跨學(xué)科實(shí)踐中的創(chuàng)新模型制作與應(yīng)用

摘 要：本文運(yùn)用生物學(xué)、物理學(xué)相關(guān)知識及方法進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐，制作出具有直觀性、可視化、可定量實(shí)驗(yàn)的眼球成像及視力矯正創(chuàng)新模型，并利用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使得學(xué)生能夠更直觀地理解本節(jié)課的相關(guān)知識，同時(shí)提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科實(shí)踐；眼球成像；視力矯正；創(chuàng)新模型

文章編號：1003-7586（2024）07-0065-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《義教課標(biāo)》）中增設(shè)了“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”主題，強(qiáng)調(diào)了要引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用生物學(xué)、化學(xué)、物理、地理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識和方法，嘗試分析和解決實(shí)際問題。

對于人教版義務(wù)教育教科書《生物學(xué)·七年級·下冊》中“眼和視覺”部分內(nèi)容，《義教課標(biāo)》中要求通過制作可調(diào)節(jié)的眼球成像模型，演示正常眼的成像以及近視眼、遠(yuǎn)視眼的成因及矯正方法。根據(jù)《義教課標(biāo)》要求，文本結(jié)合人教版義務(wù)教育教科書《物理·八年級·上冊》第五章第三節(jié)“凸透鏡成像的規(guī)律”中實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容及方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐，制作眼球成像及視力矯正的可視化模型，將傳統(tǒng)模型進(jìn)行了創(chuàng)新。

1 創(chuàng)新模型的制作方法

1.1 材料用具

近似球形的廢棄塑料空瓶、5 cm環(huán)形塑料圈、透明“波波氣球”、30 mL注射器、乳膠管、軟尺兩根、白色卡紙、透明亞克力板、塑料電線槽、F型光源、凸透鏡、凹透鏡。

1.2 制作步驟

1.2.1 可變焦水透鏡模擬晶狀體

將透明“波波氣球”剪成兩個(gè)合適大小的圓形，固定在5cm環(huán)形塑料圈兩側(cè)。塑料圈的一端開個(gè)圓形小孔，用乳膠管與30mL注射器相連接。根據(jù)注水量將注射器的刻度進(jìn)行反向調(diào)整，以便實(shí)時(shí)讀數(shù)。試用并調(diào)整水透鏡，確保其密封（見圖1）。

1.2.2 塑料空瓶模擬眼球輪廓

取一個(gè)近似球形的塑料空瓶，模擬眼球輪廓。將瓶的底部剪出一個(gè)直徑為5 cm的圓孔，將上述自制的水透鏡安裝到上面，模擬眼球的晶狀體。將塑料空瓶一邊側(cè)面剪去，便于實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)觀察瓶內(nèi)的成像情況（見圖2）。

1.2.3 演示滑軌的制作

取長度為110 cm的塑料電線槽作為滑軌，實(shí)驗(yàn)時(shí)可將器材置于滑軌上；將兩根軟尺對稱貼在線槽側(cè)邊，便于讀出物距與像距，從而進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。

另取一張白色卡紙，剪成適當(dāng)大小，貼在透明亞克力板上。將透明亞克力板放置在“視網(wǎng)膜”前方的滑軌上，移動(dòng)亞克力板，觀察卡紙上的成像原理，以探究近視眼的成像情況（見圖3）。

1.2.4 瓶蓋及可移動(dòng)亞克力板模擬視網(wǎng)膜

將一張白色卡紙剪成適當(dāng)大小，粘貼在可拆卸的瓶蓋內(nèi)側(cè)，模擬正常眼球的視網(wǎng)膜（見圖4）。

2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)探究：晶狀體曲度與物體距離的關(guān)系

將光源移至距水透鏡模擬的“晶狀體”35 cm處，通過用注射器向水透鏡內(nèi)注水以調(diào)節(jié)其曲度，使得物像能夠清晰地呈現(xiàn)在瓶蓋模擬的視網(wǎng)膜上。同時(shí)觀察“視網(wǎng)膜”上的像。當(dāng)呈現(xiàn)清晰物像時(shí)，注水量是5 mL，記錄數(shù)據(jù)。

通過滑軌改變光源的距離，當(dāng)光源依次距“晶狀體”30 cm、25 cm、20 cm、15 cm時(shí)，通過注射器向“晶狀體”內(nèi)注水，調(diào)節(jié)“晶狀體”的曲度。每次當(dāng)“視網(wǎng)膜”上呈現(xiàn)清晰物像時(shí)，分別記錄注水量的數(shù)據(jù)，如表1所示。

多次實(shí)驗(yàn)求平均值，分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論：當(dāng)物體距離晶狀體越近，晶狀體的曲度越大。

