“眼睛和眼镜”演示仪的创新设计与实践

姚棋苧 张华

摘   要：通过对“眼睛和眼镜”的教学，发现教材直接通过图片展示近视眼和远视眼的成像特点及矫正方法，缺少具体的实验演示和详细的理论解释。由于近视眼、远视眼的成因和矫正比较抽象，导致学生理解存在一定的困难。主要介绍“眼睛和眼镜”演示仪的设计和制作方法以及在教学中的实践应用，利用自制教具可以全面探究眼睛成像原理及其矫正的实验规律，有效突破教学重难点。

关键词：眼睛和眼镜；实验教具；水透镜；视力矫正

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）9-0077-4

收稿日期：2023-06-10

基金项目：重庆市教育科学“十三五”规划2019年度重点有经费课题“基于项目化学习的初中物理Genius Hour学习策略研究”（2019-14-076）。

作者简介：姚棋苧（1994-），男，中学二级教师，主要从事初中物理教学工作。

*通信作者：张华（1973-），女，中学高级教师，特级教师，主要从事中学物理课程与教学、评价等研究。

“眼睛和眼镜”是凸透镜成像规律在日常生活中应用的重要体现。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对本节课的要求是：了解人眼成像的原理，了解近视眼和远视眼的成因与矫正办法［1］。这是本节课学生需要掌握的重难点，它属于凸透镜成像规律的拓展和延伸，是初中物理光學的重要应用。现行教材通过图片展示给出近视眼和远视眼的定义及成像特点，对于近视眼和远视眼矫正的板块，仅是简略的理论分析，缺少完整、全面的实验探究环节。通过教学实践发现，由于现有实验器材的局限，教师大多采用讲授法，然而初中学生空间思维能力有一定的局限性，难以理解眼睛成像原理及矫正等抽象的教学内容［2］。课堂上部分教师采用传统实验教具进行实验演示（图1），实践过程中也发现其存在诸多不足：（1）传统水透镜薄膜采用普通塑料制成，透光性差，对于光源的亮度有较高要求；薄膜弹性不足，当用注射器注入较多水时，由于重力作用，形成一个上窄下宽的“水滴状”透镜，很难得到较为准确的实验结论。（2）传统水透镜采用塑料材料制成，很难较长时间（3 min以上）保持凹凸状态，加大了实验难度；密封效果不佳，容易破裂漏水，无法正常实验。（3）传统实验教具尺寸较小，水透镜的直径一般在3 cm到5 cm 之间，实验现象不明显。（4）传统实验教具无法直接显示光线传播路径的改变以及焦点前后移动的动态变化。

针对以上在教学中遇到的问题，把抽象的难以理解的物理问题转变为形象可视化的实验演示，是本节课要突破的一个难点［3］。因此，制作一套能够全面探究近视眼和远视眼成像特点及矫正方法的实验教具显得非常必要。

1    实验教具的制作方法

1.1    制作材料及辅助工具

3D建模设计的透明亚克力圆盘三块（亚克力材料表面平整，密封性很好），PVC圆形薄膜两张（可用18寸圆形波波球代替），300毫升注射器（配1 m长塑料软管），十字螺丝刀，M4*25扁平头螺钉若干，2020铝型材若干（配2020角件），厚0.5 cm透明亚克力板若干（根据器材大小定制），775直流小电机（12 V～24 V），电机支架，履带，微型无动力主轴，法兰联轴器4个，激光笔2根，空气加湿器，凸透镜、凹透镜各1个，光具座，光屏，电脑或者iPad，Shapr3D软件。

1.2    制作方法

1.2.1    利用Shapr3D制图

利用Shapr3D软件绘制出135 cm×30 cm×40 cm实验装置的框架图（图2），用定制的2020铝型材根据框架图进行组装，框架在组装的过程中要预留嵌入亚克力板的位置。

1.2.2    水透镜的制作

用Shapr3D设计出内径12 cm、外径16 cm、厚度1 cm的圆盘3个（图3），用3D打印技术制作亚克力圆盘，在每个圆盘上均匀打25个螺丝孔（直径4 mm）。用剪刀将PVC膜剪成直径约16 cm的圆形（直径可以稍微大一点，直径偏小会导致漏水现象的发生），将剪好的两层PVC膜分别夹在3个圆盘之间，用力压紧，用电钻在螺丝孔位置将PVC膜钻一样大小的25个孔（确保螺钉能够插入螺孔，保证水透镜的密封性），用M4*25扁平头螺钉将三块圆盘和两层PVC膜进行固定，用剪刀把水透镜边缘多余的PVC膜清除。把注射器中的水注入腔体内，待腔体内的空气被完全挤出，将注射器和水透镜用塑料软管连接，制成一个完整的水透镜（图4）［4］。

