化学及相关专业学生进入实验室后首先需要掌握化学实验的基本操作，包括称量、溶液的配制、移取和稀释等。目前大部分学校是通过配制稀酸、稀碱、Na₂CO₃等溶液，使学生掌握分析天平、移液管和容量瓶的规范使用^[1-4]，实验步骤较为刻板，难以引起学生的兴趣。大一新生刚入校，充满了对化学的好奇和热爱，如果能开设一个内容实用有趣、程序灵活的基本操作训练实验，将对激发学生的学习热情、培养他们的探索精神大有益处。

实验教学改革是以开放为前提，引进教学资源是开放的重要组成部分^[5]。本文将推荐一个“溶液密度法测定糖水溶液中糖分含量”实验作为大一新生的前期实验。该实验以美国威斯康星大学麦迪逊分校(UW-Madison)化学系103课程的一个实验^[6]为基础，进行了适当改编。该实验内容贴近生活，步骤设计灵活，涉及多项化学实验基本技能，希望它的开设能给目前基本操作实验刻板枯燥的现状提供一些改革思路。

(1)熟练掌握称量、定容、移液的正确操作；

(2)掌握运用作图法处理实验数据的方法；

(3)初步了解数据精密度计算与可疑值的取舍。

电子天平(德国赛多利斯，CPA224S，±0.0001 g)，容量瓶(50.00 mL)，移液管(5.00 mL)，干燥烧杯，蔗糖(美国J&K公司，购于百灵威，99.99%)，3种未知浓度糖水溶液，康师傅冰红茶和冰绿茶(合肥顶津食品有限公司，2015年9月生产)，去离子水(电导率≤ 0.1 μS∙cm^-1) 。

说明：实验中所用天平、移液管和容量瓶均已进行过标准校正。

本实验由2位学生为一组共同完成，每间实验室共10组。具体步骤如下：

(1)每组学生从1-10 g∙50 mL^-110个糖分含量中选取1个配制糖水标准溶液。

(2)根据本组所选取的含量，使用分析天平称取准确质量的蔗糖，在烧杯中溶解后，在一个预先准确称重过的50.00 mL容量瓶里定容。

(3)准确称取容量瓶加溶液的质量，算出溶液质量。计算该含量下糖水溶液的密度。

(4)重复两次步骤(2) 、(3) ，计算3次密度的平均值。

(5)汇总全班的糖分含量和对应的密度数据。以糖分含量为横坐标，密度为纵坐标，绘制糖水溶液的工作曲线，得到线性方程 Y = aX + b。要求拟合得到的线性相关系数R² ＞ 0.99，否则离直线相距较远的数据需要重新测量。

(1)首先练习移液管的使用：使用分析天平称重一个干燥烧杯，从步骤3.1所配制的糖水溶液中用移液管准确移取5.00 mL至烧杯。反复多次，每次移取后都准确称量烧杯和溶液的质量总和。思考：如何判断自己掌握了移液管的正确使用？

(2)从3种未知浓度的糖水溶液中任选1种取30 mL，记录所选溶液的编号。准确称重一个干燥烧杯，用移液管向里面逐步转移未知糖水溶液，至溶液总体积为5.00、10.00、15.00、20.00、25.00 mL。每次移取后都准确称量烧杯和溶液的质量总和。

