《光譜學》特色教材建設及其科技素養培育模式研究

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

【關鍵詞】課程建設；光譜學；教材；建設模式

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

陜西省教育科學規劃課題（SGH12456），西安工業大學2016年規劃教材立項（光譜學與光譜技術）（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物理教學在國家實施“創新創業”和“卓越工程師教育培養計劃”背景和要求下，面臨著學時偏少，超大班教學，學生基礎較差，多樣化的教學手段和現代教育技術手段落后，距信息化發展要求差距較大，實驗設備和演示不足，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]，其中教學條件建設特色與成效不鮮明，無法為提高學生的物理素質和科學素養發揮有效的保證作用。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中，加強研究生教學建設、深化教學改革、提高研究生培養質量成為建設的核心內容。而既作為分層次基礎物理課群體系建設的必要組成，又作為具有工程背景的物理學（理學）一級學科專業基礎課、學位課的《光譜學》，其當前的建設明顯滯后，制約著基礎物理課群體系建設和物理學一級學科建設。

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

一、課程在分層次基礎物理課程群建設的地位

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），以服務于應用型創新人才培養為目標，以“精講討論”思想為指導，優化教學內容和教學手段，構建“精講討論、開放互動”的分層次基礎物理課群體系[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課程（屬于基本層次），突出綜合素質教育的公共選修課程（屬于必要層次）——高新技術的物理基礎、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絡課程。其中《光譜學于光譜技術導論》課程屬于必要層次和拓延層次。

二、特色化學位課《光譜學》建設的必要性及意義

1.為學校博士學科建設發揮理科支撐作用

《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基礎課、學位課，因此大力推進該課程建設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”兩個博士學科建設水平，發揮理科支撐作用。

2.為學校唯一的理學學科建設發揮基礎性作用

在信息光學與光電檢測領域中，光譜學與光譜技術的研究與應用已經融匯于大氣、海洋、陸地 、生物、食品、電子系統等環境與目標信息監測、檢測，物質微結構分析，地質、地理、資源遙感等領域，因此《光譜學》課程建設可以為學校物理學一級碩士學科在培養具有理工結合特色的，具有獨立從事科研、專業技術工作能力的高級專門人才方面發揮基礎性作用。

3.解決學校研究生培養困難，為國內科研生產發揮普適性基礎教育作用

除過我校以外，國內目前還沒有開設面向物理學、光學工程、材料化學分析學科的一門通識性研究生專業基礎課《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，編寫該教材，并建立有利于培養研究生具有創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過程中的實際困難，促進學科建設，而且對于國內科研、生產可發揮普適性的基礎教育作用。

4.促進應用物理學本科特色專業建設，利于優化本碩貫通培養方案

學校本科還沒有《光譜學》課程，因此該課程可以轉為“應用物理學”本科專業的專業選修課，這不僅能豐富該本科專業方向，促進學?！皯梦锢韺W”特色專業建設，而且有利于“應用物理學”-“物理學”本碩貫通培養方案的優化。

三、教材建設

正如前面所描述的，除過我校以外，國內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基礎課《光譜學》的較適用講義或教材。因此《光譜學》課程的教材建設與教材選用屬于課程建設的重要內容。

1.教材建設的基本思想

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

2.教材建設的技術路徑

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

校級規劃講義編印的良好基礎與規劃立項計劃。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6屆，教學經驗豐富、效果良好、相關研究成果較多；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類學術期刊，以及編者自己課題研究取得的資料，這構成講義編印的良好資料基礎。

教材內容除過光譜學研究生課程介紹與光譜學、光譜技術發展史以外，包含以下6個方面：（1）光譜學的應用光學原理（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、磁場效應和電場效應、分子結構簡述、分子能量、雙原子分子的轉動光譜與振動光譜、多原子分子的轉動光譜與振動光譜）；（3）各種光譜技術（發射光譜技術、原子吸收光譜技術、分子吸收光譜技術、反射光譜技術、光聲光譜技術、瀨曼光譜技術、傅立葉光譜技術簡介、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（復數插入損耗、基本積分、平行平面樣品的透射和反射、從復數插入損耗計算光學常數）；（6）干涉成像光譜技術發展（時間調制-空間調制-時空混合調制干涉成像光譜技術、偏振干涉成像光譜技術、穩態大視場、被動四強度風場探測、干涉光譜光學層析成像）。