1.2.3    平行光源和立体光源的制作

光源分为平行光源和立体光源两种形式，如图5所示。将两只激光笔用带孔的亚克力板固定（根据激光笔的直径打孔），打开加湿器和激光笔按钮，形成平行光源，如图6所示。用法兰联轴器将平行光源固定在微型无动力主轴上，通过履带连接小电机和微型无动力主轴，打开加湿器和激光笔按钮，闭合小电机开关，电机带动光源转动形成立体光源［5］，如图7所示。

1.2.4    组装元件

依次将电动机、微型无动力主轴、光源固定在铝型材的后部空间，在光具座上安装好光屏和水透镜，放入实验装置的内部。将加湿器放在装置内部，实验的过程中一直保持喷雾状态，方便实验现象的观察。厚度0.5 cm亚克力板镶嵌在铝型材的相应位置，组装成135 cm×30 cm×40 cm长方体密封空箱，“眼睛和眼镜”演示仪完成组装，如图8所示。

2    实验过程

2.1    正常人眼的成像

2.1.1    实验步骤

（1）调节平行激光光源（成像物体）、水透镜（人眼晶状体）、光屏（人眼视网膜）的高度，使它们的中心在同一水平高度（即水透镜的主光轴上）。（2）闭合激光光源开关，打开加湿器，使密闭箱内充满水雾（增强光路的可视化），激光光源位置保持不变，移动水透镜，让水透镜和激光光源的距离保持在水透镜两倍焦距之外的位置。（3）用注射器注水或抽水，调节水透镜的突起程度，直至经过水透镜的平行光束刚好会聚在光屏上，关闭注射器塑料管阀门（防止水透镜中的水流回注射器），记录实验现象。（4）闭合12 V电动机开关，电机带动平行光源转动形成立体光柱，用注射器调整水透镜的突起程度，直到立体光柱经过水透镜折射刚好会聚在光屏上，记录实验现象。

2.1.2    实验现象

平行光源模拟正常人眼观察物体（图9），平行激光束经过水透镜会聚在光屏上，光屏上出现一个光点（即焦点）。立体光源模拟正常人眼观察物体（图10），立体光柱经过水透镜折射会聚在光屏上，光屏上出现一个光点（即焦点）。

2.1.3    实验结论

平行激光束或立体光柱经过水透镜折射会聚在光屏上（即人眼视网膜的位置），到达视网膜上是一个点，表示正常人眼看清物体。

2.2    探究近视眼的成像规律

2.2.1    實验步骤

（1）保持水透镜（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不变，调整光屏位置，使得平行激光束刚好会聚在光屏上，让水透镜和激光光源的距离保持在水透镜两倍焦距之外的位置。（2）打开注射器塑料管阀门，推动注射器向水透镜中注入水（注水量80 mL～120 mL），水透镜的凸起程度逐渐变大。（3）激光束会聚点移到光屏前方适当位置（会聚点距光屏3 cm～5 cm即可），停止注水，关闭注射器塑料管阀门。（4）向靠近水透镜的方向移动光屏，直到平行激光束会聚点重新到光屏上［6］，记录实验现象。

2.2.2    实验现象

模拟近视眼观察物体，如图11所示。随着注水量增加，水透镜的凸起程度变大，聚光能力逐渐变强，平行激光束会聚点前移，光线到达人眼视网膜上是一块模糊的光斑，看不清物体。光屏靠近水透镜，平行激光束可以重新会聚在光屏上，说明近视眼的焦距变短。

2.2.3    实验结论

人眼晶状体凸起程度变大，会聚能力变强，眼睛的焦距变短，光经过较厚的晶状体会聚在视网膜的前方，视网膜上得不到清晰的像，这便是近视眼形成的原因。

2.3    探究近视眼矫正的成像规律

2.3.1    实验步骤

重复2.2.1实验步骤（1）（2）（3），然后进行如下操作：（4）推开后方的亚克力板，将凹透镜置于水透镜和平行光源之间。（5）前后移动凹透镜的位置，直到激光束会聚点重新回到光屏上，记录实验现象。

2.3.2    实验现象

模拟近视眼的矫正，如图12所示。随着注水量增加，水透镜的凸起程度变大，聚光能力逐渐变强，平行激光束会聚点前移，在水透镜和平行光源之间的合适位置放入凹透镜，让平行激光束发散，使原来会聚在光屏前方的点后移到光屏上。

2.3.3    实验结论

晶状体较厚导致光线会聚点在视网膜的前方，到达视网膜上变成了模糊的光斑，需要合适焦距的凹透镜将光线发散，经过调整使光线重新会聚于视网膜，所以人眼近视需戴焦距合适的凹透镜进行矫正。

