《激光雷达技术原理》以测量学和数据处理理论和方法为基础，讲授激光雷达技术的基本原理和数据后处理方法，同时结合实际案例讲解激光雷达技术在测绘、地质和工程等领域的应用前景和亟待解决的问题。由于激光雷达是一项测绘新技术，国内还没有成熟的教材，因此结合国际上较为权威的专著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及国内外相关的研究和应用成果自编了教程，对学生采取了“了解—新型传感器原理”“熟悉—激光扫描仪操作”和“掌握—激光点云数据后处理方法”的教学模式，以达到从理论到实践的教学效果。
1．1了解新型传感器原理
首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活，对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。
1．2熟悉激光扫描仪操作
考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠，又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提高外业数据采集效率。
1．3掌握激光点云数据后处理方法
利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并编程实现。
1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别，以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位四元数方法。
1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。
1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。
2实践教学法
实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用，进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。
2．1三维激光扫描
数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。
2．2点云数据预处理
要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据的滤波和拼接。
2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1．7．0有两种模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图［7］。
2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析不同方法的优缺点。
2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。
2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块，考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。
3结束语
关键词 激光原理 教学改革 课程建设
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）24-0004-02
激光是二十世纪人类的重大科技发明之一，被誉为继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”，它对人类社会生活产生了广泛而深刻的影响。作为高技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。由于各行各业都应用激光进行技术改造和新技术的开发研究，除了文科的几乎所有理工农医的高等院校都开设了激光原理和应用的课程。
《激光原理》是光信息科学与技术和应用物理学专业重要的专业基础课，通过本课程的学习使学生对激光的基本概念、基本技术和基本器件有比较全面、系统的认识，培养学生分析和解决工程技术问题的能力，为进一步学习相关专业课打下基础。然而，《激光原理》又是一门理论性很强的专业基础课，该课程物理概念抽象和理论性强，基础知识面广，学生往往因缺乏感性认识，不易理解，感到难学，这对老师的教学水平和教学方法提出了考验。笔者结合自己的教学实践，从以下几个方面对《激光原理》课程教学改革进行了探索。
一、教学内容的改革
