《光譜學》特色教材建設(shè)及其科技素養(yǎng)培育模式研究

【摘要】針對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃背景下的基礎(chǔ)物理系列課程教學，以及物理學碩士學位課程建設(shè)的基本要求，對《光譜學》進行了特色化課程建設(shè)。設(shè)計了該課程在精講討論、開放互動的分層次基礎(chǔ)物理課程群建設(shè)體系中的位置與作用。提出構(gòu)建、優(yōu)化課程教學內(nèi)容的“四兼顧一突出”的指導思想。在圍繞學生的科技素養(yǎng)培育這一終極目標，重點進行了均衡性特色教材建設(shè)，教學方法與手段的優(yōu)化、整合創(chuàng)新，綜合式課程考核模式的建立與實踐。課程建設(shè)的實踐表明，這種課程建設(shè)指導思想與建設(shè)模式正確、有效，具有較強的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】課程建設(shè)；光譜學；教材；建設(shè)模式

【基金項目】陜西高等教育教學改革研究項目（15BY60），西安工業(yè)大學研究生教育教學改革研究項目（XAGDYJ160218）。

陜西省教育科學規(guī)劃課題（SGH12456），西安工業(yè)大學2016年規(guī)劃教材立項（光譜學與光譜技術(shù)）（7號）資金資助。

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）16-0032-03

西部一般理工科院校的基礎(chǔ)物理教學在國家實施“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”和“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”背景和要求下，面臨著學時偏少，超大班教學，學生基礎(chǔ)較差，多樣化的教學手段和現(xiàn)代教育技術(shù)手段落后，距信息化發(fā)展要求差距較大，實驗設(shè)備和演示不足，考核模式單一難以對教學進行良好促進和導向，學生學習主動性差，興趣不濃，師生互動少等困難[1-4]，其中教學條件建設(shè)特色與成效不鮮明，無法為提高學生的物理素質(zhì)和科學素養(yǎng)發(fā)揮有效的保證作用。此外，在西部一般理工科院校以工科為重點的研究生學科建設(shè)中，加強研究生教學建設(shè)、深化教學改革、提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量成為建設(shè)的核心內(nèi)容。而既作為分層次基礎(chǔ)物理課群體系建設(shè)的必要組成，又作為具有工程背景的物理學（理學）一級學科專業(yè)基礎(chǔ)課、學位課的《光譜學》，其當前的建設(shè)明顯滯后，制約著基礎(chǔ)物理課群體系建設(shè)和物理學一級學科建設(shè)。

我們從一般工科院校的教學實際出發(fā)，遵循以精品課程為核心的課程群建設(shè)模式，在“精講討論”教學思想指導下，以“開放互動”為特色，構(gòu)建了分層次的基礎(chǔ)物理課程群體系[5-7]，并在此體系中有效建設(shè)了必要層次、拓延層次的《光譜學于光譜技術(shù)導論》課程，同時以工程化背景和四結(jié)合教材為特點進行了物理學（理學）一級學科專業(yè)基礎(chǔ)課、學位課的《光譜學》的特色化建設(shè)，成果豐富、特色鮮明。

一、課程在分層次基礎(chǔ)物理課程群建設(shè)的地位

基于一般理工科院校的定位和特色（注重工程實踐突出制造技術(shù)），以服務(wù)于應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標，以“精講討論”思想為指導，優(yōu)化教學內(nèi)容和教學手段，構(gòu)建“精講討論、開放互動”的分層次基礎(chǔ)物理課群體系[5-6]，如圖1所示。包括各理、工、文科類大學物理自然科學基礎(chǔ)課程（屬于基本層次），突出綜合素質(zhì)教育的公共選修課程（屬于必要層次）——高新技術(shù)的物理基礎(chǔ)、物理·科技簡史、大學物理開放式習題討論，以及個別理學專業(yè)的理論物理導論課程（屬于拓延層次）和作為輔助層次的大學物理網(wǎng)絡(luò)課程。其中《光譜學于光譜技術(shù)導論》課程屬于必要層次和拓延層次。

