“視覺形成”模擬實驗的創(chuàng)新設(shè)計及應(yīng)用

江蘇省無錫市蠡園中學(xué)(214072) 姚國平

生物學(xué)具有自然科學(xué)的屬性，是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)。對于初中階段學(xué)生來說，生理學(xué)知識往往是學(xué)習(xí)的難點，一般通過優(yōu)化教學(xué)手段來化解。“眼與視覺”一節(jié)的教學(xué)中，蘇科版教材安排了物理學(xué)中的“雙凸透鏡成像”實驗，試圖以實驗的直觀手段讓學(xué)生跨越認(rèn)知障礙，這種可視化的方式的確帶來了良好的教學(xué)效果。但該實驗僅能模擬眼球成像，不能演示整體視覺的形成過程。且實驗中凸透鏡曲度不能隨意變化，難以客觀演示人體通過晶狀體調(diào)節(jié)曲度來看清遠近不同的物體，也不能演示近視眼的形成。為了彌補教材模擬實驗的不足之處，筆者運用傳統(tǒng)生物模型，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，融合物理學(xué)原理，對該實驗進行了創(chuàng)新設(shè)計，以期獲得更好的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果。

1 器材準(zhǔn)備

1.1 網(wǎng)購器材

①LED流水追光線性燈(燈帶套裝：8節(jié)電池盒、手控開關(guān)、1 m裸板燈帶)；②F型成像光源；③帶注射器的水透鏡套裝(直徑和眼球模型內(nèi)晶狀體直徑差不多大小，如圖1所示)。

圖1 水透鏡套裝

1.2 實驗室器材

眼球模型、腦模型。

1.3 日常生活器材

近視眼鏡鏡片。

2 模型制作

(1)在眼球模型的“晶狀體”部位安裝水透鏡，在“視網(wǎng)膜”處粘貼圓形紙片(便于清晰成像)。

(2)將大腦皮層“視覺中樞”和眼球模型的“視神經(jīng)”用流水追光線性燈帶連接，并用熱熔槍固定，如圖2所示。

圖2 “視覺形成”模擬實驗裝置圖

3 模擬實驗

3.1 模擬眼球的成像

打開F型成像光源，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)母叨纫约芭c眼球的距離，使其在圓紙片(視網(wǎng)膜)上清晰成像(倒立的“F”)，模擬正常眼球的成像過程。將F光源放近或者放遠，物像模糊，然后推拉注射器，改變水透鏡曲度(調(diào)節(jié)焦距)，物像重新清晰，模擬人眼通過調(diào)節(jié)晶狀體曲度觀察遠近不同的物體。

3.2 模擬視覺的形成

流水追光線性燈帶有多種模式選擇，在模式控制面板選擇“跑馬流水的效果”這一模式。燈帶的LED燈依次循環(huán)閃亮，模擬興奮以神經(jīng)沖動的形式沿著視神經(jīng)傳導(dǎo)到視覺中樞，從而形成視覺。

3.3 模擬近視的形成

推動注射器活塞，向水透鏡內(nèi)注入水，水透鏡曲度變大(焦距變小)，物像逐漸模糊，模擬近視眼的形成。

3.4 模擬近視的矯正

在眼球正前方適當(dāng)距離安放近視眼鏡鏡片(或直接取用學(xué)生佩戴的眼鏡)，物像重新清晰，模擬近視眼可佩戴凹透鏡進行矯正。

4 模型解釋

結(jié)合物理學(xué)知識，繪制以下示意圖進行科學(xué)解釋。

圖3表示正常眼成像。正常情況下觀察一定距離內(nèi)的物體，人體可通過調(diào)節(jié)晶狀體的曲度，使物體反射的光線經(jīng)過折射后匯聚在視網(wǎng)膜上，從而形成清晰的物像。物像刺激了視網(wǎng)膜上的感光細胞，使感光細胞產(chǎn)生與視覺有關(guān)的信息，這些信息經(jīng)過視神經(jīng)傳導(dǎo)到大腦皮質(zhì)的視覺中樞，就形成了物像。

圖3 正常眼成像

圖4表示近視眼成像。如果平時用眼習(xí)慣不良，就會增加晶狀體的調(diào)節(jié)負擔(dān)，導(dǎo)致它的曲度過大，結(jié)果使物像落在視網(wǎng)膜的前方，造成視網(wǎng)膜上的物像比較模糊，人就看不清遠處的物體，形成假性近視。

圖4 近視眼成像

圖5表示近視眼的矯正。凹透鏡對光線有發(fā)散作用，近視眼鏡鏡片中央薄，周邊厚，屬于凹透鏡。佩戴近視眼鏡，可以使遠處物體反射的光線先經(jīng)過凹透鏡的發(fā)散作用，再經(jīng)過晶狀體的折射，這樣就能使物像落在視網(wǎng)膜上，人眼就能清晰地看到物像。

圖5 近視眼的矯正

5 設(shè)計及應(yīng)用反思

5.1 學(xué)科本體的實驗設(shè)計

蘇科版教材安排的“雙凸透鏡成像”實驗，是物理學(xué)中的經(jīng)典實驗。如果學(xué)生不具備(物理學(xué)中透鏡知識的學(xué)習(xí)滯后于生物學(xué))基本的物理學(xué)知識、實驗技能，在生物課中進行物理學(xué)現(xiàn)象的探究，無疑會增加學(xué)習(xí)的難度、徒增學(xué)習(xí)的成本(除非有充足的學(xué)時開展跨學(xué)科學(xué)習(xí))。而經(jīng)過改進的模型，更加接近生物體原型，探究的情境性更強、學(xué)科味更濃，操作也更為方便。

5.2 技術(shù)價值的高能釋放

本實驗中，運用水透鏡能調(diào)節(jié)曲度的技術(shù)，逼真地呈現(xiàn)了視覺形成和近視眼形成的過程，更接近于眼球的自然生理現(xiàn)象；設(shè)置好LED流水追光線性燈的閃亮模式，形象地展示了神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)方式。這兩項技術(shù)作用于教學(xué)實踐，突破了原有的認(rèn)知局限，有利于學(xué)生準(zhǔn)確感知生理過程，極大地提高學(xué)習(xí)效率，彰顯了技術(shù)的工具性價值。

5.3 模型思維的深度培育

為了對客觀世界建立更清晰的認(rèn)知，我們需要建立模型思維習(xí)慣。課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建各類模型，可以幫助學(xué)生更好地整理信息，制定更好的分析和解決問題的策略，有助于他們透過現(xiàn)象看本質(zhì)。上述案例中的模擬實驗，通過結(jié)構(gòu)模型的演示，學(xué)生建立了眼球成像及視覺形成原理的過程模型，實際上是獲得了充分的生物學(xué)事實證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生運用示意圖這種簡化模型作出科學(xué)解釋，學(xué)習(xí)就不僅止于“然”，更是知其“然”。這樣，不僅能發(fā)展學(xué)生的科學(xué)解釋能力，更能提高學(xué)生的模型化思維能力。

5.4 跨學(xué)科概念的密切關(guān)聯(lián)

核心素養(yǎng)是綜合性的，跨學(xué)科概念對于學(xué)生形成核心素養(yǎng)非常重要。因此，學(xué)科教學(xué)需要在夯實學(xué)科核心概念的基礎(chǔ)上，密切聯(lián)系跨學(xué)科概念。顯然，案例中“眼球成像”原理的深度理解離不開小孔成像、凸透鏡成像等物理學(xué)概念的支撐，當(dāng)然我們只是站在生物學(xué)科的視角來融合運用這些概念，而非僭越物理學(xué)科。