基于核心素养发展的“眼睛与眼镜”教学设计

操时良

(江苏省新沂市教师发展中心,江苏 新沂 221400)

“眼睛与眼镜”一节是初中物理的重要内容,属于透镜及凸透镜成像规律的应用．本节意在让学生了解人眼成像的原理以及近视眼、远视眼的成因和矫正办法．从这个意义上讲,本节内容的学习有助于学生巩固透镜知识,形成运用物理学的意识,学会研究问题的方法．因此,本节课的重要性就不言而喻．

1 现行教材的编写分析

现行人教版教材将本节内容划分为眼睛、近视眼及其矫正与远视眼及其矫正3个部分．在“眼睛”部分,教材将人眼比喻为照相机,通过眼球结构图与人眼成像图说明人眼成像的原理,并给出远点和近点的概念以及明视距离．在“近视眼及其矫正”部分,教材指出:“形成近视眼的原因是晶状体太厚,折光能力太强,或者眼球在前后方向上太长,因而来自远处某点的光会聚在视网膜前,到达视网膜时就是一个模糊的光斑．”[1]从而引出利用凹透镜对光线的发散作用,指出在眼睛前放一个合适的凹透镜,就能将来自物体的光重新会聚在视网膜上．“远视眼及其矫正”部分的教材编排与“近视眼及其矫正”类似．

分析发现,教材在近视眼及其矫正与远视眼及其矫正方面仅有理论分析,但缺乏相应的实验演示,这就可能会导致学生难于理解教学内容．有鉴于此,笔者从发展学生物理核心素养的视角进行教学设计,借助于物理建模,将人眼成像原理构建成物理模型,从而为学生搭建符合认知规律的物理情境．在此基础上,对近视眼以及远视眼的成因和矫正进行实验演示,将抽象的内容转化为具体的实验操作．这不仅降低了学生学习的难度,而且有助于使学生深刻地理解本节课的教学内容．

2 发展学生物理核心素养的教学设计

2.1 眼睛成像原理—人眼成像模型的应用

人类视觉的核心器官是眼睛,人的眼球近似球体,一般成年人的眼球直径在20 mm以上．[2]如图1所示,眼球的结构大体包括瞳孔、角膜、睫状体、晶状体、玻璃体、视网膜以及视神经等结构．

图1 眼球结构

图2 人眼成像模型

人眼对视觉信息的采集依赖于凸透镜成像的光学系统实现．眼球前部的晶状体和角膜的共同作用相当于一个凸透镜,人眼可以通过睫状体的放松和收缩来改变晶状体的形状,从而改变焦距．眼球的焦距变化幅度是f≈(17.1～14.2) mm．[3]鉴于凸透镜对光线的会聚作用,晶状体和角膜的共同作用可以将物体发出或者反射的光线会聚到视网膜上,因而视网膜就如同光屏．视网膜上的感光细胞受到光的刺激产生信号,视神经将这个信号传递给大脑,人就看到了物体．由此,根据人眼成像的原理,笔者建立如下物理模型．将角膜与晶状体等效为凸透镜,将视网膜等效为光屏,这一模型就称为人眼成像模型，如图2．需要注意的是,视网膜成像时存在中心—四周机制,在中心凹附近区域视网膜成像的分辨率高,在视网膜外围的区域,成像的分辨率较低．[2]

为了更好地让学生掌握“眼睛与眼镜”一节的知识,需要定义几个概念．(1) 远点．当睫状体完全松弛时,此时晶状体最薄,对光的会聚作用最弱,因而人眼通过调节能看清的最远的点,就被定义为远点,正常人的眼睛的远点在无限远．(2) 近点．近点是由于睫状体收缩最厉害,晶状体最厚,晶状体对光线的会聚作用最强,此时人眼能够看清的最近的点,就被定义为近点,正常人的眼睛的近点大概在10 cm处．3.明视距离．研究发现,正常眼睛观察近处物体最清晰而又不疲劳的距离大约25 cm,我们把这个叫做明视距离．

2.2 近视眼及其矫正—人眼成像模型的应用

近年来,我国近视眼患病率不断增加,并有低龄化趋势．据中国、美国、澳大利亚合作开展的防治儿童近视研究项目前期调查显示,我国人口近视发生率为 33%,全国近视眼人数已近 4 亿,已经达到世界平均水平的 1.5 倍,青少年近视发病率则高达50% ～ 60%．[4]近视眼只能看清近处的物体,看不清远处的物体．其主要原因是由于晶状体太厚,焦距变小,折光能力太强,或者眼球在前后方向上变长,此时来自远处物体发出或反射的光线成像于视网膜前,导致光线到达视网膜时变成一个模糊的光斑,从而使人无法看清物体．为了让学生掌握近(远)视眼及其矫正的原理,笔者借助人眼成像模型,设计了如下系列演示实验．

2.2.1 演示正常眼睛看物体的过程

根据图2的人眼成像模型,用点燃的蜡烛作为物,用一个凸透镜作为晶状体,用一个光屏作为视网膜,调节光屏的位置,直至在光屏上出现一个清晰的像,说明此时正常的眼睛看清了物体．

2.2.2 演示近视眼看远处物体的过程

近视眼的晶状体比正常眼睛的晶状体凸一些,此时,就需要教师引导学生讨论:晶状体凸一些,代表着等效于晶状体的凸透镜的焦距变小了,因此,演示时就需要换一个焦距较小的凸透镜,同时保持物和屏的位置不变．实验发现,屏上出现了模糊的光斑而没有清晰的像,这就说明近视的眼睛看不清楚远处的物体．

那么造成这种现象的原因是什么呢?通过前后移动光屏的位置,发现当光屏向前移一段距离,光屏上才能形成清晰的像,这说明像没有成在视网膜上,而是成在了视网膜前面,从而验证了理论分析的结果．

