自制眼球模型：跨学科实践的应用研究与反思

摘要

《义务教育物理课程标准（2022年版）》构建了“跨学科实践”主题的内容框架，旨在发展学生跨学科运用知识的能力、分析与解决问题的综合能力及动手实践能力，培养其积极的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神。基于此，以苏科版物理八年级上册“透镜的应用”一节中“视力的缺陷与矫正”教学为例，以问题链为导向，依托自制眼球模型，开展物理与生物学的跨学科实践探索，以期为课堂教学提供一个可借鉴的范式。

Graphical abstract

关键词

跨学科实践 / 眼球模型 / 视力缺陷 / 矫正 / 自制教具 / 情境教学

《义务教育课程方案（2022年版）》强调加强课程综合与学科关联，要求紧密联系学生生活与社会实际，强化学科内整合及跨学科主题学习，着力培养学生在真实情境中综合运用知识解决问题的能力。苏科版（2024年版）物理八年级上册“透镜的应用”与苏科版（2013年版）生物学八年级上册“人体对信息的感知”均涉及眼的结构与功能。自制眼球模型融合了物理、生物学及材料学等多学科知识，有助于学生深入理解眼球构造及其视觉机理^［1］。

1 问题的提出

跨学科实践教学包含4个关键环节：首先，基于真实问题确立主题；其次，拆解任务并设计方案；再次，依案实施，制作模型或开展实验探究；最后，组织小组交流评估并进行迭代改进^［2］。此外，跨学科实践教学设计还应重视教学评价：需基于教学目标设计评价量表，对学生在各维度的表现水平作出细致规定，并实施科学评价。基于此，笔者以“视力的缺陷与矫正”一课为例，构建跨学科实践教学的实施体系并予以落地。

1.1 促进学科教学的全面育人

生物学教材侧重人眼的结构认知，要求学生掌握眼球各部分结构及其与视觉形成的关系，以养成健康用眼的卫生习惯。物理教材则在此基础上，进一步探究视力的缺陷与矫正机制。鉴于学生在生物学课程中已具备眼球结构与功能的认知基础，则物理教学应聚焦成像原理、视力缺陷成因及矫正方法，通过模拟实验观察现象、分析问题并提出解决方案，以便深化对科学用眼的理解。

然而，笔者在教学实践中发现，分科教学割裂了知识的整体性，不利于学生形成对科学用眼的系统认知。为此，笔者主张重构教学逻辑：从认识人眼结构与成像原理入手，深入探究视力缺陷的成因，进而寻找科学矫正方案，以此促进核心素养在课堂中的有效落地（表1）。

1.2 实现学习方式的问题引导

跨学科实践强调“跨学科性”与“实践性”。其核心在于以真实问题解决为基础，打破单学科壁垒，综合运用多学科知识与认知方式，最终生成新认知、创造新产品。实施跨学科实践教学，必然要求教学方式、学习方式和评价方式的同步变革。基于物理与生物学教材内容的关联与差异，笔者整合两科资源，提炼出驱动该节课的6个核心问题，引导学生开展探究：①人眼的结构是什么样的？②人眼如何成像？③近视眼的缺陷是什么？④近视眼如何矫正？⑤远视眼的缺陷是什么？⑥远视眼如何矫正？

该课遵循学生的思维逻辑，以这6个问题为导向，循序渐进地探究人眼的调节机制及视力缺陷的矫正原理。这6个问题涵盖了两门学科关于视觉教学的核心要义，通过问题链的层层推进，确立了学生的主体地位，促使其进行深度学习。

1.3 落实学习质量的有效监控

在跨学科实践教学中，学习评价是保障实施效果的关键环节，需设计客观可行的评价体系以落实育人目标^［3］。基于前述6个核心问题，结合物理与生物学课程标准，笔者特制订了具有跨学科特质的评价方案（表2）。

（1） 在知识建构层面，评价重点关注学生能否通过建模与实操，辨识眼球的解剖结构，并阐明其在成像过程中的生理机能与物理机制。

（2） 在过程方法层面，强调过程性评价：考查学生能否解释晶状体的调节原理，运用凸透镜成像规律分析视力缺陷成因，并遴选适配透镜进行矫正。同时，关注学生在探究中生成的新问题，引导其对探究过程进行自我反思与评价，以此培养高阶思维能力。

（3） 在成果达成层面，综合评价学生能否融通两学科视角，即从生物学视角解析眼球构造，从物理视角提出科学的视力矫正方案。此外，鼓励学生以此课为基点，深化对透镜系列知识的迁移与应用。

2 教学中的创新点

跨学科实践的核心要素体现为探究与建模行为。模型建构有助于学生抽取事物关键特征，深化对概念、过程及系统的理解，进而形成系统思维。为助力学生完成模型建构，笔者自制了眼球模型教具，以期借助直观教具突破教学难点。

