張來(lái)萌 孔德周

（山東省曲阜市杏壇中學(xué) 山東曲阜 273100）

初中階段的生物學(xué)教材中，介紹了“視覺的形成”這部分知識(shí)，而且均設(shè)置在7年級(jí)下冊(cè)。在這部分知識(shí)中，人眼在觀察遠(yuǎn)、近物體時(shí)晶狀體曲度的變化，近視眼的成因和矯正方法，是本節(jié)課的難點(diǎn)。究其原因，首先是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的眼球模型中，晶狀體的曲度是不可改變的，僅展示了晶狀體的形態(tài)和在眼球中的位置，不能演示物像在視網(wǎng)膜上的成像情況。其次，物體通過晶狀體在視網(wǎng)膜上成像，其原理是“凸透鏡成像”，而學(xué)生到8年級(jí)學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí)，才學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。因此，在沒有學(xué)習(xí)“凸透鏡成像”原理及規(guī)律的前提下，教師在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識(shí)時(shí)，利用圖片或視頻進(jìn)行講解，或利用多片透鏡演示晶狀體的調(diào)節(jié)作用，但不論用哪種方法，均不能很好地展現(xiàn)晶狀體的曲度變化動(dòng)態(tài)過程，很難讓學(xué)生真正地理解晶狀體的調(diào)節(jié)原理。

為此，筆者設(shè)計(jì)了這種曲度可變化的水透鏡（簡(jiǎn)稱變焦水透鏡），如圖1、圖2。其中，a、b、c 用厚度為3 mm 亞克力板制作，d為去除針頭的靜脈注射器末端軟管，e 為雙層PVC 膜，f 為固定螺絲與螺母。

圖1 變焦水透鏡

圖2 制作變焦水透鏡主要部件

1 制作方法

1.1 材料 厚度為3 mm 的亞克力板、PVC 膜、螺絲與螺母5 套、去除針頭的靜脈注射器細(xì)軟管（圖2中的d，以下簡(jiǎn)稱“注水軟管”）、20 mL 注射器。

在材料的選擇上，用于制作變焦水透鏡鏡面的材料是決定此裝置是否成功的關(guān)鍵。筆者嘗試用過乳膠手套、塑料袋、保鮮膜等多種材料，乳膠手套彈性好，但透光性不足；塑料袋和保鮮膜透光性好，但彈性不足?！安úㄇ颉钡哪な且环NPVC 膜，彈性足，透光性也很好，滿足了制作變焦水透鏡的要求。

1.2 制作步驟 ①用游標(biāo)卡尺測(cè)量眼球模型中晶狀體模型的尺寸，用亞克力板、制作3 個(gè)圓環(huán)：外徑65.5 mm、內(nèi)徑44 mm 的圓環(huán)2 個(gè)（圖2a 和2 c），外徑58.5 mm、內(nèi)徑44 mm 的圓環(huán)1 個(gè)（圖2b）。為方便組裝，在3組亞克力圓環(huán)上，均預(yù)留相同直徑和孔距的固定孔。在較小的圓環(huán)上，在避開固定孔的位置，以過圓心的方向，用矬刀加工1 個(gè)小的“一”字形豁口，預(yù)留放置注水軟管（圖2d）。用亞克力板加工圓環(huán)有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）材料易于加工；2）亞克力板表面平整，有利于2 層PVC 膜的密封。當(dāng)然，不同的眼球模型，晶狀體尺寸可能不同，按實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

②在波波球球面上，剪取直徑為60 mm 的圓形PVC 膜2 個(gè)（圖2e）。未充氣的波波球，其2 層膜是直接貼合在一起的，可在未充氣前，用剪刀一次性剪下2 張PVC 膜。

③從下到上，依次按照?qǐng)D2中部件a、部件b、第1 層PVC 膜、部件d（注意放置在部件b 的豁口處，為防止此處漏水，建議在豁口位置，2 層膜之間及注水軟管的表面涂抹補(bǔ)胎膠水）、第2 層PVC膜、部件c 的順序排列好（圖3），注意使3 個(gè)亞克力板上的固定孔相互對(duì)齊，然后用螺絲及螺母（圖2f）緊固，將2 層PVC 膜壓實(shí)，防止注水后滲水。連接注射器后，變焦水透鏡即制作完成，可直接固定在眼球模型晶狀體處。

