基于项目式学习的物理建模实践：自制“水透镜”探究近视成因与矫正-八年级物理教学设计

基于项目式学习的物理建模实践：自制“水透镜”探究近视成因与矫正——八年级物理教学设计一、教学内容分析

本节课隶属于初中物理“光和眼睛”主题单元，是凸透镜成像规律在生命科学领域的创造性应用与深化。从《义务教育物理课程标准（2022年版）》审视，其坐标定位清晰：在知识技能图谱上，它以“探究凸透镜成像规律”为基石，要求学生对焦距、物距、像距及成像性质（倒立/正立、放大/缩小、实像/虚像）有扎实理解；进而跨越至“眼睛的成像原理”及“近视眼、远视眼的成因与矫正”这一应用层级，构成从物理原理到人体机能解释的完整认知链条，认知要求从“理解”跃升至“应用”与“创造”。在过程方法路径上，课标强调的科学探究与模型建构思想是本课的灵魂。“水透镜”作为一个可动态调节的、高度拟真的眼球晶状体模型，将抽象的生理结构转化为具象、可操作的物理实体。本节课的设计精髓在于引导学生经历“提出问题→设计模型→实验探究→分析论证→解释应用”的完整探究流程，亲身体验如何用物理模型解决生物学实际问题，这正是跨学科实践（STEM）的核心要义。在素养价值渗透方面，知识载体背后蕴含着深刻的育人价值：通过探究活动，培育学生实事求是的科学态度与勇于创新的精神；通过分析近视成因，自然导向健康用眼习惯的养成，体现科学服务于生活的责任感；通过对“生物器官的物理实现”的惊叹，激发对自然之精巧与科学之统一的审美感知与探索热情。

基于“以学定教”原则，进行立体化学情研判：八年级学生已具备光的折射及凸透镜成像的基础知识，对近视现象有丰富的生活经验，这是宝贵的教学起点。然而，潜在认知障碍可能在于：第一，将静态的透镜成像知识迁移至眼睛这一动态、自适应光学系统存在思维跨度；第二，对“近视是由于晶状体变凸或眼轴变长导致成像于视网膜前”这一核心机理的理解容易停留在记忆层面，难以建立清晰的物理图景。部分学生可能还存在“戴凹透镜是‘发散’光线所以能矫正”的模糊认识，而未真正理解其作用是使像“后移”至视网膜。因此，教学调适策略是：利用“水透镜”模型将抽象过程可视化、可操作化。课堂上，我将通过“预测观察解释”循环、分层设问及小组协作中的巡回指导，进行动态过程评估。对于理解较快的学生，引导其思考模型与真实眼球的差异（如睫状肌调节、双透镜系统等），进行思维深化；对于存在困难的学生，提供“任务引导卡”，聚焦于核心变量（水囊厚度与焦距、像距）的关联观察，搭建认知脚手架，确保每位学生都能在探究中有所得，实现差异化成长。二、教学目标

知识目标：学生能够整合凸透镜成像规律，阐明眼睛看清远近物体的调节原理；能准确表述近视眼的成因是晶状体过度变凸（或眼轴过长），导致远处物体成像于视网膜之前；并能从光路原理上解释凹透镜矫正近视的本质是先将光线适当发散，使像成在视网膜上。

能力目标：学生能够小组协作，成功制作并调节“水透镜”模拟晶状体，设计简单实验探究“晶状体”曲率变化对成像位置的影响；能够收集、记录实验现象和数据，并运用物理语言进行合理论证，完成从具体现象到抽象原理的归纳与演绎。

情感态度与价值观目标：在模拟近视成因与矫正的探究过程中，学生能真切感受到不良用眼习惯的物理后果，从而内化保护视力的健康意识；在小组合作制作与调试模型中，培养耐心、细致、相互协作的科学探究品质。

科学思维目标：本节课重点发展学生的“模型建构”与“科学推理”思维。学生需经历将复杂生物系统（眼睛）简化为核心物理模型（可调焦透镜）的思维过程，并能基于模型实验获得的证据，进行逻辑推理，解释真实世界的生理现象，体会物理学作为基础学科的解释力。