(3)计算每次移取后得到的溶液密度，算出密度平均值和平均偏差。

$\bar{d}=\frac{\sum\nolimits_{i}{\left| {{x}_{i}}-\bar{x} \right|}}{n}$

若有单次密度值与平均值的偏差超过两倍平均偏差，则须将该点排除后重新计算。在实验记录本上详细记录排除可疑值前后的计算式和密度平均值，并分析产生该可疑值的原因。

说明：考虑到大一新生的知识水平，在这里使用平均偏差衡量数据精密度^[7]，并作为可疑值取舍的判断依据，给学生建立不能随意舍弃离群值的概念。

(4)以溶液体积为横坐标，质量为纵坐标，对步骤(2)得到的数据作图，得到的直线斜率即为未知糖水溶液的密度平均值。

比较步骤(3)计算法和步骤(4)作图法得到密度平均值，将两者差值用百分数表示，分母为作图法得到的数据。若差值大于5%，试解释原因。

(5)根据3.1得到的糖水工作曲线，由溶液密度查得未知溶液的蔗糖含量。

本实验提供康师傅冰绿茶和冰红茶作为测试对象。自行设计实验步骤，估算一瓶饮料中的糖分含量以及饮用整瓶饮料共摄入的总糖量(g)，与商品标签上的数据进行比较，分析差异产生的原因。

每组提交一份实验报告，包括：两名学生的预习报告和实验记录本、两张Excel图。实验记录本上须记录实验条件(包括室温、大气压等)，具体实验步骤和所有计算公式，并进行实验结果分析。

注意：实验结束后，须彻底清洗玻璃仪器，防止糖液残留。

我国瓶装饮料的糖分含量大多数以g∙100 mL^-1为计量单位，考虑到试剂的节约和天平的称量范围，我们选取g∙50 mL^-1作为计量单位。图1a为糖水溶液的糖分含量-密度工作曲线示例图。

实验教师在课前配制蔗糖含量在2-9 g∙50 mL^-1的3种糖水溶液，在容器上只贴溶液编号，供学生测量使用。图1b是一位学生移液5次后得到的未知溶液质量-体积关系图，拟合后的直线斜率即密度为1.033。通过查工作曲线可以得到该未知溶液的蔗糖含量为4.528 g∙50 mL^-1。

此步骤为学生自主设计环节。根据学生的实验操作，可以归纳为3种实验方案：

(1)逐步移取饮料，用质量对体积作图得到饮料密度；

(2)将饮料在容量瓶里定容，称重后计算饮料密度；

(3)准确称取饮料的总质量，除以标签上的体积得到密度。之后根据工作曲线计算饮料中的蔗糖含量，进而算出整瓶饮料的含糖量。但由于饮料为多组分体系，除蔗糖外还含有其他糖类、添加剂等多种成分，均会影响饮料的密度和糖含量，因此通过溶液密度法得到的蔗糖含量与商标数据相比存在一定偏差，需要学生做误差分析。这一步骤引导学生灵活运用实验室学到的知识，积极思考，设计一些简单的方法解决生活中的实际问题，培养学以致用的意识。

本实验的教学目的是让学生通过反复练习，掌握称量、定容、移液以及作图法处理实验数据等实验基本技能。通过选取一个和生活贴近的实验来进行课堂教学，既提高了学生的学习兴趣，又锻炼了学生的动手能力。实验的每个过程学生都可以自行选择，比如一开始选择要配制的糖分含量，接着从三种未知糖水溶液中选择一种进行测定，最后选择一种饮料测量。学生在实验中具有较多的自主权，符合“以学生为实验教学中心”的教学理念^[8]，可以充分调动学生的学习积极性，培养其探索精神。

本实验源于美国威斯康星大学的一个基础实验，原讲义写得浅显易懂，因此我们在原版讲义的基础上，用英语作出改动后形成最终的英文讲义。考虑到大一新生英语和计算机水平的参差不齐，我们将英文讲义和中文的具体预习要求提前一周发给学生。英文讲义的使用得到大多数学生的认可(图2a)，认为可以提高专业英语阅读能力，为将来的学习和工作打下良好基础。

我们在中国科学技术大学214名修读《无机化学实验(上)》的本科生中做了关于本实验教学效果的问卷调查，随实验报告一起收回，问卷响应率和有效率达100%。如图2b所示，认为实验非常满意的学生高达84.6%，可见只要做出适当的调整设计，基本操作实验也能激发学生的学习热情，收到良好的教学效果。