基于红外热成像仪的证据推理教学

余小燕 张颖 陆文倩

关键词：红外热成像仪;核心素养;证据推理;钠及其化合物

一、研究背景

证据推理是化学学科核心素养之一。高中化学要注意培养学生的证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系[1]。“证据推理”有两重含义：一是得到证据。证据是指证明事实的材料，要真实可信且容易观察;二是推理结论。推理是一种基本的思维形式，是指由一个或几个已知的命题来推断出新命题的过程[2]。两重含义强调学生在科学学习或者科学探究过程中，从已有经验、问题情境中识别并获得证据，利用证据进行推理，最终获得结论，解决问题[3]。

元素化合物知识是中学化学的基础和核心知识，“钠及其化合物”编排在人教版（2017年版）必修第一册的第二章第一节，其重要性不言而喻。有不少文章从不同角度对“钠及其化合物”进行研究，詹晓星[4]利用V形侧泡反应管、刘玉荣[5]利用注射器、陈晓芹[6]通过肥皂泡、红色喷泉等现象对钠和水的反应进行实验改进;朱丽丽[7]和钟惠妹[8]分别基于钠—空气、钠—CO2 电池和可服食的电子药的真实情境进行教学;孙远菊[9]和谢天化[10]分别基于钠与水反应产物的推理分析和钠在石棉网上加热的实验从“核心素养”的角度使学生体会证据推理过程。不过这些文章并没有过多关注钠与氧气在常温下的反应和钠与水的反应过程以及反应中的能量变化。在钠和氧气在常温下反应的实验中，学生往往只能观察到切面变暗，由于实验条件受限，无法用温度计或温度传感器观察反应过程中的能量变化。钠和水的反应虽然现象明显，但是学生难以理解钠熔化成小球这一现象，即使猜想出反应放热使钠熔化，但实验过程中用水量较多，通过触摸无法感受温度的变化。因此，受限于现有的实验条件，两个实验的一些证据无法直接获得，证据推理难以进行，不利于学生发展证据推理的核心素养。

二、实验设计

实验引入红外热成像仪[11]，利用红外辐射的原理，通过测取目标物体表面的红外辐射能，将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热图像。通过拍摄的热成像视频可以清晰地看到化学变化过程中温度的变化，获得更丰富的实验证据，从而为上述两个实验的猜想提供更丰富的证据，进而提升学生的证据推理和科学探究的核心素养。利用红外热成像仪探究反应过程中温度的变化，不需要学生直接接触反应体系，可以远距离测量温度，保护实验者的安全;拍摄出的图片、视频颜色对比明显，温度高低清晰明了;红外热成像仪还可以实时测量反应过程中的温度变化，有利于探究反应过程中的能量变化。

基于以上优点，笔者设计了两个利用红外热成像仪的简单实验。钠和氧气的反应在原有实验的基础上用红外热成像仪进行拍摄，通过拍摄视频可以观察到反应过程中的温度变化。钠与水的实验采用微量化的形式，将烧杯换成蒸发皿，便于观察和拍摄。

1.钠与氧气的反应

实验材料：钠、镊子、小刀、滤纸、红外成像仪（配平板）。

实验操作：从试剂瓶中取出一小块钠，吸干煤油，用小刀切开钠，再利用红外热成像仪进行录像。

实验现象：从视频中可以看到，钠的切口部分不断变红，并且红色越来越深，从图1也可以看出，切口部分颜色为橙色，温度较高。

实验结论：说明钠的切口部分温度不断上升，结合钠切面变暗的现象，说明钠在常温下发生化学反应，放出热量。

2.钠与水的反应

实验材料：钠、镊子、滤纸、小刀、表面皿、水、红外成像仪（配平板）。

实验操作：表面皿中装入半量的水，从试剂瓶中取出一块钠，吸干煤油，切下一小块钠，将钠投入表面皿中，利用红外热成像仪进行录像。

实验现象：从红外热成像仪拍摄的视频和图2可以看到，钠所经之处皆为橙色或者黄色。

实验结论：钠和水反应放热。

三、教学设计

“钠及其化合物”位于人教版必修第一册第二章第一节，是在学生掌握了必要的理论知识后学习的第一个金属元素及其化合物，对于学生学习元素化合物知识的方法和思路以及培养科学探究和实验能力具有重要作用。而在科学探究中，证据推理是必不可少的一个环节。因此在环节二的实验中，通过学生亲自动手做实验，近距离观察钠的物理性质，就观察到的现象推测得出钠的物理性质，提升其获取证据的意识和能力。在环节三和环节四的实验中，演示实验和学生实验相结合，让学生基于实验现象寻找证据进行推理，引入红外热成像仪让学生观察到化学反应中的能量变化，获得热效应的证据，完善证据链。具体教学流程见表1。

