V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование особенностей бинокулярного зрения человека с помощью псевдоскопа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Бинокулярное зрение - способность человека (и других хищных млекопитающих) чётко видеть изображение предмета двумя глазами сразу посредством подсознательного соединения в зрительном анализаторе (коре головного мозга) изображений, полученных каждым глазом в единый образ. Бинокулярное зрение даёт нам объёмную «картинку», поэтому также его называют стереоскопическим.
В 1852 году английский физик Чарльз Уитстон предложил исследовать особенности человеческого зрения с помощью созданного им прибора – псевдоскопа. Данный прибор создаёт обратную перспективу, что ведёт к смене полей зрения местами.
Рассматриваемая в этой работе тема выходит за рамки школьного курса оптики и изучается в разных учебных предметах: на уроках физики, биологии, факультативах по психологии. Но зачастую не хватает демонстрационного материала. Использование псевдоскопа в школьных занятиях может восполнить этот дефицит.
Постановка проблемы:
С псевдоскопом проведено много экспериментов (например, опыты Б.Н. Компанейского. [Психология ощущений и восприятия. Хрестоматия по психологии. / Под ред. Ю.Б. Гиппенрейтер, В.В. Любимова, М.Б. Михалевской. М., 1999. С. 403-410]) Но в основном в них участвовали взрослые испытуемые. До сих пор не хватает сведений про меньший возраст и индивидуальные особенности испытуемых (по умолчанию в качестве испытуемых брались взрослые люди; в экспериментах описывались только общие закономерности, без особых подробностей). Это делает актуальным дальнейшие эксперименты с псевдоскопом.
Процессы, которые предстоит изучить входят в сферу различных научных дисциплин: физики (оптика), анатомии (офтальмология), психологии ощущений и восприятия. В то же время тема абсолютно нова для школы, однако является для неё интересной - в первую очередь тем, что наглядно и доступно иллюстрирует очень тесную взаимосвязь наук, её единство.
Кроме эта тема очень важна, так как на более глубоком уровне связана с одним из вариантов создания искусственных органов чувств.
Содержащийся в исследовании материал повышает эрудицию автора и расширяет кругозор аудитории, привлечённой к демонстрации прибора.
Гипотеза исследования:
1. Зрительное восприятие пространственного расположения тел объясняется взаимодействием полей̆ зрения каждого глаза. Если поменять местами поля зрения, то изменится и зрительное восприятие.
2. Существуют возрастные и индивидуальные особенности изменения восприятия пространства при использовании псевдоскопа.
Проблемы исследования:
Хотя программы по физике и биологии предполагают изучение работы зрительного восприятия у человека, для этих тем в школе часто не хватает демонстрационного материала (в т.ч. псевдоскопа), хотя для хорошего понимания этих достаточно сложных тем он крайне желателен.
Описанные в литературе эксперименты с использованием псевдоскопа не отражают возрастных и индивидуальных особенностей испытуемых.
Мой личный учебный и исследовательский интерес к установлению межпредметных связей между интересующими меня областями знаний: физикой, биологией и психологией.
Цель исследования:
Применить псевдоскоп как наглядную модель для изучения межпредметной темы зрительного восприятия человека для исследования возрастных и индивидуальных особенностей восприятия пространства.
Задачи исследования:
1. Изучить строение зрительного аппарата человека и действие бинокулярного зрения при обычных условиях.
2. Изучить строение псевдоскопа, разобраться в его работе.
3. Изучить существующие эксперименты с псевдоскопом.
4. Приобрести псевдоскоп.
5. Провести эксперименты по изучению специфики зрительного восприятия пространственного расположения тел при смене полей зрения у у подростковой аудитории.
6. Выявить возрастные и индивидуальные особенности восприятия пространственного расположения тел при смене полей зрения.
7. Предложить пути использования псевдоскопа как наглядной модели для изучения межпредметной темы зрительного восприятия человека.
Объект исследования: бинокулярное зрение человека. Предмет исследования:особенности зрительного восприятия под воздействием псевдоскопа. Методы исследования:
В исследовании применялись следующие методы:
1. Теоретические
- анализ источников информации по строению зрения человека, строению псевдоскопа, различных источников информации содержащих опыт предыдущих поколений и современные научные разработки.
