如何
有效减小实验误差。

实验后学生撰写了完整的实验报告来记录和分析实验的过程。

因为学生是首次体验整个过程，掌握的知识点和操作的方法难免有疏漏之处，本
实验的主要目标是初步体会化学反应定量关系，通过滴定计算氨基磺酸和氢氧化
钠的化学反应比，掌握固体称量、溶液配制等过程的正确方法，初步掌握误差的
来源和如何进行误差分析。

2.2草酸与氢氧化钠的滴定实验，以酚酞作为指示剂。

当学生完成了氨基磺酸与氢氧化钠的滴定实验并提交实验报告后，我们又安
排了用学过的酸碱滴定法测定未知草酸的浓度及草酸中结晶水含量的实验，滴定
指示剂用酚酞判断滴定终点，实验所使用的器材完全相同。

称取2 g草酸晶体，
将其溶解用同样的方法将其定容至250 ml容量瓶中，用移液管转移25 ml 0.1 mol/L NaOH至锥形瓶中, 加入2滴酚酞指示剂，从滴定管中加入草酸溶液到氢氧
化钠溶液中，直到旋动溶液时指示剂由浅粉色至保持无色。

该实验的目标是确定未知草酸溶液的浓度以及通过滴定所需草酸体积学生能
够定量计算出草酸中结晶水的数目，与2.1不同的是滴定管中放草酸溶液，锥形
瓶中为NaOH，指示剂为酚酞，当滴定终点时反应溶液从碱性变成弱酸性或中性，
溶液颜色由粉色变为无色。

学生通过该实验体会酸滴定碱和碱滴定酸在指示剂选
择上的差异。

所使用的天平最小称量值为0.1g，与2.1滴定使用天平最小称量值
为0.01g，使学生在定量计算和误差分析可以形成纵向的比较，从而认识误差和
正确估算误差。

学生也对实验进行反思和提出改进方案，比如使用更加精确的天
平提高实验的准确度，注意烧杯、容量瓶和搅拌棒上残留的溶液，使用橡胶塞密
封氢氧化钠溶液防止其和空气中的二氧化碳反应等。

我们一般采用2人一组做实验，这样做的目的是为了增强学生的合作能力。

两个40分钟连续的实验使学生有充足的时间动手实验、记录数据和体会过程。

针对草酸滴定实验创设问题引导学生从经济和环境角度审视该实验，算出反应物
的总量和花费，按比例计算出全班的量，同时也会延伸到如何处理反应废液，这
也体现了IBDP课程实施过程中着力培养学生的环境友好的原则和贯彻学习者十
大基本素质。

2.3酸性条件下高锰酸钾和硫酸亚铁铵的氧化还原滴定实验，反应物高锰酸
钾本身作为滴定指示剂。

随着学生前两次滴定和实验报告的撰写，学生感到有趣并且在实验中形成了
自信，渴望通过动手实验认识化学，因此我们由中和滴定法向氧化还原滴定法引申，相同之处为虽然都是容量分析法，所使用的实验仪器相同，但是在化学基本
特性方面可以通过实验理解新的反应类型氧化还原反应，在精熟滴定实验操作的
同时深入理解实验的原理，认识氧化还原反应类型的化学反应式和化合价的变化
及相关的计算；滴定指示剂为反应物高锰酸钾，其本身作为指示剂指示反应终点
与前两次滴定的指示剂可以形成纵向的比较从而引发学生思考。

我们采用高锰酸钾滴定硫酸亚铁铵，使用该法价廉，无污染。

实验的目标是
通过滴定测定硫酸亚铁铵中铁的含量，理解实验原理和方法，掌握氧化还原滴定
的计算方法。

实验步骤是准确称取2.5 g硫酸亚铁铵溶解于40 ml 1 mol/L 硫酸，将此溶液在100 ml容量瓶中加蒸馏水定容至100 ml。

将0.02 mol/L 高锰酸钾
溶液放入滴定管中进行滴定，当溶液滴定到化学计量点时，微过量的KMnO4可使
溶液由无色至呈微红色从而指示滴定终点，保持30秒不褪色，记录消耗的高锰
酸钾体积。

