模擬眼球成像原理與近視遠(yuǎn)視成因教學(xué)具開發(fā)制作研究

黃平生

問題的提出

牛津上海版初中《科學(xué)》教材第十一章中“視覺——近視與遠(yuǎn)視”教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供了探索學(xué)習(xí)眼球如何成像、近視遠(yuǎn)視如何形成、如何對(duì)近視與遠(yuǎn)視進(jìn)行視力矯正等科學(xué)知識(shí)，但是有為數(shù)不少的學(xué)生較難理解教材有關(guān)近視患者“遠(yuǎn)處的物體在視網(wǎng)膜前面成像”、遠(yuǎn)視患者“近處的物體在視網(wǎng)膜后面成像”的表述。如何讓學(xué)生直觀地看到眼球視網(wǎng)膜是怎樣獲得一個(gè)倒像，如何清晰而直觀地再現(xiàn)近視與遠(yuǎn)視的成因、研究近視遠(yuǎn)視的矯正過程等，以方便一線科學(xué)教師開展教學(xué)、降低教學(xué)難度，就成為本項(xiàng)目的研究問題而提出。

模擬眼球成像教學(xué)具制作研究

可移動(dòng)成像屏的設(shè)置

選用球形塑料瓶代表眼球的玻璃體，將塑料瓶一側(cè)（規(guī)定為眼球后側(cè)）瓶壁以豎直面切割出直徑約4cm的1塊碗形塑料圓片。將該圓片用砂皮紙打毛或噴上白漆處理，使圓片成為成像屏以代表視網(wǎng)膜；圓片豎起，其下端固定在塑料滑條的前端。裁剪廢棄礦泉水瓶壁材料折成梯形槽，水平固定在剪下瓶后壁圓片所留出的球形塑料瓶圓孔的下端，把一端托起圓片成像屏的塑料滑條嵌入梯形滑槽內(nèi)，制成成像屏可前后移動(dòng)的模擬眼球視網(wǎng)膜。如圖1至圖3。

眼球玻璃體、晶狀體透鏡、矯正透鏡的一線排列固定

在模擬眼球的球形塑料瓶下端，設(shè)置1塊長(zhǎng)條有機(jī)玻璃片，在有機(jī)玻璃片的中線上測(cè)算好距離，打出眼球球形瓶固定孔、晶狀體透鏡換插孔、矯正透鏡換插孔，并粘上透鏡支架管做成透鏡基座。選用成像焦距合適的3款厚度不同的凸透鏡標(biāo)以1、2、3號(hào)透鏡，分別表示較厚晶狀體、較薄晶狀體和更薄晶狀體，以可選擇方式插管固定在模擬眼球玻璃體的塑料瓶的前端，使凸透鏡緊貼球形塑料瓶，分別代表近視和遠(yuǎn)視時(shí)的晶狀體。分別選用一款焦距合適的凸透鏡和凹透鏡代表矯正眼鏡片，以可選擇狀態(tài)插孔固定設(shè)置在凸透鏡前端2～3 cm處，代表近視或遠(yuǎn)視的矯正眼鏡。

物成像光源裝置

將發(fā)光LED在電路板上排成一“上”字并設(shè)計(jì)好電路圖，用電烙鐵將發(fā)光LED、鋰電池及相關(guān)電路元件焊接在電路板上，制成發(fā)光顯示的“上”字成像光源，電路板用塑料管支撐固定。

模擬眼球與成像實(shí)物固定

將球形透明塑料瓶、成像屏、凸透鏡、矯正透鏡等做好的模擬眼球整體結(jié)構(gòu)固定在基座底板的一端（后端），“上”字LED成像光源固定在底板另一端（前端），使模擬眼球玻璃體、成像屏、凸透鏡與電子顯示“上”字光源排成一直線，同時(shí)按實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的要求，在底座板中間以適當(dāng)距離設(shè)置近視時(shí)清晰成像的實(shí)物L(fēng)ED放置點(diǎn)和矯正成像清晰時(shí)實(shí)物L(fēng)ED放置點(diǎn)，即完成“視網(wǎng)膜”可前后移動(dòng)的模擬眼球?qū)嶒?yàn)學(xué)具的制作（見圖4）。