二、特色化學位課《光譜學》建設(shè)的必要性及意義

1.為學校博士學科建設(shè)發(fā)揮理科支撐作用

《光譜學》是當前我校唯一的理學學科（物理學一級碩士學科）下四個二級學科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課、學位課，因此大力推進該課程建設(shè)對于學校的學科布局、學科平衡有較大的促進作用，更為提高學校的“工學工程”、“材料科學與工程”兩個博士學科建設(shè)水平，發(fā)揮理科支撐作用。

2.為學校唯一的理學學科建設(shè)發(fā)揮基礎(chǔ)性作用

在信息光學與光電檢測領(lǐng)域中，光譜學與光譜技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)融匯于大氣、海洋、陸地 、生物、食品、電子系統(tǒng)等環(huán)境與目標信息監(jiān)測、檢測，物質(zhì)微結(jié)構(gòu)分析，地質(zhì)、地理、資源遙感等領(lǐng)域，因此《光譜學》課程建設(shè)可以為學校物理學一級碩士學科在培養(yǎng)具有理工結(jié)合特色的，具有獨立從事科研、專業(yè)技術(shù)工作能力的高級專門人才方面發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。

3.解決學校研究生培養(yǎng)困難，為國內(nèi)科研生產(chǎn)發(fā)揮普適性基礎(chǔ)教育作用

除過我校以外，國內(nèi)目前還沒有開設(shè)面向物理學、光學工程、材料化學分析學科的一門通識性研究生專業(yè)基礎(chǔ)課《光譜學》，亦沒有一部較適用的講義或教材。顯然進行課程教學條件建設(shè)，編寫該教材，并建立有利于培養(yǎng)研究生具有創(chuàng)新精神和能力的教學模式，不僅能夠解決光學等學科研究生培養(yǎng)過程中的實際困難，促進學科建設(shè)，而且對于國內(nèi)科研、生產(chǎn)可發(fā)揮普適性的基礎(chǔ)教育作用。

4.促進應(yīng)用物理學本科特色專業(yè)建設(shè)，利于優(yōu)化本碩貫通培養(yǎng)方案

學校本科還沒有《光譜學》課程，因此該課程可以轉(zhuǎn)為“應(yīng)用物理學”本科專業(yè)的專業(yè)選修課，這不僅能豐富該本科專業(yè)方向，促進學?！皯?yīng)用物理學”特色專業(yè)建設(shè)，而且有利于“應(yīng)用物理學”-“物理學”本碩貫通培養(yǎng)方案的優(yōu)化。

三、教材建設(shè)

正如前面所描述的，除過我校以外，國內(nèi)目前還沒有面向物理學、光學工程、材料化學分析學科的一門通識性研究生專業(yè)基礎(chǔ)課《光譜學》的較適用講義或教材。因此《光譜學》課程的教材建設(shè)與教材選用屬于課程建設(shè)的重要內(nèi)容。

1.教材建設(shè)的基本思想

在選用多種國內(nèi)外相關(guān)、相近教材和相關(guān)學術(shù)文獻的基礎(chǔ)上，編寫合適的研究生教學的《光譜學與光譜技術(shù)導論》校級規(guī)劃講義，為編著更高水平的規(guī)劃教材奠定基礎(chǔ)，并成為教學條件建設(shè)的主體。

2.教材建設(shè)的技術(shù)路徑

選用的教材及參考文獻有：應(yīng)用光譜學、漫話光譜、傅立葉變換光譜學原理、干涉成像光譜技術(shù)、物理學報、Opt.Communications、OptiK、Applied Optics。

校級規(guī)劃講義編印的良好基礎(chǔ)與規(guī)劃立項計劃。課程負責人許世軍教授是校級教學名師，主講《光譜學》課程已經(jīng)6屆，教學經(jīng)驗豐富、效果良好、相關(guān)研究成果較多；課程成員也是教學、學科梯隊的核心成員，這從人員隊伍上保證本講義編寫的科學性、適用性和水平。endprint

