海洋光學教與學：從海洋光學到光學海洋

陳樹果，胡連波，宋慶君，張亭祿

摘? 要：海洋光學作為海洋研究的重要技術手段，被廣泛應用于物理海洋、海洋化學、海洋生物以及海洋地質等研究領域，甚至在內陸湖泊水體的監測上也起著重要的作用。在當前和未來的海洋-地球環境監測與預測系統中，基于海洋光學技術所獲取的數據已經是不可或缺的重要組成部分，亟需加大該方面的專業人才培養。然而由于我國在該方面的教材缺失，加上海洋光學知識的晦澀難懂，學習資料主要依賴于英文書籍或文獻，嚴重制約著大學本科的海洋光學的教與學。文章從海洋光學的教學設計、教學實現和教學目的等三個方面系統性的深入探討了如何進行海洋光學的教與學，讓學生真正通過對海洋光學基礎知識的理解和掌握學會利用光學研究海洋，即實現從海洋光學到光學海洋的跨越。文章以期對于未來海洋光學的教材編寫、學生學習以及教師授課提供重要的參考價值。

關鍵詞：海洋光學;教學設計;教學實現;教學目的

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0042-05

Abstract： Ocean optics is an important technique in ocean science research. It has been widely used in various ocean research disciplines. They include physical oceanography， chemical oceanography， biological oceanography， and geological oceanography. Ocean color satellite sensors have become an indispensable component in the current and future ocean-earth observing systems. It is necessary to enhance the talent cultivation. However， due to the lack of teaching material in Chinese， as well as knowledge hard to understand， the learning materials mainly depend on those in English， and it severely limits the teaching and learning of ocean optics， especially for undergraduate. This paper systematically explores how to teach and learn ocean optics from three aspects involving teaching design， teaching realization and teaching purpose， so that students can really use ocean optics to study the ocean through understanding the basic knowledge of ocean optics. It is hoped that this paper will provide important reference for writing teaching material of future ocean optics， students' learning and teachers' teaching.

Keywords： ocean optics; teaching design; teaching realization; teaching purpose

海洋光學不僅是光學的一個分支學科，也是光學與海洋學的交叉學科。其包含三大研究內容：第一，光與海洋水體物質成分的相互作用（吸收和散射）;第二，光在海洋水體中的傳輸規律;第三，在上述兩項研究的基礎上，應用海洋光學技術通過遙感手段或現場原位觀測手段進行海洋環境監測、目標探測、物理與生物地球化學過程研究以及全球及局地的氣候預測等。海洋光學是一門實踐和理論相結合的科學，其發展離不開光電探測技術的進步。光電探測技術在20世紀50年代才較為成熟，因此，海洋光學起步較晚，相應的海洋光學方法的建立和海洋水體中光場理論模型在20世紀初期才得到一定的發展。1978年第一顆海洋水色衛星傳感器CZCS（Coastal Zone Color Scanner）的發射極大地促進了海洋光學現場測量和基礎理論的進一步發展和完善，尤其是后續的海洋水色衛星傳感器SeaWiFS（Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor）、MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer）等的發射，海洋光學無論在測量方面還是在基礎理論（包括輻射傳輸、大氣校正、反演算法、定標檢驗等）方面均已較為成熟。基于海洋光學技術所獲取的數據，尤其是海洋水色衛星數據，被廣泛應用于物理海洋、海洋化學、海洋生物以及海洋地質等研究領域，甚至在內陸湖泊水體的監測上也起著重要的作用。在當前和未來的海洋-地球環境監測與預測系統中，基于海洋光學技術所獲取的數據已經是不可或缺的重要組成部分。

