【探究视力缺陷与矫正实验方案的改进与优化】军用恢复视力图

时间：2019-05-22 03:23:37　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　“制定计划与设计实验”是科学探究过程中重要的环节，然而多数情况下，为了使科学探究能顺利进行下去，教科书都会在给出假设的基础上介绍实验设计的方案，在课堂教学中，为了加快教学进度，节约课堂时间，常常采用教科书介绍的方案，这个环节学生较少有锻炼的机会，这样，让学生经历“制定计划与设计实验”的过程就显得特别必要，不拘泥于教科书介绍的实验方案，在老师的引导和帮助下，充分发挥学生的想象力与创造力，师生形成学习共同体，改进优化实验方案，下面以探究人眼的视力缺陷与矫正为例，来说明如何改进与优化实验方案。
　　眼睛成像是凸透镜成倒立、缩小实像规律的具体应用，常见的视力缺陷有近视和远视，这都是由于眼睛的调节功能降低，不能使物体的像清晰地成在视网膜上所引起的，由于眼睛的特殊性，可以通过模拟实验来探究视力缺陷的原因和矫正的方法。
　　1　定焦实验方案
　　实验方案1　如图1所示(苏科版物理教材介绍的实验方案)，把凸透镜看作眼睛的晶状体，光屏看作视网膜，给“眼睛”戴上近视眼镜，调节光屏的位置，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像，并准确标出光屏的位置，取下近视眼镜，光屏上的像变得模糊了，这就是近视眼所看到的景象，向前移动光屏，到某一位置，光屏上才能呈现清晰的像，近视眼镜的作用是使像相对于晶状体向后移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　换用远视眼镜，重复上述操作，远视眼镜的作用是使像相对于晶状体向前移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　实验方案2　如图1所示(沪科版物理教材介绍的实验方案)，把凸透镜看作眼睛的晶状体，光屏看作视网膜，通过调节，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像，并准确标出光屏的位置，这是正常眼睛成像的景象，给“眼睛”戴上近视眼镜，向后移动光屏，到某一位置，光屏上才能呈现清晰的像，并标出此时光屏的位置，这就是近视眼经过矫正所看到的景象，近视眼镜的作用是使像相对于晶状体向后移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　换用远视眼镜，重复上述操作，远视眼镜的作用是使像相对于晶状体向前移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　实验方案1以近视眼矫正状态为切入点，学生有近视眼睛矫正的直接或间接经验，教学起点能被学生接受，该方案把凸透镜看作眼睛的晶状体，常用凸透镜的形状和焦距是确定的、不变的，而晶状体形状和焦距是变化的，该方案是通过调节像距来成清晰的像，而眼睛是调节焦距来成清晰的像，像距不变，该方案模拟眼睛成像机制逼真程度不够高，模拟的也只是几个状态，没有动态的变化过程，认知跨度较大，致使部分学生虽然经历探究过程，但是对“视力缺陷的原因和矫正的方法”理解还是不够透彻，甚至模糊。
　　实验方案2与实验方案1相比较，以正常眼睛成像状态为切入点，建立在刚学过的凸透镜成像规律基础上，学生很容易理解接受，存在的不足与方案1相似，两实验方案不足的关键在于凸透镜的焦距不像眼睛晶状体的焦距是连续变化的。
　　
　　2　变焦实验方案
　　引导学生对上述“定焦实验方案”进行评估，反思存在的不足，发现问题所在——凸透镜的焦距不像眼睛晶状体的焦距是连续变化的，启发学生寻找变焦凸透镜，来模拟眼睛晶状体有学生受到以往探究实验方案中改变研究变量启发，更换不同焦距的凸透镜来变焦，模拟眼睛晶状体。
　　实验方案3　器材：一组不同焦距的凸透镜，度数不同的近视眼镜和远视眼镜，蜡烛、火柴、光屏。