此外，該課程積累了大量的資料——4本教材/專著3類學術(shù)期刊，以及編者自己課題研究取得的資料，這構(gòu)成講義編印的良好資料基礎(chǔ)。

教材內(nèi)容除過光譜學研究生課程介紹與光譜學、光譜技術(shù)發(fā)展史以外，包含以下6個方面：（1）光譜學的應(yīng)用光學原理（熱輻射及其基本定律、輻射源、光譜的分解、輻射探測器）；（2）原子光譜與分子光譜簡介（量子化能級、波動力學、氫原子和周期表、原子能級和原子光譜、磁場效應(yīng)和電場效應(yīng)、分子結(jié)構(gòu)簡述、分子能量、雙原子分子的轉(zhuǎn)動光譜與振動光譜、多原子分子的轉(zhuǎn)動光譜與振動光譜）；（3）各種光譜技術(shù)（發(fā)射光譜技術(shù)、原子吸收光譜技術(shù)、分子吸收光譜技術(shù)、反射光譜技術(shù)、光聲光譜技術(shù)、瀨曼光譜技術(shù)、傅立葉光譜技術(shù)簡介、光譜獲得簡介）；（4）傅立葉變換光譜學的基本原理（傅立葉變換光譜的基本積分、截趾、分辨率、取樣間隔、快速掃描傅立葉變換光譜儀、雙邊帶和單邊帶）；（5）色散傅立葉變換光譜儀的基本原理（復數(shù)插入損耗、基本積分、平行平面樣品的透射和反射、從復數(shù)插入損耗計算光學常數(shù)）；（6）干涉成像光譜技術(shù)發(fā)展（時間調(diào)制-空間調(diào)制-時空混合調(diào)制干涉成像光譜技術(shù)、偏振干涉成像光譜技術(shù)、穩(wěn)態(tài)大視場、被動四強度風場探測、干涉光譜光學層析成像）。

3.教材特色

改善國內(nèi)物理、光學工程等學科中此類通識性研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材比較缺乏的現(xiàn)狀；兼顧普適性與現(xiàn)代性，并實現(xiàn)兩者的有機統(tǒng)一（論述傳統(tǒng)的光譜學理論和各類光譜分析技術(shù)，介紹和評述光譜理論與技術(shù)的前沿與發(fā)展）；兼顧光譜學理論與光譜技術(shù)，而以各類光譜技術(shù)的實現(xiàn)為鮮明特征。

四、構(gòu)建、優(yōu)化課程教學內(nèi)容及體系，服務(wù)于科技素養(yǎng)培育

《光譜學》課程教學的終極目標是促進學生的科技素養(yǎng)培育。學生通過本課程學習，理解光譜學的基本理論和基本技術(shù)和常見的光譜分析方法和系統(tǒng)，尤其是國際前沿的新型干涉光譜和成像理論與技術(shù)的基礎(chǔ)理論與系統(tǒng)特性，以便為學生在光譜相關(guān)的熱點領(lǐng)域的理論和技術(shù)研究打下良好的基礎(chǔ)。

但是除過本學校以外，國內(nèi)目前還沒有開設(shè)面向物理學、光學工程、材料化學分析學科的一門通識性研究生專業(yè)基礎(chǔ)課《光譜學》，亦沒有一部較適用的講義或教材。因此，在學校研究生教育中構(gòu)建、優(yōu)化該課程教學內(nèi)容及體系非常必要，屬于課程建設(shè)的核心內(nèi)容。

1.構(gòu)建、優(yōu)化課程教學內(nèi)容的基本依據(jù)

在當前的物理學一級學科、光學工程學科以及材料化學分析學科，尤其是在信息光學與光電檢測領(lǐng)域中，會涉及到光學系統(tǒng)成像的評價、頻譜分析、空間濾波、特征識別、相干光理論，光學廣義傅立葉變換、信息處理和空間調(diào)制器，干涉光譜成像理論與技術(shù)、干涉型光學層析理論、成像光譜探測理論與技術(shù)等研究。因此，科技發(fā)展和生產(chǎn)就需要該課程內(nèi)容發(fā)揮普適性的基礎(chǔ)教育作用。