2. Эмпирические.
- проведение экспериментов с целью исследования особенностей бинокулярного зрения человека под влиянием псевдоскопического изменения восприятия пространства;
- интроспекция;
- ачественный анализ результатов проведённых экспериментов с сопоставлением результатов с источниками литературы.
Основная частьГлава 1. Бинокулярное зрение человека. Строение и работа зрительной системы человека1.1. Глаз
Человеческий глаз обладает совершенным строением и обеспечивает зрение не только в цвете, но также в трёх измерениях и с высочайшей резкостью. Он обладает способностью моментально менять фокус на самые разные расстояния, осуществлять регуляцию объёма поступающего света, различать между собой огромное количество цветов и оттенков, и многое-многое другое. Перед тем как передать информацию в головной мозг наш глаз компрессирует (сжимает) данные.
Рисунок 1. Строение глаза.
Прохождение света
Приближаясь к глазу, световые лучи сталкиваются с роговицей (роговой оболочкой). Её прозрачность позволяет свету проходить сквозь неё во внутреннюю поверхность глаза, а кривизна - преломлять свет и помогать хрусталику фокусировать световые лучи на сетчатке.
После прохождения света сквозь роговицу, он идёт в маленькое отверстие, расположенное в центре радужки глаза. Это и есть наш зрачок. Радужка же представляет собой круглую диафрагму, которая находится перед хрусталиком сразу за роговицей. Размер этого отверстия имеет возможность изменяться, чтобы контролировать количество поступающего в глаз света.
Фокусировка
Далее свет проходит через хрусталик, находящийся за радужкой. Хрусталик является оптическим элементом, имеющим форму выпуклого продолговатого шара, и, проходя сквозь хрусталик, свет преломляется, после чего происходит его фокусировка на ямке сетчатки (см. рисунок) – самом чувствительном месте, содержащем максимальное количество фоторецепторов.
Рисунок 2. Путь света при прохождении через структуры глаза.
Значение «фотоплёнки»
Результатом фокусировки становится сосредоточение изображения на сетчатке, представляющей собой многослойную ткань, чувствительную к свету, покрывающую заднюю часть глазного яблока. В сетчатке содержится примерно 137.000.000 фоторецепторов (для сравнения можно привести современные цифровые фотоаппараты, в которых подобных сенсорных элементов не более 10.000.000). Такое громадное количество фоторецепторов обусловлено тем, что расположены они крайне плотно – примерно 400 000 на 1 мм².
Рисунок 3. Строение сетчатки в разрезе.
Всего сетчатку составляют 10 слоёв фоторецепторных клеток, 6 слоёв из которых являются слоями светочувствительных клеток. Два вида фоторецепторов имеют особую форму, по причине чего их называют колбочками и палочками. Палочки крайне восприимчивы к свету и обеспечивают глазу чёрно-белое восприятие и ночное зрение. Колбочки, в свою очередь, не так восприимчивы к свету, но способны различать цвета – оптимальная работа колбочек отмечается в дневное время суток.
Благодаря работе фоторецепторов световые лучи трансформируются в комплексы электрических импульсов и посылаются в мозг на невероятно большой скорости, а сами эти импульсы за доли секунд преодолевают свыше миллиона нервных волокон.
Связь фоторецепторных клеток в сетчатке очень сложна: колбочки и палочки никак напрямую с мозгом не связаны. Получив сигнал, они переадресовывают его биполярным клеткам, а те перенаправляют уже обработанные собою сигналы ганглиозным клеткам, более миллиона аксонов (нейритов, по которым передаются нервные импульсы) которых составляют единый зрительный нерв, по которому данные и поступают в мозг.
Рисунок 4. Расположение зрительного нерва.
Два слоя промежуточных нейронов, до того, как зрительные данные будут отправлены в мозг, способствуют параллельной обработке этой информации шестью уровнями восприятия, находящимися в сетчатке глаза. Необходимо это для того чтобы изображения распознавались как можно быстрее.
1.2 Мозг
После того как обработанная зрительная информация поступает в мозг он начинает её сортировку, обработку и анализ, а также формирует цельное изображение из отдельных данных.