评价与元认知目标：引导学生依据实验操作的规范性和探究逻辑的严谨性，对小组的模型设计与实验过程进行互评与自评；在课堂小结环节，反思“水透镜”模型的优势与局限，初步形成对模型这种科学方法的价值认知与批判性审视。三、教学重点与难点

教学重点：利用凸透镜成像规律解释眼睛的成像原理，以及近视眼的成因与矫正方法。其确立依据在于，此内容是课标中“物理与生活、社会”联系的大概念具体体现，是光学知识应用于人体科学的枢纽。它不仅是学业水平考试中解释说明题的高频考点，更是培养学生科学建模能力与跨学科思维的最佳载体。掌握此重点，意味着学生能打通物理与生物的知识隔阂，实现知识的融会贯通。

教学难点：动态理解“晶状体曲率（焦距）变化”对成像位置的影响，并据此完整推演近视的物理成因及矫正原理。预设依据源于学情分析：此过程涉及多个变量的动态关联（物距不变时，焦距变短，像距变长），抽象性强，学生容易混淆。常见错误是孤立记忆结论，而无法在光路图上动态演示“像的前移”与“凹透镜使其后移”的过程。突破方向在于，利用“水透镜”注入水量改变曲率的直观性，将焦距变化与像屏（模拟视网膜）上清晰像的获取直接关联，化抽象推理为可视操作。四、教学准备清单1.教师准备

1.1媒体与教具：多媒体课件（含眼睛结构动画、近视远视光路图）、实物投影仪。

1.2实验器材（每组）：光学导轨（或长直尺）、光具座、F形电光源（代表物体）、半透明塑料膜与环形支架制作的简易“视网膜屏”、自制“水透镜”套件（含透明薄膜水囊、带注水管的固定圈、注射器）、凹透镜和凸透镜各一片、擦拭布。2.学生准备

复习凸透镜成像规律；预习眼睛基本结构；分组（4人一组，角色可设操作员、记录员、汇报员、协调员）。3.环境布置

实验室灯光可调暗，便于观察成像；座位按小组分区，便于合作与器材取用；黑板预留光路图绘制区与核心结论区。五、教学过程第一、导入环节

1.情境创设与问题提出：“同学们，请观察我们教室，或者回想一下我们的日常生活，大家有没有发现，身边的‘小眼镜’越来越多了？”（稍作停顿，引发共鸣）“这背后到底隐藏着怎样的物理秘密呢？我们的眼睛，这台无比精密的‘生物相机’，是怎样工作的？又是怎样‘出故障’变成近视眼的呢？今天，我们不只要弄明白原理，还要亲手做一个模型来‘复现’近视眼的形成过程。”

1.1建立联系与路径明晰：“上节课我们深入研究了凸透镜的成像规律。大家想一想，我们的眼睛里，有没有一个类似凸透镜的部件？”（学生应答：晶状体）“非常棒！那么，一个大胆的想法来了：我们能否自己做一个‘晶状体’，来模拟眼睛看东西？如果这个‘晶状体’出了点问题，像的位置发生了变化，是不是就模拟了近视？我们又该如何‘矫正’它？这节课，我们就化身‘眼科工程师’，利用手中的‘水透镜’，开启这段探究之旅。”第二、新授环节

任务一：构建眼睛的物理模型——“水透镜”与“视网膜”

教师活动：首先，展示并介绍自制“水透镜”套件。“看，这就是我们的核心道具——一个可以‘变胖变瘦’的凸透镜。”演示将水囊安装到固定圈，并用注射器注入少量水，使其成为一个凸透镜。“大家想想，水囊的厚薄、里面水的多少，会影响它的什么光学性质？”引导学生回顾焦距与透镜形状的关系。接着，介绍整个光路系统：“F光源代表外界物体，水透镜代表晶状体，这个半透明的屏代表视网膜。我们的目标，就是让物体的像清晰地呈现在这个‘视网膜’上。”我会示范初步组装与调光，强调各元件共轴的重要性。

