视觉形成模拟发生器的设计与制作

沈方圆

摘要 针对“眼与视觉”一课教学过程中发现的问题，结合教学目标，设计并制作了一种视觉形成模拟发生器，可以动态、直观、整体地进行相关演示，帮助学生理解视觉形成的过程及近视的成因，培养学生的生物学核心素养。

关键词  视觉形成模拟发生器眼球视觉形成近视成因

中图分类号 G633.91            文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2023）03-0066-02

“眼与视觉”是苏科版生物学教材八年级上册第六单元第十六章第二节“人体对信息的感知”中的重点内容。教学中，教师可借助可拆装眼球模型、双凸透镜成像实验、视觉形成示意图等学习支架帮助学生了解眼球的结构、视觉的形成过程以及近视成因。在实际教学中，教师发现，学生在理解上存在误区，进而产生了一些错误概念，如光线由虹膜进入眼球内部、视觉形成于视网膜等。这些错误概念是由眼球模型只具备静态展示功能而不具备动态调节功能，且学习支架之间彼此独立，尚未构成整体造成的。教师结合学生学习过程中出现的问题，设计制作了一种视觉形成模拟发生器（以下简称拟发器），帮助学生正确理解眼球各部分结构的功能以及视觉形成的过程。

1 视觉形成模拟发生器的设计

在设计过程中，教师首先分析了借助于拟发器所需解决的教学问题：①眼球成像模型可调节化。②视觉形成过程整体化。③近视成因直观化。接着，教师再结合具体的问题，对拟发器进行设计优化。该拟发器由三部分组成，包括眼球成像、视神经传导及视觉形成（图1）。

1.1眼球成像

眼球结构复杂，为了便于学生能够整体感知眼球的立体形状与内部结构，教师对现有的眼球仪进行了简单优化，使其具备动态调节功能。教师的具体操作如下：①将眼球仪中的虹膜置换成可调节光圈，用以模拟人眼瞳孔大小的调节。②将眼球仪中的晶状体置换成注水透镜，用以模拟人眼在看远近物体时晶状体曲度的调节。③在眼球仪视网膜上粘贴一张白色硬纸片，让学生能够清晰地观察到成像结果。在教学过程中，教师用“F”光源代替蜡烛置于眼球仪前方，并将眼球仪的部分眼球壁打开，调节注水透镜中的水量，从而使学生可清晰地观察到“视网膜”上所形成的倒立缩小物象“?”。

1.2视神经传导

教材中关于视神经的描述较少：物象刺激了视网膜上的感光细胞，使感光细胞产生与视觉有关的信息，这些信息经过视神经传导到大脑皮质的视觉中枢，就形成了视觉。通过简单的描述以及静态图片的展示，学生无从知晓感光细胞是如何产生视觉相关信息的，更无从知晓视神经的传导过程。教师使用光敏传感器模拟感光细胞，LED灯带模拟视神经，将5V光控继电器开关（含光敏传感器）、5V LED灯带、电源串联在电路中。当“F”光源打开时，眼球仪成像，置于“视网膜”前的光敏传感器会感受到光，使电路导通，灯带亮起，从而模拟展示了视觉信息的产生及视神经的传导过程。

1.3 视觉形成

视觉形成于大脑皮质的视觉中枢。学生因为无法直观地感知视觉的形成过程而产生了一些错误概念，如视觉形成于视网膜。为帮助学生正确构建视觉形成的概念，教师在模拟视神经的LED 灯带后连接大脑的结构示意图，并在大脑示意图后方视觉中枢的位置用LED 灯带黏贴形成“F”字样，电焊连通，使其串联在电路中，随电路的导通共同亮起，从而模拟视觉中枢形成视觉的过程。

2 视觉形成模拟发生器的制作

教师以眼球仪、可调节光圈、注水透镜、白色纸片、F 光源、5V 光控继电器开关、5V LED 灯带、电源、硬纸板、大脑结构示意图、电烙铁工具包、胶枪等为材料，进行拟发器的组装，并探究其使用方法。

2.1  拟发器的组装

在组装拟发器时，教师首先将眼球仪中的晶状体与虹膜分别置换成注水透镜和可调节光圈，用胶枪固定，并在眼球仪视网膜的位置粘贴一张白色硬纸片。接着，教师使用电烙铁将 LED 灯带连接成“F”型，将5V 光控继电器开关、5V LED 灯带、“F”型 LED 灯带、电源串联在电路中。最后，教师将“F”光源置于眼球仪前方，眼球仪居中，并在其后方放置粘贴于硬纸板上的LED 灯带，灯带末端连接粘贴有“F”型LED 灯带的大脑结构模式图，最终形成一个完整的拟发器。

2.2 使用方法

2.2.1  眼球仪的调节

教师通过调节注水透镜中的水量，以及“F”光源的远近，来模拟眼球在观看远近物体时晶状体的曲度变化。“F”光源越远，注水透镜中所需注水量越少，晶状体的曲度越小；“F”光源越近，注水透镜中所需注水量越多，晶状体的曲度越大。

瞳孔的放大缩小可通过调节光圈的大小来模拟。可调节光圈越大，“F”光源在“视网膜”（白色硬纸片）上所成的像越亮；可调节光圈越小，“F”光源在“视网膜”上所成的像越暗（图2）。

2.2.2 视觉形成

教师在注水透镜中加入30 mL 水量，将可调光圈调至最大，打开“F”光源，调整位置，使眼球仪的“视网膜”上呈现一个清晰的倒立缩小的像“?”。接着，教师进一步将5V 光控继电器开关中的光敏传感器靠近倒立的像“?”，串联电路导通时，5V LED 灯带亮起，大脑结构示意图视觉中枢中的“F”型 LED 灯带同时亮起，完整的视觉形成过程得以展现（图3）。

2.2.3 近视的成因

教师在注水透镜中加入30 mL 水量，将可调光圈调至最大，打开“F”光源，调整位置，使眼球仪的视网膜上呈现一个清晰倒立的像“?”。接着，教师在注水透镜中再加入10 mL 清水，凸透镜曲度变大，视网膜上倒立缩小的像“?”变得模糊，当教师将眼球仪中的“视网膜”前移时，则所成的像又变得清晰（图4）。

3 视觉形成模拟发生器的优势

（1）可调节化：在拟发器中，原本眼球仪中静态的晶状体、虹膜结构被置换成注水透镜和可调节光圈，使构成眼球的部分结构具有了动态调节的功能，有利于展示眼球成像的过程。

（2）整体化：区别于教材中分阶段展示视觉形成的过程，该拟发器将视觉的形成过程整体化，使视觉的形成过程完整地展现在学生眼前，降低了学生学习的难度，便于学生理解和正确掌握相关概念。

（3）直观化：拟发器将视觉的形成过程与近视的成因可视化，原本抽象的生物学概念借助拟发器得以直观化，一目了然地展现在学生的眼前，学生可反复使用拟发器加深对相关内容的理解。

参考文獻：

万小荣，王芳芳.一种视觉形成模拟器的研发[J].中学生物教学，2021，348（7）：50-51.