基于紅外熱成像儀的證據(jù)推理教學(xué)

余小燕 張穎 陸文倩

關(guān)鍵詞：紅外熱成像儀;核心素養(yǎng);證據(jù)推理;鈉及其化合物

一、研究背景

證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。高中化學(xué)要注意培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系[1]?！白C據(jù)推理”有兩重含義：一是得到證據(jù)。證據(jù)是指證明事實(shí)的材料，要真實(shí)可信且容易觀察;二是推理結(jié)論。推理是一種基本的思維形式，是指由一個或幾個已知的命題來推斷出新命題的過程[2]。兩重含義強(qiáng)調(diào)學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)或者科學(xué)探究過程中，從已有經(jīng)驗(yàn)、問題情境中識別并獲得證據(jù)，利用證據(jù)進(jìn)行推理，最終獲得結(jié)論，解決問題[3]。

元素化合物知識是中學(xué)化學(xué)的基礎(chǔ)和核心知識，“鈉及其化合物”編排在人教版（2017年版）必修第一冊的第二章第一節(jié)，其重要性不言而喻。有不少文章從不同角度對“鈉及其化合物”進(jìn)行研究，詹曉星[4]利用V形側(cè)泡反應(yīng)管、劉玉榮[5]利用注射器、陳曉芹[6]通過肥皂泡、紅色噴泉等現(xiàn)象對鈉和水的反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn);朱麗麗[7]和鐘惠妹[8]分別基于鈉—空氣、鈉—CO2 電池和可服食的電子藥的真實(shí)情境進(jìn)行教學(xué);孫遠(yuǎn)菊[9]和謝天化[10]分別基于鈉與水反應(yīng)產(chǎn)物的推理分析和鈉在石棉網(wǎng)上加熱的實(shí)驗(yàn)從“核心素養(yǎng)”的角度使學(xué)生體會證據(jù)推理過程。不過這些文章并沒有過多關(guān)注鈉與氧氣在常溫下的反應(yīng)和鈉與水的反應(yīng)過程以及反應(yīng)中的能量變化。在鈉和氧氣在常溫下反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往只能觀察到切面變暗，由于實(shí)驗(yàn)條件受限，無法用溫度計(jì)或溫度傳感器觀察反應(yīng)過程中的能量變化。鈉和水的反應(yīng)雖然現(xiàn)象明顯，但是學(xué)生難以理解鈉熔化成小球這一現(xiàn)象，即使猜想出反應(yīng)放熱使鈉熔化，但實(shí)驗(yàn)過程中用水量較多，通過觸摸無法感受溫度的變化。因此，受限于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，兩個實(shí)驗(yàn)的一些證據(jù)無法直接獲得，證據(jù)推理難以進(jìn)行，不利于學(xué)生發(fā)展證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)引入紅外熱成像儀[11]，利用紅外輻射的原理，通過測取目標(biāo)物體表面的紅外輻射能，將被測物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換為形象直觀的熱圖像。通過拍攝的熱成像視頻可以清晰地看到化學(xué)變化過程中溫度的變化，獲得更豐富的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從而為上述兩個實(shí)驗(yàn)的猜想提供更豐富的證據(jù)，進(jìn)而提升學(xué)生的證據(jù)推理和科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。利用紅外熱成像儀探究反應(yīng)過程中溫度的變化，不需要學(xué)生直接接觸反應(yīng)體系，可以遠(yuǎn)距離測量溫度，保護(hù)實(shí)驗(yàn)者的安全;拍攝出的圖片、視頻顏色對比明顯，溫度高低清晰明了;紅外熱成像儀還可以實(shí)時測量反應(yīng)過程中的溫度變化，有利于探究反應(yīng)過程中的能量變化。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了兩個利用紅外熱成像儀的簡單實(shí)驗(yàn)。鈉和氧氣的反應(yīng)在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上用紅外熱成像儀進(jìn)行拍攝，通過拍攝視頻可以觀察到反應(yīng)過程中的溫度變化。鈉與水的實(shí)驗(yàn)采用微量化的形式，將燒杯換成蒸發(fā)皿，便于觀察和拍攝。

1.鈉與氧氣的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)材料：鈉、鑷子、小刀、濾紙、紅外成像儀（配平板）。

