如切如磋 如琢如磨——模拟眼睛屈光不正及矫正实验的教学践行与思考

唐笑年， 付大伟， 诸挥明， 王潇潇

（吉林大学公共物理教学与研究中心，长春130021）

0 引 言

新医科，是国家为应对新科技革命和产业变革提出的“四新”之一［1］。“新医科”旨在探索全球工业革命4.0 和生命科学革命3.0 背景下的医学教育模式，实现医学从“生物医学科学为主要支撑的医学模式”向以“医文、医工、医理、医X 交叉学科为支撑的医学模式”转变，培养能够适应以人工智能为代表的新一代技术革命，能够运用交叉学科知识解决医学领域前沿问题的高层次医学创新人才［2-4］。随着医疗技术和医学科研技术的不断进步，对未来从事医药、生命领域研究人员的知识结构提出了更高的新要求。现代医学诊疗和生命、生物科学等领域研究中，大量应用了物理学的最新测量技术与研究成果［5］；如以近代物理学原理、技术为基础的现代医学影像技术已经广泛应用于临床医学各个领域，可以提供丰富的组织与器官的形态学信息以及功能性信息［6］，可见扎实的物理学及物理实验基础对于医药、生命专业的大学生是至关重要的。医药相关专业的物理实验教学与工科各专业的实验教学有其共性，也有其特殊性。面向临床医学院、药学院、生命科学学院、国际留学生等相关专业的学生，公共物理教学与研究中心开设的医用大学物理实验是一门具有鲜明专业特色的物理学课程［7］，致力于培养医药、生命类学生良好的科学素养、活跃的创造性思维和实践创新能力。课程设计中，将物理实验内容与专业特色元素充分揉捏呈递给学生，并不断改革教学模式和教学方法，提高学习兴趣和学习效果［8-9］。

指导了相关专业近1100 名学生完成“模拟眼睛屈光不正及矫正”实验的操作，看似简单易操作的实验中却不断遇到问题，回顾总结该实验教学，对后续的教学改进很有必要。

1 实验原理及操作简介

1.1 薄透镜的成像规律

理论和实验都已证明，当一发光体的光线经透镜折射后可成一像。若设物距为l、像距为l′、透镜的焦距为f，则三者之间的关系为：

根据符号法则［8］，在利用式（1）进行运算时：实物、实像的l、l′取正值，虚物、虚像的l、l′取负值；会聚透镜的f取正值，发散透镜的f取负值。

通常用焦度表示薄透镜会聚或发散光线的本领，用Φ表示。若薄透镜置于空气中，这时的焦度为：

在国际单位制中焦度的单位为m-1，还通常用屈光度作单位，屈光度的符号为D，1D ＝1 m-1，也可用度作单位，1D ＝100°。

1.2 眼睛的屈光不正及其物理矫正

（1）正视眼的模拟——测晶状体（薄透镜A）的焦距。实际人眼，晶状体与视网膜（A与像屏）之间的距离不能改变，眼睛看清楚远近不同的物体通过调节晶状体的焦度实现（见图1），测得的数据记录于表1中。式（1）中，对晶状体A，l′A不变，lA、fA改变；而实验中，fA不变，移动A即改变lA、l′A，在像屏上成一清晰倒立的实像。可见实验中的操作不能完全模拟眼睛，但从眼睛物理意义的角度，可以认为改变lA、l′A对应于实际人眼为看清楚远近不同物体调节焦度的过程。

（2）轴性近视眼的模拟与矫正——测量眼镜（薄透镜B）的焦距。配镜的实质是薄透镜的依次成像原理。将像屏向后移动使正视眼的轴长拉长，形成轴性近视眼的模拟系统。若在物屏和薄透镜A 之间、靠近薄透镜A某一位置放入凹薄透镜B（近视眼镜），如图2 所示，则在像屏上又能形成清晰的像，测得的数据记录于表2 中。利用测得的A的焦距，两次应用式（1），求出近视镜B的焦距，重复测3 次，取其平均值¯fB。

图1 正视眼的模拟系统

表1 测晶状体（薄透镜A）焦距的记录表

图2 轴性近视眼的模拟系统

表2 测近视镜（薄透镜B）焦距的记录表

（3）屈光性近视眼的模拟与矫正——测量眼镜（薄透镜D）的焦距。恢复正视眼模拟系统，用薄透镜C（fC＝15 cm和fC＝10 cm）替换薄透镜A，形成屈光性近视眼的模拟系统，佩戴眼镜D（见图3），测得数据记录于表3 中。同上步骤

图3 屈光性近视眼的模拟系统

表3 测近视镜（薄透镜D）焦距的记录表

2 对实验的思考

2.1 模拟正视眼环节的思考

因lA＋l′A≥4fA，当lA＋l′A＝4fA时，移动薄透镜A（fA＝20 cm）寻找最清晰像，实测的数据见表4。

表4 测量晶状体A的焦距（lA ＋l′A ＝4fA） cm

由于实验仪器精度的局限性或操作者判断像清晰度的差异性，在小范围内移动透镜A，像都比较清晰，大小有微小差异，在误差允许的范围内计算结果接近。当lA＋l′A＞4fA时，实测的数据见表5。

表5 测量晶状体A的焦距（lA ＋l′A ＞4fA） cm

综上，①判定清晰成像后，无论像的性质，都可利用薄透镜的物像公式算出晶状体A 的焦距。实验中，学生并不知道fA的数值，考虑到模拟眼睛成像，建议调出倒立缩小的实像、记录数据计算。因此有lA＋l′A＞4fA、lA＞2fA同时成立，实验中要求物像距离要大于80 cm。②通过实验或几何作图可知，物像之间距离越大，像距和像就越小，为减小计算误差，在光具座允许范围内可尽量拉大物像距离，找到倒立、缩小、清晰的实像进行测量，但像也不要太小以至不易分辨。