圖3 各部件排列順序

2 使用方法

變焦水透鏡焦距變化的原理：利用注射器向變焦水透鏡內(nèi)注水，水會(huì)進(jìn)入2 層PVC 膜間的空腔內(nèi)（以下簡(jiǎn)稱“透鏡腔”），PVC 膜由于水的壓力及其自身彈性的原因，就會(huì)形成凸透鏡。向透鏡腔內(nèi)注入較少水，PVC 膜形變較小，球面曲度較小，焦距較大，對(duì)光的折射作用較小，會(huì)聚作用較弱；若繼續(xù)向透鏡腔內(nèi)注水，PVC 膜向外形變更大，進(jìn)而使球面曲度更大，焦距更小，對(duì)光的折射作用更大，會(huì)聚作用更強(qiáng)［1］（圖4）。

圖4 變焦水透鏡工作原理

2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備 將變焦水透鏡放置到眼球模型中的晶狀體位置，注水口朝上，以便在開始注水階段排出進(jìn)入透鏡腔的空氣。用注射器吸取50℃左右的溫水15 mL（溫水可加大PVC 膜的彈性），注射器出水口朝下，連接注水軟管，然后向透鏡腔內(nèi)注入6～8 mL 溫水。開始階段，注水軟管內(nèi)的空氣會(huì)在水的推動(dòng)下進(jìn)入透鏡腔，由于密度原因會(huì)停留在透鏡腔的最上方，此處正好就是注水口處，可反向拉動(dòng)注射器活塞，這樣就將透鏡腔內(nèi)的空氣全部抽到了注射器內(nèi)，這時(shí)，2 層PVC膜連同膜之間的水就形成了凸透鏡。抽入注射器內(nèi)的空氣，同樣由于密度原因會(huì)停留在注射器上方，即活塞位置，這樣不論是再次注水還是抽水，空氣均不會(huì)再次進(jìn)入透鏡腔內(nèi)。

2.2 模擬人眼視網(wǎng)膜成像特點(diǎn) 在離變焦水透鏡20 cm 處，點(diǎn)亮光源（筆者利用的是高亮字母“F”光源），調(diào)整變焦水透鏡曲度，即可在眼底位置（視網(wǎng)膜上）呈現(xiàn)一個(gè)倒立、縮小的實(shí)像（圖5）。

圖5 通過變焦水透鏡成清晰物像

2.3 模擬人眼觀察遠(yuǎn)近物體時(shí)晶狀體曲度的動(dòng)態(tài)變化 將光源向更遠(yuǎn)的位置移動(dòng)，此時(shí)視網(wǎng)膜上的像變模糊，適當(dāng)抽回少量水，就可重新使視網(wǎng)膜上的像變清晰。在抽水過程中，提醒學(xué)生注意水透鏡鏡面的曲度變化。此過程演示了在看遠(yuǎn)處物體時(shí)，晶狀體的曲度變化過程。

將光源向更近的位置移動(dòng)，此時(shí)視網(wǎng)膜上的像再次變模糊，適當(dāng)注入少量水，就可重新使視網(wǎng)膜上的像變清晰。同樣，在注水過程中，提醒學(xué)生注意水透鏡鏡面的曲度變化。此過程演示了在看遠(yuǎn)處物體時(shí)，晶狀體的曲度變化過程。

2.4 模擬假性近視的原因及矯正方法 在物像清晰時(shí)，向水透鏡注入3～4 mL 溫水后，視網(wǎng)膜上的物像變模糊（圖6）。注水前提醒學(xué)生注意水透鏡鏡面曲度變化，學(xué)生可很容易地觀察到，此時(shí)晶狀體的曲度比原來(lái)的曲度大，向?qū)W生說明這是假性近視患者的晶狀體狀態(tài)，曲度比正常人的晶狀體曲度大。在觀察遠(yuǎn)處物體時(shí)，假性近視患者的晶狀體，由于曲度無(wú)法調(diào)節(jié)到正常程度，因此，在視網(wǎng)膜上不能呈現(xiàn)清晰的物像，從而看不清遠(yuǎn)處物體。進(jìn)一步演示近視眼的矯正方法，即在晶狀體前放置200 度左右的近視鏡（讓學(xué)生用手感知近視鏡鏡片的厚度，對(duì)比邊緣部分鏡片厚度和中心部分的鏡片厚度，明確近視鏡的本質(zhì)是凹透鏡），視網(wǎng)膜上的物像立刻變得清晰［2］（圖7）。

圖6 模擬近視眼成像情況

圖7 近視眼矯正后成像情況

3 小結(jié)

用變焦水透鏡替代眼球模型中的晶狀體，既可演示視網(wǎng)膜上的成像特點(diǎn)，又可直觀地展示人眼在觀察遠(yuǎn)近物體時(shí)晶狀體曲度的動(dòng)態(tài)變化過程，還可輔助說明假性近視的原因和矯正方法，讓學(xué)生更好地理解晶狀體在視覺形成過程中的作用，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。