如切如磋 如琢如磨
——模擬眼睛屈光不正及矯正實(shí)驗(yàn)的教學(xué)踐行與思考

唐笑年， 付大偉， 諸揮明， 王瀟瀟

（吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心，長(zhǎng)春130021）

0 引 言

新醫(yī)科，是國(guó)家為應(yīng)對(duì)新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革提出的“四新”之一［1］?！靶箩t(yī)科”旨在探索全球工業(yè)革命4.0 和生命科學(xué)革命3.0 背景下的醫(yī)學(xué)教育模式，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)從“生物醫(yī)學(xué)科學(xué)為主要支撐的醫(yī)學(xué)模式”向以“醫(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X 交叉學(xué)科為支撐的醫(yī)學(xué)模式”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)能夠適應(yīng)以人工智能為代表的新一代技術(shù)革命，能夠運(yùn)用交叉學(xué)科知識(shí)解決醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前沿問題的高層次醫(yī)學(xué)創(chuàng)新人才［2-4］。隨著醫(yī)療技術(shù)和醫(yī)學(xué)科研技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)未來從事醫(yī)藥、生命領(lǐng)域研究人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了更高的新要求?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)診療和生命、生物科學(xué)等領(lǐng)域研究中，大量應(yīng)用了物理學(xué)的最新測(cè)量技術(shù)與研究成果［5］；如以近代物理學(xué)原理、技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，可以提供豐富的組織與器官的形態(tài)學(xué)信息以及功能性信息［6］，可見扎實(shí)的物理學(xué)及物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)對(duì)于醫(yī)藥、生命專業(yè)的大學(xué)生是至關(guān)重要的。醫(yī)藥相關(guān)專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工科各專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有其共性，也有其特殊性。面向臨床醫(yī)學(xué)院、藥學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、國(guó)際留學(xué)生等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，公共物理教學(xué)與研究中心開設(shè)的醫(yī)用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門具有鮮明專業(yè)特色的物理學(xué)課程［7］，致力于培養(yǎng)醫(yī)藥、生命類學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)、活躍的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力。課程設(shè)計(jì)中，將物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專業(yè)特色元素充分揉捏呈遞給學(xué)生，并不斷改革教學(xué)模式和教學(xué)方法，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果［8-9］。

指導(dǎo)了相關(guān)專業(yè)近1100 名學(xué)生完成“模擬眼睛屈光不正及矯正”實(shí)驗(yàn)的操作，看似簡(jiǎn)單易操作的實(shí)驗(yàn)中卻不斷遇到問題，回顧總結(jié)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)后續(xù)的教學(xué)改進(jìn)很有必要。

1 實(shí)驗(yàn)原理及操作簡(jiǎn)介

1.1 薄透鏡的成像規(guī)律

理論和實(shí)驗(yàn)都已證明，當(dāng)一發(fā)光體的光線經(jīng)透鏡折射后可成一像。若設(shè)物距為l、像距為l′、透鏡的焦距為f，則三者之間的關(guān)系為：

根據(jù)符號(hào)法則［8］，在利用式（1）進(jìn)行運(yùn)算時(shí)：實(shí)物、實(shí)像的l、l′取正值，虛物、虛像的l、l′取負(fù)值；會(huì)聚透鏡的f取正值，發(fā)散透鏡的f取負(fù)值。

通常用焦度表示薄透鏡會(huì)聚或發(fā)散光線的本領(lǐng)，用Φ表示。若薄透鏡置于空氣中，這時(shí)的焦度為：

在國(guó)際單位制中焦度的單位為m-1，還通常用屈光度作單位，屈光度的符號(hào)為D，1D ＝1 m-1，也可用度作單位，1D ＝100°。

1.2 眼睛的屈光不正及其物理矯正

（1）正視眼的模擬——測(cè)晶狀體（薄透鏡A）的焦距。實(shí)際人眼，晶狀體與視網(wǎng)膜（A與像屏）之間的距離不能改變，眼睛看清楚遠(yuǎn)近不同的物體通過調(diào)節(jié)晶狀體的焦度實(shí)現(xiàn)（見圖1），測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄于表1中。式（1）中，對(duì)晶狀體A，l′A不變，lA、fA改變；而實(shí)驗(yàn)中，fA不變，移動(dòng)A即改變lA、l′A，在像屏上成一清晰倒立的實(shí)像?？梢妼?shí)驗(yàn)中的操作不能完全模擬眼睛，但從眼睛物理意義的角度，可以認(rèn)為改變lA、l′A對(duì)應(yīng)于實(shí)際人眼為看清楚遠(yuǎn)近不同物體調(diào)節(jié)焦度的過程。

