海洋光学教与学：从海洋光学到光学海洋

陈树果，胡连波，宋庆君，张亭禄

摘  要：海洋光学作为海洋研究的重要技术手段，被广泛应用于物理海洋、海洋化学、海洋生物以及海洋地质等研究领域，甚至在内陆湖泊水体的监测上也起着重要的作用。在当前和未来的海洋-地球环境监测与预测系统中，基于海洋光学技术所获取的数据已经是不可或缺的重要组成部分，亟需加大该方面的专业人才培养。然而由于我国在该方面的教材缺失，加上海洋光学知识的晦涩难懂，学习资料主要依赖于英文书籍或文献，严重制约着大学本科的海洋光学的教与学。文章从海洋光学的教学设计、教学实现和教学目的等三个方面系统性的深入探讨了如何进行海洋光学的教与学，让学生真正通过对海洋光学基础知识的理解和掌握学会利用光学研究海洋，即实现从海洋光学到光学海洋的跨越。文章以期对于未来海洋光学的教材编写、学生学习以及教师授课提供重要的参考价值。

关键词：海洋光学;教学设计;教学实现;教学目的

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：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

海洋光學不仅是光学的一个分支学科，也是光学与海洋学的交叉学科。其包含三大研究内容：第一，光与海洋水体物质成分的相互作用（吸收和散射）;第二，光在海洋水体中的传输规律;第三，在上述两项研究的基础上，应用海洋光学技术通过遥感手段或现场原位观测手段进行海洋环境监测、目标探测、物理与生物地球化学过程研究以及全球及局地的气候预测等。海洋光学是一门实践和理论相结合的科学，其发展离不开光电探测技术的进步。光电探测技术在20世纪50年代才较为成熟，因此，海洋光学起步较晚，相应的海洋光学方法的建立和海洋水体中光场理论模型在20世纪初期才得到一定的发展。1978年第一颗海洋水色卫星传感器CZCS（Coastal Zone Color Scanner）的发射极大地促进了海洋光学现场测量和基础理论的进一步发展和完善，尤其是后续的海洋水色卫星传感器SeaWiFS（Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor）、MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer）等的发射，海洋光学无论在测量方面还是在基础理论（包括辐射传输、大气校正、反演算法、定标检验等）方面均已较为成熟。基于海洋光学技术所获取的数据，尤其是海洋水色卫星数据，被广泛应用于物理海洋、海洋化学、海洋生物以及海洋地质等研究领域，甚至在内陆湖泊水体的监测上也起着重要的作用。在当前和未来的海洋-地球环境监测与预测系统中，基于海洋光学技术所获取的数据已经是不可或缺的重要组成部分。

然而，海洋光学研究在国内起步较晚，经过多年的发展，我国在海洋光学领域无论是基础研究还是在应用研究上均已接近国际水平。尤其是我国第一颗业务化海洋水色卫星HY1C在2018年的成功发射，标志着我国在海洋光学基础理论、定标和数据处理等方面已经达到国际水平[1-2]。但是，目前国内尚无相应教材，对于海洋光学领域的人才培养和海洋光学的知识普及还远远不够。虽然国际上有较为经典的参考教材，如Jerlov分别于1968年和1976年所编写的《Optical Oceanography》[3]和《Marine Optics》[4]、Preisendorfer于1976年所编写的《Hydrologic Optics》[5]、Kirk于1994年所编写的《Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems》[6]、Mobley于1994年所编写的《Light and Water： Radiative Transfer in Natural Waters》[7]（该教材目前由武汉大学方圣辉进行了翻译，并由武汉大学2009出版，对应的教材名是《自然水体辐射特性与数值模拟》[8]）、Gordon于2019年所编写的《Physical Principles of Ocean Color Remote Sensing》[9]等。这些教材虽较为系统地讲述了海洋光学理论及其应用，但不同教材有不同的侧重点，并未完整阐释海洋光学所涉及的全部内容。比如，以上所列教材并未系统介绍海洋光学现场测量的相关知识，需要辅以国际海洋水色协调组织（IOCCG）和美国国家航空航天局（NASA）编写的海洋光学测量规范及其他参考资料等，如Giuseppe所撰写的《in situ optical radiometry in the visible and near infrared》[10]。海洋光学作为海洋探测的关键技术，随着技术和方法的更新，教材内容应随之不断更新，如Curtis D.Mobley在美国NASA的资助下，联合著名海洋光学家Emmanuel Boss和Collin Roesler进行了在线课程建设[11]，其理念是针对光学海洋学和海洋水色遥感团体打造的基于网络开放的、动态改进的免费教学和科研参考。然而这些材料均是英文编写，对于我国的海洋光学教学尽管是重要参考，但是不便于学生学习，尤其是本科阶段的学生学习。