2.2.3 演示近视眼看近处物体的过程

把屏仍放在原来的位置,移动蜡烛,使它慢慢靠近凸透镜,这时屏上逐渐出现了清晰的像,说明近视的人不戴眼镜只能看清楚近处的物体．

2.2.4 演示近视眼的矫正过程

把一个焦距合适的凹透镜放在凸透镜前面的适当位置,发现原来位置上的蜡烛在屏上得到了清晰的像,从而近视眼得到了矫正．

通过演示,学生就能够清楚地认识到: (1) 正常的眼睛看物体时,当平行光进入眼睛后,就会会聚在视网膜上形成一个清晰的像,说明人看到了物体．(2) 近视的眼睛看物体时,当平行光进入眼睛后,就会会聚在视网膜前, 当光线继续前行抵达视网膜时又分散, 致使在视网膜上只能形成光斑,所成的像模糊不清．所以,近视眼不能看清楚远处的物体． 但若将物体移近至某一点时,近视的眼睛也能够看清楚近处的物体．(3) 近视眼的矫正方法就是需要配一副焦距适当的凹透镜, 使光线在进入眼睛前先经过凹透镜的适当发散, 再经眼睛折射后正好成像于视网膜上,这样近视眼就能够看清楚远处的物体了．

2.3 远视眼及其矫正—人眼成像模型的应用

与近视眼相反,远视眼只能看清远处的物体,却看不清近处的物体．形成远视眼的原因是由于远视眼晶状体太薄,折光能力弱或者眼球在前后方向上太短,使得睫状体在完全松驰状态下入射的光线聚焦在视网膜后,因而视网膜上只能形成一个模糊的光斑,从而无法看清楚近处的物体．通过人眼成像模型可以演示远视眼的成因及其矫正．

2.3.1 演示正常眼睛看物体的过程

根据图2的人眼成像模型,用点燃的蜡烛作为物,用一个凸透镜作为晶状体,用一个光屏作为视网膜,调节光屏的位置,直至在光屏上出现一个清晰的像,说明正常的眼睛看清了物体．

2.3.2 演示远视眼看近处物体的过程

远视眼的晶状体比正常眼睛的晶状体薄一些,演示时就需要换一个焦距较大的凸透镜,同时保持物和屏的位置不变．实验发现,屏上的像变得比较模糊,从而说明远视的眼睛看不清楚近处的物体．前后移动屏的位置,发现当光屏向后移动一段距离,光屏上才能成清晰的像,这说明像没有成在视网膜上而是成在了视网膜后面．

2.3.3 演示远视眼看远处物体的过程

把屏仍放在原来的位置,移动蜡烛,使它慢慢远离凸透镜,这时屏上逐渐出现

了清晰的像,说明远视的人不戴眼镜也能够看清楚远处的物体．

2.3.4 演示远视眼的矫正过程

选取一个焦距合适的凸透镜放在凸透镜前面的适当位置,发现原来位置上的蜡烛在屏上得到清晰的像,从而远视眼得到了矫正．

需要指出的是,在用凸透镜矫正远视眼看近处物体的效果时,凸透镜只是减小了入射光束的发散程度,使近处物体发出的或者反射的光能会聚在视网膜上,并没有改变它的发散性质．因为理论和实践告诉我们,眼睛能够感受并对之成像的物点,都必须是发散光束的顶点．而对于会聚光束,则眼睛根本不能看清它．[5]

3 研究启示

3.1 建构物理模型,训练科学思维

物理建模教学最早是由大卫·赫斯顿斯(David Hestenes)和他的同事于20世纪80年代所提出的一种物理学习和教学的模式．[6]物理建模能力己经被纳入我国物理学科核心素养指标体系,成为物理学科核心素养中的关键能力．在本节的教学中,依据人眼成像原理,笔者构建了“人眼成像模型”,即“凸透镜+光屏”的物理模型．并通过此模型,演示了人眼看远处与近处的物体以及近视眼与远视眼的成因及其矫正．学生通过物理建模的训练,能够学会将生活中常见的事物抽象为理论模型,进一步在抽象和简化过程中,训练科学思维,从而促进物理核心素养的发展．

3.2 重视实验教学,破除思维障碍

本节内容以人眼成像原理为主线,以人眼成像模型为依据,通过演示实验分别展示了正常眼、近视眼以及远视眼的成像特点、近视眼与远视眼的矫正原理和方法．初中生虽然已经积累了一定的生活经验,掌握了一些物理知识,但由于物理认知发展水平还处于具体运算阶段,因而抽象的教学内容往往会成为他们学习的思维障碍．而采用人眼成像模型,借助于演示实验将人眼成像原理转化为物体发出或者反射的光线在光屏上的成像,从而将抽象的问题具体化,这就为学生营造了符合认知水平的物理情境,从而有助于帮助学生破除思维障碍．

3.3 借鉴教育理论,把握认知发展

纵观本节课的教学设计,通过将抽象的人眼成像原理转化为具体的操作实验,从而形成了教学设计的核心思路,而这种思路的本源正是充分考虑到学生认知水平的情况下而建立的．学生是学习的主体,教师作为学生学习的引导者,教学设计应以学生物理核心素养的发展为目的而展开．因此,如何设计符合学生认知发展的教学环节,让学生在原有认知结构的基础上顺利的接收与容纳新的知识就显得尤为重要．为此,笔者借鉴皮亚杰的认知发展阶段理论,分析出学生在处于具体运算阶段认知水平的情况下,难以较好的理解抽象的“眼睛与眼镜”教学内容,进而将抽象的内容转化为具体的实验操作,从而取得了较好的教学效果．