（2）軸性近視眼的模擬與矯正——測(cè)量眼鏡（薄透鏡B）的焦距。配鏡的實(shí)質(zhì)是薄透鏡的依次成像原理。將像屏向后移動(dòng)使正視眼的軸長(zhǎng)拉長(zhǎng)，形成軸性近視眼的模擬系統(tǒng)。若在物屏和薄透鏡A 之間、靠近薄透鏡A某一位置放入凹薄透鏡B（近視眼鏡），如圖2 所示，則在像屏上又能形成清晰的像，測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄于表2 中。利用測(cè)得的A的焦距，兩次應(yīng)用式（1），求出近視鏡B的焦距，重復(fù)測(cè)3 次，取其平均值ˉfB。

圖1 正視眼的模擬系統(tǒng)

表1 測(cè)晶狀體（薄透鏡A）焦距的記錄表

圖2 軸性近視眼的模擬系統(tǒng)

表2 測(cè)近視鏡（薄透鏡B）焦距的記錄表

（3）屈光性近視眼的模擬與矯正——測(cè)量眼鏡（薄透鏡D）的焦距?；謴?fù)正視眼模擬系統(tǒng)，用薄透鏡C（fC＝15 cm和fC＝10 cm）替換薄透鏡A，形成屈光性近視眼的模擬系統(tǒng)，佩戴眼鏡D（見圖3），測(cè)得數(shù)據(jù)記錄于表3 中。同上步驟

圖3 屈光性近視眼的模擬系統(tǒng)

表3 測(cè)近視鏡（薄透鏡D）焦距的記錄表

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考

2.1 模擬正視眼環(huán)節(jié)的思考

因lA＋l′A≥4fA，當(dāng)lA＋l′A＝4fA時(shí)，移動(dòng)薄透鏡A（fA＝20 cm）尋找最清晰像，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)見表4。

表4 測(cè)量晶狀體A的焦距（lA ＋l′A ＝4fA） cm

由于實(shí)驗(yàn)儀器精度的局限性或操作者判斷像清晰度的差異性，在小范圍內(nèi)移動(dòng)透鏡A，像都比較清晰，大小有微小差異，在誤差允許的范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果接近。當(dāng)lA＋l′A＞4fA時(shí)，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)見表5。

表5 測(cè)量晶狀體A的焦距（lA ＋l′A ＞4fA） cm

綜上，①判定清晰成像后，無論像的性質(zhì)，都可利用薄透鏡的物像公式算出晶狀體A 的焦距。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生并不知道fA的數(shù)值，考慮到模擬眼睛成像，建議調(diào)出倒立縮小的實(shí)像、記錄數(shù)據(jù)計(jì)算。因此有l(wèi)A＋l′A＞4fA、lA＞2fA同時(shí)成立，實(shí)驗(yàn)中要求物像距離要大于80 cm。②通過實(shí)驗(yàn)或幾何作圖可知，物像之間距離越大，像距和像就越小，為減小計(jì)算誤差，在光具座允許范圍內(nèi)可盡量拉大物像距離，找到倒立、縮小、清晰的實(shí)像進(jìn)行測(cè)量，但像也不要太小以至不易分辨。

2.2 模擬軸性近視眼環(huán)節(jié)的思考

該環(huán)節(jié)中，學(xué)生們對(duì)“重復(fù)3 次測(cè)量”的具體操作持有異議。多數(shù)學(xué)生認(rèn)為：3 次操作中，晶狀體A與視網(wǎng)膜（像屏）距離不能改變，移動(dòng)眼鏡B 和物屏的位置，測(cè)量3 次，物理意義很明顯：同一只眼睛測(cè)量3 次（見表6）。

表6 軸性近視晶狀體與視網(wǎng)膜距離不變的測(cè)量cm

如果改變兩者間距（每次都大于正視眼間距），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7（fB＝50 cm，表5 中，測(cè)得正視眼l′A＝27.6 cm），可見，實(shí)驗(yàn)中可以調(diào)整（拉大）A 與像屏的距離，即為3 次不同的軸性近視眼睛配鏡的測(cè)量。

表7 軸性近視晶狀體與視網(wǎng)膜距離改變的測(cè)量cm

表8 所示是將眼睛（A 與像屏）視作眼鏡（B）的像，與正視眼系統(tǒng)類似分析。

若拋開眼睛的物理意義，即物屏、B、A、像屏都可以移動(dòng)，看到清晰的實(shí)像，即可依據(jù)二次物像公式算得凹薄透鏡B 的焦距及焦度。分析中也可以將B 與A視作透鏡組來考慮。

2.3 模擬屈光性近視眼環(huán)節(jié)的思考

首先還原正視眼晶狀體和視網(wǎng)膜位置（如前92.40 和120.00 cm），將A（fA＝20 cm）鏡直接換為焦度更大的C鏡（fC＝15 cm或fC＝10 cm），此時(shí)A（C）與像屏的距離大于C鏡的1 倍焦距時(shí)，移動(dòng)物屏和眼鏡D（fD＝20 cm）方能找到清晰倒立的實(shí)像（見表9）。以給出的數(shù)據(jù)為例，就回答了直接換上fC＝10 cm C鏡時(shí)，為什么學(xué)生們找不到倒立縮小的實(shí)像這個(gè)問題。

