三種“視力矯正”探究方案的對比研究

(1． 江蘇省常州外國語學校，江蘇　常州　213000；2． 江蘇省常州市第二十四中學,江蘇　常州　213000)

學生在學習“照相機與眼球視力的矯正”時會有如下疑問:看清遠近不同的物體時，人眼如何調節(jié)晶狀體?教材提供的實驗方案比較抽象,學生理解起來比較困難。為解決這問題,筆者基于蘇科版物理教材提供的探究方案,借鑒、設計了另外兩種探究方案，在教學實踐的基礎上,將三種探究方案對比、分析如下。

1　蘇科版教材提供的探究方案

用凸透鏡模擬晶狀體、用光屏模擬視網(wǎng)膜。在凸透鏡前放置一個近視眼鏡(也可以用近視鏡片或者凹透鏡),調節(jié)蠟燭和光屏的位置,使像清晰地成在光屏上(如圖1甲)。

圖1

摘去眼鏡,發(fā)現(xiàn)光屏上的像不清楚了,這是模擬近視眼看不清遠處物體的情況。移動光屏到圖1乙中的虛線位置,又能夠清晰成像，說明近視眼看遠處物體時成像在視網(wǎng)膜之前。筆者建議再增加丙、丁兩個步驟,使探究方案更容易理解。通過板書或者PPT課件,將凸透鏡和光屏用筆相連,模擬人眼的核心結構。再回顧兩個實驗步驟:幫助學生認識到近視眼看不清遠處的物體,是因為成像在視網(wǎng)膜之前(如圖1丙),通過佩戴凹透鏡,使光被發(fā)散,從而使像向后移到視網(wǎng)膜上(如圖1丁)。

評價：(1) 教材提供的探究方案操作最簡便,不需要事先規(guī)定近視鏡片的度數(shù)和光屏移動距離。由于本方案是先加近視鏡片,調節(jié)成像清晰,再撤去鏡片移動光屏尋找像的位置,相當于給定了近視鏡片的度數(shù),讓學生探索光屏移動的方向和距離,不需要給自主探究增加額外的限定條件。

(2) 本方案的不足之處在于難以讓學生迅速、充分理解實驗設計意圖，因為本實驗是反向設計,光屏要前后多次移動,所以學生在將其類比到人眼時會遇到較大的困難,需要教師及時介入,并進行示范講解。

2　用兩只焦距不同的凸透鏡模擬探究

2.1　模擬探究人眼看遠近時對晶狀體的調節(jié)

選用兩只焦距不同的凸透鏡,組裝兩套實驗裝置對比探究。固定凸透鏡和光屏的位置,來模擬人的眼球。通過移動蠟燭的位置,發(fā)現(xiàn)表面更凸、焦距更小的凸透鏡可以看清近處的物體,而表面稍平、焦距更大的凸透鏡可以看清遠處的物體(如圖2)。

圖2

將觀察到的現(xiàn)象類比到人眼的調節(jié)中,即可認為：當人眼看近處的物體時,需要通過睫狀肌的調節(jié),使晶狀體變得更凸、焦距更小、會聚能力更強；當人眼看遠處的物體時,需要使晶狀體變得稍平、焦距更大、會聚能力稍弱。

2.2　模擬探究近視眼的缺陷及矯正

如圖3甲所示,由于近視眼看清近處而看不清遠處的物體,因此用圖2中焦距較小的凸透鏡模擬其晶狀體,調節(jié)儀器實現(xiàn)看清近處物體的條件。

圖3

將物體移遠,發(fā)現(xiàn)光屏上的像模糊了,這是模擬近視眼看不清遠處物體的情況。再通過移動光屏或者直接用白紙接收,發(fā)現(xiàn)遠處物體的像成在圖3乙的虛線位置,即視網(wǎng)膜之前。添加一個近視眼鏡鏡片(或合適的凹透鏡),發(fā)現(xiàn)像又能清晰成在原位置的光屏上，如圖3丙所示。

