（一）实验设计

1.实验原理

水透镜能够不断改变焦距是因为可以利用注射器控制其内部水量，不断改变其两个表面的凹凸程度。大型水透镜由于薄膜内注水后向下凹陷，但水面是水平的，形成了一个大型的凸透镜，因此具有汇聚阳光热量的作用。

2.实验材料

有机玻璃管、塑料薄膜、剪刀、三线半导体光源、保鲜膜、细长的塑料软管、注射器、刻刀、胶带纸、自行车轮胎圆形钢架、铁支架、夹子若干、卷尺或米尺、AB胶、墨镜、大型量杯。

3.STEM理念的融合

STEM理念的融合如表3-7所示。

表3-7　STEM理念的融合

（二）教学编排

1.教学过程

（1）利用三线半导体光源展示水透镜的聚光作用和散光作用，并请学生观察、思考其作用原理。

（2）将保鲜膜覆在有机玻璃管的两端，尽量将其表面处理平整，用胶带纸封住。

（3）用注射器向有机玻璃管内注水，调配AB胶。(www.daowen.com)

（4）将细长塑料软管接入有机玻璃管的侧面，并用AB胶封住空隙，将注射器的头部接入塑料软管的另一端。

（5）利用注射器调节水透镜表面的凹凸程度，并使用三线半导体光源和米尺测量水透镜的焦距变化范围。

（6）调节铁架台的高度，将大型水透镜架起，并往其中注水。

（7）佩戴墨镜测量大型水透镜的焦距。

2.基于STEM理念的6E设计型学习模式

基于STEM理念的6E设计型学习模式如表3-8所示。

表3-8　基于STEM理念的6E设计型学习模式

续表

续表

3.小结

该实验利用可变焦“水透镜”的制作，直观形象地演示了晶状体凸度的连续性变化，是人教版初中物理八年级的教学内容。在现行的初中物理教材中，人眼成像原理的课程内容由于受条件的限制，难以对人眼晶状体变焦调节进行模拟。因为实验室配备的透镜往往都是固定焦距的，所以设计该实验加深学生对人眼成像、近视远视的理解，希望融合STEM理念的创新实验能够培养学生的操作能力，提高学生的科学素养，切实解决教学中的难点问题。该创新实验的设计既是为了给学生实况展现课本上的内容，也是为了补足实验室材料的局限性。实验设计的灵感来源是弹性薄膜的延展性，为了完成加水的特殊“透镜”、挖掘潜在的教学价值并将其应用于合适的学习主题之中，就需要在制作和学习之间做出合适的权衡。考虑STEM理念实验的设计原则，在进行实验整体的设计时就要合理安排实验不同环节的重心，在动手制作小型水透镜的环节之后设置户外的大型水透镜实验过程，是基于开放性的考虑。因此，该实验设计的教学方法选用了系统化的6E教学法。以水作为特殊透镜的“闪光点”是实验趣味性的主要来源，因此教师在设计应用时要始终把握整体氛围的情境性，在实验的不同进度中使得学习主题有不同层次的体现，比如学生在调节水量并借助实验室光源时明白眼球的模拟成像过程，在大型水透镜的会聚作用下看到具体焦距的逐渐变化，等等。