然而，海洋光學研究在國內起步較晚，經過多年的發展，我國在海洋光學領域無論是基礎研究還是在應用研究上均已接近國際水平。尤其是我國第一顆業務化海洋水色衛星HY1C在2018年的成功發射，標志著我國在海洋光學基礎理論、定標和數據處理等方面已經達到國際水平[1-2]。但是，目前國內尚無相應教材，對于海洋光學領域的人才培養和海洋光學的知識普及還遠遠不夠。雖然國際上有較為經典的參考教材，如Jerlov分別于1968年和1976年所編寫的《Optical Oceanography》[3]和《Marine Optics》[4]、Preisendorfer于1976年所編寫的《Hydrologic Optics》[5]、Kirk于1994年所編寫的《Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems》[6]、Mobley于1994年所編寫的《Light and Water： Radiative Transfer in Natural Waters》[7]（該教材目前由武漢大學方圣輝進行了翻譯，并由武漢大學2009出版，對應的教材名是《自然水體輻射特性與數值模擬》[8]）、Gordon于2019年所編寫的《Physical Principles of Ocean Color Remote Sensing》[9]等。這些教材雖較為系統地講述了海洋光學理論及其應用，但不同教材有不同的側重點，并未完整闡釋海洋光學所涉及的全部內容。比如，以上所列教材并未系統介紹海洋光學現場測量的相關知識，需要輔以國際海洋水色協調組織（IOCCG）和美國國家航空航天局（NASA）編寫的海洋光學測量規范及其他參考資料等，如Giuseppe所撰寫的《in situ optical radiometry in the visible and near infrared》[10]。海洋光學作為海洋探測的關鍵技術，隨著技術和方法的更新，教材內容應隨之不斷更新，如Curtis D.Mobley在美國NASA的資助下，聯合著名海洋光學家Emmanuel Boss和Collin Roesler進行了在線課程建設[11]，其理念是針對光學海洋學和海洋水色遙感團體打造的基于網絡開放的、動態改進的免費教學和科研參考。然而這些材料均是英文編寫，對于我國的海洋光學教學盡管是重要參考，但是不便于學生學習，尤其是本科階段的學生學習。

為了進一步普及國內對海洋光學的認知，尤其是在海洋光學理論支撐下的水色衛星遙感的應用，2018年李忠平教授以 IOCCG Report7 為基礎，組織相關專家進行教材撰寫[12]， 同時也對海洋光學的應用領域進行了很好的總結。

從國際上海洋光學的發展來看，海洋光學的基礎理論的建立和發展主要是為海洋水色遙感服務，但是近年來隨著海洋激光雷達、水體成像、水下光通信等相關方向的發展，也迫切需要將在海洋水色遙感需求下所建立起來的海洋光學基本理論應用上，尤其是光與物質的相互作用。因此，當前海洋光學已經進入“大海洋光學”時代。更進一步迫切需求較為系統全面的海洋光學中文教材的出現。

本文結合作者從事海洋光學教學及科研經驗以及借鑒國際著名英文教材和相關參考文獻的基礎上，圍繞晦澀難懂的海洋光學基礎理論如何進行課堂教學進行討論，期望對未來海洋光學的教材編寫、學生學習以及教師授課等提供參考。

一、海洋光學的教學設計：從單一來源到多元融合

教學不同于科研，科研往往掌握在少數人手里，而教學則是讓知識被多數人所理解。好的教學則是讓接受學習的所有學生“明白所講、理解所學、應用所知”，這也是教學的根本目的。大學的教學不能僅僅局限于“一本教材”，應圍繞該課程所涉及的內容綜合已有教材的優點和最新文獻進展進行知識整理和更新。對于尚無教材的海洋光學更是如此，否則作為學習者是無法進行全面系統的知識理解和認知。如對于光與海洋水體物質成分的相互作用中關于吸收進行講解時，如果僅參照Mobley所編寫的《Light and Water： Radiative Transfer in Natural Waters》[7]進行講授，將會直接進行不同水體成分的吸收光譜特征和模型進行講授，學生在接受這些知識的時候則會偏向于死記硬背;而如果結合Wozniak和Dera所編寫的《Light Absorption in Sea Water》[13]中圍繞分子的結構出發，結合電子躍遷、振動和轉動能級的變化，對不同物質成分的吸收特征差異的本質進行講授，學生則會有著深刻的理解和認知。因此，對于海洋光學的教學不能僅依賴一本參考資料，應圍繞某一知識點進行多源素材搜集，結合不同資料所闡釋同一知識點的不同角度進行整理，再系統性地講授給學生。從事海洋光學教學的教師大多都是科研出身，更應做到從科研上的深入到教學上的淺出。

