“眼睛和眼鏡”演示儀的創新設計與實踐

姚棋苧 張華

摘? ?要：通過對“眼睛和眼鏡”的教學，發現教材直接通過圖片展示近視眼和遠視眼的成像特點及矯正方法，缺少具體的實驗演示和詳細的理論解釋。由于近視眼、遠視眼的成因和矯正比較抽象，導致學生理解存在一定的困難。主要介紹“眼睛和眼鏡”演示儀的設計和制作方法以及在教學中的實踐應用，利用自制教具可以全面探究眼睛成像原理及其矯正的實驗規律，有效突破教學重難點。

關鍵詞：眼睛和眼鏡；實驗教具；水透鏡；視力矯正

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）9-0077-4

收稿日期：2023-06-10

基金項目：重慶市教育科學“十三五”規劃2019年度重點有經費課題“基于項目化學習的初中物理Genius Hour學習策略研究”（2019-14-076）。

作者簡介：姚棋苧（1994-），男，中學二級教師，主要從事初中物理教學工作。

*通信作者：張華（1973-），女，中學高級教師，特級教師，主要從事中學物理課程與教學、評價等研究。

“眼睛和眼鏡”是凸透鏡成像規律在日常生活中應用的重要體現?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》對本節課的要求是：了解人眼成像的原理，了解近視眼和遠視眼的成因與矯正辦法［1］。這是本節課學生需要掌握的重難點，它屬于凸透鏡成像規律的拓展和延伸，是初中物理光學的重要應用?，F行教材通過圖片展示給出近視眼和遠視眼的定義及成像特點，對于近視眼和遠視眼矯正的板塊，僅是簡略的理論分析，缺少完整、全面的實驗探究環節。通過教學實踐發現，由于現有實驗器材的局限，教師大多采用講授法，然而初中學生空間思維能力有一定的局限性，難以理解眼睛成像原理及矯正等抽象的教學內容［2］。課堂上部分教師采用傳統實驗教具進行實驗演示（圖1），實踐過程中也發現其存在諸多不足：（1）傳統水透鏡薄膜采用普通塑料制成，透光性差，對于光源的亮度有較高要求；薄膜彈性不足，當用注射器注入較多水時，由于重力作用，形成一個上窄下寬的“水滴狀”透鏡，很難得到較為準確的實驗結論。（2）傳統水透鏡采用塑料材料制成，很難較長時間（3 min以上）保持凹凸狀態，加大了實驗難度；密封效果不佳，容易破裂漏水，無法正常實驗。（3）傳統實驗教具尺寸較小，水透鏡的直徑一般在3 cm到5 cm 之間，實驗現象不明顯。（4）傳統實驗教具無法直接顯示光線傳播路徑的改變以及焦點前后移動的動態變化。

針對以上在教學中遇到的問題，把抽象的難以理解的物理問題轉變為形象可視化的實驗演示，是本節課要突破的一個難點［3］。因此，制作一套能夠全面探究近視眼和遠視眼成像特點及矯正方法的實驗教具顯得非常必要。

1? ? 實驗教具的制作方法

1.1? ? 制作材料及輔助工具

3D建模設計的透明亞克力圓盤三塊（亞克力材料表面平整，密封性很好），PVC圓形薄膜兩張（可用18寸圓形波波球代替），300毫升注射器（配1 m長塑料軟管），十字螺絲刀，M4*25扁平頭螺釘若干，2020鋁型材若干（配2020角件），厚0.5 cm透明亞克力板若干（根據器材大小定制），775直流小電機（12 V～24 V），電機支架，履帶，微型無動力主軸，法蘭聯軸器4個，激光筆2根，空氣加濕器，凸透鏡、凹透鏡各1個，光具座，光屏，電腦或者iPad，Shapr3D軟件。

1.2? ? 制作方法

1.2.1? ? 利用Shapr3D制圖

利用Shapr3D軟件繪制出135 cm×30 cm×40 cm實驗裝置的框架圖（圖2），用定制的2020鋁型材根據框架圖進行組裝，框架在組裝的過程中要預留嵌入亞克力板的位置。

1.2.2? ? 水透鏡的制作

用Shapr3D設計出內徑12 cm、外徑16 cm、厚度1 cm的圓盤3個（圖3），用3D打印技術制作亞克力圓盤，在每個圓盤上均勻打25個螺絲孔（直徑4 mm）。用剪刀將PVC膜剪成直徑約16 cm的圓形（直徑可以稍微大一點，直徑偏小會導致漏水現象的發生），將剪好的兩層PVC膜分別夾在3個圓盤之間，用力壓緊，用電鉆在螺絲孔位置將PVC膜鉆一樣大小的25個孔（確保螺釘能夠插入螺孔，保證水透鏡的密封性），用M4*25扁平頭螺釘將三塊圓盤和兩層PVC膜進行固定，用剪刀把水透鏡邊緣多余的PVC膜清除。把注射器中的水注入腔體內，待腔體內的空氣被完全擠出，將注射器和水透鏡用塑料軟管連接，制成一個完整的水透鏡（圖4）［4］。