《激光原理》课程主要介绍激光的产生条件、激光器的工作原理和激光器的输出特性，这部分内容理论性强，需要应用原子物理、量子力学、热力学统计物理、光学和高等数学等课程的结论和基础，公式繁多、推导复杂、理论抽象，具有相当的难度和深度。在《激光原理》的教学过程中，我们还增加了部分激光技术的内容，比如激光器输出的选模技术、激光器的稳频、激光束的光束变换，以及激光的调制、偏转、调Q和锁模技术等，这部分内容是从事光信息科学与技术人员必须掌握的基本知识，通过对这些知识的学习能够加深学生对激光器原理的理解和掌握。为了进一步加深印象，我们对典型的激光器进行了介绍，比如红宝石激光器、汝玻璃激光器、Nd：YAG激光器等固体激光器，He-Ne激光器、CO2激光器、Ar+激光器等气体激光器，以及燃料激光器和半导体激光器等都做了简要的介绍。
在教材方面，我们选择了上海理工大学陈家璧教授编写的《激光原理及应用》（电子工业出版社）作为教材。这本教材的内容章节安排合理，知识点覆盖面广，理论体系较为完整，同时这本教材是在大学的普通物理学的基础上编写的，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的。因此这本教材的内容对学生来讲不难理解，所讲授的内容比较容易掌握。我们还增加了一本国际公认的经典教材作为参考书：Christopher C. Davis编写的《Lasers and Electro-Optics：Fundamentals and Engineering》， Cambridge University Press。
二、教学手段的改革
在教学过程中建立师生平等的民主教学氛围。改变“教师为主，学生从属”的教学模式，本着师生平等的原则，以参与者的身份在教学活动中创造一种愉快轻松的氛围，挖掘和调动学生的潜力，培养学生的创新能力。
教学方式以课堂授课为主，同时考虑到激光中有很丰富生动的现象，注重和提倡采用多种手段进行多种形式的教学，充分体现光学这门课丰富多彩、形象生动的特性，辅助的教学手段主要是利用计算机的多媒体功能。比如为了增强激光原理教学中关于激光器的光场分布的直观性，采用快速傅立叶变换法求解傍轴近似波动方程，计算模拟激光器的光场分布，可以直观地给出三维稳态分布图，融合计算机的灵活性、新颖性和光学现象的直观性及趣味性。通过演示实验，让同学们观察到各种激光现象，展现了“百闻不如一见”的效果，使学生进一步加深了对课程内容的理解，激发学生的求知欲和好奇心，刺激同学们的思考。
另外，在教学过程中开展启发式和讨论式教学。从人才培养的角度来说，学生与老师应该具有互动性。开展启发式和讨论式教学，甚至适当运用跳跃式的教学方法来组织教学内容。给学生留出钻研的空间。这不仅有利于提高教师教学研究的积极性，更能挖掘学生的开放性思维和独立、大胆地学习和思考问题的能力，从而达到培养学生全面的科学素质和教学相长的目的。
三、考核方式的改革
考核方式已成为课程改革的一部分，与课程的实施方法相辅相成。传统理工科院校的考核主要以闭卷笔试加平时成绩的形式进行。在实际的考核过程中，我们逐渐加大平时成绩的比例，减少闭卷笔试成绩的比例。平时成绩的考核形式可以多种多样。比如，在授课过程中，对课程中某几个重要的知识能力点，设立几个小课题。让学生们查找资料，撰写论文，通过让他们深入实践，促进对知识点的掌握，强化学生自己思考的过程，达到培养学生自学意识、独立科研意识和能力，达到素质型人才培养之目的。
如何提高《激光原理》课程的教学质量，如何优化和深化理论教学是一个长期的课题。针对教学内容、教学手段和考核方式等方面进行改革，调动学生的学习主动性和积极性，培养他们的创新思维、从事科学研究和撰写学术论文的能力，提高他们的综合素质和竞争力。
参考文献：
[1]陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]马再如.关于提高激光原理与激光技术课教学质量的探讨[J].高等教育研究，2012，（1）.
[3]袁杰，王飞，赵洪常，杨开勇，罗晖，张斌，许光明.浅谈在本科生基础课程《激光原理》教学中的几点体会[J].中国教育导刊，2009，（34）.
【关键词】 激光原理与技术课程；教学内容；教学方法；实验教学
【中图分类号】G632.010 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）29-00-01
一、教学现状
“激光原理与技术”是应用物理学本科专业的专业课，是一门理论性很强的专业基础课。通过本课程的学习可以为学生今后从事激光技术、光通信、信息处理、红外探测、环境检测、激光医疗诊断和材料加工等方面的相关光学工程研究打下基础。由于该课程物理概念抽象并且理论性强，基础知识面广，不易理解，感到难学，畏难情绪严重，学习这门课程时的兴趣就不如其它普通物理课程；此外，由于学生对激光应用方面的知识了解较少，往往因缺乏感性认识，不能充分体会到该课程的重要性，导致学生在学习中没有一个积极的态度；再次，“激光原理与技术”需要讲授激光的基本原理、基本技术以及激光的应用三部分内容，知识点多，逻辑关系也不像力学、电磁学等那么明显，再加上该课程总的学时数只有32学时，所以大部分学生在学习中会感觉到有些凌乱，理不清头绪，最终导致不能巩固和深化所有的知识点。基于以上问题，如何在教学中合理的处理教学内容以及采取合理的教学方法，做到重点突、详略得当，既要让学生掌握基本原理和基本技术，又要了解激光的具体应用是目前教学过程中急待解决的主要问题。