實(shí)驗(yàn)操作：從試劑瓶中取出一小塊鈉，吸干煤油，用小刀切開鈉，再利用紅外熱成像儀進(jìn)行錄像。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：從視頻中可以看到，鈉的切口部分不斷變紅，并且紅色越來越深，從圖1也可以看出，切口部分顏色為橙色，溫度較高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：說明鈉的切口部分溫度不斷上升，結(jié)合鈉切面變暗的現(xiàn)象，說明鈉在常溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出熱量。

2.鈉與水的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)材料：鈉、鑷子、濾紙、小刀、表面皿、水、紅外成像儀（配平板）。

實(shí)驗(yàn)操作：表面皿中裝入半量的水，從試劑瓶中取出一塊鈉，吸干煤油，切下一小塊鈉，將鈉投入表面皿中，利用紅外熱成像儀進(jìn)行錄像。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：從紅外熱成像儀拍攝的視頻和圖2可以看到，鈉所經(jīng)之處皆為橙色或者黃色。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鈉和水反應(yīng)放熱。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

“鈉及其化合物”位于人教版必修第一冊第二章第一節(jié)，是在學(xué)生掌握了必要的理論知識后學(xué)習(xí)的第一個金屬元素及其化合物，對于學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物知識的方法和思路以及培養(yǎng)科學(xué)探究和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾饔谩６诳茖W(xué)探究中，證據(jù)推理是必不可少的一個環(huán)節(jié)。因此在環(huán)節(jié)二的實(shí)驗(yàn)中，通過學(xué)生親自動手做實(shí)驗(yàn)，近距離觀察鈉的物理性質(zhì)，就觀察到的現(xiàn)象推測得出鈉的物理性質(zhì)，提升其獲取證據(jù)的意識和能力。在環(huán)節(jié)三和環(huán)節(jié)四的實(shí)驗(yàn)中，演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尋找證據(jù)進(jìn)行推理，引入紅外熱成像儀讓學(xué)生觀察到化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，獲得熱效應(yīng)的證據(jù)，完善證據(jù)鏈。具體教學(xué)流程見表1。

四、教學(xué)片段

截選鈉與氧氣常溫反應(yīng)和鈉與水反應(yīng)的兩個教學(xué)片段，展示鈉及其化合物教學(xué)中的證據(jù)推理過程，并采用圖爾敏論證模型進(jìn)行描述。圖爾敏論證模型是由英國哲學(xué)家斯蒂芬·圖爾敏提出的，在科學(xué)教育中，圖爾敏模型是較為通用和受歡迎的論證模型，常作為分析科學(xué)課堂論證過程的基礎(chǔ)。圖爾敏論證模型有三個最基本的成分：主張、資料和理由，其完整模式還包括支援、限定和反駁[12]。通過圖爾敏論證模型的形式，能夠一目了然地看出猜想—證據(jù)—主張之間的關(guān)系。

1. 鈉與氧氣在常溫下反應(yīng)的證據(jù)推理教學(xué)

針對鈉與氧氣在常溫下反應(yīng)的證據(jù)推理過程設(shè)計(jì)圖爾敏論證模型，如圖3所示。首先引導(dǎo)學(xué)生觀察鈉的切口找到第一個證據(jù)：切口變暗，有新物質(zhì)產(chǎn)生，主張鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)而提供技術(shù)支持，利用紅外熱成像儀進(jìn)行拍攝尋找第二個證據(jù)。通過觀察紅外熱成像儀拍攝的視頻顯示鈉的切口不斷變紅，說明溫度升高，有能量的變化。二者結(jié)合證明鈉在常溫下與氧氣發(fā)生了反應(yīng)，并放出熱量。教學(xué)過程見推理片段1。

推理片段1：鈉與氧氣在常溫下反應(yīng)。

[引導(dǎo)觀察]鈉的切面有何變化？

[學(xué)生回答]切面變暗。

[引導(dǎo)提問1]切面為什么會變暗？

[學(xué)生猜想]可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

[引導(dǎo)提問2]如何驗(yàn)證猜想？

技術(shù)介紹]提供紅外熱成像儀，介紹紅外熱成像儀工作原理。

[圖像解釋]藍(lán)色表示低溫，紅色表示高溫，圖像匯總顏色的分布情況可以直觀反映溫度的分布，每張圖的溫度最高值取決于環(huán)境溫度最高點(diǎn)。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]提出實(shí)驗(yàn)方案：切下一小塊鈉，用便攜式紅外熱成像儀觀察鈉的切面。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察視頻，發(fā)現(xiàn)切口處顏色持續(xù)變紅。