1.2.3? ? 平行光源和立體光源的制作

光源分為平行光源和立體光源兩種形式，如圖5所示。將兩只激光筆用帶孔的亞克力板固定（根據激光筆的直徑打孔），打開加濕器和激光筆按鈕，形成平行光源，如圖6所示。用法蘭聯軸器將平行光源固定在微型無動力主軸上，通過履帶連接小電機和微型無動力主軸，打開加濕器和激光筆按鈕，閉合小電機開關，電機帶動光源轉動形成立體光源［5］，如圖7所示。

1.2.4? ? 組裝元件

依次將電動機、微型無動力主軸、光源固定在鋁型材的后部空間，在光具座上安裝好光屏和水透鏡，放入實驗裝置的內部。將加濕器放在裝置內部，實驗的過程中一直保持噴霧狀態，方便實驗現象的觀察。厚度0.5 cm亞克力板鑲嵌在鋁型材的相應位置，組裝成135 cm×30 cm×40 cm長方體密封空箱，“眼睛和眼鏡”演示儀完成組裝，如圖8所示。

2? ? 實驗過程

2.1? ? 正常人眼的成像

2.1.1? ? 實驗步驟

（1）調節平行激光光源（成像物體）、水透鏡（人眼晶狀體）、光屏（人眼視網膜）的高度，使它們的中心在同一水平高度（即水透鏡的主光軸上）。（2）閉合激光光源開關，打開加濕器，使密閉箱內充滿水霧（增強光路的可視化），激光光源位置保持不變，移動水透鏡，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（3）用注射器注水或抽水，調節水透鏡的突起程度，直至經過水透鏡的平行光束剛好會聚在光屏上，關閉注射器塑料管閥門（防止水透鏡中的水流回注射器），記錄實驗現象。（4）閉合12 V電動機開關，電機帶動平行光源轉動形成立體光柱，用注射器調整水透鏡的突起程度，直到立體光柱經過水透鏡折射剛好會聚在光屏上，記錄實驗現象。

2.1.2? ? 實驗現象

平行光源模擬正常人眼觀察物體（圖9），平行激光束經過水透鏡會聚在光屏上，光屏上出現一個光點（即焦點）。立體光源模擬正常人眼觀察物體（圖10），立體光柱經過水透鏡折射會聚在光屏上，光屏上出現一個光點（即焦點）。

2.1.3? ? 實驗結論

平行激光束或立體光柱經過水透鏡折射會聚在光屏上（即人眼視網膜的位置），到達視網膜上是一個點，表示正常人眼看清物體。

2.2? ? 探究近視眼的成像規律

2.2.1? ? 實驗步驟

（1）保持水透鏡（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不變，調整光屏位置，使得平行激光束剛好會聚在光屏上，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（2）打開注射器塑料管閥門，推動注射器向水透鏡中注入水（注水量80 mL～120 mL），水透鏡的凸起程度逐漸變大。（3）激光束會聚點移到光屏前方適當位置（會聚點距光屏3 cm～5 cm即可），停止注水，關閉注射器塑料管閥門。（4）向靠近水透鏡的方向移動光屏，直到平行激光束會聚點重新到光屏上［6］，記錄實驗現象。

2.2.2? ? 實驗現象

模擬近視眼觀察物體，如圖11所示。隨著注水量增加，水透鏡的凸起程度變大，聚光能力逐漸變強，平行激光束會聚點前移，光線到達人眼視網膜上是一塊模糊的光斑，看不清物體。光屏靠近水透鏡，平行激光束可以重新會聚在光屏上，說明近視眼的焦距變短。

2.2.3? ? 實驗結論

人眼晶狀體凸起程度變大，會聚能力變強，眼睛的焦距變短，光經過較厚的晶狀體會聚在視網膜的前方，視網膜上得不到清晰的像，這便是近視眼形成的原因。

2.3? ? 探究近視眼矯正的成像規律

2.3.1? ? 實驗步驟

重復2.2.1實驗步驟（1）（2）（3），然后進行如下操作：（4）推開后方的亞克力板，將凹透鏡置于水透鏡和平行光源之間。（5）前后移動凹透鏡的位置，直到激光束會聚點重新回到光屏上，記錄實驗現象。

2.3.2? ? 實驗現象

模擬近視眼的矯正，如圖12所示。隨著注水量增加，水透鏡的凸起程度變大，聚光能力逐漸變強，平行激光束會聚點前移，在水透鏡和平行光源之間的合適位置放入凹透鏡，讓平行激光束發散，使原來會聚在光屏前方的點后移到光屏上。

2.3.3? ? 實驗結論

晶狀體較厚導致光線會聚點在視網膜的前方，到達視網膜上變成了模糊的光斑，需要合適焦距的凹透鏡將光線發散，經過調整使光線重新會聚于視網膜，所以人眼近視需戴焦距合適的凹透鏡進行矯正。