二、对教学内容适当删减
《激光原理与技术》是一门理论性很强的专业基础课，该课程涉及的基础知识面广，需要应用原子物理、量子力学、热力学统计物理、光学和高等数学等课程的结论和基础，公式繁多、推导复杂、理论抽象，具有较大的难度和深度。要在32学时内完成教学任务，就必须选择合适的教材并且合理的安排教学内容。在教学中我们选择的是上海理工大学陈家璧教授编写的《激光原理及应用》（电子工业出版社）作为教材。这本教材的特点在于内容章节安排合理，知识点覆盖面广，理论体系较为完整，避免过多的理论公式推导和计算，而把重点放在阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之问的关系，帮助学生了解和掌握最基本的激光原理和技术，学会如何根据不同应用范围选择合适的激光器。因此这本教材的内容很对工科类的学生的胃口，尤其是具有一定物理基础的应用物理系学生来说所讲授的内容比较容易掌握。我们根据教材的安排将教学内容主要分为三个大的部分：激光的基本原理包括激光的产生条件、激光器的工作原理和激光器的输出特性；激光技术部分包括激光的选模技术、稳频技术、激光束的光束变换，调Q、锁模技术以及激光的内调制、外调制等技术；激光的应用部分主要包括各种常见激光器介绍和激光在不同领域内的应用。关于激光的其他方面的知识将不再安排进课堂教学，主要供学生自学。
三、教学手段多样化
激光原理与技术内容繁多并且教材中包含大量图片，只靠“一支粉笔一张嘴”的教学手段很难在有限的课时内完成教学任务。因此在科技发展的今天，我们必须借助现代化的多媒体教学手段。在教学中通过PPT、Flash以及小电影等多中形式，使学生获得对激光更为直观、感性的认识，增强课程的趣味性和直观性。例如在激光的应用方面，我们通过小电影播放激光雕刻、汽车车身的激光焊接以及激光的医学应用等视频，可以很直接引起学生的兴趣和好奇心，充分调动学生的积极性。在此基础上，教师再具体介绍在不同应用背景下激光器的选择、各项技术参数等知识，这样可以在感性认识的基础之上更好的掌握激光器的主要知识点。
此外，在教学中将部分教学内容以专题的形式提供给学生，学生通过自己的探索和实践过程中掌握科学研究的方法，在研究中获得知识。例如可以在讲授谐振腔结构对激光输出特性的影响时，在学习了开放式光腔与高斯光束、激光振荡特性章节内容后，结合具体的激光器He―Ne气体激光器，让学生探索腔型结构对He―Ne气体激光器激光输出性能的影响和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔设计和激光输出特性测试等工作。通过专题研究，有效地促进了在教学活动中培养学生具有能从物理学的角度对激光有深入的理解的能力，使学生对“激光原理”的学习有了感性认识，将被动的接受变为主动的获取，并启发他们做一些创新性科学研究，培养本科生敢于开辟激光应用新领域的开拓精神，解决学生对激光物理知识内容的深入理解与创新思维之间的联系。在此基础上，还可以选拔出优秀的学生，让他们参与到教师的科研项目和研究中，开展初步的科学研究和探索，以此提高优秀本科生的创新思维发展、理论学习和实践相结合的能力。
四、注重实验教学
激光原理实验是“激光原理与技术”教学的重要组成部分，让学生接触真正的激光器，并在实验中通过练习掌握调试、测试激光器的各种方法，可以帮助学生真正理解激光理论、认识和应用激光器，在教学过程中必须两者兼顾，不可偏废。可见激光原理实验对于帮助学生真正掌握这门课程无疑是有重要意义。因此在教学中必须开设能够涵盖理论课涉及到的主要原理、技术和应用方面的基础性实验，如激光器谐振腔设计、调整、横模观察、发散角测量、纵模间隔测量（He―Ne）和半导体激光器特性（GaAs）以及半导体激光器在通讯领域内的应用等实验。通过这些实验的教学，提高了学生的学习兴趣，进而增加了学生的学习积极性，培养了学生观察问题、思考问题、解决问题的能力，也促进了理论教学质量的提高。在实验条件允许的条件下，还可以开展一些设计性、研究性实验，如研究激光与原子、分子的相互作用、激光在化学反应动力学的应用等方面的实验。当然，这要根据学校自身条件和教师科研情况自行决定，总的目标是培养学生的创新思维和分析、解决问题的能力以及初步的科研能力。
五、结语
根据对《激光原理与技术》课程教学现状的分析，从教学内容、教学方法和实验教学三个方面探讨了“激光原理与技术”课程改革的一些想法和体会。在教学内容上要合理删减，突出重点，将最基本的原理和技术传授给学生；在教学方法上要结合多媒体教学，利用生动的动画、影视等使课程形象、生动，并且激发学生的学习兴趣和学习的主动性；实验教学是该课程的重要一环，既要加强基础实验教学也要开设一些设计研究型实验，培养学生的探索精神和创新能力。
参考文献
[1]陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]周炳琨，高以智，陈倜嵘等.激光原理（第6版）[M].北京：国防工业出版社，2009