2.1 利用自制眼球模型模拟人眼成像原理

在探究“人眼的成像原理”时，物理视角强调晶状体曲度的调节机制：当物体远离眼球时，晶状体曲度变小（变薄）；当物体靠近眼球时，晶状体曲度变大（变厚）。然而，传统水透镜教具存在明显缺陷：注水加压时，虽能模拟晶状体变厚看清近物，但因内部水压过大，极易导致接口漏水，难以维持形态稳定，无法进行有效对比实验。

为解决这一问题，笔者设计了自制眼球模型（图1）。

（1） 器材：LED F光源、移动电源、注射器、大水透镜、亚克力球、支架、激光笔、檀香。

（2） 装置原理：该模型采用两个透明亚克力半球模拟眼球壁；以大直径水透镜模拟晶状体；将半球后部涂白模拟视网膜。

（3） 改进优势：该装置有效解决了水压泄漏问题，实现了稳定的成像功能。

（4） 教学建议：生物学教学常将眼球模型涂黑以增强仿真度，但这阻碍了学生对晶状体形变过程的观察。相比之下，使用透明眼球模型能让学生直观看到晶状体的厚薄变化与成像关系。因此，笔者建议在跨学科探究初期采用透明模型，待原理明晰后再结合生物学结构特点进行深入分析。

2.2 自制眼球模型的优化设计与近视模拟探究

针对“近视眼的缺陷是什么？”与“近视眼如何矫正视力？”两个核心问题，学生需先明确近视的成因，方能理解矫正原理。为模拟近视状态，需探究睫状肌完全放松（即晶状体处于最小曲度）时，远处物体的成像位置。为便于学生观测，笔者对模型进行了改进（图2）：在亚克力半球上开设“观测孔”，并将模拟视网膜的光屏设计为可沿光轴移动的结构。通过移动光屏寻找最清晰的像，学生发现此时像成于原视网膜位置的前方。由于真实人眼的视网膜无法伸缩，学生由此推导出“晶状体曲度过大或眼球前后径过长”是导致近视的根本缺陷。

2.3 自制眼球模型光路图的教学策略分析

该装置还可通过在半球下方开孔注入白烟，实现光路的可视化。通过调节水透镜的曲度，学生能直观观察到入射光线的会聚路径变化。

针对“近视眼缺陷”，装置可模拟因长期不良用眼导致晶状体曲度过大且不易恢复，致使远处物体成像于视网膜前方的现象。利用该装置，学生能清晰看到：当透镜焦距缩短时，光斑前移。有鉴于此，教师引导学生探究“如何将光斑移回视网膜”。结合生活经验，学生能迅速得出“加装凹透镜发散光线”的矫正方案。

这一改进不仅突破了光路不可见的难点，更串联起“现象—结构—原理”的逻辑链条，凸显了自制教具的优势。学生透过成像现象识别视力缺陷，基于光路原理完成视力矫正，实现了物理与生物学的深度融合（图3）。

3 教学片段

2022年版义务教育物理课标倡导注重科学探究、突出问题导向、创设真实情境，旨在引导学生提升实践本领与科学思维，发展核心素养；同时要求教学方式多样化，合理融合信息技术。基于新教材的内容架构，笔者对“视力的缺陷与矫正”一节的教学实施进行了以下优化探索。

3.1 利用信息技术创设教学问题情境

随着课程改革的推进，教师愈发重视问题情境的创设。情境不应仅止于激发兴趣，更应回归生活实际，服务于深度学习。该课主旨为“视力的缺陷与矫正”，鉴于正常视力学生对屈光不正缺乏直观体验，为创设兼具跨学科属性的真实情境，笔者引入手机自动对焦技术进行模拟演示：将近视与远视镜片分别置于手机镜头前，模拟晶状体的调焦过程，并利用希沃白板投屏展示成像效果。

此举旨在引导学生直观感知近视与远视的视觉世界，并顺势抛出矫正视力必须解决的6个核心问题，从而融通物理与生物学视角，落实跨学科教学目标。

3.2 传统水透镜实验装置改进

传统水透镜实验装置（图4）对眼球的模拟尚显抽象。为此，笔者对其进行了有针对性的改进（图5）：增设了瞳孔与玻璃体结构，移除外部光屏，改用粘贴于玻璃体内壁的白色贴纸模拟视网膜。这一改进使模型内部结构更趋近真实眼球，有助于学生在实验探究中获得更为沉浸的情境体验。

