如切如磋 如琢如磨
——模擬眼睛屈光不正及矯正實驗的教學踐行與思考

唐笑年， 付大偉， 諸揮明， 王瀟瀟

（吉林大學公共物理教學與研究中心，長春130021）

0 引 言

新醫科，是國家為應對新科技革命和產業變革提出的“四新”之一［1］?！靶箩t科”旨在探索全球工業革命4.0 和生命科學革命3.0 背景下的醫學教育模式，實現醫學從“生物醫學科學為主要支撐的醫學模式”向以“醫文、醫工、醫理、醫X 交叉學科為支撐的醫學模式”轉變，培養能夠適應以人工智能為代表的新一代技術革命，能夠運用交叉學科知識解決醫學領域前沿問題的高層次醫學創新人才［2-4］。隨著醫療技術和醫學科研技術的不斷進步，對未來從事醫藥、生命領域研究人員的知識結構提出了更高的新要求?，F代醫學診療和生命、生物科學等領域研究中，大量應用了物理學的最新測量技術與研究成果［5］；如以近代物理學原理、技術為基礎的現代醫學影像技術已經廣泛應用于臨床醫學各個領域，可以提供豐富的組織與器官的形態學信息以及功能性信息［6］，可見扎實的物理學及物理實驗基礎對于醫藥、生命專業的大學生是至關重要的。醫藥相關專業的物理實驗教學與工科各專業的實驗教學有其共性，也有其特殊性。面向臨床醫學院、藥學院、生命科學學院、國際留學生等相關專業的學生，公共物理教學與研究中心開設的醫用大學物理實驗是一門具有鮮明專業特色的物理學課程［7］，致力于培養醫藥、生命類學生良好的科學素養、活躍的創造性思維和實踐創新能力。課程設計中，將物理實驗內容與專業特色元素充分揉捏呈遞給學生，并不斷改革教學模式和教學方法，提高學習興趣和學習效果［8-9］。

指導了相關專業近1100 名學生完成“模擬眼睛屈光不正及矯正”實驗的操作，看似簡單易操作的實驗中卻不斷遇到問題，回顧總結該實驗教學，對后續的教學改進很有必要。

1 實驗原理及操作簡介

1.1 薄透鏡的成像規律

理論和實驗都已證明，當一發光體的光線經透鏡折射后可成一像。若設物距為l、像距為l′、透鏡的焦距為f，則三者之間的關系為：

根據符號法則［8］，在利用式（1）進行運算時：實物、實像的l、l′取正值，虛物、虛像的l、l′取負值；會聚透鏡的f取正值，發散透鏡的f取負值。

通常用焦度表示薄透鏡會聚或發散光線的本領，用Φ表示。若薄透鏡置于空氣中，這時的焦度為：

在國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——測晶狀體（薄透鏡A）的焦距。實際人眼，晶狀體與視網膜（A與像屏）之間的距離不能改變，眼睛看清楚遠近不同的物體通過調節晶狀體的焦度實現（見圖1），測得的數據記錄于表1中。式（1）中，對晶狀體A，l′A不變，lA、fA改變；而實驗中，fA不變，移動A即改變lA、l′A，在像屏上成一清晰倒立的實像?？梢妼嶒炛械牟僮鞑荒芡耆M眼睛，但從眼睛物理意義的角度，可以認為改變lA、l′A對應于實際人眼為看清楚遠近不同物體調節焦度的過程。

（2）軸性近視眼的模擬與矯正——測量眼鏡（薄透鏡B）的焦距。配鏡的實質是薄透鏡的依次成像原理。將像屏向后移動使正視眼的軸長拉長，形成軸性近視眼的模擬系統。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，測得的數據記錄于表2 中。利用測得的A的焦距，兩次應用式（1），求出近視鏡B的焦距，重復測3 次，取其平均值ˉfB。

圖1 正視眼的模擬系統

表1 測晶狀體（薄透鏡A）焦距的記錄表

圖2 軸性近視眼的模擬系統

表2 測近視鏡（薄透鏡B）焦距的記錄表

（3）屈光性近視眼的模擬與矯正——測量眼鏡（薄透鏡D）的焦距?；謴驼曆勰M系統，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，佩戴眼鏡D（見圖3），測得數據記錄于表3 中。同上步驟

圖3 屈光性近視眼的模擬系統

表3 測近視鏡（薄透鏡D）焦距的記錄表

2 對實驗的思考

2.1 模擬正視眼環節的思考

因lA＋l′A≥4fA，當lA＋l′A＝4fA時，移動薄透鏡A（fA＝20 cm）尋找最清晰像，實測的數據見表4。

表4 測量晶狀體A的焦距（lA ＋l′A ＝4fA） cm

由于實驗儀器精度的局限性或操作者判斷像清晰度的差異性，在小范圍內移動透鏡A，像都比較清晰，大小有微小差異，在誤差允許的范圍內計算結果接近。當lA＋l′A＞4fA時，實測的數據見表5。