关键词：翻转课堂 激光原理与技术课程 教学模式 教学设计
中图分类号：G642.0
文献标识码：C
DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005
1 我校《激光原理与技术》专业课存在问题
我省许多理工类院校的光信息、光电类和大部分应用物理专业都开设《激光原理与技术》课程。作为重要专业基础或方向课，此课程：第一，具有较强的理论性、实践性、前沿性和探讨性；理论抽象，公式众多，有相当学术和技术含量的课程，教学中经常发现学生对概念缺乏准确理解或概念和实际应用“两张皮”的现象。第二，课程教学内容多，课程容量大。第三，由于激光技术、光电技术的发展日新月异，器件层出不穷，与新现象、新理论、新器件、新应用有关的课程教学内容也必须不断地做出更新调整，
另外，《激光原理与技术》课程涵盖知识点包括激光原理、激光技术两部分，知识点明确，可以用一个实验、一个概念来组织教学内容。课程具备开展翻转课堂的实施要求。
2 翻转课堂在《激光原理与技术》课程中的实施方案
结合我校《激光原理与技术》课程特点，在现有的翻转课堂模型基础上，我们设计了翻转课堂的教学路线图f如图1）。主要由线上学习、课堂学习和课后学习三部分组成。LMS作为教学实施的基础性管理学习平台，可提供教学资源、学习过程记录和互动场所。
线上学习
课堂学习
课后学习
2.1 设计知识单元的策略
将课程按“知识块”分成8个教学单元，即：激光的基本机理，激光谐振腔理论以及激光振荡理论，连续和脉冲激光器的工作特性，选模技术，放大技术，稳频技术和激光短脉冲技术。每个教学单元可以由一次或多次课程完成，以便教师开发课程视频。
2.2 设计课程微课
第一，根据本专业课程教学内容（突出难点、重点），设计微课。第二，每个教学单元可分成若干个模块，以模块为单位设计微课。第三，微课内容包括微视频、课间练习和每周作业。通过微视频中的导读内容、课间练习和作业，向学生提出问题，引导学习者自主思考。
2.3 翻转课堂教学设计
2.3.1 线上学习
第一，通过慕课学习。让学生假期在慕课平台查找与激光器件有关的知识，提前使学生进入到课程中来，在头脑中初步形成激光器件的结构框架，对激光器件的主要应用等有简单的了解，简单的知识点通过慕课学习。第二，通过微课学习。设置每周微课时间和作业提交截止时间。课间练习和每周作业可采用填空或选择形式，每道题在截止日期之前允许学生提交3次，否则当次作业记为0分。另外，在学生看完微课之后，对微课中的收获和疑问可以在讨论区发帖。由教师团队或学生讨论互动给出解答，完成课题组布置的线上学习任务。
2.3.2 课堂学习
第一，分析每个教学单元的目标、知识类型、学生线上学习情况和存在的问题，确定教学策略，如“讲授”、“自学”、“讨论”、“实验”、“探究”等。第二，学生的独立探索和协作学习。具体分为五个环节：①明确问题：根据课程内容和学生观看微课时提出的疑问，总结出-些有探究价值的问题；②独立探究：从开始时选择性指导逐渐转至为学生的独立探究学习方面，让学生在独立学习中构建自己的知识体系，注重和培养学生的独立学习能力；③协同学习：通过“探究式案例”、“探究式实验”鼓励学生以小组协作形式，采用对话、商讨、争论等形式进行讨论并实施；④交流展示：成果交流采用如：举行展览会、报告会、辩论会、小型比赛等；⑤考核评定：建立线上学习、课堂和课后学习各环节的考核评价。考核成绩构成为“课间练习20分+每周作业15分+课后研究报告和小论文5分+讨论区及课堂活跃度10分+期末考试50分”。
2.3.3 课后学习
由课后的复习，学生定期的答疑，学生完成的项目任务和课程论文构成。
3 翻转课堂教学实施案例――以光学谐振腔（FP腔）为例
3.1 线上学习
首先利用微课介绍实验现象，给出FP腔的输出装置，给出了连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。提出问题：如何解释上述实验现象呢？接下来在微课上介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：
将光纤长度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由谱宽为50CHz，利用变换式，可得自由谱宽为0.4nm，理论计算与实验现象一致。通过微课学习，学生完成知识的内化。课间提问，采用填空题：C02激光器波长为10.6um，当腔长L=lm时，自由谱宽为（），如果该激光器的光谱线宽度AVF=108Hz，则输出为单模还是多模（）。要求学生在规定时间完成课间作业的提交。
3.2 课堂学习