为了进一步普及国内对海洋光学的认知，尤其是在海洋光学理论支撑下的水色卫星遥感的应用，2018年李忠平教授以 IOCCG Report7 为基础，组织相关专家进行教材撰写[12]， 同时也对海洋光学的应用领域进行了很好的总结。

从国际上海洋光学的发展来看，海洋光学的基础理论的建立和发展主要是为海洋水色遥感服务，但是近年来随着海洋激光雷达、水体成像、水下光通信等相关方向的发展，也迫切需要将在海洋水色遥感需求下所建立起来的海洋光学基本理论应用上，尤其是光与物质的相互作用。因此，当前海洋光学已经进入“大海洋光学”时代。更进一步迫切需求较为系统全面的海洋光学中文教材的出现。

本文结合作者从事海洋光学教学及科研经验以及借鉴国际著名英文教材和相关参考文献的基础上，围绕晦涩难懂的海洋光学基础理论如何进行课堂教学进行讨论，期望对未来海洋光学的教材编写、学生学习以及教师授课等提供参考。

一、海洋光学的教学设计：从单一来源到多元融合

教学不同于科研，科研往往掌握在少数人手里，而教学则是让知识被多数人所理解。好的教学则是让接受学习的所有学生“明白所讲、理解所学、应用所知”，这也是教学的根本目的。大学的教学不能仅仅局限于“一本教材”，应围绕该课程所涉及的内容综合已有教材的优点和最新文献进展进行知识整理和更新。对于尚无教材的海洋光学更是如此，否则作为学习者是无法进行全面系统的知识理解和认知。如对于光与海洋水体物质成分的相互作用中关于吸收进行讲解时，如果仅参照Mobley所编写的《Light and Water： Radiative Transfer in Natural Waters》[7]进行讲授，将会直接进行不同水体成分的吸收光谱特征和模型进行讲授，学生在接受这些知识的时候则会偏向于死记硬背;而如果结合Wozniak和Dera所编写的《Light Absorption in Sea Water》[13]中围绕分子的结构出发，结合电子跃迁、振动和转动能级的变化，对不同物质成分的吸收特征差异的本质进行讲授，学生则会有着深刻的理解和认知。因此，对于海洋光学的教学不能仅依赖一本参考资料，应围绕某一知识点进行多源素材搜集，结合不同资料所阐释同一知识点的不同角度进行整理，再系统性地讲授给学生。从事海洋光学教学的教师大多都是科研出身，更应做到从科研上的深入到教学上的浅出。

除了知识来源的多源，在学习内容和考核方式上也应注意系统性和多源性。因为各方面原因导致学生们基础不同、认识不然、理解不同，很难让所有学生具有同样的水平。因此，在海洋光学的教学中除了一门学科教学应有的基本要素（如教学大纲、教学日历、教案和教學设计等）外，如何将其内容设计的更为合理才是关键所在。一个好的课程教学设计需要结合海洋光学自身的学科特点，进行相关知识的完整储备。根据海洋光学所涉及的具体知识点，在课程内容方面，应围绕光与海洋水体大气物质的相互作用、海洋光学现场测量学、光在海水中的传输规律、海洋水色遥感以及海洋光学在海洋研究中的应用等五个方面内容进行讲授（图1）。在光与海洋水体大气物质的相互作用内容方面需要从光的定义和光的度量、表观光学性质、固有光学性质、海洋水体成分以及水体成分的光学特性进行讲授;在海洋光学现场测量学的教学上应从辐射测量、表观光学性质测量、固有光学性质测量、海洋水体光学重要成分四个方面进行讲授;对于光在海水中的传输规律方面，应从海气界面辐射传输特性、辐射传输方程的建立、辐射传输方程求解三个方面进行讲授;在海洋水色遥感方面，应围绕大气校正、反演算法和定标检验三个方面进行讲授;最后，对于海洋研究中的应用分别从海洋环境监测、海洋目标探测、海洋过程研究、海气相互作用和气候变化五大方面举例深入阐释海洋光学的价值。在学时方面，以48学时贯穿一个学期为宜（上述各个教学内容安排根据所涉及的知识点对应的学时安排如图1所示），不应集中式、灌输式教学，给学生消化和理解以及知识巩固运用的时间，符合教学规律。对于学生学习效果的评价采取闭卷考试形式，最终成绩评价结合课堂讨论、平常表现及课下作业，同时设置研究性学习专题（让学生在学习完海洋光学理论知识的基础上，自主围绕海洋光学的应用选定研究主题，之后自主进行调研，最后撰写论文和学生课堂自主PPT讲解，结合教师互动点评进行讨论指导），整体对学生的最终学习成绩进行评定。

