視覺形成模擬發(fā)生器的設計與制作

沈方圓

摘要 針對“眼與視覺”一課教學過程中發(fā)現的問題，結合教學目標，設計并制作了一種視覺形成模擬發(fā)生器，可以動態(tài)、直觀、整體地進行相關演示，幫助學生理解視覺形成的過程及近視的成因，培養(yǎng)學生的生物學核心素養(yǎng)。

關鍵詞? 視覺形成模擬發(fā)生器眼球視覺形成近視成因

中圖分類號 G633.91??????????? 文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0066-02

“眼與視覺”是蘇科版生物學教材八年級上冊第六單元第十六章第二節(jié)“人體對信息的感知”中的重點內容。教學中，教師可借助可拆裝眼球模型、雙凸透鏡成像實驗、視覺形成示意圖等學習支架幫助學生了解眼球的結構、視覺的形成過程以及近視成因。在實際教學中，教師發(fā)現，學生在理解上存在誤區(qū)，進而產生了一些錯誤概念，如光線由虹膜進入眼球內部、視覺形成于視網膜等。這些錯誤概念是由眼球模型只具備靜態(tài)展示功能而不具備動態(tài)調節(jié)功能，且學習支架之間彼此獨立，尚未構成整體造成的。教師結合學生學習過程中出現的問題，設計制作了一種視覺形成模擬發(fā)生器（以下簡稱擬發(fā)器），幫助學生正確理解眼球各部分結構的功能以及視覺形成的過程。

1 視覺形成模擬發(fā)生器的設計

在設計過程中，教師首先分析了借助于擬發(fā)器所需解決的教學問題：①眼球成像模型可調節(jié)化。②視覺形成過程整體化。③近視成因直觀化。接著，教師再結合具體的問題，對擬發(fā)器進行設計優(yōu)化。該擬發(fā)器由三部分組成，包括眼球成像、視神經傳導及視覺形成（圖1）。

1.1眼球成像

眼球結構復雜，為了便于學生能夠整體感知眼球的立體形狀與內部結構，教師對現有的眼球儀進行了簡單優(yōu)化，使其具備動態(tài)調節(jié)功能。教師的具體操作如下：①將眼球儀中的虹膜置換成可調節(jié)光圈，用以模擬人眼瞳孔大小的調節(jié)。②將眼球儀中的晶狀體置換成注水透鏡，用以模擬人眼在看遠近物體時晶狀體曲度的調節(jié)。③在眼球儀視網膜上粘貼一張白色硬紙片，讓學生能夠清晰地觀察到成像結果。在教學過程中，教師用“F”光源代替蠟燭置于眼球儀前方，并將眼球儀的部分眼球壁打開，調節(jié)注水透鏡中的水量，從而使學生可清晰地觀察到“視網膜”上所形成的倒立縮小物象“?”。

1.2視神經傳導

教材中關于視神經的描述較少：物象刺激了視網膜上的感光細胞，使感光細胞產生與視覺有關的信息，這些信息經過視神經傳導到大腦皮質的視覺中樞，就形成了視覺。通過簡單的描述以及靜態(tài)圖片的展示，學生無從知曉感光細胞是如何產生視覺相關信息的，更無從知曉視神經的傳導過程。教師使用光敏傳感器模擬感光細胞，LED燈帶模擬視神經，將5V光控繼電器開關（含光敏傳感器）、5V LED燈帶、電源串聯在電路中。當“F”光源打開時，眼球儀成像，置于“視網膜”前的光敏傳感器會感受到光，使電路導通，燈帶亮起，從而模擬展示了視覺信息的產生及視神經的傳導過程。

1.3 視覺形成

視覺形成于大腦皮質的視覺中樞。學生因為無法直觀地感知視覺的形成過程而產生了一些錯誤概念，如視覺形成于視網膜。為幫助學生正確構建視覺形成的概念，教師在模擬視神經的LED 燈帶后連接大腦的結構示意圖，并在大腦示意圖后方視覺中樞的位置用LED 燈帶黏貼形成“F”字樣，電焊連通，使其串聯在電路中，隨電路的導通共同亮起，從而模擬視覺中樞形成視覺的過程。