学生活动：小组领取器材，合作组装光路。初步尝试调节“水透镜”的水量（形状）和“视网膜屏”的位置，观察屏上能否出现光源的像。他们会兴奋地发现，通过调节，确实能得到一个倒立、缩小的实像，从而初步确认眼睛成像模型的可行性。

即时评价标准：1.能否正确组装光路，使各元件中心大致在同一高度（共轴）。2.能否通过协同操作（一人调水、一人调屏、一人观察）初步找到清晰的像。3.小组讨论中，能否用“焦距”、“像距”等术语描述观察到的现象。

形成知识、思维、方法清单：★核心概念1：眼睛简化物理模型。将眼睛简化为“可调焦凸透镜（晶状体）+光屏（视网膜）”的组合，这是物理学中常用的模型建构方法，抓住主要因素，忽略次要细节。▲认知提示：真实眼睛还有角膜、房水、玻璃体等，共同构成一个更复杂的光学系统，但晶状体的调焦作用是核心。★核心技能1：光路系统共轴调节。这是光学实验成功的基础，确保光路沿主轴传播，像质清晰。

任务二：探究“正常眼”如何看清远近不同物体

教师活动：提出驱动性问题：“我们的眼睛既能看远处的山，也能看近处的书，这个‘变焦’功能是如何实现的？”引导学生聚焦于“水透镜”。“请大家固定光源（代表远处物体）和视网膜屏的位置，模拟眼球结构固定。现在，你想要看清这个‘远处物体’，应该调节‘晶状体’的什么？”预计学生能想到调节水量（焦距）。我会要求他们先预测：要想像成在固定的屏上，透镜是应该变凸（水多）还是变扁平（水少）？然后动手验证。“现在，请将光源移近，模拟看近处物体。晶状体又该如何调节？”让学生对比两种情况下，“水透镜”的形状差异。

学生活动：学生进行对比实验。固定“视网膜屏”，先将光源放远，调节注射器改变水量，直至屏上成清晰像，记录此时水囊形状（如“较扁”）。再将光源移近，再次调节水量至清晰，记录形状（如“较凸”）。通过亲身操作，直观感受“看近处时，晶状体需变得更凸（焦距变短）；看远处时，晶状体变扁平（焦距变长）”。

即时评价标准：1.实验设计是否合理（控制变量：屏位置固定，改变物距和透镜形状）。2.观察记录是否准确，能清晰描述“物近透镜凸”、“物远透镜扁”的对应关系。3.能否用“焦距调节”来概括晶状体的作用。

形成知识、思维、方法清单：★核心原理1：眼睛的调节机制。眼睛通过睫状肌调节晶状体的弯曲程度（即焦距）来改变成像的像距，从而使远近不同物体的像都能落在视网膜上。★科学方法1：控制变量法。在探究多因素问题时，固定其他因素（如视网膜位置），逐一研究某个因素（物距）变化时，另一因素（晶状体形状）如何响应，这是科学探究的基本逻辑。

任务三：制造“故障”——模拟近视眼的形成

教师活动：这是攻克难点的关键步骤。“如果由于长期看近处，或者不良习惯，导致晶状体总是处于‘看近处’那种很凸的状态，弹性变差，难以恢复扁平，会发生什么？”让学生将“水透镜”调节到“看近处物体”时的很凸状态，然后保持这个形状不变，将光源移回远处。“大家看，现在‘视网膜’上还能得到清晰的像吗？像变模糊了，那么清晰的像是成在了视网膜的前面还是后面？你怎么判断？”引导学生通过向前或向后移动“视网膜屏”来寻找清晰像的位置，从而确定像的前移。

学生活动：学生动手“制造故障”：先将透镜调凸并固定（模拟晶状体过度调节、曲率过大），然后观看“远处”光源。他们发现屏上像变模糊。通过微调屏的位置，发现需要将屏向前移动（靠近透镜）才能重新获得清晰像。从而得出结论：晶状体过凸时，远处物体的像成在了视网膜之前。