重复实验直到有两次滴定体积之间相差不超过0.10 ml。

高锰酸钾滴
定的平均体积为6.5 ml，结合反应方式5Fe2++MnO4-+8H+→5Fe3++Mn2++4H2O可以计
算二价铁的量。

当学生完成了三个滴定实验，不仅认识了酸碱反应、氧化还原反
应的反应过程和化学反应的定量关系，还掌握了一系列基本的化学实验基本操作
方法和化学计算，这一过程是学生定量化能力提升的过程，同时也使学生掌握了
除实验选题及设计以外的所有技能，其中包括实验实施和报告的撰写等多个环节，从而为高三阶段更好的完成自主选题的探究实验奠定坚实的基础。

3培养学生定量探究意识是化学学科能力的重要组成部分。

定量研究的方法是化学发展为一门科学的重要标志。

正如现代化学之父拉瓦
锡使化学从定性转为定量，定量研究的思想与方法是化学学科产生、发展的源泉。

化学素质教育是化学知识和化学意识的培养，而定量意识是其中最重要的素质之一。

非定量的处理方式对学生科学地认识化学、研究化学、设计合理实验方案都
带来一定负面影响，在教学中我们应该加以关注和改进，随意性有损科学性，使
实验的成功率大大下降。

“定量”主要是化学问题的数学处理过程，即对物质的组成、结构、性质和
变化规律的量化过程。

而“定量化能力”是学生依据化学基础知识，数学方法解
决物质组成、结构、变化中“量”的问题的能力[7]。

具备定量化能力，能使学
生从量的方面认识物质及其变化规律，教师主动设计和引导学生重视定量探究是
形成学科核心素养的关键。

结束语
根据IBDP 课程的要求，通过三个连续的滴定实验逐步完成课程大纲，从氨
基磺酸与氢氧化钠的滴定反应开始，氨基磺酸这种固体酸的巧妙引入，学生掌握
了固定药品的称量、溶液的配置、容量瓶的使用等化学实验基本操作。

同时学生
对化学反应中的化学式、反应物和生成物的物质量关系、溶液浓度、反应物和生
成物质量的有了更为直接的体验，通过计算深化了各种量之间的关系的理解。

第
二个实验草酸和氢氧化钠溶液滴定，相比第一次的滴定教学目标是测定未知草酸
溶液浓度和计算草酸分子中结晶水的个数。

这一次的滴定指示剂不同，学生进一
步熟练滴定操作的实验基本技能，准确度进一步提高，所谓“引导式精熟”，对
于酸碱反应及其定量关系完成了从理论到实践的闭环过程。

第三个实验酸性条件
下硫酸亚铁铵和高锰酸钾的反应滴定，通过反应物和生成物自身颜色的变化指示
反应终点，从酸碱反应到氧化还原反应虽然反应类型不同，但滴定的操作本身是
大同小异。

学生通过三个滴定实验逐层深入的完成了知识的理解和网络化的过程，通过掌握化学中的数学计算部分明确了化学反应反应物和生成物之间的计量关系
建立了定量化的能力，实践证明经此训练高三学生在面对IA时更为游刃有余。

参考文献
[1] 曹璨 IBDP化学课程实验体系述评与启示化学教学 [J] 2023，35（02）:16-19.
[2] 齐美玲《定量化学分析》第2版 [M] 2018.03
[3] Brown, Catrin and Mike Ford. Pearson Baccalaureate Chemistry Higher Level. Pearson Education Limited [M], 2014
[4] 谢秋波高中化学定量实验教学案例研究[D] 安徽师范大学教育硕士专业学位论文 2015：11
[5] 杨花雨中学化学定量观念的内涵和培养策略的研究[D] 首都师范大学教育硕士学位论文2014：9-10
[6] 朱小丽化学核心素养视域下酸碱中和滴定教学实践与启示[J] 池州学院学报 2021,35（3）:135-137
[7] 杨玉琴化学学科能力及其测评研究[D] 华东师范大学博士学位论文2012：14-17。