При помощи двух глаз формируются две «картинки» мира, который окружает человека – по одной на каждую сетчатку. Как же получается одна цельная картинка?
Точка сетчатки одного глаза точно соответствует точке сетчатки другого, а это говорит о том, что оба изображения, попадая в мозг, могут накладываться друг на друга и сочетаться вместе для получения единого изображения. Информация, полученная фоторецепторами каждого из глаз, сходится в зрительной коре головного мозга, где и появляется единое изображение.
По причине того, что у двух глаз может быть разная проекция, могут наблюдаться и некоторые несоответствия, однако мозг сопоставляет и соединяет изображения таким образом, что человек никаких несоответствий не ощущает. Мало того – эти несоответствия могут быть использованы с целью получения чувства пространственной глубины.
Как известно, из-за преломления света зрительные образы, поступающие в мозг, изначально являются очень маленькими и перевёрнутыми, однако «на выходе» мы получаем то изображение, которое привыкли видеть. [1]
Рисунок 5. Как изображение предмета проходит через глаз.
1.3. Прибор «Псевдоскоп»
Псевдоскоп (Pseudoscope, греч., от рseudos – ложный, и skopein – смотреть) – оптический прибор, изобретённый в 1852 году английским физиком Витстоном (Wheatstone), создающий обратную перспективу. Это означает, что ближние точки пространства переходят в дальние, а дальние в ближние. Рельеф «выворачивается наизнанку» - выпуклое кажется вогнутым и наоборот. Псевдоскоп используют в психологических опытах по зрительному восприятию для изучения оптической иллюзии восприятия глубины.
Псевдоскопический эффект был обнаружен задолго до Витстона в бинокулярных оптических устройствах, где наблюдалось переворачивание изображения в результате отражения, и считалось побочным нежелательным дефектом (например, в первом бинокулярном микроскмикроскопе). Витстон же сконструировал специальное устройство для наблюдения псевдоскопического эффекта.
Призмой Дове называют треугольную или трапецевидную прямую призму, у которой углы при основании равны 45 градусам. Такая призма переворачивает изображение - верх становится низом, низ – верхом. При этом сохраняется первоначальное направление лучей.
Рисунок 6. Смена полей зрения правого (1) и левого (2) глаза при прохождении через призму Дове.
Рисунок 7. Призма Дове.
Рисунок 8. Схематическое изображение смены полей зрения с помощью призм Дове.
В псевдоскопе каждый глаз смотрит через призму Дове так, что право и лево меняются местами (см. рисунок). Это и даёт эффект обратной перспективы.
В своём исследовании я использовала призматический, уже готовый псевдоскоп. Также существует зеркальный псевдоскоп, который можно собрать и самому, но оказалось, что предложенные в литературе схемы [2] требуют серьёзной отладки и сложной корректировке. Собранный нами псевдоскоп не обладал полным набором требуемых качеств.
Глава 2. Экспериментальная часть2.1. Испытуемые
В качестве испытуемых были взяты 4 девочки и 4 мальчика в возрасте 15-17 лет. У пяти испытуемых 100% зрение. У оставшихся трёх близорукость не более -3. Лишь один человек не знал ничего о псевдоскопе, остальные были предварительно ознакомлены с информацией о приборе.
Выбор испытуемых, в числе прочего, был обусловлен одной из зада исследования – проведение классических экспериментов, описанных в литературе [3] на другой возрастной группе.
2.2. Методика исследования
Методика исследования, применяемая в данной работе, подробно описана в 7 томе «Общей психологии» под ред. Б. С. Братуся [3].
Эксперименты 1 и 2. Проверка
Описание экспериментов:
1) Описание эксперимента: Встать перед испытуемым в псевдоскопе. Спросить с какой стороны видно экспериментатора. Затем спросить откуда слышен его голос.
Результаты эксперимента по Б.Н. Компанейскому: Испытуемым должны быть указаны противоположные стороны. Это связано со сменой полей зрения местами.
2) Описание эксперимента: Встать напротив испытуемого и попросить пожать экспериментатору руку. Результаты эксперимента по Б.Н. Компанейскому: Испытуемым подается левая рука, повернутая ладонью «во вне».