实验器材：光具座、F光源、凸透镜（模拟晶状体）、凹/凸透镜（模拟矫正镜片）、自制眼球模型组件（含亚克力球、水透镜等）。

3.3 新教材实验方案改进

新教材设置的“模拟探究近视眼的缺陷”活动，采用了“先模拟矫正、再还原近视”的逻辑：先佩戴近视镜片使光屏成像清晰，再摘下镜片观察模糊像，最后移动光屏定位像的位置^［4］。然而，这与生活实际相悖——现实中学生是先出现视力障碍，后进行矫正。为此，笔者基于生活逻辑重构了实验方案。

首先，通过调节水透镜的曲度模拟晶状体凸度过大、弹性减弱的生理状态，直观展示睫状肌调节失灵导致远处平行光线经折射后无法会聚于视网膜的全过程。其次，利用凸透镜固定模拟丧失调节机能的晶状体，将物体置于远处，通过移动光屏证实像成在视网膜前方，从而确立“晶状体曲度过大导致成像偏移”的近视缺陷本质。最后，引入矫正镜片进行视力矫正，通过凹透镜的发散作用将前移的像重新拉回视网膜，验证了光学矫正的物理机制。

该教学设计严格遵循了“发现问题—探究原因—解决问题”的认知闭环，深度契合建构主义学习理论。首先，通过模拟“视物模糊”的现象，引发学生的认知冲突，迫使其直面生活中的视力困扰，从而自发产生“为何看不清”的疑问。继而，引导学生跳出单纯的光学成像，回归生物学视角审视晶状体曲度与睫状肌调节的生理机制，从物理与生物学双重维度精准归因。最终，引导学生运用光学原理设计视力矫正方案，将抽象的“凹透镜发散作用”转化为解决实际视力问题的工具。

这种设计彻底打破了传统教学中“先给结论后验证”的灌输模式，转而构建“生活原型—科学建模—回归生活”的完整逻辑链条。它不再是将知识作为孤立的符号灌输给学生，而是将其作为解决真实问题的武器，极大地缩短了书本知识与现实生活的距离，使学习真正发生在具体的情境之中。

4 结语

综上所述，围绕“视力的缺陷与矫正”开展的跨学科实践，通过问题链驱动与实验探究，有效促进了学生物理与生物学核心素养的融合发展。

首先，该模式打破了单学科壁垒，引导学生融通科学知识与生活经验，在解决真实问题的过程中提升了综合思维与实践能力。其次，学生在建模与调试中经历“发现问题—设计方案—迭代优化”的完整探究循环，有效催生了创新意识与工程思维。最后，将抽象的视觉健康议题具象化，强化了学生对用眼护眼的认知自觉，激发了其服务自身及公众健康的社会担当。

由此可见，此类跨学科实践不仅是落实核心素养培育的有效路径，更是培养具备跨学科理解力、创新实践能力及社会责任感的未来人才的必然选择。

该实验有效弥补了教材中的实验空缺。通过探究气体压强与气体体积的关系，帮助学生理解教材中“大气压强与空气疏密有关”的含义；再进一步探究气体压强与沸点之间的关系。整个教学过程贴合学生的认知规律，符合学生思维特点。

实验采用数字化仪器，与时俱进，现象明显，数据直观准确。以定量数据支撑定性结论，有助于培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。

参考文献

[1] 胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现［J］.中学物理教学参考，2017，46（15）：1-3.

[2] 杨明全.我国课程改革语境下的跨学科：教育意蕴与实践样态［J］.北京教育学院学报，2024，38（02）：6-13.

[3] 何善亮.面向未来，积极推进中小学工程教育发展［J］.教育家，2024（14）：8-9.

[4] 刘炳昇.义务教育教科书物理八年级上册［M］.南京：江苏凤凰科学技术出版社，2024. （上接第72页）

[5] 腾。记录下此时瓶内的气压与水的沸点，即瓶内气压为94.0 kPa，水的沸点为98.1 ℃。

[6] 接下来迅速盖上瓶塞，向下推动注射器的活塞，使瓶内气压增大，观察水的沸腾现象，发现水停止沸腾。

[7] 保持瓶内较高的气压，继续加热，待水中再次出现大面积气泡时，说明水再次沸腾，记录下瓶内气压和水的温度，即瓶内气压为100.3 kPa，水的沸点为100.1 ℃。

[8] 熄灭酒精灯，停止加热，待瓶内水不再沸腾时，盖上瓶塞，向上拉动注射器的活塞，使瓶内气压减小，观察水的沸腾现象，可以发现水再次沸腾，记录下此时瓶内的气压为87.4 kPa，水的沸点为97.9 ℃。

[9] 分析实验数据可以发现：气压降低，沸点降低；气压升高，沸点升高。

[10] 实验教学反思与评价

基金资助

2024年苏州市教育科学规划办“十四五”规划重点课题“科学思维导向的跨学科综合实践活动设计研究”(2024/LX/01/019/04)