首先，提出问题：腔端面反射率对输出特性的有什么影响？让学生在独立学习中构建自己的知识体系。然后，进行协作学习，以4人为以小组，利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，将结果可视化，计算结果与实验结果一致。从图上还可发现原本静止的图“动”了起来。给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充，再次完成知识内化。将科学计算引入课堂，提升学生解决问题的能力与效率，引导学生进行研究性、探索性学习。通过可视化，学生对复杂的激光现象具有了感性认识，促进学生对晦涩理论的理解。最后，介绍新实验现象的探索。前面我们详细学习了连续波入射情形下，光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形，那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点呢？通过教师的引导和学生的协作学习和探索，得到当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，从而完成创新能力的培养。
3.3 课后学习
以小论文形式，让学生完成一份研究报告，题目为光学FP腔的激光器件中的应用。鼓励学生利用网络资源，查阅光学FP腔在各个领域的应用。例如FP在输出模式选择，光束质量改善等方面的应用，让学生自行选题，自行设计实验方案，在学院的激光实验室独立完成实验，完成小论文撰写和提交。
4 结束语
翻转课堂教学模式起源于美国，在我国真正去推行翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，还需要更多的实际教学工作要做。
参考文献：
【1】张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究【J】.远程教育杂志，2012，（4）：46-51.
【关键词】量子理论；原子冷却；冷却温度
20世纪70年代中期开始的激光冷却与捕陷中性原子技术的研究，使人类进入了一个空前的超低温（10-4-10-9K）领域。在这个新领域中人们实现了新的物态（气态原子的波色-爱因斯坦凝聚，BEC），发现了一系列新的物理现象，一些新的学科（即所谓的超冷原子物理、原子光学）也随之兴起。操纵、控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标。由于原子不停地热运动，要想实现操纵、控制的目的，必须使原子“冷”下来，即降低其速度至极低，这样才能方便地将原子控制在某个小区域中。
有关这个领域的理论和实验研究已有多篇文章评述[1-12]，其中文献[8-12]有相当全面地论述。
本文应用含保守系统和非保守系统的薛定谔方程[13]研究了激光冷却机制，从量子理论的角度很好的解释了原子激光冷却，并且预言原子激光冷却的温度和原子的角频率成正比，这和最近在Nature发表的实验结果符合相当好[19]。
1.含非保守力的薛定谔方程
在激光场中，原子受到的力可以写成[14-15]：
（1）
其中，是原子的速度，是原子的位矢，k是激光场中原子的阻尼系数，是弹性恢复系数。第一项-k激光冷却原子受到的非保守力，而第二项是激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应。
下面，我们将运用费曼的路径积分拓展薛定谔方程，使其既适用保守系统也能适用于非保守系统。路径积分的公式为[16-18]：
（2）
通过计算，我们得到了拓展后的薛定谔方程，具体形式：
（3）
其中：
2.原子激光冷却的量子理论
由方程（3），我们可以对激光冷却用纯量子理论方法进行研究。冷却原子受到的力为F=-k-k，第一项-k激光冷却中原子受到的非保守力，而第二项是-k激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应，所以方程（3）可以写成：
（4）
经推导，方程（4）的特解是：
（5）
原子的速度算符为：
（6）
速度算符在态下的平均值为：
（7）
分量的平均值为：
=0 （8）
的平均值：
（9）
所以，我们发现随着t的增加，和分别趋于零，也就是说随着时间t增加激光场中的原子被冷却了。
由于：
（10）
可以得到：
（11）
方程（13）是激光冷却的温度方程，由此我们可以得到原子冷却的温度。
3.数值分析
下面我们给出原子激光冷却温度的数值分析。方程（13）是超越方程，再结合下面这两个方程：
（14）
（15）
可以得到原子冷却温度。
主要的输入参数：普朗克常数=1.05×10-34JS，波尔兹曼常数kB=1.38×10-23JK-1。在激光场中，原子的振动频率大概几百千赫兹。可以得到，冷却温度T和振动频率成正比，满足关系式：T=4.334×10-3。最近，A.D.Oconnell等人在Nature上[19]，他们发现：当振动频率=6.175GHz时，对应冷却温度T=25mK。由我们的关系式T=4.334×10-3，计算得到T=25mK，可见这结果和实验结果符合相当好。通过降低振动频率，我们可以得到更低的冷却温度。
参考文献
[1]Ashkin A.Applications of laser radiation pressure.Science，1980，210：1081.