即时评价标准：1.能否准确执行“固定透镜凸度，改变物距”的操作。2.能否通过寻找清晰像的位置，判断出像相对于原视网膜屏是“前移”了。3.能否口头表述“近视的物理成因：晶状体过凸（或眼轴过长），使远处物体成像于视网膜前”。

形成知识、思维、方法清单：★核心原理2：近视眼的物理成因。由于晶状体过度变凸（或眼轴过长），使得来自远处物体的平行光线会聚点落在视网膜之前，导致视物模糊。★易错点辨析：要区分“成像位置前移”和“物体前移”，前者是像距变化，后者是物距变化，这是学生容易混淆的概念。

任务四：设计“矫正方案”——探究凹透镜的作用

教师活动：“病因找到了，如何‘治疗’？我们的目标是让像重新回到固定的视网膜上。既然像跑前面去了，我们有没有办法让它‘退回去’？”启发学生思考光路。“请大家在‘水透镜’前，加插一个凹透镜试试看。注意观察，加入凹透镜后，光线是被会聚了还是发散了？它对最终的成像位置有什么影响？”巡回指导，关注学生是否将凹透镜放在正确位置（近视镜是戴在眼睛前方）。

学生活动：学生在已调成“近视状态”的光路中，于“水透镜”前放置凹透镜。然后尝试调节（可能需要微调屏或凹透镜位置），观察是否能在原固定的“视网膜屏”上重新获得清晰像。他们会发现，加入凹透镜后，需要将屏向后移回原处（或稍作调整），像才清晰，从而理解凹透镜先将光线发散，使得经“晶状体”会聚后，像点后移。

即时评价标准：1.能否将凹透镜放置在模型中的合理位置（晶状体前）。2.能否观察到加入凹透镜后，需要将屏向后调整才能重新清晰成像的现象。3.能否解释凹透镜的作用是“使光线先发散，让像后移到视网膜上”。

形成知识、思维、方法清单：★核心原理3：近视的矫正方法。在眼睛前佩戴凹透镜，利用其对光线的发散作用，使来自远处物体的光线经凹透镜和晶状体后，像点后移至视网膜上。★光路整合思维：理解矫正过程是凹透镜与晶状体（凸透镜）组合成像的结果，需要从整体光路变化来思考，而非孤立看待。

任务五：模型反思与迁移应用

教师活动：引导学生进行思维提升。“我们的‘水透镜’模型非常成功地解释了近视。但它是一个完美的模型吗？它和真实的眼睛有哪些不同？”鼓励学生对比思考。然后提出迁移问题：“如果像不是成在视网膜前，而是成在视网膜之后，那是什么眼？又该如何矫正？你能用我们桌上的另一个凸透镜模拟一下吗？”

学生活动：小组讨论模型的局限性（如：真实晶状体是双凸透镜、调节靠肌肉、有调节限度等）。并尝试利用凸透镜模拟“远视眼”的矫正，进行知识迁移探究。

即时评价标准：1.能否说出模型至少一个优点和一个局限性。2.能否类比近视探究过程，设计简单实验验证凸透镜对“远视”的矫正作用。3.在迁移应用中体现出的逻辑类比能力。

形成知识、思维、方法清单：▲拓展认知：模型的局限性。任何模型都是对原型的简化与近似。“水透镜”模型未考虑角膜的折射、双眼视觉、调节的神经控制等复杂生理过程。认识模型的局限是科学思维成熟的表现。★科学思维进阶：类比迁移。将研究近视的“建模探究解释”方法，迁移到远视乃至其他光学器件的分析中，实现能力的泛化。第三、当堂巩固训练

基础层（全体必做）：1.请根据本节课的探究，完成填空题：正常眼中，看近处物体时，睫状肌____，晶状体变____，焦距变____；近视眼是由于晶状体____，或眼轴____，使远处物体的像成在视网膜____，需用____透镜矫正，使像____移。2.判断：戴近视镜是为了看清楚近处的物体。（）