二、海洋光学的教学实现：从灌输式到沉浸式的教与学

（一）思路引导式教

完整的知识体系是教学的关键，如何让学生明白、理解并掌握应用知识内容却是教学的“教”字所体现的内容，也就是教学方法。经过不断的教学实践探索，教学已经从单一的传统“讲授式”教学发展到“讨论式”教学以及“引导式”教学等多元教学方法。然而不同课程因教学内容的不同，教学方式也会不一样;同一课程，因授课对象不同，教学方式也会不同;即便同一课程，即使授课对象一样，不同教师授课方式也会不同。这正是“教无定法”的根本原因所在。不同教学方法有着各自的优缺点，但相较而言“思路引导式”教学能让学生从开始接触一门课的时候就去思考为什么开设这门课，这门课研究什么？学到每块内容的时候，也应让学生思考为什么这块内容这么安排，有什么用？只有带着问题、带着思考的学习才能让学生明白其用途，从而真正提高学生的积极性和对知识的理解深度。这就需要授课教师做好思路引导，最终通过“问题-思考-回答-答案”式的引导式教学系统地将知识教授给学生们。这种引导式教学自然少不了课堂的互动，教师在让学生回答问题的同时，要注意学生的参与积极性。学生们不仅仅要积极回答问题，还要在教师的引导下学会用自己的语言结合专业知识进行答案解读，也是对其本身表达和理解总结能力的锻炼以及知识掌握程度的检验。如讲述固有光学和表观光学性质的时候，从太阳光入射到水体，辅以图示，从水体成分的固有光学性质中吸收调制光的损失和散射调整光的再分布出发，引出水下环境光场分布，再引入度量环境光场强弱的手段（引入辐亮度和辐照度概念），再到描述辐亮度辐照度变化的漫射衰减系数、遥感反射率等引入表观光学性质。这样，学生则会跟随教师的思维理解表观光学性质与固有光学性质的概念和差异，同时进一步强调表观光学性质是对辐射光场的直接度量，即如果没有环境光场，也就没有表观光学性质。再用以漆黑的夜晚来举例说明漆黑的夜晚表观光学性质是不存在的，从而进一步增强学生们的认识。在讲述表观光学性质和固有光学性质与水体成分的关系模型时，首先应给出表观光学性质和固有光学性质与某一水体成分的关系图，让学生思考和回答表观光学性质与固有光学性质中谁与水体成分关系更密切（显而易见是固有光学性质），然后进一步引导学生思考为什么还要研究和建立表观光学性质与水体成分的联系，通过此种层层深入的问题带动学生们积极主动的思考和深入的认知;在学生思考回答的基础上教师可顺势引入遥感的概念（之所以建立表观光学性质与水体成分的联系目的是为了遥感），然后再回到之前所讲的表观光学性质的定义（表观光学性质不仅与水体成分相关，还与环境光场的分布相关），引入精确的遥感自然要去除环境光场的影响，进而引入如何进行归一化校正和角度等变化依赖性分析等。很多这种引导式知识讲解的案例鉴于篇幅不一一列举，这种“引导式”教学能真正地让学生去深刻学习和理解。

（二）思政植入式学

当前，高校普遍要求思想政治教育要素（简称思政）要在课堂教学上体现。事实上，所谓教书育人，不仅是传授知识，培养学生的能力和人格才是育人的根本。思政不是强加的、故意植入课堂教学的思想政治教育，而是育人的体现。著名教育家陶行知先生的名言“学高为师，身正为范”就是思政的最好体现，教师不需要在正常的课堂教学中额外增加时间、空间、人力和物力成本，也不需要额外增加学生的学业负担，而是其智慧、人格、用心良苦的教学设计和追求在潜移默化中熏陶感染学生，并实现其教智慧、教人格的目的[14]。让学生在学习中浸染到教师的热情，从而进行富有热情的学习就是最好的思政教学。教师的“范”换来学生“真心”的学，是最好的互动。

上述所讲的思路“引导式”教学正是“学高为师，身正为范”的体现，再辅以学生通过教师的“范”换来的思政植入式的学，海洋光学的教学才能实现从灌输式变成沉浸式，才能变得“不亦乐乎”！

三、海洋光学的教学目的：从海洋光学到光学海洋的蜕变

如前所述，虽然“教无定法”，但教学目的是唯一的，即让学生们掌握所教课程的基础知识（光与海洋水体物质成分的相互作用机理），并深入理解各知识点的内在联系（辐射传输过程将固有光学和表观光学性质的联系牵动），学会利用该课程所学的知识解决实际问题（水色遥感、激光雷达探测、光通信和水下成像等），掌握本课程所涉及知识的外在应用（物质成分探测、生物地球化学应用、环境监测和气候变化响应等）。这也是“学以致用”的具体体现。因此，学完海洋光学课程，能让学生们真正掌握海洋光学的基础理论，并真正的将海洋光学基础理论支撑下的海洋光学技术用于海洋学研究，即实现从海洋光学到光学海洋的蜕变。这也是海洋光学教学的根本目的。

