基于学科融合的探究性实验活动教具开发——以“可调节变焦液体透镜人造晶状体眼睛模型”教学为例

2020年12月Vol.38 No.24 中学物理•实验研究•
基于学科誠合的採堯性卖验活场教具幵发—以“可调节变焦液体透镜人造晶状体眼睛模型”教学为例
张艺凡常鹏
(成都新世纪外国语学校四川成都611130)
摘要：凸透镜成像是教科版八年级物理上册难度较高的知识板块，“神奇的眼睛”是凸透镜成像知识的综合运 用，也是物理学科与生物知识的完美结合，让学生从原理上了解眼睛的结构和功能，与传统的教学相比，笔者利用可调 节变焦液体透镜、光圈、眼球模型进行组合，有效地提高教学效率，使学生在玩中学、学中悟、悟中思.
关键词：学科融合；液体透镜;视力矫正
文章编号：1008 -4134(2020)24 -0048 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
凸透镜成像的相关内容是光学知识中难度最高 的知识板块，“神奇的眼睛”探究活动是非常重要的探 究性实验活动，既是重点也是难点，是对凸透镜成像 规律的最好诠释.但这部分内容较为抽象，动态过程 要求较高，通过“神奇的眼睛”引导学生理解如何通过 调节晶状体与瞳孔使我们看到这个美丽的世界.笔者 认为，利用物理与生物教材资源（教科版《物理》八年 级上、《生物》七年级下）中“神奇的眼睛”“感受器和 感觉器官”两节的结合，对眼睛的工作原理进行学习 和理解，可形成对眼睛的完整的认识.为此，笔者利用 可调节变焦液体透镜、光圈、眼球模型进行组合，从实验材料、实验过程与实验创新三个方面进行阐述.
I改进、创新的思路
目前“神奇的眼睛”的教学,主要针对于物理学原 理的解释，缺乏对生物知识的解释，使知识缺乏有效 的说明，知识建构不完整.
目前使用的“眼睛”实验探究器材依然是凸透镜 光具座，存在晶状体焦距无法改变，仪器无法与眼睛 结构配位的问题，使教学缺乏明确的指引.
2改进、创新的依据
《义务教育物理课程标准（2 011年版）》基本理 念:鼓励主动探究,使学生了解物理知识的功能价值，
作者简介：张艺凡（1986-),女，山东聊城人，本科，中学一级教师，研究方向：初中物理教学；
常鹇（1980 -),男，山西阳城人，博士，研究方向：实验教具研发.
〜〜知〜〜〜〜〜
2.3发展思维，形成素养
将知识和技能应用于解决实际问题离不开对学 生思维的培养.第7题、第21题、第23题都考查了学 生的理解、分析与综合、抽象与概括和逻辑推理等科 学思维能力.教学中要训练学生从文本信息或生活实 验现象中提取冇用信息，要引导学生从现象中抽象概 括事物的本质特征.教学中要培养学生建模的意识, 引导学生从生活情境中抓住主要因素，忽略次要因 素，剔除干扰因素，根据本质特征构建物理过程，利用 模型的基本特征解决实际问题.
“问渠那得清如许，为有源头活水来2020年广 东省初中学业水平考试物理试题的科学命制，紧扣 “三源”，彰显了核心素养的育人理念.相应地，在实际 物理教学中，我们应该紧扣课标，回归课本；重视实 验，提升能力；发展思维，形成素养.为学生终身发展奠定基础.
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版）[M].北京:北京师范大学出版社,2012.
[2] 倪红飞.注重能力考查凸显核心素养—2018年苏州市初中毕业升学考试试卷评析[J].物理教师，2019,40 (04) ：53 -55.
[3] 陈红梅，欧阳本群,孔建斌.让试题为学生的全面发展导航—
—2018年山西省中考物理试题分析[J].教育理论与实
践，2018,38(35) :3 -5.