综合层（多数学生完成）：展示一幅光路图，图中画出了近视眼成像于视网膜前的情景，但缺失了矫正用的透镜。请学生在图上补画上合适的光学元件，并画出矫正后的完整光路示意图。

挑战层（学有余力选做）：思考与讨论：一位同学说：“我戴着近视眼镜看近处物体时，虽然也能看清，但感觉眼睛更容易累。”请你从晶状体调节的角度，尝试解释这可能是为什么？（提示：思考戴凹透镜看近物时，眼睛自身的晶状体需要比不戴眼镜时更凸还是更扁？）

反馈机制：基础层答案通过集体口答或手势（如举牌）快速统计，即时纠错。综合层选取12份学生绘制的光路图，通过实物投影展示，进行同伴互评和教师精讲，强调光线的发散与后续会聚的连贯性。挑战层问题作为思维火花，请有想法的学生简短分享，教师做点拨总结，不作为统一要求。第四、课堂小结

“同学们，今天我们当了一回出色的‘光学工程师’。我们来一起梳理一下我们的工程日志。”邀请学生代表，结合板书或思维导图框架，回顾核心探究路径：从建立模型（水透镜+屏），到探究原理（正常眼调节），再到诊断故障（近视成因），最后设计解决方案（凹透镜矫正）。重点引导学生提炼本课核心的学科方法——模型建构法，以及贯穿始终的科学探究流程。

“通过亲手操作，相信大家对近视的‘所以然’有了刻骨铭心的认识。保护视力，从现在做起，不仅仅是一句口号，更是有物理依据的科学行动指南。”

作业布置：1.必做（基础+拓展）：（1）整理本节课的知识清单与探究流程图。（2）向家人用简短的语言和画图的方式，解释近视眼的成因和眼镜的作用。2.选做（探究）：查阅资料，了解除了佩戴框架眼镜，还有哪些技术可以矫正近视（如隐形眼镜、角膜塑形镜、激光手术等），并简要说明其涉及的物理原理。六、作业设计

基础性作业（巩固核心）：

1.完成同步练习册中关于“眼睛与视力矫正”的基础选择题和填空题。

2.绘制两幅光路简图：一幅表示正常眼看远处物体，一幅表示近视眼看远处物体（未矫正），并在图上标出晶状体、视网膜、像的位置关系。

拓展性作业（情境应用）：

1.情境报告：假设你是一位社区科普宣传员，请撰写一篇约300字的短文，向社区居民（特别是中小学生家长）科普近视形成的物理原因，并给出两条基于光学原理的护眼建议（例如：“保持合适阅读距离”为什么重要？）。

2.家庭小实验：尝试利用一个老花镜（凸透镜）和一张白纸，模拟远视眼的成像及矫正（需家人协助），并记录你的发现和解释。

探究性/创造性作业（开放创新）：

1.模型迭代设计：思考并绘制草图，如何改进我们课堂使用的“水透镜”模型，使其更能模拟真实眼睛的调节过程（例如，如何模拟睫状肌的“拉”与“松”？可以选用什么日常材料？）。写出你的设计思路。

2.跨学科调研：从生物学的角度，调研睫状肌的结构与工作原理；从材料科学角度，了解人工晶状体的材料特性。写一份简要的调研笔记，思考这些知识与我们今天物理模型的联系与区别。七、本节知识清单及拓展

★1.眼睛的物理模型：物理学中常将眼睛简化为一个可调节焦距的凸透镜（晶状体）和一个光屏（视网膜）。这种建模方法抓住了成像的核心要素，忽略了角膜、房水等次要细节，是分析复杂系统的有效手段。

★2.视觉调节原理：眼睛通过睫状肌的收缩与舒张来改变晶状体的弯曲程度（曲率），从而改变其焦距。看近处物体时，睫状肌收缩，晶状体变凸，焦距变短，使像仍能落在视网膜上；看远处时则相反。