四、结束语

海洋光学作为一门新兴学科，因其研究内容较为繁多，涉及众多交叉学科和前序课程知识的学习，在课程设置上应注重前序课程的学习。如结合海洋光学的学科特点，其不仅是光学与海洋学的交叉学科，除涉及到光学中的光电技术、光谱技术、激光技术，还涉及到多个学科的交叉，如信息处理技术、计算机技术、传感器技术等，在数学上需要高等数学和概率论等。因此，在本科专业和基础课程安排的时候合理安排上课顺序，并在上课前了解学生的学习背景进行必要的基础知识补充或安排学生课下进行学习。以中国海洋大学海洋技术专业本科教学为例，本科生的海洋光学导论课程设置在大三下学期，此时的本科生基本完成了基础知识的学习，如相关的高等数学、计算机及光学和传感器技术等课程的学习。此外，因为海洋光学的实验性较强，除了进行海洋光学所涉及内容的理论学习外，后续应设置相应的实验课程加以强化。同样以中国海洋大学海洋技术专业本科教学为例，我们在大四上学期，即大三下学期的学生学习完海洋光学的理论知识后，设置海洋光电探测实验和海洋光学专业实验两门课程，分别从海洋光学探测技术的原理实现和利用海洋光学仪器和辐射传输模拟软件进行海洋光学基础知识的动手实践，进一步增强学生对海洋光学基础理论知识和实际应用的认知。

以上属于作者从事该方向的教学和科研所总结的心得体会，可能不适合所有的学生和教师，尤其是在教学设计和学时安排方面，应结合实际情况进行调整，或结合所研究的内容偏重进行适当选择性学习，比如对于偏重水下成像和水下光通信及激光雷达技术，在围绕光与物质的相互作用和辐射传输及部分现场测量内容进行学习的基础上，可重点围绕海洋光学基础理论知识在水下成像和水下光通信及激光雷达技术等方面进行重点应用学习。

海洋光学作为高校众多课程中的一门课程，既具有差异性（内容不同），也具有一致性（也是一门课程，目标一致均是培养人才），当前不同高校、不同课程都在不断进行教学改革提升高校的人才培养质量，海洋光学应紧随教学改革的步伐，作为授课教师应不断借鉴不同课程的教学经验和教学改革模式，最终摸索出适合自己和学生的教学之路，真正的达到海洋光学的教学目的：让学生们从海洋光学的学习到光学海洋的应用。

参考文献：

[1]Song， Q.， Chen， S.， Xue， C.， et al. Vicarious calibration of cocts-hy1c at visible and near-infrared bands for ocean color application[J]. Optics Express， 2019，27（20）：A1615-A1626.

[2]S. Chen， K. Du， Z. Lee， et al. Performance of COCTS in Global Ocean Color Remote Sensing[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2021，59（2）：1634-1644.

[3]Jerlov， N.G. Optical Oceanography[M]. Elsevier Oceanography Series 5， 1968.

[4]Jerlov， N.G. Marine Optics[M]. Elsevier Oceanography Series 14， 1976.

[5]Preisendorfer， R.W. Hydrologic Optics[M]. NOAA Pacific Mar. Environ. Lab. Seattle， WA， 1976.

[6]Kirk， J.T.O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems， Second Edition[M]. Cambridge Univ， 1994.

[7]Mobley， C.D. Light and Water： Radiative Transfer in Natural Waters[M]. Academic Press， 1994.

[8]Mobley， C.D.， 自然水體辐射特性与数值模拟[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

[9]Gordon， H. R. Physical Principles of Ocean Color Remote Sensing[M]. University of Miami，2019.

[10]Zibordi， Giuseppe. [experimental methods in the physical sciences] optical radiometry for ocean climate measurements volume 47 || in situ optical radiometry in the visible and near infrared[M]. Academic Press， 2014：247-304.

[11]Emmanuel Boss， Collin Roesler.在线课程[EB/OL].http：//www.oceanopticsbook.info/view/introduction/overview.

[12]《水色学概览》编写组.水色学概览[M].厦门：厦门大学出版社，2019.

[13]WoZniak， B. Dera， J. Light Absorption in Sea Water[M]. Springer New York，2007.

[14]龚一鸣.大学课堂该教什么[J].中国大学教学，2019（2）：39-43.