2.4    探究远视眼的成像规律

2.4.1    实验步骤

（1）保持水透镜（含水量300 mL）、平行激光光源的位置不变，调整光屏位置，使得平行激光束刚好会聚在光屏上，让水透镜和激光光源的距离保持在水透镜两倍焦距之外的位置。（2）打开注射器塑料管阀门，拉动注射器从水透镜中抽出水（抽水量80 mL～120 mL），水透镜的凸起程度逐渐变小。（3）激光束会聚点移到光屏后方适当位置，停止抽水，关闭注射器塑料管阀门。（4）向远离水透镜的方向移动光屏，直到平行激光束会聚点重新到光屏上。

2.4.2    实验现象

模拟远视眼观察物体，如图13所示。随着抽水量增加，水透镜的凸起程度变小，聚光能力逐渐变弱，平行激光束会聚点后移，光线到达人眼视网膜上是一块模糊的光斑，看不清物体。光屏远离水透镜，平行激光束可以重新会聚在光屏上，说明远视眼的焦距变长。

2.4.3    实验结论

人眼晶状体凸起程度变小，会聚能力变弱，眼睛的焦距变长，光经过较薄的晶状体会聚在视网膜的后方，视网膜上得不到清晰的像，这便是远视眼形成的原因。

2.5    探究远视眼矫正的成像规律

2.5.1    实验步骤

重复2.4.1实验步骤（1）（2）（3），然后进行如下操作：（4）推开后方的亚克力板，将凸透镜置于水透镜和平行光源之间。（5）前后移动凸透镜的位置，直到凸透镜将激光束进行调整使会聚点重新回到光屏上，记录实验现象。

2.5.2    实验现象

模拟远视眼的矫正，如图14所示。随着抽水量增加，水透镜的凸起程度变小，聚光能力逐渐变弱，平行激光束会聚点后移，在水透镜和平行光源之间的合适位置放入凸透镜，让平行激光束会聚，使原来会聚在光屏后方的点前移到光屏上。

2.5.3    实验结论

晶状体较薄导致光线会聚点在视网膜的后方，到达视网膜上变成了模糊的光斑，需要焦距合适的凸透镜将光线会聚，经过调整使光线重新会聚于视网膜上，所以人眼远视需戴焦距合適的凸透镜进行矫正。

3    结束语

通过自制的“眼睛和眼镜”演示仪可以全面、可视化地完成眼睛成像原理及其矫正的各项实验探究，很好地突破了教学中的重难点。“眼睛和眼镜”演示仪具有以下创新点：（1）水透镜模型采用亚克力材料，表面平整、光滑，具有很好的密封性，可长时间使用，避免了普通水透镜容易漏水的缺点。（2）水透镜薄膜采用PVC膜，透光性好，经过水透镜折射的光路依旧清晰可见，实验效果较普通塑料薄膜更为明显；PVC膜韧性强、张力较大，能够最大程度地减小液体自重对实验的影响，可以长时间保持凹、凸状态，确保实验正常进行。（3）立体光柱的设计把实验探究从二维平面上升到三维空间，增强了实验探究的真实性、准确性，避免了学生认为眼睛成像只存在于二维平面的错误观点。（4）在加湿器喷雾的作用下，采用激光笔进行实验演示，光线传播路径的变化和焦点的移动都变得可视化，便于学生观察眼睛成像规律以及矫正的各种实验现象。

物理是一门以实验为基础的学科，“眼睛和眼镜”演示仪很好地利用实验手段将抽象的物理问题变得可视化，学生通过直观的实验现象认识并理解物理知识，有效地突破了其空间想象和思维的障碍，促进了其科学思维和科学探究能力的 发展［7］。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育课程方案（2022 年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］张雅玲，付丽萍，袁超.巧设创新实验 促进思维发展——以“视力的矫正”教学片断为例［J］.物理教师，2020，41（7）：38-42.

［3］张艺凡，常鹏.基于学科融合的探究性实验活动教具开发——以“可调节变焦液体透镜人造晶状体眼睛模型”教学为例［J］.中学物理，2020，38（12）：48-50.

［4］李科敏，向清林，苏卡林，等.水透镜的制作及其用途［J］.物理教学，2012，34（9）：32-33.

［5］叶泽波，陈丹慧，刘丹瑜，等.雾化式几何光学演示仪［J］.物理实验，2021，41（4）：58-61.

［6］李露.基于经验建构  唤起情感共鸣——以《眼睛和眼镜》一节为例［J］.物理教学探讨，2020，38（2）：15-17.

［7］董欣，夏银侠，王成.基于核心素养的创新实验设计——以“眼睛和眼镜”教学为例［J］.中学物理，2023，41（6）：21-23.（栏目编辑    李富强）