[2]Adams C S，Riis E.Laser cooling and trapping of neutral atoms.Prog Quant Electr，1997，21：1.
[3]Balykin V I，Mingin V G，Letokhov V S.Electromagnetic trapping of cold atoms.Rep.Prog.Phys.，2000，63：1429.
[4]X..Y.Wu，B.J.Zhang，H.B.Li，X.J.Liu，J.W.Li，and Y.Q.Guo，Int.J.Theor.Phys.48，2027（2009）.
[5]D.W.Sesko，T.G.Walker，and C.E.Wieman，J.Opt.Soc.Am.B 946 1991.
[6]A.M.Steane，M.Chowdhury，and C.J.Foot，J.Opt.Soc.Am.B2142 1992.
[7]R.P.Feynman，Rev.Mod.Phys.，20（1948）：367.
关键词：激光原理；教学实践；教学体系
南京航空航天大学以育人为本，不断丰富和发展办学指导思想。树立并践行“三个为本，三个促进”的办学理念，即“以育人为本，促进人才辈出；以学术为本，促进学术繁荣；以航空为本，促进特色发展”。 把提高质量作为学校教育改革发展最核心最紧迫的任务，坚定不移地走有特色、高水平、内涵式发展道路，形成人才培养新优势，努力出名师、育英才、创一流，在加快建设高水平研究型大学的进程中取得新的更大的成就。
学校学生来自全国各地。长三角地区光电子行业非常发达，考虑到这些因素，对本课程，定位为光电信息科学与技术专业的专业课程，目标是使学生掌握激光器运转的基本物理原理，为后续专业课程的进一步学习奠定基础，为今后在光电子学及相关的电子信息科学等领域从事学术研究和教学工作奠定扎实的理论基础，服务江苏，兼顾长三角，播及全国。
1、教学方法与教学手段
《激光原理》是高等院校光电子技术和有关专业的一门极其重要的专业基础课程[1]。是学习相关课程“激光器件”、“激光技术”、“激光应用”的基础，也是学习光电子学、激光化学、激光生物学、激光光谱学、非线性光学等新的交叉学科的重要基础[2]。为此，除严格的课堂教学以外，我们还配合一些课程设计、专题课堂讨论及前沿学术动态讲座等多种形式。在介绍课程的学习意义时，采用启发式的教学方式[3]。从激光发展历史和相关技术入手，介绍了激光科学技术近50年的发展，其应用遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。本课程制定了详细的教学内容，明确了教学目标。讲述激光器基本原理、开放式谐振腔理论，讲授激光振荡和放大理论。经过系统地学习，使学生掌握产生激光的基本原理和处理激光问题的基本理论和基本方法[2]。
2、课程的重点、难点及解决办法
本课程是一门理论性较强的课程。主要阐述激光器的基本原理和理论。本课程的重点，是要掌握激光器的基本原理、光谐振腔理论、激光振荡理论。光和物质的共振相互作用是激光振荡和放大的物理基础，这一部分的重点放在阐明光和物质的共振相互作用的基本物理过程和主要理论分析方法方面，课程的难点也在此处[4]。采取多样灵活的教学手段。课堂教学包括：课堂讲解、PowerPoint幻灯片课件、课堂小测验、课堂提问、笔记检查、课后作业、作业及课堂小测验讲评等。十分重视该专业学生英文水平的提高，并一直坚持在讲课中尽量向学生介绍英文的专业词汇。教会学生正确的学习方法。要学好本课程，学生们要建立一套适应于理论知识学习的科学的学习方法，更重要的是，掌握基本物理过程和主要理论分析方法，要求学生必须通过对知识的理解和消化来学习和掌握知识，培养知识的实际运用能力。针对教学内容中的重点和难点内容，采取重点授课，讲解细致、详尽，增加学生的实践机会等措施，使学生真正理解和掌握重点、难点内容。