表5 測量晶狀體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，都可利用薄透鏡的物像公式算出晶狀體A 的焦距。實驗中，學生并不知道fA的數值，考慮到模擬眼睛成像，建議調出倒立縮小的實像、記錄數據計算。因此有lA＋l′A＞4fA、lA＞2fA同時成立，實驗中要求物像距離要大于80 cm。②通過實驗或幾何作圖可知，物像之間距離越大，像距和像就越小，為減小計算誤差，在光具座允許范圍內可盡量拉大物像距離，找到倒立、縮小、清晰的實像進行測量，但像也不要太小以至不易分辨。

2.2 模擬軸性近視眼環節的思考

該環節中，學生們對“重復3 次測量”的具體操作持有異議。多數學生認為：3 次操作中，晶狀體A與視網膜（像屏）距離不能改變，移動眼鏡B 和物屏的位置，測量3 次，物理意義很明顯：同一只眼睛測量3 次（見表6）。

表6 軸性近視晶狀體與視網膜距離不變的測量cm

如果改變兩者間距（每次都大于正視眼間距），實驗數據見表7（fB＝50 cm，表5 中，測得正視眼l′A＝27.6 cm），可見，實驗中可以調整（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量。

表7 軸性近視晶狀體與視網膜距離改變的測量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，看到清晰的實像，即可依據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節的思考

首先還原正視眼晶狀體和視網膜位置（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A（C）與像屏的距離大于C鏡的1 倍焦距時，移動物屏和眼鏡D（fD＝20 cm）方能找到清晰倒立的實像（見表9）。以給出的數據為例，就回答了直接換上fC＝10 cm C鏡時，為什么學生們找不到倒立縮小的實像這個問題。

模擬近視眼過程為例，以上都是學生實驗中遇見的問題，引導學生動手、討論、積極思考，通過實驗現象理解理論與實驗的聯系，達成實驗目的。面對醫藥、生命專業特點設計該實驗，力求與實際結合更緊密，建議購置薄透鏡組，為看清遠近不同物體，插入或撤去薄透鏡鏡片、即改變眼鏡焦度，模擬實際配鏡過程。學生同時完成實驗室模擬及實際配鏡過程，會對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驗室與眼鏡店比較

表9 屈光性近視眼的配鏡測量 cm

3 對實驗教學的思考

3.1 育思政元素于析萬物之理

“今天大家仿佛走進了一家眼鏡店。俗話說：眼睛是心靈的窗口，人人都應該保護好它，也有責任善待它……”。實驗講解既與學生專業緊密融合又注重思政元素的無痕滲透［10-12］。物理實驗過程很多是人類物理知識獲得過程的濃縮再現［13-14］，實驗中，注重培養學生掌握理論學習和實驗科學相結合的意識和方法；引導、鼓勵學生自己動手、善于發現問題；勤于思考、分析問題；小組討論、再動手、解決問題。培養敢于試錯、實事求是、嚴謹的科學態度及團隊協作精神。整理學生操作中發現的典型問題，作為下一次課堂小組討論題目，引導積極互動和深度思考。課后，筆者會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，時刻提醒學生增強體質、愛護眼睛，同時也提高了學生投入實驗的熱情。

3.2 引入feedforward方法

“feedforward”原意“前饋”，這里意為：教師給予學生積極的、不斷推動學生向前的、朝著更好方向發展的反饋（見圖4），即feedforward ＝give feedback and push forward，是一種潛在的教學方法。它的特點是：教師給予學生的建議或方法，是朝向教學目標的、及時的、中肯的、樂觀積極正向的、效果或許是滯后的或遠期體現的，不一定是立竿見影的。包括口頭或書面形式。如，在實驗測量中，有學生經常問：在移動物、像或薄透鏡A時，發現像的大小有變化，這是否影響計算結果呢？（對于非物理專業學生提出這樣的問題是正常的，并不是他們的物理基礎薄弱，而是部分學生認為他們主修的專業與物理學科相關性不大，從而投入精力和努力較少的結果；或沒能將高中和大學物理知識結合起來解釋實驗現象）。教師不會因問題的淺顯而出現不適的表情，“嗯，觀察到這種現象了，不妨和鄰桌的同學討論一下，或一個人調出大像、另一人調出小像分別計算一下，就會有初步的結論了。”再問再耐心地引導、推動，直至達到實驗目的。即：先接納，再正向建議（如果能……就應該更好了）的模式來激勵學生一步一步向著更好的方向改進、發展。

圖4 feedforward方法圖示

潛移默化的feedforward 方法［15］增強了學生的自信心、激發了學習動力、提高了學習效果，實驗操作和實驗報告完成質量較高；學生積極報名參與創新實驗項目的探索。

4 結 語

“模擬眼睛屈光不正及矯正”的實驗中，踐行學生自主動手、探索學習為主，教師啟迪引導為輔的實驗教學模式，培養學生發現并解決問題的能力，注重實驗過程而非最終結果。引領學生走出“重分數、輕能力”的教學模式和學習誤區。無痕滲透思政元素和“feedforward”教學方法，培養科學素養、激發學習動力、提高學習興趣和學習效果。文章對實驗本身和實驗教學進行了思考和總結。物含妙理總堪尋、百轉千回只為真，面向醫藥、生命類學生的大學物理實驗教學改革一直在路上，努力通過物理實驗過程的實踐與錘煉，向未來相關醫藥、生命領域輸送具有縝密物理思維、較強動手能力和團隊協作精神的卓越人才。