“视觉形成”模拟实验的创新设计及应用

江苏省无锡市蠡园中学(214072) 姚国平

生物学具有自然科学的属性，是研究生命现象和生命活动规律的科学。对于初中阶段学生来说，生理学知识往往是学习的难点，一般通过优化教学手段来化解。“眼与视觉”一节的教学中，苏科版教材安排了物理学中的“双凸透镜成像”实验，试图以实验的直观手段让学生跨越认知障碍，这种可视化的方式的确带来了良好的教学效果。但该实验仅能模拟眼球成像，不能演示整体视觉的形成过程。且实验中凸透镜曲度不能随意变化，难以客观演示人体通过晶状体调节曲度来看清远近不同的物体，也不能演示近视眼的形成。为了弥补教材模拟实验的不足之处，笔者运用传统生物模型，结合现代电子技术，融合物理学原理，对该实验进行了创新设计，以期获得更好的学习体验和学习效果。

1 器材准备

1.1 网购器材

①LED流水追光线性灯(灯带套装：8节电池盒、手控开关、1 m裸板灯带)；②F型成像光源；③带注射器的水透镜套装(直径和眼球模型内晶状体直径差不多大小，如图1所示)。

图1 水透镜套装

1.2 实验室器材

眼球模型、脑模型。

1.3 日常生活器材

近视眼镜镜片。

2 模型制作

(1)在眼球模型的“晶状体”部位安装水透镜，在“视网膜”处粘贴圆形纸片(便于清晰成像)。

(2)将大脑皮层“视觉中枢”和眼球模型的“视神经”用流水追光线性灯带连接，并用热熔枪固定，如图2所示。

图2 “视觉形成”模拟实验装置图

3 模拟实验

3.1 模拟眼球的成像

打开F型成像光源，调节适当的高度以及与眼球的距离，使其在圆纸片(视网膜)上清晰成像(倒立的“F”)，模拟正常眼球的成像过程。将F光源放近或者放远，物像模糊，然后推拉注射器，改变水透镜曲度(调节焦距)，物像重新清晰，模拟人眼通过调节晶状体曲度观察远近不同的物体。

3.2 模拟视觉的形成

流水追光线性灯带有多种模式选择，在模式控制面板选择“跑马流水的效果”这一模式。灯带的LED灯依次循环闪亮，模拟兴奋以神经冲动的形式沿着视神经传导到视觉中枢，从而形成视觉。

3.3 模拟近视的形成

推动注射器活塞，向水透镜内注入水，水透镜曲度变大(焦距变小)，物像逐渐模糊，模拟近视眼的形成。

3.4 模拟近视的矫正

在眼球正前方适当距离安放近视眼镜镜片(或直接取用学生佩戴的眼镜)，物像重新清晰，模拟近视眼可佩戴凹透镜进行矫正。

4 模型解释

结合物理学知识，绘制以下示意图进行科学解释。

图3表示正常眼成像。正常情况下观察一定距离内的物体，人体可通过调节晶状体的曲度，使物体反射的光线经过折射后汇聚在视网膜上，从而形成清晰的物像。物像刺激了视网膜上的感光细胞，使感光细胞产生与视觉有关的信息，这些信息经过视神经传导到大脑皮质的视觉中枢，就形成了物像。

图3 正常眼成像

图4表示近视眼成像。如果平时用眼习惯不良，就会增加晶状体的调节负担，导致它的曲度过大，结果使物像落在视网膜的前方，造成视网膜上的物像比较模糊，人就看不清远处的物体，形成假性近视。

图4 近视眼成像

图5表示近视眼的矫正。凹透镜对光线有发散作用，近视眼镜镜片中央薄，周边厚，属于凹透镜。佩戴近视眼镜，可以使远处物体反射的光线先经过凹透镜的发散作用，再经过晶状体的折射，这样就能使物像落在视网膜上，人眼就能清晰地看到物像。

图5 近视眼的矫正

5 设计及应用反思

5.1 学科本体的实验设计

苏科版教材安排的“双凸透镜成像”实验，是物理学中的经典实验。如果学生不具备(物理学中透镜知识的学习滞后于生物学)基本的物理学知识、实验技能，在生物课中进行物理学现象的探究，无疑会增加学习的难度、徒增学习的成本(除非有充足的学时开展跨学科学习)。而经过改进的模型，更加接近生物体原型，探究的情境性更强、学科味更浓，操作也更为方便。

5.2 技术价值的高能释放

本实验中，运用水透镜能调节曲度的技术，逼真地呈现了视觉形成和近视眼形成的过程，更接近于眼球的自然生理现象；设置好LED流水追光线性灯的闪亮模式，形象地展示了神经冲动的传导方式。这两项技术作用于教学实践，突破了原有的认知局限，有利于学生准确感知生理过程，极大地提高学习效率，彰显了技术的工具性价值。

5.3 模型思维的深度培育

为了对客观世界建立更清晰的认知，我们需要建立模型思维习惯。课堂教学中引导学生构建各类模型，可以帮助学生更好地整理信息，制定更好的分析和解决问题的策略，有助于他们透过现象看本质。上述案例中的模拟实验，通过结构模型的演示，学生建立了眼球成像及视觉形成原理的过程模型，实际上是获得了充分的生物学事实证据。在此基础上，引导学生运用示意图这种简化模型作出科学解释，学习就不仅止于“然”，更是知其“然”。这样，不仅能发展学生的科学解释能力，更能提高学生的模型化思维能力。

5.4 跨学科概念的密切关联

核心素养是综合性的，跨学科概念对于学生形成核心素养非常重要。因此，学科教学需要在夯实学科核心概念的基础上，密切联系跨学科概念。显然，案例中“眼球成像”原理的深度理解离不开小孔成像、凸透镜成像等物理学概念的支撑，当然我们只是站在生物学科的视角来融合运用这些概念，而非僭越物理学科。