實(shí)驗(yàn)學(xué)具探究活動(dòng)的使用討論

正常眼球近視與遠(yuǎn)視的成像探究

正常眼球的遠(yuǎn)視成像。選用2號(hào)透鏡（焦距6.5 cm），成像

比較所選透鏡厚度與成像光源距離模擬眼球的位置，同時(shí)比較成像屏上物像的大小，體驗(yàn)正常眼球的近視與遠(yuǎn)視的成像特征。

近視眼球的遠(yuǎn)視成像探究

近視的成像位置。選用1號(hào)透鏡代表近視者較厚的晶狀體，成像屏初始位置同上，位于位置0；將“上”字紅色LED成像光源由近及遠(yuǎn)慢慢遠(yuǎn)離透鏡而移動(dòng)，移動(dòng)到距透鏡13.5～17.5cm范圍，此時(shí)在成像屏上看到一個(gè)清晰的倒“丁”字（15.5 cm處最清晰），表示近視者可看清近處物體；繼續(xù)移動(dòng)“上”字成像光源到50cm處固定，此時(shí)在成像屏上看到的是一片模糊的紅光；向球形塑料瓶?jī)?nèi)推動(dòng)塑料滑條移動(dòng)成像屏（約2cm），直到在成像屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的倒“丁”字后停止推動(dòng)，記錄成像屏的位置標(biāo)記為1。觀察體驗(yàn)近視患者注視遠(yuǎn)物時(shí)，清晰成像的落點(diǎn)已在成像屏（視網(wǎng)膜）原來位置之前。

近視矯正模擬。在1號(hào)透鏡前放置矯正凹透鏡，將上述實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中內(nèi)推的塑料條外拉，讓成像屏后退移動(dòng)，直至成像屏上再現(xiàn)一個(gè)清晰的倒“丁”字時(shí)停止移動(dòng)，觀察成像屏的位置發(fā)現(xiàn)，成像屏已經(jīng)復(fù)位到位置0，此為近視患者使用凹透鏡矯正提高視力理論原理的實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。

遠(yuǎn)視眼球的近視成像探究

遠(yuǎn)視的成像位置。選用3號(hào)透鏡（焦距9cm）代表遠(yuǎn)視者較薄的晶狀體，成像屏初始位置同上，位于位置0；將“上”字紅色LED成像光源移動(dòng)到距透鏡50cm處固定，此時(shí)在成像屏上看到的也是一片模糊的紅光。向球形塑料瓶外拉動(dòng)塑料滑條，使成像屏移動(dòng)到球形塑料瓶之外（約3 cm），直到在成像屏上出現(xiàn)一個(gè)清晰的倒“丁”字后停止推動(dòng)，記錄成像屏的位置標(biāo)記為2，觀察體驗(yàn)遠(yuǎn)視患者注視近物時(shí)，清晰成像的落點(diǎn)已在成像屏（視網(wǎng)膜）原來位置之后。

創(chuàng)新點(diǎn)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)具克服了傳統(tǒng)光具座實(shí)驗(yàn)器具只見透鏡與光屏而不見眼球——透鏡與光屏（視網(wǎng)膜）在眼球內(nèi)的直觀位置的缺陷，創(chuàng)造性地將圓片成像屏安裝在眼球模型的塑料球形瓶后側(cè)的滑槽中，使代表眼球視網(wǎng)膜的圓片成像屏可以前后移動(dòng)，方便學(xué)生直觀地理解眼球的成像、近視遠(yuǎn)視患者眼球內(nèi)成像模糊的原因與矯正的原理方法等。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該項(xiàng)目原理科學(xué)，構(gòu)思巧妙。幫助學(xué)生直觀理解眼球的成像原理與特征，弄清近視和遠(yuǎn)視成像模糊的原因。學(xué)具制作規(guī)范，教學(xué)效果明顯，有示范推廣價(jià)值。希望該項(xiàng)目在工藝方面進(jìn)一步提高。