巧设创新实验 促进思维发展——以“视力的矫正”教学片断为例

张雅玲 付丽萍 袁 超

(1. 闽南师范大学物理与信息工程学院,福建 漳州 363000； 2. 龙岩市第一中学锦山学校,福建 龙岩 364000)

1 问题的提出

科学思维是物理核心素养的核心内容.[1]开发课程资源,巧妙设计创新实验是促进学生科学思维发展的有效途径之一.“视力的矫正”是司南版8年级物理第4章第6节“神奇的眼睛”的主要内容.这部分内容不仅是凸透镜成像规律的拓展,更是初中光学知识的重要应用.[2]义务教育物理课程标准(2011年版)对本片断教学的要求是:了解近视眼和远视眼的成因和矫正办法.[3]现行的司南版教材的呈现方式是: ① 通过图片(如图1、图2所示)展示近视眼和远视眼的成像特点,给出近视眼和远视眼的定义.教材中关于近视眼和远视眼没有具体实验,只有两张图片,实际教学中发现,学生们在学习的过程中不容易理解近视眼和远视眼的成因及其成像特点； ② 在视力矫正的实验环节中,教材通过简单的两张图片(如图3、图4所示)展示视力矫正的实验.教学实践表明,8年级学生的空间思维能力相对薄弱,对如何矫正视力存在认知困难.因此,用真实且可视化的实验过程来弥补上述不足显然是个不错的选择.[4]

图1 近视眼成像特点

图2 远视眼成像特点

图3 近视眼的矫正

图4 远视眼的矫正

2 以促进科学思维发展为目标的教学设计

基于以上分析,笔者以“视力的矫正”教学片断为载体,以促进学生思维发展为主线,巧设创新实验,进行教学设计,教学思路如图5所示.

图5 “视力的矫正”教学思路

2.1 承上启下,促进思维开启

关于近视眼和远视眼8年级学生有一定的感性认识,但对近视眼和远视眼的成因及其成像特点存在着思维障碍.教学中通过动画复习正常眼睛看远近不同的物体的情形(如图6、图7所示),引出什么是近视眼的问题,启迪学生们的思维.

师:通过前面的学习,我们知道正常眼睛之所以能看清远近不同的物体,为什么呢？

生:正常眼睛有很强的自我调节本领.

师:这时眼睛的晶状体在睫状肌的作用下会发生什么变化？

图6 正常眼看近处的物体

图7 正常眼看远处的物体

生:看近处的物体时晶状体变厚,而看远处的物体时晶状体变薄.

师:晶状体通过改变厚薄程度来改变焦距,从而使远近不同的物体成像在视网膜上.我们的眼睛如此神奇,如果长期不注意用眼会怎样？

生:近视.

师:那什么是近视眼？该如何矫正呢？下面请同学们两两一组,我们通过实验一起来探究一下.

设计意图:通过知识的回顾,关注学生原有的知识经验,在此基础上提出问题,激发学生思考,产生认知需要,开启学生的思维.

2.2 巧制实验,促进思维建构

2.2.1 任务1:用自制水透镜模拟近视眼晶状体

(1) 自制焦距可变水透镜:制作流程如图8所示.首先,将塑料水管及其三通接头切成大小合适的小圆环(如图8甲所示)；然后,用生活中常见的透明塑料膜密封水管两端做成透镜(如图8乙所示)；最后,再用水笔芯把透镜和装满水的矿泉水瓶连接起来(如图8丙所示),即可做成焦距可调的水透镜(如图8丁所示).用手挤压瓶子,水就进入水透镜中,通过改变挤压瓶子的力度,便可以调节水透镜的焦距.

(2) 模拟正常眼球结构中的晶状体:手用力挤压矿泉水瓶,可以模拟睫状肌紧张用力过程；用矿泉水瓶瓶身模拟眼球结构中的睫状肌；用水透镜模拟晶状体,让学生体验睫状肌紧张程度不同则晶状体的焦距也不同.

图8 水透镜的制作流程

图9 模拟近视眼晶状体

(3) 模拟近视眼晶状体:近视眼是由于睫状肌长期紧张用力无法恢复到正常状态形成的.笔者在矿泉水瓶的瓶子上夹3个夹子,这时瓶身无法恢复原状,用它模拟近视眼的睫状肌,引导学生观察此时水透镜的透镜部分处于较凸的状态,模拟近视时的晶状体(如图9所示).

设计意图:自制的水透镜取材来源于日常生活用品,制作简单,实验现象明显.学生通过分组体验,丰富了学生的感性认识,引发学生思考,帮助学生们理解.

2.2.2 任务2:用自制实验装置模拟近视眼

(1) 自制模拟眼球成像装置.

将F光源、自制水透镜和生物实验室的眼球模型(如图10所示)设计成简单的实验装置(如图11所示).其中,利用眼球模型让学生理解晶状体到视网膜的距离是不变的；眼球模型和F光源设计成高度可调的仪器,可以方便控制光源、透镜和光屏在同一高度和同一直线上,使实验现象更加明显.

图10 眼球模型

图11 模拟眼球成像装置

(2) 组装模拟近视眼的实验装置.

把模拟近视眼晶状体的水透镜放在眼球模型结构中的相应位置,构成模拟近视眼的实验装置(如图12所示).

图12 模拟近视眼的实验装置

(3) 创设实验情境,引导学生思维建构.