3.教材特色

改善國內物理、光學工程等學科中此類通識性研究生專業基礎課教材比較缺乏的現狀；兼顧普適性與現代性，并實現兩者的有機統一（論述傳統的光譜學理論和各類光譜分析技術，介紹和評述光譜理論與技術的前沿與發展）；兼顧光譜學理論與光譜技術，而以各類光譜技術的實現為鮮明特征。

四、構建、優化課程教學內容及體系，服務于科技素養培育

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

但是除過本學校以外，國內目前還沒有開設面向物理學、光學工程、材料化學分析學科的一門通識性研究生專業基礎課《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建、優化該課程教學內容及體系非常必要，屬于課程建設的核心內容。

1.構建、優化課程教學內容的基本依據

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域中，會涉及到光學系統成像的評價、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、信息處理和空間調制器，干涉光譜成像理論與技術、干涉型光學層析理論、成像光譜探測理論與技術等研究。因此，科技發展和生產就需要該課程內容發揮普適性的基礎教育作用。

國內目前還沒有一門符合上述教學內容要求的課程、教材或參考資料?，F有的相近課程、教材或專著要么是偏向于光譜學基本原理/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（其專業技術性較強，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類學術期刊等資料的內容，這不僅給教學造成較大不便，而且影響了教學內容的規范性、系統性，顯然教學內容的構建與優化是現實教學現狀需要。

構建與優化《光譜學》課程教學內容，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的特色化和高水平性的核心要求。

2.構建、優化課程教學內容的指導思想

指導思想是，教學內容須兼顧科學性與技術性，理論性與實踐性，基礎性與前沿性，普適性與專業性，突出新型干涉光譜、新型成像理論與技術的教學。

3.將要構建、優化的課程教學內容體系

《光譜學》課程教學內容體系框架，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，以及常見的光譜分析方法和系統，尤其是干涉光譜技術與成像技術的理論基礎與系統特性，了解原子光譜基本原理以及原子光譜與原子結構之間的聯系，了解原子在于弱、強磁場中的譜線規律，了解分子光譜的基本原理以及分子光譜與原子結構之間的聯系，了解現代原子和分子光譜術，以便為在光譜相關領域的理論和技術研究打下良好的基礎。

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

4.教學方法與手段的創新、改革

基于有利于培養研究生具有創新精神和能力的教學模式的建設要求，在教學方法與手段改革方面，采取將現代教育技術、多種教學手段與資源的進行優化整合，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（四類教學手段優化整合），并實現演示實驗實物資源、演示實驗課件資源、外文文字材料、外文課件、網絡課程和其它課件等資源的優化配置，設計課件教學的精講內容和傳統教學的精講內容，尋求二者的最佳結合點。

著眼于培養研究生的創新精神和能力，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]。需要在課程建設實踐中探索多種形式靈活、內容豐富的“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，代表發言辯論”；“課堂隨機討論”；“不平均打分”，“發言記分與創新記分”等等。

依據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的理解，可以適當進行以下實踐環節：參觀典型光譜分析系統的工作演示；參與設計干涉成像光譜系統。

5.創新“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，準確地實現教學過程和創新教育目標的統一考查[5-6]。其主要內容是：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、實踐設計成績為組成部分；題目設計注重培養、擴展學生的思維，突出研究生學習的求異性。

五、教學研究與與建設成果

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

產生了一批新的教科研項目與成果。教學研究的總體規劃是以建立有利于培養研究生具有創新精神和能力的教學模式為中心，在教學內容、方法、手段、考核等方面有突破，最終建立了有利于培養研究生具有創新精神和能力的教學模式包含：教學內容、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新（將現代教育技術、多種教學手段與資源的進行優化整合，突出開放性問題課堂討論，兼顧理論與實踐教學）；特色教材建設研究（包含教學內容研究）；創新“綜合式”課程考核。

出版了1部《光譜學與光譜技術導論》數字教材；發表了5篇相關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

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[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研究。endprint