評價：(1) 本方案選材容易,通過模擬實驗，突破了人眼看遠近時對晶狀體調節(jié)的難點,還可以用兩只焦距不同的凸透鏡分別模擬近視眼和遠視眼,如此一一對應,方便學生理解兩種不同的情況。

(2) 用兩只不同的凸透鏡模擬人眼看遠近時晶狀體的狀態(tài)易為學生所理解，在這個認識的基礎上用其中一只凸透鏡模擬近視眼,還可以用另一只凸透鏡模擬遠視眼,過渡順暢。在模擬近視眼的矯正環(huán)節(jié),先確認其成像的位置、再佩戴凹透鏡將其矯正到視網(wǎng)膜上,是正向的實驗設計,符合學生的認知規(guī)律,學生在進行知識建構時更加高效。

(3) 本方案的困難在于兩個凸透鏡的選擇。為模擬人眼晶狀體到視網(wǎng)膜距離不變的特征,就要固定像距,使這個像距均位于兩只透鏡的一倍焦距到兩倍焦距之間。而學校實驗室裝配的凸透鏡焦距通常為5cm、10cm等,除非有焦距合適的凸透鏡,否則很難滿足這個要求。而且由于實驗室光具座(或實驗桌)長度有限,若選用的凸透鏡焦距過長,很難在實驗桌尺度內完成實驗。

3　用水透鏡模擬探究

3.1　水透鏡的制作方法

如圖4所示,甲是凸透鏡外殼、乙是圓珠筆芯、丙是橡膠軟管、丁是注射器,此外還要用到保鮮膜。

圖4

圖5

首先取下凸透鏡的鏡片,用鉆頭在上部鉆一個小孔,通過801膠水將筆芯固定好。用注射器吸入適量的水,接好軟管,并將活塞向前推,使水充滿軟管,再將軟管連接到乙上。

在甲的一邊涂上801膠水,拉直保鮮膜后粘牢,然后將其平放后裝入足量的水。在另一側涂上801膠水,拉直保鮮膜后,再次粘牢密封。通過推拉注射器的活塞,改變甲中的水量,可以改變水透鏡的焦距(如圖5)。

3.2　模擬探究人眼看遠近時對晶狀體的調節(jié)

如圖6甲所示,將蠟燭放在近處,調節(jié)水透鏡和光屏,使像清晰成在視網(wǎng)膜上,模擬人眼看清近處物體的情況。

再將物體適當移遠,發(fā)現(xiàn)光屏上的像不清晰,通過適當向外抽水,可以使像重新成在光屏上,如圖6乙所示。通過探究,可以認識到人眼看遠處物體時,需要使晶狀體變平、焦距變大、會聚能力變弱。

圖6

3.3　模擬探究近視眼的缺陷及矯正

類似圖3的實驗方案,調節(jié)通過水透鏡看清近處物體的位置,再將物體移遠,移動光屏確定像的位置。再佩戴凹透鏡使像成在光屏原來的位置。

評價：(1) 用水透鏡模擬晶狀體,由于厚薄可調,無論是探究晶狀體的厚薄調節(jié)，還是視力缺陷的矯正,都最貼近實際情況,探究實驗的真實度高、可信性強。

(2) 水透鏡的最大困難在于取材和制作，覆蓋透鏡的膜過厚的話,通過推拉活塞,凸透鏡的焦距變化不明顯,實驗效果就不好；膜過薄的話,通過推拉活塞,其焦距改變明顯,但也特別易破,在組裝和實驗的過程中,需要特別小心。因此,用水透鏡進行實驗探究,效果更好,貼近實際情況,但是對取材和制作的要求較高,需要老師付出大量的精力制作器材。

4　結語

綜上所述,三種方案都能很好地開展探究教學。但由于各方案對實驗器材和知識建構的能力要求不同,教師應根據(jù)本校裝備情況、教師個人的動手能力和學生素質特點等方面綜合分析,選擇最合適的探究方案。