师:请同学们移动光源,大家发现了什么？

生:在视网膜上看到了清晰的像.

师:说明了什么？

生:眼睛能看清物体.

师:如果把光屏移到较远的位置会怎样呢？同学们不妨试试看.

生:清晰的像变模糊了.

师:这又说明了什么？

生:近视眼只能看清近处的物体,不能看清远处的物体.

设计意图:利用自制模拟近视眼的实验装置,创设学生通过移动光源,体验近视眼只能看清近处的物体而看不清远处的物体的真实情境,为学生搭建思维桥梁,帮助学生理解近视眼的概念,让学生经历观察实验现象,归纳总结的思维活动,以此引导学生进行思维建构.

2.3 巧设实验,促进思维提升

2.3.1 情境1:体验近视眼的成像特点

图13 开口眼球模型

8年级学生通过生活经验知道近视眼看不清远处的物体,但对近视眼的成像特点,学生们存在着迷思点.笔者在模拟近视眼实验装置的眼球模型后面巧妙地用锯条开了个小口(如图13所示),以便学生寻找到成像的位置.

师:同学们都知道近视眼看不清远处的物体,远处的物体成像在哪里呢？请同学们试着找找看.(引导学生用光屏在视网膜前后寻找)

图14 近视眼的成像特点

生:(很惊奇)在视网膜前方(如图14所示).

师:想想看,正常人眼把物体成像在哪里？

生:视网膜上.

2.3.2 情境2:近视眼的矫正

师:远处的物体把像成在视网膜前方,说明了什么？

生:光线在视网膜前方就会聚成像了.

师:如果要使物体成像在视网膜上,应该使光线？

生:发散.

师:用什么透镜能实现呢？

生:凹透镜.

师:请同学们拧开瓶盖,轻轻挤压瓶身,再盖紧瓶盖,观察到了什么？

生:矿泉水瓶由于要恢复形状会将透镜中的水往下吸,这时的水透镜成了“凹透镜”.

师:请同学们把制作好的“凹透镜”放在近视眼装置的前方(如图15所示),同学们发现了什么？

图15 近视眼矫正的实验装置

生:视网膜上看到了清晰的像.

师:没找到的同学请轻轻挤压瓶身调节“凹透镜”的焦距,再重新找找看.

生:(很兴奋)找到啦.

师:谁来总结一下,近视眼用什么透镜来矫正？

生:凹透镜.

设计意图:视力的矫正是本片断教学的重难点,单靠教师讲解或者简单的实验演示是不足以帮助学生掌握重点并突破难点的.[5]笔者在自制模拟近视眼实验装置的眼球模型后方巧设开口,引导学生用光屏在视网膜前后寻找清晰的像,再通过两两合作体验近视眼的矫正方法.教学中利用真实的实验情境,让学生经历“观察-思考-交流表达”的思维过程,促进学生思维的提升.

2.4 巧用实验,促进思维迁移

2.4.1 情境1:用自制模拟眼球成像装置模拟远视眼

如图16所示,在矿泉水瓶的瓶身夹上两个夹子模拟远视眼的“晶状体”,提醒学生观察此时“晶状体”比较薄,再引导学生移动F光源感受远视眼只能看清远处的物体而不能看清楚近处的物体.

图16 模拟远视眼的实验装置

图17 远视眼的成像特点

2.4.2 情境2:体验远视眼的成像特点

师:远视眼看不清近处的物体,像又成在哪里呢？同学们再动手找找看.

生:(很兴奋)成像在视网膜后方(如图17所示).

师:对比前面的学习想想看,那又该如何矫正呢？

生:用凸透镜.

师:谁来说说,为什么？

生:凸透镜可以使光线会聚呀.

师:很好,凸透镜可以使光线会聚,从而使物体成像在视网膜上.

2.4.3 情境3:远视眼的矫正

引导学生用力挤压瓶身使瓶中的水进入透镜,把水透镜制作成“凸透镜”.再引导学生把做好的“凸透镜”放在远视眼装置的前方,改变挤压瓶子的力度调整焦距,在视网膜上重新找到清晰的像(如图18所示).引导学生归纳总结远视眼用凸透镜矫正.

图18 远视眼矫正的实验装置

设计意图:教学中不仅要引起思维发生、还要维持思维发展、也需要促进思维向深度提升.[6]通过对比近视眼学习远视眼,引导学生基于实验现象进行分析论证、归纳推理得出结论,使学生经历“观察—分析论证—归纳”的思维活动,加深学生对知识的理解,促进思维的迁移,进而提升科学思维能力.

2.5 学以致用,促进思维拓展

通过图片展示(如图19所示)及生活实例,引导学生思考保护视力的方法.让学生认识到不注意用眼会造成近视,给学习、生活带来很多的不便,启发学生意识到平时要爱护眼睛,做一个爱护眼睛的使者,增强学生的社会责任感.

图19 生活中不良用眼

设计意图:让学生运用所学知识思考如何保护视力,增强学生保护视力的意识,体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,进而拓展学生的思维.

3 结语

课堂教学不仅要提高学生的学习成绩,更重要的是要教给学生解决问题的方法,提高学生的科学思维能力.利用身边的日常生活用品自制教具,取材方便、成本低廉、现象直观.教学中巧用创新实验,让学生亲身体验,能有效帮助学生克服思维障碍,突破教学难点.学生在动手实验过程中通过“观察—思考—分析论证—交流表达”等思维活动,促进学生思维的发展.