利用水透鏡模擬眼睛變焦機(jī)能的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

張華東

摘 要：科學(xué)利用生活中的簡(jiǎn)單材料，和學(xué)生一起完成可變焦水透鏡的設(shè)計(jì)與制作，通過(guò)該教具的制作與使用，可以使晶狀體凸度的連續(xù)調(diào)節(jié)更直觀、更形象地演示出來(lái)，從而讓學(xué)生對(duì)人眼成像原理，以及近視、遠(yuǎn)視的理解更深刻，突破教學(xué)中的重難點(diǎn)問(wèn)題，也有助于學(xué)生創(chuàng)新思維、動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)與拓展，是自己在對(duì)STEM教育新模式的一種嘗試，有助于學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：水透鏡；眼睛變焦；模擬探究

在華師大版八下科學(xué)眼的成像原理的教學(xué)中，針對(duì)人眼成像原理、視力的矯正等課程內(nèi)容，由于條件限制，很難將人眼晶狀體變焦調(diào)節(jié)的作用模擬出來(lái)，對(duì)于思維能力還有待提升的初中生來(lái)講，想要從逆向思維角度把正向結(jié)論寫出來(lái)往往都具有很大難度，而使用水透鏡的模擬實(shí)驗(yàn)就能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，可以輕松完成后續(xù)近視眼、遠(yuǎn)視眼的教學(xué)。

一、水透鏡的制作

1.所用材料

直徑5cm的PVC管、容積20 ml的注射器、輸液管、透明彈性膜、橡皮筋、黑色電工絕緣膠布、PVC膠水、細(xì)砂紙、酒精燈、大鐵釘、美工刀。

2.制作方法

（1）用切割機(jī)從直徑為5 cm的PVC管中鋸下長(zhǎng)度為3 cm的一段（該操作教師事先完成），用細(xì)砂紙將兩端磨平。

（2）用燒紅的大鐵釘在水管中點(diǎn)鉆一個(gè)大小合適的小孔；用PVC膠水把一截輸液管粘在小孔中，放置一天，用美工刀把PVC管內(nèi)過(guò)長(zhǎng)的輸液管斜切。（方便后續(xù)注水時(shí)趕出管內(nèi)空氣）

（3）在PVC管兩端分別用彈性橡皮膜覆蓋，用橡皮筋扎緊，再用黑色電工絕緣膠布把PVC管兩端緊緊纏住，可有效防止水透鏡漏水。

（4）用輸液管前端較細(xì)的一部分從已經(jīng)連接好的輸液管中伸入，再借助注射器注水并趕盡水透鏡內(nèi)的空氣，再接上容積為20 ml的注滿水的注射器，就制成了一個(gè)水透鏡。

3.注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)不同組學(xué)生的制作比較，水透鏡的直徑不宜過(guò)小，也不宜過(guò)大。比如一組學(xué)生用2 cm的水管制成的水透鏡，在實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不是很明顯，效果沒(méi)有大的透鏡好；也有同學(xué)做了10 cm的超大水透鏡，注射器容積為50 ml，但凸度變大時(shí)，成像變形明顯。我們也查閱了資料，某教師在組織學(xué)生開展相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，就制作了一個(gè)7.5 cm的大水透鏡，在將其放置于水平桌面上時(shí)，由于水透鏡膜面的上下部分受水的壓強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致膜面出現(xiàn)顯著下垂的情況，使得其透鏡最終成為垂直方向變焦的透鏡。

（2）利用水透鏡模擬眼睛變焦機(jī)能模擬過(guò)程中，注射器的容量大小應(yīng)真正做到與透明彈性膜形變的恰當(dāng)匹配。若注射器容量過(guò)大，在模擬實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)給連續(xù)改變水透鏡焦距帶來(lái)諸多不便，且極易超過(guò)薄膜彈性的承受范圍，但是若注射器的容量過(guò)小，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)透明彈性膜凹凸性的合理改變。因此，為了使整個(gè)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，應(yīng)確保注射器的容量大小可以與透明彈性膜的形變之間做到恰當(dāng)匹配。