[討論推理]視頻中鈉的切口處顏色持續(xù)變紅，說明溫度不斷上升，能量發(fā)生了變化，結(jié)合切口表面變暗，生成了新物質(zhì)，說明鈉和空氣中某一成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

[學(xué)生反思]有沒有可能是小刀切時摩擦生熱？

[交流討論]通過視頻可看到，切口在不斷地變紅，說明小刀離開后溫度還在不斷攀升，摩擦生熱不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此判斷是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

[引導(dǎo)提問3]鈉和誰反應(yīng)？

[學(xué)生猜想]氧氣：氧氣具有氧化性，鈉具有還原性，二者可以反應(yīng)。

[講述]鈉和氧氣反應(yīng)的原因：4Na + O2 == 2Na2O推理片段1中，通過鈉的切口變暗了，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想假設(shè)——鈉在常溫下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且通過紅外熱成像儀為學(xué)生提供更加豐富的證據(jù)，推理得出鈉與氧氣在常溫下發(fā)生了反應(yīng)并放熱的結(jié)論。學(xué)生從只關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，到通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，加深對“無明顯現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)”判斷方法的理解。同時紅外熱成像儀為鈉與氧氣在常溫下反應(yīng)放熱提供可視化證據(jù)。顏色對比明顯的圖片和視頻帶給了學(xué)生視覺沖擊，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

2.鈉與水反應(yīng)的證據(jù)推理教學(xué)

在鈉與水反應(yīng)的教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷了多輪論證過程，如圖4 所示。教師引導(dǎo)學(xué)生思考鈉為什么會變成小球？學(xué)生提出自己的主張1，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)尋找證據(jù)進(jìn)行推理，發(fā)現(xiàn)主張1不成立（推理片段2）。教師繼續(xù)提供資料，引導(dǎo)學(xué)生思考鈉熔化成液體，進(jìn)而提出主張2：鈉與水反應(yīng)放熱使其熔化成小球。利用紅外熱成像儀尋找證據(jù)，為主張?zhí)峁┲危贸鼋Y(jié)論（推理片段3）。

推理片段2：鈉為何會變成一個小球？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]在表面皿中加一半水，將綠豆大小的鈉粒放入表面皿中，仔細(xì)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[交流討論]鈉變成了小球，并且在水的表面游動，小球逐漸變小直至消失。

[引導(dǎo)提問2]鈉為什么會變成一個小球呢？

[學(xué)生思考猜想]可能是鈉和水發(fā)生了反應(yīng)，鈉被消耗而磨成小球。

[引導(dǎo)提問3]那如果鈉被消耗，只會慢慢變小，怎么會成為一個小球呢？

[學(xué)生思考猜想]難道是被均勻地消耗了？

[演示實(shí)驗(yàn)2]將鈉削成不規(guī)則的形狀，放入水中進(jìn)行反應(yīng)。

[尋找證據(jù)]仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鈉依然變成一個小球，證明鈉不是被均勻地消耗。