2.4? ? 探究遠視眼的成像規律

2.4.1? ? 實驗步驟

（1）保持水透鏡（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不變，調整光屏位置，使得平行激光束剛好會聚在光屏上，讓水透鏡和激光光源的距離保持在水透鏡兩倍焦距之外的位置。（2）打開注射器塑料管閥門，拉動注射器從水透鏡中抽出水（抽水量80 mL～120 mL），水透鏡的凸起程度逐漸變小。（3）激光束會聚點移到光屏后方適當位置，停止抽水，關閉注射器塑料管閥門。（4）向遠離水透鏡的方向移動光屏，直到平行激光束會聚點重新到光屏上。

2.4.2? ? 實驗現象

模擬遠視眼觀察物體，如圖13所示。隨著抽水量增加，水透鏡的凸起程度變小，聚光能力逐漸變弱，平行激光束會聚點后移，光線到達人眼視網膜上是一塊模糊的光斑，看不清物體。光屏遠離水透鏡，平行激光束可以重新會聚在光屏上，說明遠視眼的焦距變長。

2.4.3? ? 實驗結論

人眼晶狀體凸起程度變小，會聚能力變弱，眼睛的焦距變長，光經過較薄的晶狀體會聚在視網膜的后方，視網膜上得不到清晰的像，這便是遠視眼形成的原因。

2.5? ? 探究遠視眼矯正的成像規律

2.5.1? ? 實驗步驟

重復2.4.1實驗步驟（1）（2）（3），然后進行如下操作：（4）推開后方的亞克力板，將凸透鏡置于水透鏡和平行光源之間。（5）前后移動凸透鏡的位置，直到凸透鏡將激光束進行調整使會聚點重新回到光屏上，記錄實驗現象。

2.5.2? ? 實驗現象

模擬遠視眼的矯正，如圖14所示。隨著抽水量增加，水透鏡的凸起程度變小，聚光能力逐漸變弱，平行激光束會聚點后移，在水透鏡和平行光源之間的合適位置放入凸透鏡，讓平行激光束會聚，使原來會聚在光屏后方的點前移到光屏上。

2.5.3? ? 實驗結論

晶狀體較薄導致光線會聚點在視網膜的后方，到達視網膜上變成了模糊的光斑，需要焦距合適的凸透鏡將光線會聚，經過調整使光線重新會聚于視網膜上，所以人眼遠視需戴焦距合適的凸透鏡進行矯正。

3? ? 結束語

通過自制的“眼睛和眼鏡”演示儀可以全面、可視化地完成眼睛成像原理及其矯正的各項實驗探究，很好地突破了教學中的重難點?！把劬脱坨R”演示儀具有以下創新點：（1）水透鏡模型采用亞克力材料，表面平整、光滑，具有很好的密封性，可長時間使用，避免了普通水透鏡容易漏水的缺點。（2）水透鏡薄膜采用PVC膜，透光性好，經過水透鏡折射的光路依舊清晰可見，實驗效果較普通塑料薄膜更為明顯；PVC膜韌性強、張力較大，能夠最大程度地減小液體自重對實驗的影響，可以長時間保持凹、凸狀態，確保實驗正常進行。（3）立體光柱的設計把實驗探究從二維平面上升到三維空間，增強了實驗探究的真實性、準確性，避免了學生認為眼睛成像只存在于二維平面的錯誤觀點。（4）在加濕器噴霧的作用下，采用激光筆進行實驗演示，光線傳播路徑的變化和焦點的移動都變得可視化，便于學生觀察眼睛成像規律以及矯正的各種實驗現象。

物理是一門以實驗為基礎的學科，“眼睛和眼鏡”演示儀很好地利用實驗手段將抽象的物理問題變得可視化，學生通過直觀的實驗現象認識并理解物理知識，有效地突破了其空間想象和思維的障礙，促進了其科學思維和科學探究能力的 發展［7］。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務教育課程方案（2022 年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］張雅玲，付麗萍，袁超.巧設創新實驗 促進思維發展——以“視力的矯正”教學片斷為例［J］.物理教師，2020，41（7）：38-42.

［3］張藝凡，常鵬.基于學科融合的探究性實驗活動教具開發——以“可調節變焦液體透鏡人造晶狀體眼睛模型”教學為例［J］.中學物理，2020，38（12）：48-50.

［4］李科敏，向清林，蘇卡林，等.水透鏡的制作及其用途［J］.物理教學，2012，34（9）：32-33.

［5］葉澤波，陳丹慧，劉丹瑜，等.霧化式幾何光學演示儀［J］.物理實驗，2021，41（4）：58-61.

［6］李露.基于經驗建構? 喚起情感共鳴——以《眼睛和眼鏡》一節為例［J］.物理教學探討，2020，38（2）：15-17.

［7］董欣，夏銀俠，王成.基于核心素養的創新實驗設計——以“眼睛和眼鏡”教學為例［J］.中學物理，2023，41（6）：21-23.（欄目編輯? ? 李富強）