四、教學片段

截选钠与氧气常温反应和钠与水反应的两个教学片段，展示钠及其化合物教学中的证据推理过程，并采用图尔敏论证模型进行描述。图尔敏论证模型是由英国哲学家斯蒂芬·图尔敏提出的，在科学教育中，图尔敏模型是较为通用和受欢迎的论证模型，常作为分析科学课堂论证过程的基础。图尔敏论证模型有三个最基本的成分：主张、资料和理由，其完整模式还包括支援、限定和反驳[12]。通过图尔敏论证模型的形式，能够一目了然地看出猜想—证据—主张之间的关系。

1. 钠与氧气在常温下反应的证据推理教学

针对钠与氧气在常温下反应的证据推理过程设计图尔敏论证模型，如图3所示。首先引导学生观察钠的切口找到第一个证据：切口变暗，有新物质产生，主张钠发生了化学反应。进而提供技术支持，利用红外热成像仪进行拍摄寻找第二个证据。通过观察红外热成像仪拍摄的视频显示钠的切口不断变红，说明温度升高，有能量的变化。二者结合证明钠在常温下与氧气发生了反应，并放出热量。教学过程见推理片段1。

推理片段1：钠与氧气在常温下反应。

[引导观察]钠的切面有何变化？

[学生回答]切面变暗。

[引导提问1]切面为什么会变暗？

[学生猜想]可能发生了化学反应。

[引导提问2]如何验证猜想？

技术介绍]提供红外热成像仪，介绍红外热成像仪工作原理。

[图像解释]蓝色表示低温，红色表示高温，图像汇总颜色的分布情况可以直观反映温度的分布，每张图的温度最高值取决于环境温度最高点。

[学生实验]提出实验方案：切下一小块钠，用便携式红外热成像仪观察钠的切面。进行实验，观察视频，发现切口处颜色持续变红。

[讨论推理]视频中钠的切口处颜色持续变红，说明温度不断上升，能量发生了变化，结合切口表面变暗，生成了新物质，说明钠和空气中某一成分发生化学反应。

[学生反思]有没有可能是小刀切时摩擦生热？

[交流讨论]通过视频可看到，切口在不断地变红，说明小刀离开后温度还在不断攀升，摩擦生热不会出现这种现象，因此判断是发生了化学反应。

[引导提问3]钠和谁反应？

[学生猜想]氧气：氧气具有氧化性，钠具有还原性，二者可以反应。

[讲述]钠和氧气反应的原因：4Na + O2 == 2Na2O推理片段1中，通过钠的切口变暗了，引导学生进行猜想假设——钠在常温下发生了化学反应，并且通过红外热成像仪为学生提供更加丰富的证据，推理得出钠与氧气在常温下发生了反应并放热的结论。学生从只关注实验现象，到通过实验探究认识化学反应的发生，加深对“无明显现象化学反应”判断方法的理解。同时红外热成像仪为钠与氧气在常温下反应放热提供可视化证据。颜色对比明显的图片和视频带给了学生视觉冲击，激发他们的学习兴趣。

2.钠与水反应的证据推理教学

在钠与水反应的教学中，学生经历了多轮论证过程，如图4 所示。教师引导学生思考钠为什么会变成小球？学生提出自己的主张1，并进行实验寻找证据进行推理，发现主张1不成立（推理片段2）。教师继续提供资料，引导学生思考钠熔化成液体，进而提出主张2：钠与水反应放热使其熔化成小球。利用红外热成像仪寻找证据，为主张提供支撑，得出结论（推理片段3）。