Эксперимент 3. С фарфоровой миской
Описание эксперимента: Перед испытуемым ставится фарфоровая миска, наполненная подкрашенной жидкостью.
Результаты эксперимента по Б.Н. Компанейскому: «Гипотетически, при псевдоскопическом изменении воспринимаемой формы миски, жидкость должна оказаться расположенной поверх ее вывернутой наружу поверхности. Тем не менее, испытуемый не видел должной картинки. Поскольку жидкость не могла просто «лежать» на такой рельефности, она воспринималась как желе, способное удержаться на выпуклой поверхности.»
Фотография 1.
Эксперимент 4. С бумажным жгутом.
Описание эксперимента: На кисть испытуемого наматывается жгут, сделанный из тонкой бумаги.
Результаты эксперимента по Б.Н. Компанейскому: Опыты с бумажными жгутами показывают, насколько сильно может меняться предметное содержание образа, имеющее одну и ту же сенсорную основу. На руку испытуемого были наложены жгут, скрученные из тонкой бумаги. Внимательно рассматривая жгут, испытуемый начинал видеть в обратном рельефе, т.е. как вогнутый желоб. Вслед за этим появлялось впечатление, что жгут постепенно вдавливается в руку и проникает под кожу. Если жгут опоясывал руку выше кисти несколькими витками, то поверхность руки между витками жгута также начинала восприниматься как желоб. «При этом кожа между двумя кольцами жгута казалась сплошным пузырем, поднимающимся над желобами жгутов. Сознание трансформирует висящие в пространстве над желобами полоски кожи в пузыревидные вздутия, опускающиеся вниз, так как весь опыт предшествующей жизни противоречит осознанию такой формы, которая представляла бы собою висящие в воздухе полоски кожи над помещенными в глубине желобами».
Фотография 2.
Эксперимент 5. С лицом
Описание эксперимента: Положить тонкий бумажный жгут на лицо человека с закрытыми глазами.
Результаты эксперимента по Б.Н. Компанейскому: «Так же необычно, т.е. в виде бесформенных вздутий, воспринимается лицо человека с закрытыми глазами, на которое положен бумажный жгут. Однако, как только человек открывает глаза, они никогда не воспринимаются в обратном рельефе (т.е. не выпуклые, а вогнутые), а с ними нормальным воспринимается и само лицо».
Фотография 3.
2.3. Результаты экспериментов
На каждого испытуемого суммарно выделялось 15-20 минут. Вначале они заполняли бланки, где указывались фамилия, имя, пол, возраст, зрение, предвзятость и в конце оставалось место для личных впечатлений.
С испытуемыми:
Все до единого испытуемые в первые минуты испытывали дезориентацию в пространстве. Глубинный эффект в среднем наступал на 5-6 минуте в псевдоскопе, хотя это было очень сложно отследить со стороны. Первый и второй эксперименты прошли все. Результаты третьего эксперимента разнятся: два мальчика видели жидкость с изменённым цветом, у одного мальчика цвет менялся, пока не стал «градиентным». У двух ребят результаты эксперимента совпали с опытами Б.Н.Компанейского. Они видели вывернутую миску с «резиновой или желеобразной» массой сверху. Одна девочка эксперимента не выдержала и на 6 минуте попросила снять псевдоскоп из-за плохого самочувствия. Впоследствии выяснилось, что у неё слабый вестибулярный аппарат и её тошнило ещё в течение получаса после снятия прибора. Эксперименты 4 и 5 не проводились из-за нехватки времени. К работе приложены бланки, в которых содержатся личные впечатления испытуемых.
Интроспекция:
Мои результаты полностью совпали с экспериментами Б.Н. Компанейского и в целом схожи с ощущениями остальных испытуемых. Но в отличие от ребят на мне были проведены опыты с бумажным жгутом.
Псевдоскоп - прибор, меняющий местами не только поля зрения, но и подвергающий сознание серьёзным испытаниям. На мой взгляд, самое главное заключается в том, что для более глубокого изменения зрительного восприятия нужно дать мозгу время «включиться, принять правила игры», именно тогда появляется эффект «выпуклое-вогнутое» на фоне появляющегося сразу эффекта «смена правой стороны на левую и наоборот». Моё время включения это эффекта сейчас составляет от 15 до 20 минут.