國內(nèi)目前還沒有一門符合上述教學內(nèi)容要求的課程、教材或參考資料?，F(xiàn)有的相近課程、教材或?qū)Ｖ词瞧蛴诠庾V學基本原理/理論，要么是某一范圍較窄類專門的光譜理論——分子光譜、原子光譜、激光光譜、半導體光譜、萊曼光譜等，要么是某一范圍較窄類專門的光譜技術(shù)（其專業(yè)技術(shù)性較強，通用性很差）。而學校在光學學科過去幾屆的研究生培養(yǎng)過程中，由許世軍教授主講的該《光譜學》課程中采用了4本教材、專著，3類學術(shù)期刊等資料的內(nèi)容，這不僅給教學造成較大不便，而且影響了教學內(nèi)容的規(guī)范性、系統(tǒng)性，顯然教學內(nèi)容的構(gòu)建與優(yōu)化是現(xiàn)實教學現(xiàn)狀需要。

構(gòu)建與優(yōu)化《光譜學》課程教學內(nèi)容，是面向物理學一級學科、光學工程學科以及材料化學分析學科的具有通識性的研究生學位課程建設(shè)的特色化和高水平性的核心要求。

2.構(gòu)建、優(yōu)化課程教學內(nèi)容的指導思想

指導思想是，教學內(nèi)容須兼顧科學性與技術(shù)性，理論性與實踐性，基礎(chǔ)性與前沿性，普適性與專業(yè)性，突出新型干涉光譜、新型成像理論與技術(shù)的教學。

3.將要構(gòu)建、優(yōu)化的課程教學內(nèi)容體系

《光譜學》課程教學內(nèi)容體系框架，如圖2所示。

學生通過學習《光譜學》課程，理解光譜學的基本理論和技術(shù)，以及常見的光譜分析方法和系統(tǒng)，尤其是干涉光譜技術(shù)與成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)與系統(tǒng)特性，了解原子光譜基本原理以及原子光譜與原子結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，了解原子在于弱、強磁場中的譜線規(guī)律，了解分子光譜的基本原理以及分子光譜與原子結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，了解現(xiàn)代原子和分子光譜術(shù)，以便為在光譜相關(guān)領(lǐng)域的理論和技術(shù)研究打下良好的基礎(chǔ)。

主要涉及通用光譜學概述，各種光譜技術(shù)，傅立葉變換光譜學原理，干涉成像光譜技術(shù)簡介。

4.教學方法與手段的創(chuàng)新、改革

基于有利于培養(yǎng)研究生具有創(chuàng)新精神和能力的教學模式的建設(shè)要求，在教學方法與手段改革方面，采取將現(xiàn)代教育技術(shù)、多種教學手段與資源的進行優(yōu)化整合，突出開放性問題課堂討論，兼顧理論與實踐教學的方案。

將多媒體教學手段與傳統(tǒng)教學方法、實驗教學手段以及開放討論式教學相整合（四類教學手段優(yōu)化整合），并實現(xiàn)演示實驗實物資源、演示實驗課件資源、外文文字材料、外文課件、網(wǎng)絡(luò)課程和其它課件等資源的優(yōu)化配置，設(shè)計課件教學的精講內(nèi)容和傳統(tǒng)教學的精講內(nèi)容，尋求二者的最佳結(jié)合點。

著眼于培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新精神和能力，在教師課堂精講的同時，突出開放性問題課堂討論教學方法的使用[7-8]。需要在課程建設(shè)實踐中探索多種形式靈活、內(nèi)容豐富的“開放性問題討論式”教學方法。如“鼓勵思考與出錯”；“學生示范討論，學生再糾錯、糾正”；“隨機小組討論，代表發(fā)言辯論”；“課堂隨機討論”；“不平均打分”，“發(fā)言記分與創(chuàng)新記分”等等。

依據(jù)上述方法進行理論教學的同時，兼顧實踐教學。為加深學生對光譜學理論和技術(shù)的理解，可以適當進行以下實踐環(huán)節(jié)：參觀典型光譜分析系統(tǒng)的工作演示；參與設(shè)計干涉成像光譜系統(tǒng)。