2.2 實(shí)驗(yàn)探究：近視眼原理及矯正方法

當(dāng)光源處于35cm距離時(shí)，將水透鏡內(nèi)的注水量由5 mL增加為10 mL，即模擬晶狀體曲度變大導(dǎo)致近視，此時(shí)“視網(wǎng)膜”上無法呈現(xiàn)清晰的物像。在“視網(wǎng)膜”前方的滑軌上掛上貼有白色卡紙的亞克力板，通過在滑軌上移動(dòng)來搜尋物像，最終發(fā)現(xiàn)物像呈現(xiàn)在了“視網(wǎng)膜”前方。

將瓶蓋模擬的“視網(wǎng)膜”在滑軌上向后移動(dòng)，模擬眼軸前后徑變長導(dǎo)致的真性近視。可以觀察到此時(shí)視網(wǎng)膜上同樣也無法成像。將另一個(gè)貼有白色卡紙的亞克力板在滑軌上移動(dòng)以尋找物像，最終發(fā)現(xiàn)，物像仍呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜的前方。

模擬近視眼的矯正。分別在“晶狀體”的前方放置凸透鏡和凹透鏡，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有放置凹透鏡時(shí)，物像才可以清晰地呈現(xiàn)在“視網(wǎng)膜”上，因此得出結(jié)論：近視眼可以通過佩戴凹透鏡來矯正。

2.3 實(shí)驗(yàn)探究：遠(yuǎn)視眼原理及矯正方法

當(dāng)光源處于距“晶狀體”20cm距離時(shí)，將水透鏡內(nèi)的注水量由8 mL減少至4 mL，即模擬晶狀體曲度變小導(dǎo)致的遠(yuǎn)視眼，此時(shí)“視網(wǎng)膜”上無法呈現(xiàn)清晰的物像。將瓶蓋模擬的“視網(wǎng)膜”在滑軌上向后移動(dòng)，最終在后方承接到物像，因此得出結(jié)論：遠(yuǎn)視眼的物像呈現(xiàn)在了“視網(wǎng)膜”后方。

模擬遠(yuǎn)視眼的矯正。分別在“晶狀體”的前方放置凸透鏡和凹透鏡，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放置凸透鏡時(shí)，物像可以清晰地呈現(xiàn)在“視網(wǎng)膜”上，因此得出結(jié)論：遠(yuǎn)視眼可以通過佩戴凸透鏡來矯正。

3 模型創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 形象模擬，直觀可視化

本模型用自制水透鏡、塑料空瓶等材料來模擬眼球的不同結(jié)構(gòu)，采用全透明、鏤空式的設(shè)計(jì)，使其與傳統(tǒng)模型相比更形象、更直觀。實(shí)驗(yàn)中可以通過改變注水量來調(diào)節(jié)透鏡的曲度，使學(xué)生能夠直接觀察到曲度改變的全過程，從而推理出眼球成像的規(guī)律。將抽象過程可視化，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單化，促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

3.2 多維刻度，可定量實(shí)驗(yàn)

與其他透鏡成像器材相比，本模型創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了兩種刻度：注射器注水量刻度、滑軌距離刻度。測定光源與水透鏡的距離，以及注水量的多少，通過數(shù)據(jù)能夠直接得出二者成正比的關(guān)系，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更準(zhǔn)確、具體。

3.3 一器多用，實(shí)用性強(qiáng)

本模型可以進(jìn)行三個(gè)不同方面的實(shí)驗(yàn)探究，功能多且實(shí)用性強(qiáng)。整個(gè)模型總質(zhì)量為508g，極為輕便。每一個(gè)模型都能在滑軌上流暢地滑動(dòng)，操作簡單及教師演示教學(xué)，便于學(xué)生觀察操作。

3.4 材料源于生活，可操作性強(qiáng)

本模型所用的材料多數(shù)取材于生活，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，成本低、易于獲取、安全環(huán)保，并且制作和實(shí)驗(yàn)操作較為簡單，學(xué)生可以小組合作動(dòng)手完成整個(gè)過程，鍛煉實(shí)踐探究能力。

4 反思及建議

本次跨學(xué)科實(shí)踐過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合物理學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究方法，將生物學(xué)模型進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)及應(yīng)用，從而更好地發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。［1］

此創(chuàng)新模型在制作時(shí)，需要注意兩點(diǎn)。

第一，用注射器向水透鏡注水時(shí)要盡量保持豎直向下，水透鏡才不會(huì)產(chǎn)生氣泡，可以一定程度減小誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

第二，由于制作水透鏡的“波波氣球”存在彈性限度，注水量過多會(huì)導(dǎo)致水透鏡的誤差過大。筆者與學(xué)生通過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，當(dāng)注水量在10 mL以內(nèi)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。

參考文獻(xiàn)

［1］陸海燕，于麗娟.跨學(xué)科教學(xué)中生物學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透［J］.西部素質(zhì)教育，2019，5（10）：70-72．