К тому же мозг удивительным образом адаптируется к изменениям. Например, когда я попробовала читать, буквы в словах выглядели зеркальными и строчки начинались справа налево, однако, продолжая карабкаться сквозь текст, некоторое время спустя я обнаружила, что хотя положение букв осталось неизменным, я спокойно читаю данный текст. Аналогично и при первом надевании псевдоскопа: сначала ты, беспорядочно ходишь, абсолютно не ощущая пространство и расстояния между предметами, натыкаясь на всё вокруг, а после уже спокойно прогуливаешься в полной координации движений, лишь пугая близких инопланетным видом псевдоскопа (они, кстати, тоже быстро привыкают).
Смотреть фильмы было не интересно из-за перцептивного научения, в отличие от прогулок на улице (обязательно! с кем-то из сопровождающих-поводырей). Так же очень интересно было попробовать привычную еду в псевдоскопе. Она ощущалась по-другому.
Если на линзах псевдоскопа обнаруживались какие-либо загрязнения (жирные отпечатки, пыль и т.п.), то мозг сразу же понимал, что его хотят обмануть и не давал должной реакции.
Смена полей зрения местами кардинально меняет восприятие, что приводит к невероятным ощущениям, никогда не испытываемым ранее. Так же это отличная тренировка для мышления, вестибулярного аппарата и зрительной системы.
После снятия прибора (по прошествии 2-3 минут) ощущается удивительная чёткость восприятия, чувство объёма.
Выводы: пол и возраст никак не влияют на зрительное восприятие. Если бы выборка была больше, то усреднённые результаты были бы такими же, как и у взрослых.
Цель достигнута, задачи выполнены. Первая гипотеза подтвердилась, вторая оказалась неверной.
2.4. Обсуждение результатов исследования
Два важных пункта, без которых многое остаётся неясным.
Перцептивное научение. Влияние прошлого опыта на настоящее восприятие. Мы не можем увидеть лицо человека вогнутым, потому что весь предыдущий наш опыт противоречит этому. Как только мозг узнаёт глаза, он автоматически «выворачивает» картинку в известное нам русло. Так что каким бы ни наблюдался предмет в псевдоскоп – выпуклым или вогнутым, дальше расположенным или ближе – при внезапном его узнавании человеком, он сразу воспринимается нормальным. [4]
Предметное восприятие окружающей действительности — это непосредственное отражение в сознании человека окружающих объектов в их ограниченной контурами конкретной материальной форме. Оно стало важнейшим фактором выживания человека в процессе развития. [5]
Список использованной литературы
1.По материалам с сайта: https://4brain.ru/zrenie/kak-ustroeno.php
2.По материалам с сайтов: https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Псевдоскопhttp://fiziks.org.ua/psevdoskop/
3.Из книги: «Общая психология : в 7 т.: учебник для студ. высш. учеб. Г962 заведений / под ред. Б. С. Братуся. Т. 2: Ощущение и восприятие / А. Н. Гусев. — М. : Издательский центр «Академия», 2007.-416с. 15ВЫ 978-5-7695-3361-7» Том 2, стр. 300-307.
4. По материалам с сайта: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_philosophy/2792/НАУЧЕНИЕ
5. По материалам с сайта: https://studopedia.su/20_27737_predmetnoe-i-tsennostnoe-vospriyatie-mira.html
Рисунок 1: https://4brain.ru/zrenie/images/1/1.jpg
Рисунок 2: https://4brain.ru/zrenie/images/1/2.jpg
Рисунок 3: https://4brain.ru/zrenie/images/1/3.jpg
Рисунок 4: https://4brain.ru/zrenie/images/1/4.jpg
Рисунок 5: http://tvoelechenie.ru/wp-content/uploads/2013/12/hgfghdgh.png
Рисунок 6: http://fiziks.org.ua/wp-content/uploads/2009/02/prizm1.jpg
Рисунок 7: http://fiziks.org.ua/wp-content/uploads/2009/03/det04h.gif
Рисунок 8: http://fiziks.org.ua/wp-content/uploads/2009/02/prizm2.jpg
Фотографии 1-3 являются частной собственностью автора.