（3）在進(jìn)行注射器活塞的推或者是拉動(dòng)時(shí)，用力要始終保持平穩(wěn)，以及緩慢的速度。總之，為了確保利用水透鏡實(shí)現(xiàn)眼睛變焦機(jī)能的模擬實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，教師在組織學(xué)生制作教具和實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)，應(yīng)對(duì)上述幾點(diǎn)做出綜合考慮與準(zhǔn)確把握。

二、利用水透鏡模擬眼睛變焦機(jī)能的課堂實(shí)踐探究

1.感受焦距可變的透鏡

學(xué)生利用各組自己制作的水透鏡，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)初步探究；向水透鏡注水，可觀察到橡皮膜往外凸出，透鏡的凸度變大；往外抽水，可觀察到橡皮膜凸出程度變小，透鏡的凸度變?。唤璐藖?lái)直觀感受透鏡焦距的改變。

2.探究眼球的調(diào)節(jié)原理

第一步，將水透鏡用細(xì)鐵圈固定，把細(xì)鐵圈直接插入光具座，然后按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材的擺放，對(duì)LED光源、光屏做出合理調(diào)節(jié)，使三中心始終處于相同高度；第二步，讓LED光源離透鏡較遠(yuǎn)，對(duì)光屏作出恰當(dāng)調(diào)節(jié)，使得LED光源清晰的像能夠呈現(xiàn)于光屏上，模擬人眼看清遠(yuǎn)處的物體；第三步，固定住水透鏡、光屏，模擬人眼的晶狀體和視網(wǎng)膜的位置不會(huì)發(fā)生改變；第四步，把LED光源向水透鏡移近，發(fā)現(xiàn)光屏上的像變模糊了，用注射器向水透鏡注水，發(fā)現(xiàn)光屏上的像又變清晰了，模擬人眼看完遠(yuǎn)處的景物，改看近景時(shí)的調(diào)節(jié)機(jī)制，有效解決了教學(xué)難點(diǎn)。

3.實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

水透鏡其實(shí)就相當(dāng)于晶狀體，在將適量的水往水透鏡注入或抽出時(shí)，水透鏡的凸度會(huì)逐漸改變，對(duì)光的偏折能力也會(huì)隨之改變，焦距也逐漸改變，從某一層面來(lái)講，這與睫狀體收縮或舒張、晶狀體凸度變化的道理其實(shí)是相同的。光屏就相當(dāng)于人體視網(wǎng)膜。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，像距是一直保持不變狀態(tài)的，出現(xiàn)變化的只有物距，這一特征與眼睛是相同的。通過(guò)這一模擬實(shí)驗(yàn)可以了解到：當(dāng)睫狀體處于放松狀態(tài)時(shí)，晶狀體通常都比較薄，眼睛可以清楚地看見(jiàn)遠(yuǎn)處的物體；而睫狀體在逐漸收縮時(shí)，晶狀體也會(huì)隨之逐漸變厚，眼睛便可以清楚地看見(jiàn)近處的物體。

綜上所述，廣大初中科學(xué)教師在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)到，通過(guò)運(yùn)用水透鏡來(lái)進(jìn)行眼睛變焦機(jī)能模擬，不僅可以突破教學(xué)難點(diǎn)，也能夠讓學(xué)生在具體操作、學(xué)習(xí)探究中樹立主動(dòng)保護(hù)眼睛的良好意識(shí)，也有助于思維、動(dòng)手與創(chuàng)新能力的進(jìn)一步培養(yǎng)，為此，在實(shí)際授課中，教師除了要重視多媒體等先進(jìn)教學(xué)手段的運(yùn)用之外，也要重視自制教具、學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作，以此來(lái)優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

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編輯 郭小琴