2.2 模拟轴性近视眼环节的思考

该环节中，学生们对“重复3 次测量”的具体操作持有异议。多数学生认为：3 次操作中，晶状体A与视网膜（像屏）距离不能改变，移动眼镜B 和物屏的位置，测量3 次，物理意义很明显：同一只眼睛测量3 次（见表6）。

表6 轴性近视晶状体与视网膜距离不变的测量cm

如果改变两者间距（每次都大于正视眼间距），实验数据见表7（fB＝50 cm，表5 中，测得正视眼l′A＝27.6 cm），可见，实验中可以调整（拉大）A 与像屏的距离，即为3 次不同的轴性近视眼睛配镜的测量。

表7 轴性近视晶状体与视网膜距离改变的测量cm

表8 所示是将眼睛（A 与像屏）视作眼镜（B）的像，与正视眼系统类似分析。

若抛开眼睛的物理意义，即物屏、B、A、像屏都可以移动，看到清晰的实像，即可依据二次物像公式算得凹薄透镜B 的焦距及焦度。分析中也可以将B 与A视作透镜组来考虑。

2.3 模拟屈光性近视眼环节的思考

首先还原正视眼晶状体和视网膜位置（如前92.40 和120.00 cm），将A（fA＝20 cm）镜直接换为焦度更大的C镜（fC＝15 cm或fC＝10 cm），此时A（C）与像屏的距离大于C镜的1 倍焦距时，移动物屏和眼镜D（fD＝20 cm）方能找到清晰倒立的实像（见表9）。以给出的数据为例，就回答了直接换上fC＝10 cm C镜时，为什么学生们找不到倒立缩小的实像这个问题。

模拟近视眼过程为例，以上都是学生实验中遇见的问题，引导学生动手、讨论、积极思考，通过实验现象理解理论与实验的联系，达成实验目的。面对医药、生命专业特点设计该实验，力求与实际结合更紧密，建议购置薄透镜组，为看清远近不同物体，插入或撤去薄透镜镜片、即改变眼镜焦度，模拟实际配镜过程。学生同时完成实验室模拟及实际配镜过程，会对眼睛的屈光及配镜问题理解更透彻。

表8 模拟正视眼与轴性近视眼实验室与眼镜店比较

表9 屈光性近视眼的配镜测量 cm

3 对实验教学的思考

3.1 育思政元素于析万物之理

“今天大家仿佛走进了一家眼镜店。俗话说：眼睛是心灵的窗口，人人都应该保护好它，也有责任善待它……”。实验讲解既与学生专业紧密融合又注重思政元素的无痕渗透［10-12］。物理实验过程很多是人类物理知识获得过程的浓缩再现［13-14］，实验中，注重培养学生掌握理论学习和实验科学相结合的意识和方法；引导、鼓励学生自己动手、善于发现问题；勤于思考、分析问题；小组讨论、再动手、解决问题。培养敢于试错、实事求是、严谨的科学态度及团队协作精神。整理学生操作中发现的典型问题，作为下一次课堂小组讨论题目，引导积极互动和深度思考。课后，笔者会布置的一道思考题是这样的：自己写一句或查找一句描写眼睛的话，时刻提醒学生增强体质、爱护眼睛，同时也提高了学生投入实验的热情。

3.2 引入feedforward方法

“feedforward”原意“前馈”，这里意为：教师给予学生积极的、不断推动学生向前的、朝着更好方向发展的反馈（见图4），即feedforward ＝give feedback and push forward，是一种潜在的教学方法。它的特点是：教师给予学生的建议或方法，是朝向教学目标的、及时的、中肯的、乐观积极正向的、效果或许是滞后的或远期体现的，不一定是立竿见影的。包括口头或书面形式。如，在实验测量中，有学生经常问：在移动物、像或薄透镜A时，发现像的大小有变化，这是否影响计算结果呢？（对于非物理专业学生提出这样的问题是正常的，并不是他们的物理基础薄弱，而是部分学生认为他们主修的专业与物理学科相关性不大，从而投入精力和努力较少的结果；或没能将高中和大学物理知识结合起来解释实验现象）。教师不会因问题的浅显而出现不适的表情，“嗯，观察到这种现象了，不妨和邻桌的同学讨论一下，或一个人调出大像、另一人调出小像分别计算一下，就会有初步的结论了。”再问再耐心地引导、推动，直至达到实验目的。即：先接纳，再正向建议（如果能……就应该更好了）的模式来激励学生一步一步向着更好的方向改进、发展。

图4 feedforward方法图示

潜移默化的feedforward 方法［15］增强了学生的自信心、激发了学习动力、提高了学习效果，实验操作和实验报告完成质量较高；学生积极报名参与创新实验项目的探索。

4 结 语

“模拟眼睛屈光不正及矫正”的实验中，践行学生自主动手、探索学习为主，教师启迪引导为辅的实验教学模式，培养学生发现并解决问题的能力，注重实验过程而非最终结果。引领学生走出“重分数、轻能力”的教学模式和学习误区。无痕渗透思政元素和“feedforward”教学方法，培养科学素养、激发学习动力、提高学习兴趣和学习效果。文章对实验本身和实验教学进行了思考和总结。物含妙理总堪寻、百转千回只为真，面向医药、生命类学生的大学物理实验教学改革一直在路上，努力通过物理实验过程的实践与锤炼，向未来相关医药、生命领域输送具有缜密物理思维、较强动手能力和团队协作精神的卓越人才。