推理片段2：钠为何会变成一个小球？

[学生实验]在表面皿中加一半水，将绿豆大小的钠粒放入表面皿中，仔细观察并记录实验现象。

[交流讨论]钠变成了小球，并且在水的表面游动，小球逐渐变小直至消失。

[引导提问2]钠为什么会变成一个小球呢？

[学生思考猜想]可能是钠和水发生了反应，钠被消耗而磨成小球。

[引导提问3]那如果钠被消耗，只会慢慢变小，怎么会成为一个小球呢？

[学生思考猜想]难道是被均匀地消耗了？

[演示实验2]将钠削成不规则的形状，放入水中进行反应。

[寻找证据]仔细观察实验现象，发现钠依然变成一个小球，证明钠不是被均匀地消耗。

[引导提问4]那钠变成球状会与什么因素有关呢？

[资料提供]PPT展示球形水珠图片。

[学生交流讨论]水珠成球状是液体的表面张力作用。

[学生思考推理]难道钠熔化成了液体，因为表面张力形成了球状。

[讲述]大家的分析非常有道理，钠可能从固体熔化成了液体，液体的表面张力使得它成为球状。那钠为什么会变成液体呢？

推理片段3：钠与水的反应放热。

[资料提供]钠的熔点：97.7 ℃，当前水的温度：17 ℃。

[交流讨论]钠与水接触部分的温度从17 ℃上升到97.7 ℃，达到了钠的熔点。

[学生思考推理]这是不是说明钠和水的反应在放热？

[引导提问5]如何证明呢？

[回答]通过红外热成像仪观察。

[演示实验3]通过便携式红外成像仪观察钠与水的反应。

[交流讨论]由图2所知，钠游过的地方都呈现橙红或者红色，而周围显蓝色。说明钠与水的反应在放热，使温度升高。

[总结]通过红外热成像仪的视频我们可以直观地看到温度升高，证明了同学们的猜想是正确的，即钠和水的反应是放热的。

在推理片段2中，学生亲身体验钠与水的实验，能够近距离观察实验现象，对现象具有更深刻的印象，为后面的证据推理奠定基础。教师通过实验现象提出问题，让学生思考钠的形状变化的原因。学生思考得出假设“钠被均匀地消耗了”，再通过实验“不规则钠投入水中仍然会变成小球”，证明学生的假设是错误的，也就是科学探究中的“证伪”。教师进一步提供线索，展示生活中常见的现象——水珠，引导学生思考提出假设“钠熔化成了液体”。

在推理片段3中，教师给出钠的熔点和当前环境下水的温度，让学生自然而然想到反应放热使温度升高，那有什么可视化的证据来证明呢？通过红外热成像仪拍摄的图像和视频来显示温度的变化，达到可视化的效果。通过拍摄的视频可以清晰看到钠与水接触的地方呈现橙色或者红色，说明反应放出的热使钠融化成小球，完善证据链验证猜想。在这一过程中，学生能够认识到发现问题、提出猜想、寻找证据和验证猜想对实验探究的重要性，有利于其证据推理意识的形成。

五、结论与建议

本文以钠与氧气在常温下反应和钠与水的反应为重点，用问题链的形式引导学生像科学家一样思考，从实验现象出发，不断猜想、推理、假设、验证，深度挖掘反应本质，充分体现了“猜想假设—设计实验—实验验证—讨论交流—尋找证据—形成结论”这一过程。对于钠与氧气在常温下的反应，利用红外热成像仪完善证据链，为学生提供更加丰富的证据，支撑二者常温发生了反应的结论。在钠与水的反应教学中，学生经历了两个论证过程，通过分析推理实验现象加以证实或证伪，建立猜想（观点）、结论和证据之间的逻辑关系，体会证据推理在实验中的重要作用。其次将红外热成像仪引入课堂，充分发挥其遥感控温、视觉呈色明显、实时测量等优点，为钠和氧气在常温下反应和钠与水反应放热提供可视化的证据，而且彩色的图片和视频带给了学生视觉冲击，激发他们的学习兴趣。他们不仅能感受科学美，还能主动分析彩色画面背后隐藏的温度信息。

除了有关钠的实验外，初、高中关于温度变化的实验都可以用红外热像仪提供更多的可视化证据。在讲解化学反应与能量变化时，对于吸热和放热反应，学生都是通过间接的实验现象或者直接触摸感知，间接的证据一般没有直接证据更加令学生印象深刻，而直接触摸可能会给学生带来伤害。基于此就可以利用红外热成像仪拍摄实验过程，让学生看到化学反应中温度的变化，提供更加丰富的证据。并且对于吸热、放热比较微弱的反应和需要通过加热才能引发反应的吸热反应，学生无法通过宏观现象来感知化学反应中的能量变化，此时红外热成像仪就能发挥更大的作用，学生能够更好地理解化学变化中的能量变化，而不仅仅是停留在想象的层面。同样，弱电解质的电离和水解都是比较微弱的，学生难以直接通过触觉感受到温度的变化，因此也可以借助红外热成像仪来观察温度的变化，让学生看到证据，从而对电解和水解的吸热过程有更充分的理解。