[引導(dǎo)提問4]那鈉變成球狀會與什么因素有關(guān)呢？

[資料提供]PPT展示球形水珠圖片。

[學(xué)生交流討論]水珠成球狀是液體的表面張力作用。

[學(xué)生思考推理]難道鈉熔化成了液體，因?yàn)楸砻鎻埩π纬闪饲驙睢?/p>

[講述]大家的分析非常有道理，鈉可能從固體熔化成了液體，液體的表面張力使得它成為球狀。那鈉為什么會變成液體呢？

推理片段3：鈉與水的反應(yīng)放熱。

[資料提供]鈉的熔點(diǎn)：97.7 ℃，當(dāng)前水的溫度：17 ℃。

[交流討論]鈉與水接觸部分的溫度從17 ℃上升到97.7 ℃，達(dá)到了鈉的熔點(diǎn)。

[學(xué)生思考推理]這是不是說明鈉和水的反應(yīng)在放熱？

[引導(dǎo)提問5]如何證明呢？

[回答]通過紅外熱成像儀觀察。

[演示實(shí)驗(yàn)3]通過便攜式紅外成像儀觀察鈉與水的反應(yīng)。

[交流討論]由圖2所知，鈉游過的地方都呈現(xiàn)橙紅或者紅色，而周圍顯藍(lán)色。說明鈉與水的反應(yīng)在放熱，使溫度升高。

[總結(jié)]通過紅外熱成像儀的視頻我們可以直觀地看到溫度升高，證明了同學(xué)們的猜想是正確的，即鈉和水的反應(yīng)是放熱的。

在推理片段2中，學(xué)生親身體驗(yàn)鈉與水的實(shí)驗(yàn)，能夠近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對現(xiàn)象具有更深刻的印象，為后面的證據(jù)推理奠定基礎(chǔ)。教師通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問題，讓學(xué)生思考鈉的形狀變化的原因。學(xué)生思考得出假設(shè)“鈉被均勻地消耗了”，再通過實(shí)驗(yàn)“不規(guī)則鈉投入水中仍然會變成小球”，證明學(xué)生的假設(shè)是錯誤的，也就是科學(xué)探究中的“證偽”。教師進(jìn)一步提供線索，展示生活中常見的現(xiàn)象——水珠，引導(dǎo)學(xué)生思考提出假設(shè)“鈉熔化成了液體”。

在推理片段3中，教師給出鈉的熔點(diǎn)和當(dāng)前環(huán)境下水的溫度，讓學(xué)生自然而然想到反應(yīng)放熱使溫度升高，那有什么可視化的證據(jù)來證明呢？通過紅外熱成像儀拍攝的圖像和視頻來顯示溫度的變化，達(dá)到可視化的效果。通過拍攝的視頻可以清晰看到鈉與水接觸的地方呈現(xiàn)橙色或者紅色，說明反應(yīng)放出的熱使鈉融化成小球，完善證據(jù)鏈驗(yàn)證猜想。在這一過程中，學(xué)生能夠認(rèn)識到發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、尋找證據(jù)和驗(yàn)證猜想對實(shí)驗(yàn)探究的重要性，有利于其證據(jù)推理意識的形成。

五、結(jié)論與建議

本文以鈉與氧氣在常溫下反應(yīng)和鈉與水的反應(yīng)為重點(diǎn)，用問題鏈的形式引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，不斷猜想、推理、假設(shè)、驗(yàn)證，深度挖掘反應(yīng)本質(zhì)，充分體現(xiàn)了“猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—討論交流—尋找證據(jù)—形成結(jié)論”這一過程。對于鈉與氧氣在常溫下的反應(yīng)，利用紅外熱成像儀完善證據(jù)鏈，為學(xué)生提供更加豐富的證據(jù)，支撐二者常溫發(fā)生了反應(yīng)的結(jié)論。在鈉與水的反應(yīng)教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷了兩個論證過程，通過分析推理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以證實(shí)或證偽，建立猜想（觀點(diǎn)）、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，體會證據(jù)推理在實(shí)驗(yàn)中的重要作用。其次將紅外熱成像儀引入課堂，充分發(fā)揮其遙感控溫、視覺呈色明顯、實(shí)時測量等優(yōu)點(diǎn)，為鈉和氧氣在常溫下反應(yīng)和鈉與水反應(yīng)放熱提供可視化的證據(jù)，而且彩色的圖片和視頻帶給了學(xué)生視覺沖擊，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。他們不僅能感受科學(xué)美，還能主動分析彩色畫面背后隱藏的溫度信息。

除了有關(guān)鈉的實(shí)驗(yàn)外，初、高中關(guān)于溫度變化的實(shí)驗(yàn)都可以用紅外熱像儀提供更多的可視化證據(jù)。在講解化學(xué)反應(yīng)與能量變化時，對于吸熱和放熱反應(yīng)，學(xué)生都是通過間接的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或者直接觸摸感知，間接的證據(jù)一般沒有直接證據(jù)更加令學(xué)生印象深刻，而直接觸摸可能會給學(xué)生帶來傷害?；诖司涂梢岳眉t外熱成像儀拍攝實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生看到化學(xué)反應(yīng)中溫度的變化，提供更加豐富的證據(jù)。并且對于吸熱、放熱比較微弱的反應(yīng)和需要通過加熱才能引發(fā)反應(yīng)的吸熱反應(yīng)，學(xué)生無法通過宏觀現(xiàn)象來感知化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，此時紅外熱成像儀就能發(fā)揮更大的作用，學(xué)生能夠更好地理解化學(xué)變化中的能量變化，而不僅僅是停留在想象的層面。同樣，弱電解質(zhì)的電離和水解都是比較微弱的，學(xué)生難以直接通過觸覺感受到溫度的變化，因此也可以借助紅外熱成像儀來觀察溫度的變化，讓學(xué)生看到證據(jù)，從而對電解和水解的吸熱過程有更充分的理解。