[4] 孟全明，文红阳，马玉林.抓双基重实践促课改——2013年山西省中考物理命题思路解读[J].教育理论与
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[5]孙晓辉.关注实验探究重视知识建构—大连市2012年中考物理试题分析及教学建议[J].大连教育学院学
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(收稿日期：2020 -08 -06)
中学物理 V »l .38 No .242020年12月
形成主动学习、主动思考的学习态度.
《给教师的建议》中指出：教师劳动的文明，在很 大程度上取决于观察在学生的智力发展中占有何种 地位.从观察中不仅可以汲取知识，而且知识在观察 中可以活跃起来，知识借助观察而“进入周转”，像工 具在劳动中得到运用一样.同时也说明了探究性实验 活动的必要性 3
改进、创新自制教具
3. I “可调节变焦液体透镜”模拟“晶状体”
原始设计:利用玻璃凸透镜模拟晶状体，玻璃透 镜的厚薄不能调整，焦距不能改变，无法演示晶状体 工作时的动态变化情况.可调节变焦液体透镜可以通 过注水、抽水，改变透镜形状，调节焦距，呈现出动态 的变化过程，帮助学生形成视觉动态，激发学生兴趣.
制作材料:弹性透明膜、中空水管、导管，注射器. 可调节变焦液体透镜（后简称“水透镜”）结构原 理图，如图1所示.
制作材料:可调节光圈.
光圈瞳孔结构原理图，如图2所示.
实验过程：
(1)将光圈与眼球角膜固定，调节光圈，改变透光 程度，如图3、图4、图5所示.
图5
实验过程：
(1) 利用注射器将“水透镜”注满水，轻微震荡,
排除“水透镜”内部气泡.
(2) 通过注射器注水、抽水调节凸透镜形状，改变
凸透镜焦距.
(3) 通过观察“水透镜”成像规律，了解晶状体工
作原理.
(4) 通过抽水，可使水透镜变成凹透镜，进行相关
实验探究.
实验创新：
(1) “水透镜”焦距可调，探究过程丰富.
(2) “水透镜”可重复使用、焦距任意调节，材料
易得，实验成本低.
(3) “水透镜”成像效果好、实验效果明显.3.2 “光圈”模拟“瞳孔”
原始设计:在传统教学中，关于瞳孔的作用相关 知识通常是采用[-1头讲授或课件演示，主要凭借学生 的想象进行理解，本实验仪器能够非常直观地展示瞳 孔的工作原理，加深对凸透镜成像原理的理解，大幅 度提高讲课效率.
(2)改变光圈闭合程度,观察成像情况，了解瞳孔 的作用和工作原理.
实验创新：(1)
利用光圈模拟瞳孔的工作情景，遇到强光减
小光圈，减少进人眼睛的光线；光的强度降低时，增大 光圈，增加进人眼睛的光线，从而达到保护视觉神经
和在视网膜上清晰成像的目的.
(2) 实验现象非常明显，让学生感受当部分凸透
镜被遮挡时仍可呈现完整的像,培养学生自主探究的
能力•
3.3 水透镜人造晶状体眼睛模型
原始设计:将光源、凸透镜、光屏等光学元件放置
在光具座上，模拟物体、晶状体、视网膜的位置，实验
效果不尽如人意，脱离了生物体的真实结构.而本实
验综合演示近视眼、远视眼及其矫正过程的实际情
况，实验效果明显，使用方便.
制作材料：水透镜、光圈、眼球模型.
水透镜晶状体眼球模型结构原理图，如图6、图7
所示.
阁6
图7
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实验过程：
(1) 将眼球模型向上倾斜45°，防止元件掉落，便 于学生进行观察；后方制造一个缺口，便于使用光屏 寻找像的位置.
(2) 将水透镜、光圈、眼球模型进行组装，了解各 部分工作原理及生物体结构.(3)
观察视网膜上的成像情况，成像不清楚时，思 考多种矫正方法.
实验创新：(1)
将多种实验器材组合成完整生物体实验模
型，从物理和生物两个方面进行全面的学习.