除了知識來源的多源，在學習內容和考核方式上也應注意系統性和多源性。因為各方面原因導致學生們基礎不同、認識不然、理解不同，很難讓所有學生具有同樣的水平。因此，在海洋光學的教學中除了一門學科教學應有的基本要素（如教學大綱、教學日歷、教案和教學設計等）外，如何將其內容設計的更為合理才是關鍵所在。一個好的課程教學設計需要結合海洋光學自身的學科特點，進行相關知識的完整儲備。根據海洋光學所涉及的具體知識點，在課程內容方面，應圍繞光與海洋水體大氣物質的相互作用、海洋光學現場測量學、光在海水中的傳輸規律、海洋水色遙感以及海洋光學在海洋研究中的應用等五個方面內容進行講授（圖1）。在光與海洋水體大氣物質的相互作用內容方面需要從光的定義和光的度量、表觀光學性質、固有光學性質、海洋水體成分以及水體成分的光學特性進行講授;在海洋光學現場測量學的教學上應從輻射測量、表觀光學性質測量、固有光學性質測量、海洋水體光學重要成分四個方面進行講授;對于光在海水中的傳輸規律方面，應從海氣界面輻射傳輸特性、輻射傳輸方程的建立、輻射傳輸方程求解三個方面進行講授;在海洋水色遙感方面，應圍繞大氣校正、反演算法和定標檢驗三個方面進行講授;最后，對于海洋研究中的應用分別從海洋環境監測、海洋目標探測、海洋過程研究、海氣相互作用和氣候變化五大方面舉例深入闡釋海洋光學的價值。在學時方面，以48學時貫穿一個學期為宜（上述各個教學內容安排根據所涉及的知識點對應的學時安排如圖1所示），不應集中式、灌輸式教學，給學生消化和理解以及知識鞏固運用的時間，符合教學規律。對于學生學習效果的評價采取閉卷考試形式，最終成績評價結合課堂討論、平常表現及課下作業，同時設置研究性學習專題（讓學生在學習完海洋光學理論知識的基礎上，自主圍繞海洋光學的應用選定研究主題，之后自主進行調研，最后撰寫論文和學生課堂自主PPT講解，結合教師互動點評進行討論指導），整體對學生的最終學習成績進行評定。

二、海洋光學的教學實現：從灌輸式到沉浸式的教與學

（一）思路引導式教

完整的知識體系是教學的關鍵，如何讓學生明白、理解并掌握應用知識內容卻是教學的“教”字所體現的內容，也就是教學方法。經過不斷的教學實踐探索，教學已經從單一的傳統“講授式”教學發展到“討論式”教學以及“引導式”教學等多元教學方法。然而不同課程因教學內容的不同，教學方式也會不一樣;同一課程，因授課對象不同，教學方式也會不同;即便同一課程，即使授課對象一樣，不同教師授課方式也會不同。這正是“教無定法”的根本原因所在。不同教學方法有著各自的優缺點，但相較而言“思路引導式”教學能讓學生從開始接觸一門課的時候就去思考為什么開設這門課，這門課研究什么？學到每塊內容的時候，也應讓學生思考為什么這塊內容這么安排，有什么用？只有帶著問題、帶著思考的學習才能讓學生明白其用途，從而真正提高學生的積極性和對知識的理解深度。這就需要授課教師做好思路引導，最終通過“問題-思考-回答-答案”式的引導式教學系統地將知識教授給學生們。這種引導式教學自然少不了課堂的互動，教師在讓學生回答問題的同時，要注意學生的參與積極性。學生們不僅僅要積極回答問題，還要在教師的引導下學會用自己的語言結合專業知識進行答案解讀，也是對其本身表達和理解總結能力的鍛煉以及知識掌握程度的檢驗。如講述固有光學和表觀光學性質的時候，從太陽光入射到水體，輔以圖示，從水體成分的固有光學性質中吸收調制光的損失和散射調整光的再分布出發，引出水下環境光場分布，再引入度量環境光場強弱的手段（引入輻亮度和輻照度概念），再到描述輻亮度輻照度變化的漫射衰減系數、遙感反射率等引入表觀光學性質。這樣，學生則會跟隨教師的思維理解表觀光學性質與固有光學性質的概念和差異，同時進一步強調表觀光學性質是對輻射光場的直接度量，即如果沒有環境光場，也就沒有表觀光學性質。再用以漆黑的夜晚來舉例說明漆黑的夜晚表觀光學性質是不存在的，從而進一步增強學生們的認識。在講述表觀光學性質和固有光學性質與水體成分的關系模型時，首先應給出表觀光學性質和固有光學性質與某一水體成分的關系圖，讓學生思考和回答表觀光學性質與固有光學性質中誰與水體成分關系更密切（顯而易見是固有光學性質），然后進一步引導學生思考為什么還要研究和建立表觀光學性質與水體成分的聯系，通過此種層層深入的問題帶動學生們積極主動的思考和深入的認知;在學生思考回答的基礎上教師可順勢引入遙感的概念（之所以建立表觀光學性質與水體成分的聯系目的是為了遙感），然后再回到之前所講的表觀光學性質的定義（表觀光學性質不僅與水體成分相關，還與環境光場的分布相關），引入精確的遙感自然要去除環境光場的影響，進而引入如何進行歸一化校正和角度等變化依賴性分析等。很多這種引導式知識講解的案例鑒于篇幅不一一列舉，這種“引導式”教學能真正地讓學生去深刻學習和理解。

