模擬眼球成像原理與近視遠視成因教學具開發制作研究

黃平生

問題的提出

牛津上海版初中《科學》教材第十一章中“視覺——近視與遠視”教學內容，為學生提供了探索學習眼球如何成像、近視遠視如何形成、如何對近視與遠視進行視力矯正等科學知識，但是有為數不少的學生較難理解教材有關近視患者“遠處的物體在視網膜前面成像”、遠視患者“近處的物體在視網膜后面成像”的表述。如何讓學生直觀地看到眼球視網膜是怎樣獲得一個倒像，如何清晰而直觀地再現近視與遠視的成因、研究近視遠視的矯正過程等，以方便一線科學教師開展教學、降低教學難度，就成為本項目的研究問題而提出。

模擬眼球成像教學具制作研究

可移動成像屏的設置

選用球形塑料瓶代表眼球的玻璃體，將塑料瓶一側（規定為眼球后側）瓶壁以豎直面切割出直徑約4cm的1塊碗形塑料圓片。將該圓片用砂皮紙打毛或噴上白漆處理，使圓片成為成像屏以代表視網膜；圓片豎起，其下端固定在塑料滑條的前端。裁剪廢棄礦泉水瓶壁材料折成梯形槽，水平固定在剪下瓶后壁圓片所留出的球形塑料瓶圓孔的下端，把一端托起圓片成像屏的塑料滑條嵌入梯形滑槽內，制成成像屏可前后移動的模擬眼球視網膜。如圖1至圖3。

眼球玻璃體、晶狀體透鏡、矯正透鏡的一線排列固定

在模擬眼球的球形塑料瓶下端，設置1塊長條有機玻璃片，在有機玻璃片的中線上測算好距離，打出眼球球形瓶固定孔、晶狀體透鏡換插孔、矯正透鏡換插孔，并粘上透鏡支架管做成透鏡基座。選用成像焦距合適的3款厚度不同的凸透鏡標以1、2、3號透鏡，分別表示較厚晶狀體、較薄晶狀體和更薄晶狀體，以可選擇方式插管固定在模擬眼球玻璃體的塑料瓶的前端，使凸透鏡緊貼球形塑料瓶，分別代表近視和遠視時的晶狀體。分別選用一款焦距合適的凸透鏡和凹透鏡代表矯正眼鏡片，以可選擇狀態插孔固定設置在凸透鏡前端2～3 cm處，代表近視或遠視的矯正眼鏡。

物成像光源裝置

將發光LED在電路板上排成一“上”字并設計好電路圖，用電烙鐵將發光LED、鋰電池及相關電路元件焊接在電路板上，制成發光顯示的“上”字成像光源，電路板用塑料管支撐固定。

模擬眼球與成像實物固定

將球形透明塑料瓶、成像屏、凸透鏡、矯正透鏡等做好的模擬眼球整體結構固定在基座底板的一端（后端），“上”字LED成像光源固定在底板另一端（前端），使模擬眼球玻璃體、成像屏、凸透鏡與電子顯示“上”字光源排成一直線，同時按實驗探究活動的要求，在底座板中間以適當距離設置近視時清晰成像的實物LED放置點和矯正成像清晰時實物LED放置點，即完成“視網膜”可前后移動的模擬眼球實驗學具的制作（見圖4）。

實驗學具探究活動的使用討論

正常眼球近視與遠視的成像探究

正常眼球的遠視成像。選用2號透鏡（焦距6.5 cm），成像

比較所選透鏡厚度與成像光源距離模擬眼球的位置，同時比較成像屏上物像的大小，體驗正常眼球的近視與遠視的成像特征。

近視眼球的遠視成像探究

近視的成像位置。選用1號透鏡代表近視者較厚的晶狀體，成像屏初始位置同上，位于位置0；將“上”字紅色LED成像光源由近及遠慢慢遠離透鏡而移動，移動到距透鏡13.5～17.5cm范圍，此時在成像屏上看到一個清晰的倒“丁”字（15.5 cm處最清晰），表示近視者可看清近處物體；繼續移動“上”字成像光源到50cm處固定，此時在成像屏上看到的是一片模糊的紅光；向球形塑料瓶內推動塑料滑條移動成像屏（約2cm），直到在成像屏上出現一個清晰的倒“丁”字后停止推動，記錄成像屏的位置標記為1。觀察體驗近視患者注視遠物時，清晰成像的落點已在成像屏（視網膜）原來位置之前。

近視矯正模擬。在1號透鏡前放置矯正凹透鏡，將上述實驗活動中內推的塑料條外拉，讓成像屏后退移動，直至成像屏上再現一個清晰的倒“丁”字時停止移動，觀察成像屏的位置發現，成像屏已經復位到位置0，此為近視患者使用凹透鏡矯正提高視力理論原理的實驗再現。

遠視眼球的近視成像探究

遠視的成像位置。選用3號透鏡（焦距9cm）代表遠視者較薄的晶狀體，成像屏初始位置同上，位于位置0；將“上”字紅色LED成像光源移動到距透鏡50cm處固定，此時在成像屏上看到的也是一片模糊的紅光。向球形塑料瓶外拉動塑料滑條，使成像屏移動到球形塑料瓶之外（約3 cm），直到在成像屏上出現一個清晰的倒“丁”字后停止推動，記錄成像屏的位置標記為2，觀察體驗遠視患者注視近物時，清晰成像的落點已在成像屏（視網膜）原來位置之后。

創新點

本創新實驗教學具克服了傳統光具座實驗器具只見透鏡與光屏而不見眼球——透鏡與光屏（視網膜）在眼球內的直觀位置的缺陷，創造性地將圓片成像屏安裝在眼球模型的塑料球形瓶后側的滑槽中，使代表眼球視網膜的圓片成像屏可以前后移動，方便學生直觀地理解眼球的成像、近視遠視患者眼球內成像模糊的原因與矯正的原理方法等。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學，構思巧妙。幫助學生直觀理解眼球的成像原理與特征，弄清近視和遠視成像模糊的原因。學具制作規范，教學效果明顯，有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面進一步提高。