★3.近视眼的成因：主要由于晶状体过度变凸（屈光性近视）或眼轴过长（轴性近视），使得来自远处物体的平行光线会聚点落在视网膜之前，因此在视网膜上形成模糊的像。

★4.近视的矫正原理：在眼睛前佩戴凹透镜。凹透镜对光线有发散作用，可以使来自远处物体的光线先适当发散，再经晶状体会聚后，像点后移至视网膜上。关键理解是“凹透镜使像后移”，而非简单记忆“发散光线”。

▲5.远视眼及其矫正：与近视相反，远视眼是因晶状体过扁（或眼轴过短），使近处物体成像于视网膜之后。需用凸透镜矫正，利用其会聚作用使像前移至视网膜。

★6.“水透镜”模型的优势：直观、可调、成本低，能动态演示焦距变化与成像位置的关系，将抽象的生理过程转化为可操作的物理实验，极大地促进了理解。

▲7.模型的局限性认识：真实眼睛是包含角膜、房水、晶状体、玻璃体的复合格光学系统；调节过程是神经控制的平滑肌肉运动，非简单的注水；模型未考虑像差、双眼视觉等高级功能。认识到模型不等于原型，是科学思维的重要部分。

★8.核心科学方法——模型建构法：在科学研究中，针对复杂对象或过程，根据研究目的，提炼其核心特征，构建一个简化的、易于研究的替代物（模型），通过对模型的研究来推知原型的规律。这是物理学乃至所有自然科学的关键方法。

★9.控制变量法的应用：在探究眼睛调节时，我们固定“视网膜”位置（控制变量），分别研究“物距变化”和“透镜形状变化”之间的因果关系，这是得出科学结论的重要逻辑保障。

▲10.护眼的物理学依据：“保持适当用眼距离”是为了避免物距过近导致晶状体长期处于过度变凸的紧张状态；“避免在过暗或晃动的环境中看书”是为了保证足够且稳定的光线，减轻眼睛调节和会聚的负担。科学用眼习惯有其深刻的物理生理学基础。八、教学反思

（一）目标达成度与证据分析

本节课的核心目标在于学生通过建模探究，深度理解近视成因。从课堂观察和当堂训练反馈来看，绝大多数学生能准确描述成因与矫正原理，并能动手演示，知识目标达成度高。能力目标方面，各小组均成功完成模型构建与探究任务，实验报告中的光路图绘制和现象描述也显示出初步的科学探究能力，但在实验设计的严谨性（如变量的精确控制）上，部分小组仍需加强引导。情感与价值观目标在“模型制造故障”和课后讨论中自然达成，学生表现出对视力保护的深切关注。最令人欣慰的是，学生在任务五中能主动讨论模型局限，这表明科学思维目标中的模型批判意识已开始萌芽。

（二）教学环节有效性评估

1.导入环节：从生活现象切入，迅速激发共鸣与好奇，提出的“化身眼科工程师”角色定位，赋予了学习强烈的使命感，驱动性强。

2.新授环节（任务链）：五个任务环环相扣，形成了清晰的认知阶梯。任务二（正常眼调节）是理解后续所有问题的基础，此处时间分配充足，学生活动充分，为难点突破铺平了道路。任务三和四作为重难点攻坚，“水透镜”的可调性优势发挥得淋漓尽致。学生在“固定凸度”和“寻找清晰像位置”的操作中，真正“看见”了像的前移与后移，将抽象推理转化为直观体验，这是突破难点的关键。我反思，如果在任务四加入定量或半定量的测量（如记录屏移动的方向和大致距离），可能更能强化“像距变化”的概念。任务五的反思与迁移设计是亮点，将课堂思维推向了一个新的高度。

（三）学生表现深度剖析与差异化支持

课堂中，学生呈现出明显的思维分层：约70%的学生能紧跟任务，自主探究并得出结论；约20%的学生在任务间的衔接和原理归纳上需要同伴或教师的点拨；另有约10%的“先锋”学生，在完成基础任务后，迅速开始了自发探索，如尝试用两个水透