　　实验过程　如图1所示，把凸透镜看作眼睛的晶状体，光屏看作视网膜，通过调节，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像，并准确标出光屏的位置，这是正常眼睛成像的景象，将上述凸透镜换成焦距较短的凸透镜，光屏得到模糊的像，这就是近视眼所看到的景象，给“眼睛”戴上近视眼镜，光屏上的像更加清晰了，选用度数合适的近视眼镜给“眼睛”戴上，光屏上的像清晰了，这就是近视眼睛矫正的过程，近视眼镜的作用是使像相对于晶状体向后移，从而使清晰的像落在视网膜上，换用焦距更长的凸透镜和远视眼镜，重复上述操作，远视眼镜的作用是使像相对于晶状体向前移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　实验方案3换用不同焦距的凸透镜来实现变焦，像距保持不变，模拟眼睛成像机制逼真程度进一步提高。
　　有学生受到水膜透镜启发，可以制作形状和焦距可连续变化的水透镜，来模拟眼睛晶状体。
　　实验方案4　器材：水透镜、度数不同的近视眼镜和远视眼镜，蜡烛、火柴、光屏。
　　实验过程　如图2所示，把水透镜看作眼睛的晶状体，光屏看作视网膜，通过调节水透镜形状来改变焦距，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像，并准确标出光屏的位置，这是正常眼睛成像的景象，将蜡烛远离水透镜，光屏得到模糊的像，这就是近视眼所看到的景象，给“眼睛”戴上近视眼镜，光屏上的像更加清晰了，选用度数合适的近视眼镜给“眼睛”戴上，光屏上的像清晰了，这就是近视眼睛矫正的过程，近视眼镜的作用是使像相对于晶状体向后移，从而使清晰的像落在视网膜上，将蜡烛靠近水透镜，换用远视眼镜，重复上述操作，远视眼镜的作用是使像相对于晶状体向前移，从而使清晰的像落在视网膜上。
　　实验方案4采用形状和焦距可连续变化的水透镜，与晶状体相同，通过调节水透镜焦距来成像，像距保持
　　不变，与眼睛成像机制基本相同，
　　有学生受到生活经验启发，通过改变压力，来改变盛水塑料矿泉水瓶的形状，实现其焦距变化，模拟晶状体。
　　实验方案5　如图3甲所示，他们将盛水的矿泉水瓶正对太阳，上下移动白纸，直到白纸上出现最细的亮线，测量亮线到瓶子的距离d，此距离为柱形透镜的焦距如图3乙所示，把水瓶挤压后，测得焦距小于d，焦距变短，会聚能力变强，来模拟近视眼；如图3丙所示，把水瓶挤压后，测得焦距大于d，焦距变长，会聚能力变弱，来模拟远视眼，该方案取材容易，操作简单，形象逼真。
　　3　变焦、显示器实验方案
　　有学生受到摄像监控启发，用可变焦摄像头模拟晶状体，用电脑或投影仪模拟视网膜。
　　实验方案6　器材：可变焦摄像头，度数不同的近视眼镜和远视眼镜，电脑或投影仪，蜡烛。
　　实验过程　如图4所示，将蜡烛放在摄像头前面较近处，通过调节可变焦摄像头，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像；将蜡烛放在摄像头前面较远处，通过调节可变焦摄像头，使蜡烛在“视网膜”上成清晰的像，这是正常眼睛变焦成像的景象，将蜡烛远离摄像头，电脑或投影仪得到模糊的像，这就是近视眼所看到的景象，给“眼睛”戴上近视眼镜，电脑或投影仪上的像更加清晰了，选用度数合适的近视眼镜给“眼睛”戴上，光屏上的像清晰了，这就是近视眼睛矫正的过程，将蜡烛靠近摄像头，选用远视镜，重复上述操作，模拟远视跟形成过程和矫正过程。
　　实验方案6采用的可变焦摄像头，与晶状体变焦完全相同，实验模拟的动态过程与眼睛的成像过程相同，用电脑或投影仪模拟视网膜，成像显示直观明显，像的清晰度变化可视性强，整个实验模拟的过程与眼睛近视、远视的形成和矫正过程完全一致，实验器材新颖，科技含量高，操作容易，由上述可知，实验方案逐步改进，步步提高，凸透镜由定焦到变焦，变焦由不连续变化到连续变化，成像显示由光屏到显示器，逼真程度不断提高，实验方案不断优化，有利于学生对“视力缺陷的原因和矫正的方法”正确理解和掌握，也是对“制定计划与设计实验”这个科学探究要素内涵的加深理解过程，同时学生也获得了锻炼的机会，培养了学生的创新意识和创新能力。

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