（二）思政植入式學

當前，高校普遍要求思想政治教育要素（簡稱思政）要在課堂教學上體現。事實上，所謂教書育人，不僅是傳授知識，培養學生的能力和人格才是育人的根本。思政不是強加的、故意植入課堂教學的思想政治教育，而是育人的體現。著名教育家陶行知先生的名言“學高為師，身正為范”就是思政的最好體現，教師不需要在正常的課堂教學中額外增加時間、空間、人力和物力成本，也不需要額外增加學生的學業負擔，而是其智慧、人格、用心良苦的教學設計和追求在潛移默化中熏陶感染學生，并實現其教智慧、教人格的目的[14]。讓學生在學習中浸染到教師的熱情，從而進行富有熱情的學習就是最好的思政教學。教師的“范”換來學生“真心”的學，是最好的互動。

上述所講的思路“引導式”教學正是“學高為師，身正為范”的體現，再輔以學生通過教師的“范”換來的思政植入式的學，海洋光學的教學才能實現從灌輸式變成沉浸式，才能變得“不亦樂乎”！

三、海洋光學的教學目的：從海洋光學到光學海洋的蛻變

如前所述，雖然“教無定法”，但教學目的是唯一的，即讓學生們掌握所教課程的基礎知識（光與海洋水體物質成分的相互作用機理），并深入理解各知識點的內在聯系（輻射傳輸過程將固有光學和表觀光學性質的聯系牽動），學會利用該課程所學的知識解決實際問題（水色遙感、激光雷達探測、光通信和水下成像等），掌握本課程所涉及知識的外在應用（物質成分探測、生物地球化學應用、環境監測和氣候變化響應等）。這也是“學以致用”的具體體現。因此，學完海洋光學課程，能讓學生們真正掌握海洋光學的基礎理論，并真正的將海洋光學基礎理論支撐下的海洋光學技術用于海洋學研究，即實現從海洋光學到光學海洋的蛻變。這也是海洋光學教學的根本目的。

四、結束語

海洋光學作為一門新興學科，因其研究內容較為繁多，涉及眾多交叉學科和前序課程知識的學習，在課程設置上應注重前序課程的學習。如結合海洋光學的學科特點，其不僅是光學與海洋學的交叉學科，除涉及到光學中的光電技術、光譜技術、激光技術，還涉及到多個學科的交叉，如信息處理技術、計算機技術、傳感器技術等，在數學上需要高等數學和概率論等。因此，在本科專業和基礎課程安排的時候合理安排上課順序，并在上課前了解學生的學習背景進行必要的基礎知識補充或安排學生課下進行學習。以中國海洋大學海洋技術專業本科教學為例，本科生的海洋光學導論課程設置在大三下學期，此時的本科生基本完成了基礎知識的學習，如相關的高等數學、計算機及光學和傳感器技術等課程的學習。此外，因為海洋光學的實驗性較強，除了進行海洋光學所涉及內容的理論學習外，后續應設置相應的實驗課程加以強化。同樣以中國海洋大學海洋技術專業本科教學為例，我們在大四上學期，即大三下學期的學生學習完海洋光學的理論知識后，設置海洋光電探測實驗和海洋光學專業實驗兩門課程，分別從海洋光學探測技術的原理實現和利用海洋光學儀器和輻射傳輸模擬軟件進行海洋光學基礎知識的動手實踐，進一步增強學生對海洋光學基礎理論知識和實際應用的認知。

以上屬于作者從事該方向的教學和科研所總結的心得體會，可能不適合所有的學生和教師，尤其是在教學設計和學時安排方面，應結合實際情況進行調整，或結合所研究的內容偏重進行適當選擇性學習，比如對于偏重水下成像和水下光通信及激光雷達技術，在圍繞光與物質的相互作用和輻射傳輸及部分現場測量內容進行學習的基礎上，可重點圍繞海洋光學基礎理論知識在水下成像和水下光通信及激光雷達技術等方面進行重點應用學習。

海洋光學作為高校眾多課程中的一門課程，既具有差異性（內容不同），也具有一致性（也是一門課程，目標一致均是培養人才），當前不同高校、不同課程都在不斷進行教學改革提升高校的人才培養質量，海洋光學應緊隨教學改革的步伐，作為授課教師應不斷借鑒不同課程的教學經驗和教學改革模式，最終摸索出適合自己和學生的教學之路，真正的達到海洋光學的教學目的：讓學生們從海洋光學的學習到光學海洋的應用。

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