5.創(chuàng)新“綜合式”課程考核endprint

“綜合式”課程考核模式與“精講討論”教學思想相一致，它可以促進教學相長，準確地實現(xiàn)教學過程和創(chuàng)新教育目標的統(tǒng)一考查[5-6]。其主要內(nèi)容是：平時與期末的多次和多形式考核；以主觀能力測試為中心；以開放性習題資料查閱報告成績、開放性問題課堂討論成績、開放性課程大報告成績、實踐設(shè)計成績?yōu)榻M成部分；題目設(shè)計注重培養(yǎng)、擴展學生的思維，突出研究生學習的求異性。

五、教學研究與與建設(shè)成果

在教師隊伍建設(shè)成果方面，因為目前教師隊伍的職稱、年齡、學歷結(jié)構(gòu)比較合理，因此教師隊伍建設(shè)的重點在于：形成了穩(wěn)定的課程教學骨干（2-3人）；教學水平、教研水平、科研水平、學術(shù)聲譽有明顯提高（例如：優(yōu)秀教師、教學明星、名師、專家委員等）。

產(chǎn)生了一批新的教科研項目與成果。教學研究的總體規(guī)劃是以建立有利于培養(yǎng)研究生具有創(chuàng)新精神和能力的教學模式為中心，在教學內(nèi)容、方法、手段、考核等方面有突破，最終建立了有利于培養(yǎng)研究生具有創(chuàng)新精神和能力的教學模式包含：教學內(nèi)容、方法、手段、考核等。實施的教學研究項目具體有：BLCS理論與泛在學習理論的特征化與課程實踐研究；教學方法與手段的創(chuàng)新（將現(xiàn)代教育技術(shù)、多種教學手段與資源的進行優(yōu)化整合，突出開放性問題課堂討論，兼顧理論與實踐教學）；特色教材建設(shè)研究（包含教學內(nèi)容研究）；創(chuàng)新“綜合式”課程考核。

出版了1部《光譜學與光譜技術(shù)導論》數(shù)字教材；發(fā)表了5篇相關(guān)的研究生教育教學研究論文；課程獲得2項榮譽或好評，評課程梯隊建設(shè)水平有較大提高，獲得良好的同行評價；建立了電子版資源集：基礎(chǔ)性課程學習資料，視頻、音頻、圖片、仿真等資料，課程習題問題匯總。

參考文獻

[1]Y.F.Li，Problems on Excellent Course Construction in University，China Higher Education Research，vol.15，pp.91-93，2007 （in Chinese）.

[2]B.Y.Huang，G.X.Xiang，Analysis and Consideration on Current Natural Excellent Course Construction，China Higher Education Research，vol.15，pp.72-75，2007 （in Chinese）.

[3]Y.Qian，Consideration to Curriculum-group-construction in Quality-project Background，Modern Education Science（Higher Education Research），vol.13，pp.144-145，2008（in Chinese）.

[4]X.J.Li，Construction and Evaluation of Teaching Material in University，China Electric Power Education，vol.20，pp.73-74，2011（in Chinese）.

[5]S.J.Xu，X.L.Ren，Multilayer Basic Physics Course-group-construction with Selective Instruction and Discussion and Opening and Mutual Learning，Modern Education Science（Higher Education Research），vol.14，pp.105-106，2009（in Chinese）.

[6]S.J.Xu，X.L.Ren，J.Q.Cui，Multilayer fundamental physics curriculum-group-construction with opening and mutual learning in selective instruction and discussion，Advances in Intelligent and Soft Computing，vol.109，pp.481-488，2011.10.

[7]S.J.Xu，X.L.Ren，J.Zhou，Classification and Comparison of the College Physics Exercises Based on Education Informatization，Proceedings of 2011 Second ETP/IITA Conference on Telecommunication and Information （TEIN 2011），2011.4，Phuket，Thailand.pp.277-280.

[8]S.J.Xu，X.L.Ren，X.J.Jia，Teaching Conditions with Features in Constructing Multilayer Courses of College Basic Physics，Advances in Education Research，vol.5，pp.369-373，2012.9.

作者簡介：許世軍（1971-），男，陜西韓城人，教授，主要從事高等物理教育、光學層析、干涉光譜理論與技術(shù)研究。endprint