視覺形成模擬發生器的設計與制作

沈方圓

摘要 針對“眼與視覺”一課教學過程中發現的問題，結合教學目標，設計并制作了一種視覺形成模擬發生器，可以動態、直觀、整體地進行相關演示，幫助學生理解視覺形成的過程及近視的成因，培養學生的生物學核心素養。

關鍵詞? 視覺形成模擬發生器眼球視覺形成近視成因

中圖分類號 G633.91??????????? 文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2023）03-0066-02

“眼與視覺”是蘇科版生物學教材八年級上冊第六單元第十六章第二節“人體對信息的感知”中的重點內容。教學中，教師可借助可拆裝眼球模型、雙凸透鏡成像實驗、視覺形成示意圖等學習支架幫助學生了解眼球的結構、視覺的形成過程以及近視成因。在實際教學中，教師發現，學生在理解上存在誤區，進而產生了一些錯誤概念，如光線由虹膜進入眼球內部、視覺形成于視網膜等。這些錯誤概念是由眼球模型只具備靜態展示功能而不具備動態調節功能，且學習支架之間彼此獨立，尚未構成整體造成的。教師結合學生學習過程中出現的問題，設計制作了一種視覺形成模擬發生器（以下簡稱擬發器），幫助學生正確理解眼球各部分結構的功能以及視覺形成的過程。

1 視覺形成模擬發生器的設計

在設計過程中，教師首先分析了借助于擬發器所需解決的教學問題：①眼球成像模型可調節化。②視覺形成過程整體化。③近視成因直觀化。接著，教師再結合具體的問題，對擬發器進行設計優化。該擬發器由三部分組成，包括眼球成像、視神經傳導及視覺形成（圖1）。

1.1眼球成像

眼球結構復雜，為了便于學生能夠整體感知眼球的立體形狀與內部結構，教師對現有的眼球儀進行了簡單優化，使其具備動態調節功能。教師的具體操作如下：①將眼球儀中的虹膜置換成可調節光圈，用以模擬人眼瞳孔大小的調節。②將眼球儀中的晶狀體置換成注水透鏡，用以模擬人眼在看遠近物體時晶狀體曲度的調節。③在眼球儀視網膜上粘貼一張白色硬紙片，讓學生能夠清晰地觀察到成像結果。在教學過程中，教師用“F”光源代替蠟燭置于眼球儀前方，并將眼球儀的部分眼球壁打開，調節注水透鏡中的水量，從而使學生可清晰地觀察到“視網膜”上所形成的倒立縮小物象“?”。

1.2視神經傳導

教材中關于視神經的描述較少：物象刺激了視網膜上的感光細胞，使感光細胞產生與視覺有關的信息，這些信息經過視神經傳導到大腦皮質的視覺中樞，就形成了視覺。通過簡單的描述以及靜態圖片的展示，學生無從知曉感光細胞是如何產生視覺相關信息的，更無從知曉視神經的傳導過程。教師使用光敏傳感器模擬感光細胞，LED燈帶模擬視神經，將5V光控繼電器開關（含光敏傳感器）、5V LED燈帶、電源串聯在電路中。當“F”光源打開時，眼球儀成像，置于“視網膜”前的光敏傳感器會感受到光，使電路導通，燈帶亮起，從而模擬展示了視覺信息的產生及視神經的傳導過程。

1.3 視覺形成

視覺形成于大腦皮質的視覺中樞。學生因為無法直觀地感知視覺的形成過程而產生了一些錯誤概念，如視覺形成于視網膜。為幫助學生正確構建視覺形成的概念，教師在模擬視神經的LED 燈帶后連接大腦的結構示意圖，并在大腦示意圖后方視覺中樞的位置用LED 燈帶黏貼形成“F”字樣，電焊連通，使其串聯在電路中，隨電路的導通共同亮起，從而模擬視覺中樞形成視覺的過程。

2 視覺形成模擬發生器的制作

教師以眼球儀、可調節光圈、注水透鏡、白色紙片、F 光源、5V 光控繼電器開關、5V LED 燈帶、電源、硬紙板、大腦結構示意圖、電烙鐵工具包、膠槍等為材料，進行擬發器的組裝，并探究其使用方法。

2.1? 擬發器的組裝

在組裝擬發器時，教師首先將眼球儀中的晶狀體與虹膜分別置換成注水透鏡和可調節光圈，用膠槍固定，并在眼球儀視網膜的位置粘貼一張白色硬紙片。接著，教師使用電烙鐵將 LED 燈帶連接成“F”型，將5V 光控繼電器開關、5V LED 燈帶、“F”型 LED 燈帶、電源串聯在電路中。最后，教師將“F”光源置于眼球儀前方，眼球儀居中，并在其后方放置粘貼于硬紙板上的LED 燈帶，燈帶末端連接粘貼有“F”型LED 燈帶的大腦結構模式圖，最終形成一個完整的擬發器。

2.2 使用方法

2.2.1? 眼球儀的調節

教師通過調節注水透鏡中的水量，以及“F”光源的遠近，來模擬眼球在觀看遠近物體時晶狀體的曲度變化。“F”光源越遠，注水透鏡中所需注水量越少，晶狀體的曲度越小；“F”光源越近，注水透鏡中所需注水量越多，晶狀體的曲度越大。

瞳孔的放大縮小可通過調節光圈的大小來模擬。可調節光圈越大，“F”光源在“視網膜”（白色硬紙片）上所成的像越亮；可調節光圈越小，“F”光源在“視網膜”上所成的像越暗（圖2）。

2.2.2 視覺形成

教師在注水透鏡中加入30 mL 水量，將可調光圈調至最大，打開“F”光源，調整位置，使眼球儀的“視網膜”上呈現一個清晰的倒立縮小的像“?”。接著，教師進一步將5V 光控繼電器開關中的光敏傳感器靠近倒立的像“?”，串聯電路導通時，5V LED 燈帶亮起，大腦結構示意圖視覺中樞中的“F”型 LED 燈帶同時亮起，完整的視覺形成過程得以展現（圖3）。

2.2.3 近視的成因

教師在注水透鏡中加入30 mL 水量，將可調光圈調至最大，打開“F”光源，調整位置，使眼球儀的視網膜上呈現一個清晰倒立的像“?”。接著，教師在注水透鏡中再加入10 mL 清水，凸透鏡曲度變大，視網膜上倒立縮小的像“?”變得模糊，當教師將眼球儀中的“視網膜”前移時，則所成的像又變得清晰（圖4）。

3 視覺形成模擬發生器的優勢

（1）可調節化：在擬發器中，原本眼球儀中靜態的晶狀體、虹膜結構被置換成注水透鏡和可調節光圈，使構成眼球的部分結構具有了動態調節的功能，有利于展示眼球成像的過程。

（2）整體化：區別于教材中分階段展示視覺形成的過程，該擬發器將視覺的形成過程整體化，使視覺的形成過程完整地展現在學生眼前，降低了學生學習的難度，便于學生理解和正確掌握相關概念。

（3）直觀化：擬發器將視覺的形成過程與近視的成因可視化，原本抽象的生物學概念借助擬發器得以直觀化，一目了然地展現在學生的眼前，學生可反復使用擬發器加深對相關內容的理解。

參考文獻：

萬小榮，王芳芳.一種視覺形成模擬器的研發[J].中學生物教學，2021，348（7）：50-51.