模擬近視眼過程為例，以上都是學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇見的問題，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手、討論、積極思考，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解理論與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｃ鎸?duì)醫(yī)藥、生命專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)，力求與實(shí)際結(jié)合更緊密，建議購(gòu)置薄透鏡組，為看清遠(yuǎn)近不同物體，插入或撤去薄透鏡鏡片、即改變眼鏡焦度，模擬實(shí)際配鏡過程。學(xué)生同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)室模擬及實(shí)際配鏡過程，會(huì)對(duì)眼睛的屈光及配鏡問題理解更透徹。

表8 模擬正視眼與軸性近視眼實(shí)驗(yàn)室與眼鏡店比較

表9 屈光性近視眼的配鏡測(cè)量 cm

3 對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考

3.1 育思政元素于析萬物之理

“今天大家仿佛走進(jìn)了一家眼鏡店。俗話說：眼睛是心靈的窗口，人人都應(yīng)該保護(hù)好它，也有責(zé)任善待它……”。實(shí)驗(yàn)講解既與學(xué)生專業(yè)緊密融合又注重思政元素的無痕滲透［10-12］。物理實(shí)驗(yàn)過程很多是人類物理知識(shí)獲得過程的濃縮再現(xiàn)［13-14］，實(shí)驗(yàn)中，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)相結(jié)合的意識(shí)和方法；引導(dǎo)、鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手、善于發(fā)現(xiàn)問題；勤于思考、分析問題；小組討論、再動(dòng)手、解決問題。培養(yǎng)敢于試錯(cuò)、實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。整理學(xué)生操作中發(fā)現(xiàn)的典型問題，作為下一次課堂小組討論題目，引導(dǎo)積極互動(dòng)和深度思考。課后，筆者會(huì)布置的一道思考題是這樣的：自己寫一句或查找一句描寫眼睛的話，時(shí)刻提醒學(xué)生增強(qiáng)體質(zhì)、愛護(hù)眼睛，同時(shí)也提高了學(xué)生投入實(shí)驗(yàn)的熱情。

3.2 引入feedforward方法

“feedforward”原意“前饋”，這里意為：教師給予學(xué)生積極的、不斷推動(dòng)學(xué)生向前的、朝著更好方向發(fā)展的反饋（見圖4），即feedforward ＝give feedback and push forward，是一種潛在的教學(xué)方法。它的特點(diǎn)是：教師給予學(xué)生的建議或方法，是朝向教學(xué)目標(biāo)的、及時(shí)的、中肯的、樂觀積極正向的、效果或許是滯后的或遠(yuǎn)期體現(xiàn)的，不一定是立竿見影的。包括口頭或書面形式。如，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，有學(xué)生經(jīng)常問：在移動(dòng)物、像或薄透鏡A時(shí)，發(fā)現(xiàn)像的大小有變化，這是否影響計(jì)算結(jié)果呢？（對(duì)于非物理專業(yè)學(xué)生提出這樣的問題是正常的，并不是他們的物理基礎(chǔ)薄弱，而是部分學(xué)生認(rèn)為他們主修的專業(yè)與物理學(xué)科相關(guān)性不大，從而投入精力和努力較少的結(jié)果；或沒能將高中和大學(xué)物理知識(shí)結(jié)合起來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）。教師不會(huì)因問題的淺顯而出現(xiàn)不適的表情，“嗯，觀察到這種現(xiàn)象了，不妨和鄰桌的同學(xué)討論一下，或一個(gè)人調(diào)出大像、另一人調(diào)出小像分別計(jì)算一下，就會(huì)有初步的結(jié)論了?！痹賳栐倌托牡匾龑?dǎo)、推動(dòng)，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。即：先接納，再正向建議（如果能……就應(yīng)該更好了）的模式來激勵(lì)學(xué)生一步一步向著更好的方向改進(jìn)、發(fā)展。

圖4 feedforward方法圖示

潛移默化的feedforward 方法［15］增強(qiáng)了學(xué)生的自信心、激發(fā)了學(xué)習(xí)動(dòng)力、提高了學(xué)習(xí)效果，實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量較高；學(xué)生積極報(bào)名參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索。

4 結(jié) 語

“模擬眼睛屈光不正及矯正”的實(shí)驗(yàn)中，踐行學(xué)生自主動(dòng)手、探索學(xué)習(xí)為主，教師啟迪引導(dǎo)為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，注重實(shí)驗(yàn)過程而非最終結(jié)果。引領(lǐng)學(xué)生走出“重分?jǐn)?shù)、輕能力”的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)誤區(qū)。無痕滲透思政元素和“feedforward”教學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力、提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。文章對(duì)實(shí)驗(yàn)本身和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了思考和總結(jié)。物含妙理總堪尋、百轉(zhuǎn)千回只為真，面向醫(yī)藥、生命類學(xué)生的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革一直在路上，努力通過物理實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)踐與錘煉，向未來相關(guān)醫(yī)藥、生命領(lǐng)域輸送具有縝密物理思維、較強(qiáng)動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的卓越人才。