2 視覺形成模擬發(fā)生器的制作

教師以眼球儀、可調節(jié)光圈、注水透鏡、白色紙片、F 光源、5V 光控繼電器開關、5V LED 燈帶、電源、硬紙板、大腦結構示意圖、電烙鐵工具包、膠槍等為材料，進行擬發(fā)器的組裝，并探究其使用方法。

2.1? 擬發(fā)器的組裝

在組裝擬發(fā)器時，教師首先將眼球儀中的晶狀體與虹膜分別置換成注水透鏡和可調節(jié)光圈，用膠槍固定，并在眼球儀視網膜的位置粘貼一張白色硬紙片。接著，教師使用電烙鐵將 LED 燈帶連接成“F”型，將5V 光控繼電器開關、5V LED 燈帶、“F”型 LED 燈帶、電源串聯在電路中。最后，教師將“F”光源置于眼球儀前方，眼球儀居中，并在其后方放置粘貼于硬紙板上的LED 燈帶，燈帶末端連接粘貼有“F”型LED 燈帶的大腦結構模式圖，最終形成一個完整的擬發(fā)器。

2.2 使用方法

2.2.1? 眼球儀的調節(jié)

教師通過調節(jié)注水透鏡中的水量，以及“F”光源的遠近，來模擬眼球在觀看遠近物體時晶狀體的曲度變化。“F”光源越遠，注水透鏡中所需注水量越少，晶狀體的曲度越??；“F”光源越近，注水透鏡中所需注水量越多，晶狀體的曲度越大。

瞳孔的放大縮小可通過調節(jié)光圈的大小來模擬?？烧{節(jié)光圈越大，“F”光源在“視網膜”（白色硬紙片）上所成的像越亮；可調節(jié)光圈越小，“F”光源在“視網膜”上所成的像越暗（圖2）。

2.2.2 視覺形成

教師在注水透鏡中加入30 mL 水量，將可調光圈調至最大，打開“F”光源，調整位置，使眼球儀的“視網膜”上呈現一個清晰的倒立縮小的像“?”。接著，教師進一步將5V 光控繼電器開關中的光敏傳感器靠近倒立的像“?”，串聯電路導通時，5V LED 燈帶亮起，大腦結構示意圖視覺中樞中的“F”型 LED 燈帶同時亮起，完整的視覺形成過程得以展現（圖3）。

2.2.3 近視的成因

教師在注水透鏡中加入30 mL 水量，將可調光圈調至最大，打開“F”光源，調整位置，使眼球儀的視網膜上呈現一個清晰倒立的像“?”。接著，教師在注水透鏡中再加入10 mL 清水，凸透鏡曲度變大，視網膜上倒立縮小的像“?”變得模糊，當教師將眼球儀中的“視網膜”前移時，則所成的像又變得清晰（圖4）。

3 視覺形成模擬發(fā)生器的優(yōu)勢

（1）可調節(jié)化：在擬發(fā)器中，原本眼球儀中靜態(tài)的晶狀體、虹膜結構被置換成注水透鏡和可調節(jié)光圈，使構成眼球的部分結構具有了動態(tài)調節(jié)的功能，有利于展示眼球成像的過程。

（2）整體化：區(qū)別于教材中分階段展示視覺形成的過程，該擬發(fā)器將視覺的形成過程整體化，使視覺的形成過程完整地展現在學生眼前，降低了學生學習的難度，便于學生理解和正確掌握相關概念。

（3）直觀化：擬發(fā)器將視覺的形成過程與近視的成因可視化，原本抽象的生物學概念借助擬發(fā)器得以直觀化，一目了然地展現在學生的眼前，學生可反復使用擬發(fā)器加深對相關內容的理解。

參考文獻：

萬小榮，王芳芳.一種視覺形成模擬器的研發(fā)[J].中學生物教學，2021，348（7）：50-51.