(2) 实验器材具有多功能性，可以完成凸透镜相 关的所有实验，且实验效果明显.
(3) 操作简单，实验器材简单、轻便，大大提高了
教学质量.4
教学过程
4.1 正常视力模拟
将F 光源置于眼睛模型前40厘米处，调节水透 镜中的水量，在视网膜上形成倒立、缩小、清晰实像. 利用眼球模型使学生明白虽然每个人的白眼球的轴 距各不相同，但是对于同一个人来说，眼球的轴距一 般是固定不变的.
4. 2 近视眼与近视眼矫正模拟
将F 型光源靠近眼睛，最终置于10厘米处，在不 改变“水透镜”的同时，我们可以发现视网膜上所成实 像逐渐变得模糊.此时，使用小光屏寻找清晰实像的 位置，发现清晰实像在视网膜之后，调节“水透镜”，使 清晰实像重新回到视网膜上.此时，需要向“水透镜” 中注水.由此我们可以类比生物体中睫状肌越紧张， 晶状体越厚.长期观看近处物体后，晶状体无法复原， 即不改变“水透镜”水量，将光源远离眼睛，视网膜上 的像再次变得模糊，使用小光屏寻找清晰实像的位 置，发现清晰实像在视网膜之前.此时使用另一个“水 透镜”，对近视眼进行矫正，发现矫正透镜成凹透镜 时，能对近视眼起到矫正作用，如图8所示，针对不同 程度的近视眼，“水透镜”的矫正程度，也有所区别. 4.3 远视眼与远视眼矫正模拟从生物学角度来看，随着年龄的增加，肌肉逐渐 松弛，晶状体变得扁平.为模拟这一过程，可减少“水 透镜”中的水量，将F 型光源置于40厘米处，发现视 网膜上所成实像是模糊的，使用小光屏寻找清晰实像 的位置，发现清晰实像在视网膜之后.同样使用另一 个“水透镜”，对远视眼进行矫正，发现只有当矫正透
镜成凸透镜时才能对远视眼起到矫正作用，如图9 所示.
4.4视觉形成的模拟将水透镜晶状体眼睛模型装好，手机置于视网膜 位置，打开手机同屏APP ，将影像传人班级多媒体 屏幕.
虽然在视网膜上呈现了一个倒立、缩小、清晰的 实像，但是通过手机在多媒体屏幕上展现的可以是正 立、放大的像.通过手机一屏幕,模拟视网膜一大脑的 视觉形成过程，同时，调节光圈，可以在多媒体屏幕上 更清晰地观察到像的亮度变化.
综上所述，近视眼的形成，是由于长期近距离用 眼疲劳导致晶状体变厚，不能恢复导致的，所以劳逸 结合、正确用眼、眼保健操是预防近视的最佳方法；随 着年龄的逐渐增长，睫状肌松弛，锻炼眼部肌肉、提高 眼球灵活度是延缓远视的最优途径.5
结语
在实验学科的教学过程中，教师应主动构建物理 情景，给学生独立探索的空间，提高学生科学探究的 能力，培养学生眼动、手动、脑动的学习习惯，体现实 验教学的诱导性，将物理教学中规律性、抽象性的知 识借助于生活场景或常见物品完成一系列的实验，说 明一些问题K ，让学生通过亲身体验突破思维障碍， 结合不同学科知识，打破学科间的壁垒，重塑完整知 识板块，让学生在玩中学、学中悟、悟中思，促进学生 逻辑思维的发展[3:.
参考文献：
[1]
苏霍姆林斯基.给教师的建议（全一册）[M ].北京:教 育科学出版社,2010.
[2] 赵敬冉.加强生活实验提高学生能力[J ].实验教学 与仪器,2009,26(Z 1):41.[3]
刘丽波.高中物理探究性实验的实施策略与要点分析
[J ].新课程导学,2020(08) :76.
(收稿日期：2020 -09 -21)
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