跨学科实践中的创新模型制作与应用

摘 要：本文运用生物学、物理学相关知识及方法进行跨学科实践，制作出具有直观性、可视化、可定量实验的眼球成像及视力矫正创新模型，并利用模型进行实验探究，使得学生能够更直观地理解本节课的相关知识，同时提升生物学学科核心素养。

关键词：跨学科实践；眼球成像；视力矫正；创新模型

文章编号：1003-7586（2024）07-0065-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《义教课标》）中增设了“生物学与社会·跨学科实践”主题，强调了要引导学生综合运用生物学、化学、物理、地理、数学等学科的相关知识和方法，尝试分析和解决实际问题。

对于人教版义务教育教科书《生物学·七年级·下册》中“眼和视觉”部分内容，《义教课标》中要求通过制作可调节的眼球成像模型，演示正常眼的成像以及近视眼、远视眼的成因及矫正方法。根据《义教课标》要求，文本结合人教版义务教育教科书《物理·八年级·上册》第五章第三节“凸透镜成像的规律”中实验探究的内容及方法，指导学生进行跨学科实践，制作眼球成像及视力矫正的可视化模型，将传统模型进行了创新。

1 创新模型的制作方法

1.1 材料用具

近似球形的废弃塑料空瓶、5 cm环形塑料圈、透明“波波气球”、30 mL注射器、乳胶管、软尺两根、白色卡纸、透明亚克力板、塑料电线槽、F型光源、凸透镜、凹透镜。

1.2 制作步骤

1.2.1 可变焦水透镜模拟晶状体

将透明“波波气球”剪成两个合适大小的圆形，固定在5cm环形塑料圈两侧。塑料圈的一端开个圆形小孔，用乳胶管与30mL注射器相连接。根据注水量将注射器的刻度进行反向调整，以便实时读数。试用并调整水透镜，确保其密封（见图1）。

1.2.2 塑料空瓶模拟眼球轮廓

取一个近似球形的塑料空瓶，模拟眼球轮廓。将瓶的底部剪出一个直径为5 cm的圆孔，将上述自制的水透镜安装到上面，模拟眼球的晶状体。将塑料空瓶一边侧面剪去，便于实验时实时观察瓶内的成像情况（见图2）。

1.2.3 演示滑轨的制作

取长度为110 cm的塑料电线槽作为滑轨，实验时可将器材置于滑轨上；将两根软尺对称贴在线槽侧边，便于读出物距与像距，从而进行定量实验。

另取一张白色卡纸，剪成适当大小，贴在透明亚克力板上。将透明亚克力板放置在“视网膜”前方的滑轨上，移动亚克力板，观察卡纸上的成像原理，以探究近视眼的成像情况（见图3）。

1.2.4 瓶盖及可移动亚克力板模拟视网膜

将一张白色卡纸剪成适当大小，粘贴在可拆卸的瓶盖内侧，模拟正常眼球的视网膜（见图4）。

2 实验操作步骤

2.1 实验探究：晶状体曲度与物体距离的关系

将光源移至距水透镜模拟的“晶状体”35 cm处，通过用注射器向水透镜内注水以调节其曲度，使得物像能够清晰地呈现在瓶盖模拟的视网膜上。同时观察“视网膜”上的像。当呈现清晰物像时，注水量是5 mL，记录数据。

通过滑轨改变光源的距离，当光源依次距“晶状体”30 cm、25 cm、20 cm、15 cm时，通过注射器向“晶状体”内注水，调节“晶状体”的曲度。每次当“视网膜”上呈现清晰物像时，分别记录注水量的数据，如表1所示。

多次实验求平均值，分析数据得出结论：当物体距离晶状体越近，晶状体的曲度越大。

2.2 实验探究：近视眼原理及矫正方法

当光源处于35cm距离时，将水透镜内的注水量由5 mL增加为10 mL，即模拟晶状体曲度变大导致近视，此时“视网膜”上无法呈现清晰的物像。在“视网膜”前方的滑轨上挂上贴有白色卡纸的亚克力板，通过在滑轨上移动来搜寻物像，最终发现物像呈现在了“视网膜”前方。

将瓶盖模拟的“视网膜”在滑轨上向后移动，模拟眼轴前后径变长导致的真性近视。可以观察到此时视网膜上同样也无法成像。将另一个贴有白色卡纸的亚克力板在滑轨上移动以寻找物像，最终发现，物像仍呈现在视网膜的前方。

模拟近视眼的矫正。分别在“晶状体”的前方放置凸透镜和凹透镜，通过试验发现只有放置凹透镜时，物像才可以清晰地呈现在“视网膜”上，因此得出结论：近视眼可以通过佩戴凹透镜来矫正。

2.3 实验探究：远视眼原理及矫正方法

当光源处于距“晶状体”20cm距离时，将水透镜内的注水量由8 mL减少至4 mL，即模拟晶状体曲度变小导致的远视眼，此时“视网膜”上无法呈现清晰的物像。将瓶盖模拟的“视网膜”在滑轨上向后移动，最终在后方承接到物像，因此得出结论：远视眼的物像呈现在了“视网膜”后方。

模拟远视眼的矫正。分别在“晶状体”的前方放置凸透镜和凹透镜，通过试验发现放置凸透镜时，物像可以清晰地呈现在“视网膜”上，因此得出结论：远视眼可以通过佩戴凸透镜来矫正。

3 模型创新点

3.1 形象模拟，直观可视化

本模型用自制水透镜、塑料空瓶等材料来模拟眼球的不同结构，采用全透明、镂空式的设计，使其与传统模型相比更形象、更直观。实验中可以通过改变注水量来调节透镜的曲度，使学生能够直接观察到曲度改变的全过程，从而推理出眼球成像的规律。将抽象过程可视化，将复杂结构简单化，促进学生形成结构与功能相适应的生命观念。

3.2 多维刻度，可定量实验

与其他透镜成像器材相比，本模型创新地设计了两种刻度：注射器注水量刻度、滑轨距离刻度。测定光源与水透镜的距离，以及注水量的多少，通过数据能够直接得出二者成正比的关系，从而使实验结论更准确、具体。

3.3 一器多用，实用性强

本模型可以进行三个不同方面的实验探究，功能多且实用性强。整个模型总质量为508g，极为轻便。每一个模型都能在滑轨上流畅地滑动，操作简单及教师演示教学，便于学生观察操作。

3.4 材料源于生活，可操作性强

本模型所用的材料多数取材于生活，相对于传统实验器材，成本低、易于获取、安全环保，并且制作和实验操作较为简单，学生可以小组合作动手完成整个过程，锻炼实践探究能力。

4 反思及建议

本次跨学科实践过程中，教师引导学生结合物理学科的实验研究方法，将生物学模型进行创新改进及应用，从而更好地发展学生的生物学学科核心素养。［1］

此创新模型在制作时，需要注意两点。

第一，用注射器向水透镜注水时要尽量保持竖直向下，水透镜才不会产生气泡，可以一定程度减小误差，使实验结果更加准确。

第二，由于制作水透镜的“波波气球”存在弹性限度，注水量过多会导致水透镜的误差过大。笔者与学生通过多次实验总结出，当注水量在10 mL以内时实验结果较为理想。

参考文献

［1］陆海燕，于丽娟.跨学科教学中生物学科核心素养的渗透［J］.西部素质教育，2019，5（10）：70-72．