3、教学资料与实践
我们采用的教材是高等学校电子信息类规划教材“《激光原理》” （第五版），由清华大学周炳琨院士担任主编。一方面，补充一些基本知识，例如学生没有学习过原子物理的有关知识，在介绍激光基本知识时，加入了有关能级的一些知识点，有利于学生对后面内容的了解和掌握[5]。另一方面，随着激光科学的发展，主讲教师在授课中不断及时补充内容，及时反映国内外激光科学的最新进展，使学生及时了解该学科的发展动向；吸纳兄弟院校本课程的教学经验，取各家之长，丰富我们的教学内容。与《激光原理》课程配套的激光专业实验教学日趋完善，目前已经开设了高斯光束参数测量及透镜变换实验、半导体激光器系列实验、连续激光相位调制实验、激光散斑干涉计量、激光全息干涉振动分析、脉冲调Q Nd：YAG倍频激光器实验、氦氖激光器模式分析实验[6]。随着激光原理和相关科学技术的发展，实验室老师正在筹建新的激光实验，并撰写了现代光学实验指导用书。新的实验设备已经编入211工程学科建设预算，正在采购中。专业实验室面积扩大到250平方米[7]。。我们还与南京东方激光、南京煜宸激光科技、南京激光仪器厂、江苏恒达激光图像、江苏联正利惠激光科技等企业有长期稳定的教研合作关系，经常派学生去实习，或请对方专家来学校交流指导学生。
4、总结。依据教研融合、开放共享和体现特色与水平的原则，以理论与实践结合为特色，阐述了激光原理教学体系建立和完善的经验。目前，已完成了激光原理的课程建设，包括课程教学内容项目建设、实验课程建设等。本课程紧密跟踪学科前沿，一贯坚持把前沿研究内容及时充实到课堂教学活动中，引导学生接触前沿学科知识，保持课程内容的先进性。教学科研互促共进。教学手段丰富灵活。
参考文献：
[1] 周炳琨，等. 激光原理[M]. 北京：国防工业出版社，2009.
[2] 苏红. “激光原理”课程的专题研究型教学方案探讨[J]. 电气电子教学学报，2011， 31（3）： 34.
[3] 苏红. 《激光原理》教学方法的初探与实践[J]. 中国校外教育，2009， 08： 90.
关键词：激光物理；受激辐射；离子束反转
中国分类号：G633.7
20世纪中叶以后由于量子电子学的发展而出现了一个新的分支，以研究激光物理机制，探索新型激光器而形成了专门的科学，即激光物理。激光物理是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学技术、理论与实践紧密结合的灿烂成果。激光物理的发展已经半个世纪有余，在这短短的时间里，激光物理不仅推动了近代物理的快速发展，同时也大大加快了各个学科的发展进程。
一、光量子理论的提出
光量子理论是爱因斯坦为了解释光电效应现象，受普朗克能量子理论启发而提出的。
l895年。德国实验物理学家维恩（W.Wien.1864-l928）在研究黑体辐射时，假设电磁辐射遵循麦克斯韦（J.C.Maxwell.l83l- l879）气体分子分布规律，推导出一个著名的辐射能量分布公式。但此式在频率较高、温度较低时，理论值与实验值比较符合，但在频率较低的长波区域，则理论值与实验值出现较大偏差。1900年，英国人瑞利（ Rayleig.1842-1919）在研究黑体辐射时，利用麦克斯韦的能量均分定律及电磁波辐射可能形成驻波理论提出另一个热辐射分布律，后经金斯（J.H.Jeans.l877-l946）修正成为瑞利-金斯公式，当频率较低时，瑞利一金斯公式理论值与实验结果比较符合。但当频率较高时，就与实验结果表现出很大的差异。为了解决这个问题，从1894年就把注意力转向黑体辐射的德国物理学家普朗克（M.Planck.1858-1947）在维恩与瑞利-金斯定律相应的热力学表达式之间进行内插，得到了新的辐射公式，与实验符合的很好。于是他提出一个以频率v振动的谐振子只能取v、2v、3v…这样分离的能级，他引入E=hv的能量子概念，这是谐振子能够吸收和发射的最小能量值，即谐振子的能量取不连续hv的整数倍的定值，不像经典理论所描述的连续任意的能量值。这样就圆满的解释了黑体辐射。
二、爱因斯坦受激辐射理论的提出
在普朗克的启发下，爱因斯坦在光量子概念的基础上解释了光电效应实验。所谓“光电效应”是指在光的照射下金属表面发射电子的现象。最早观察到光电效应的是德国物理学家赫兹（H.N.Hertz.1857-1894），1887年，他在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受到光辐射影响。经过极其细致的观察和分析后，赫兹发表了题为《紫外光对放电的影响》一文，这是发现光电效应的最早记录。
爱因斯坦认为分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的，即使在平衡条件下也会有分子与辐射场之间的能量交换所引起的涨落。并假定气体分子（普朗克谐振子）能态之间的跃迁是以三种基本作用进行的：（1）自发辐射，（2）受激吸收，（3）受激辐射。
自发辐射是指处于上能级的原子按一定的辐射跃迁定则向下能级跃迁并伴随着辐射出一个能量为 的光子。物质的这种发光过程是在没有任何外界作用的情况下完全自发和独立进行的。
受激吸收不是自发产生的，必须吸收外来光子才会发生，该过程的发生不仅与原子本身的性质有关，还与趋近它的光场和原子密度有关。
受激辐射是指处于上能级E2的原子，若有一频率满足 的外来光子趋近它，入射光子就能以一定得几率驱使原子从能级E2到能级E1，并释放出能量为 的光辐射，叠加到入射光场上。受激辐射产生的光子与引起这种辐射的原来光子的性质与状态完全相同，同属一个光子态，即具有相同的频率、方向和偏振态，对大量的光子而言，还可以证明他们的相位也是几乎相同的。
所以，由受激吸收与受激辐射的特点可以看出，当同样的光辐射作用在同一个原子体系时，受激吸收使原来的光辐射有所减弱，而受激辐射则使得原来的光辐射有所增强，两种过程同时存在，彼此互相竞争。当原子受激辐射过程占主导地位时，光通过原子体系后呈现放大现象。由此可见，受激辐射是产生激光的最基本过程。
三、离子束反转-产生激光的必要条件
爱因斯坦靠思维的洞察力，肯定了观测仪器尚未发现的受激辐射现象的存在。遗憾的是，对这个大胆的科学构想，并没有引起物理界的广泛注意，甚至还遭到了一些怀疑和批评。因为激光必须产生在激发的原子与辐射的相互过程中，产生的速率正比于光源中高能态的密度。然而，正常的能态分布是由玻耳兹曼分布决定的，在热平衡的条件下，处于两个能级E1和E2上的原子密度（单位体积中的原子数）N1和N2按能级分布的玻耳兹曼公式是： ，其中，T是热平衡时气体的绝对温度。所以，从上式可得，上能级的原子密度总是小于下能级的原子密度，上下能级间的能量差（E2-E1）越大，或者气体的温度越低，上能级的原子密度就越小。因此受激态E2原子在受激发射中所产生的光子未来得及辐射出去就已被大量基态E1原子吸收了，受激发射过程被同时发生的大量吸收过程完全淹没。要使受激发射压倒受激吸收，即使受激态E2能量原子密度大于基态能量E1，就必须使式子 反过来，即温度T就要取负值，实现离子束反转。
对科学结论如果没有科学的态度，一味盲目的听从、偏听偏信、不加分析、固执己见，则一切结论都将成为传统的偏见和顽固的保守主义，这对科学发展，和会进步都是有害无益的。所以，在科研工作中要始终保持冷静的头脑，相信科学、相信真理、不盲从权威和接受指导、学习别人的辩证关系，以充分发挥自己的特长。
参考文献
[1] 王较过， 郑荣平. 光量子理论的确立和发展[J]. 咸阳师范学院报，2005.
