我如何使用开源工具教授物理

作为一名物理学家和研究人员，令人欣慰的是我们社区的开放性。我们之间有很多协作和想法分享（尤其是在咖啡休息时间）。我们也倾向于分享我们编写的软件。由于我们对算法非常挑剔，我们希望修改别人的代码，以修复我们发现的明显错误。当我不得不使用专有工具时，我会感到沮丧，因为我无法理解它们的内部运作方式。在这样的环境中成长起来，开源一直是我所有软件的首选解决方案。

当我成为医学院物理学和生物物理学课程的常任教师后，我决定只使用开源软件来准备我的讲座。以下是我迄今为止的经验以及我找到的解决方案。

学习材料

教学并非易事。您应该首先理解学科，然后弄清楚如何与对该学科一无所知的人交流；因此，深入研究学科并提前做好讲座准备至关重要。关于物理学的书籍数不胜数，但也有一些有趣的免费资源。其中大多数不能算作开源，因为它们无法修改，但无论如何它们都很有用。

HyperPhysics 可能看起来过时了，但它是由佐治亚州立大学物理与天文学系的 Carl R. Nave 提供的有趣概念和见解的宝库。
Open Source Physics 拥有大量的 applet 和支持材料。我在各种会议上遇到了一些维护者，他们都是非常出色的人。
OpenStax 是一家位于莱斯大学的非营利教育机构，出版免费在线教科书。他们有一个不错的图书馆，并在他们的科学部分中有多部关于物理学的著作。
Open Textbook Library 提供免费教科书目录，其中也包含物理学部分。其中一些标题附有用户的评论。
Motion Mountain 是 C. Schiller 关于普通物理学书籍的合集，也被翻译成多种语言。
Light and Matter 是另一部关于物理学不同方面的著作合集，全部由加利福尼亚州富勒顿学院的 B. Crowell 撰写。
Wikipedia，我还能说什么呢？

讲课风格

在准备我的辅助材料之前，我必须决定在讲课期间我更喜欢使用黑板还是幻灯片。我选择两者都使用，想法是在幻灯片中展示难以绘制的图形，并在黑板上写下方程式。最终，幻灯片变得更加普遍。我将它们用作讲座的草稿，帮助我跟踪我想说的内容。我还添加了我想展示的数学证明，以便在讲课期间有一个正确的参考。

我最终没有使用黑板，而是使用绘图板来记录我在讲课期间写下的所有笔记。我使用绘图板主要有三个目的：绘制额外的图画以更好地解释自己，写下方程式和证明，以及写下我想让学生记住的关键信息。即使我写的内容已经出现在幻灯片上，但在讲课期间实际手写出来，也会给学生时间将它们写在笔记中。讲课结束后，我在我的网站上分享幻灯片和我的笔记。

Figure: Example of notes taken during class with the graphics tablet and Krita

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^{图：课堂上使用绘图板和 Krita 记笔记的示例}

材料准备

幻灯片

由于数学是物理学的语言，我需要一种实用的方法在我的幻灯片中写下方程式。可能，最好的工具是 LaTeX，但它是为排版书籍而不是幻灯片而设计的。幸运的是，有 Beamer 类，它允许您使用 LaTeX 排版幻灯片。生成的文件是一个非常便携的 PDF。布局美观简洁，迫使我不要在每张幻灯片上塞满太多内容。从同一个源代码，我可以准备两个版本的文件。讲座版本遵循大学企业形象的指导原则（即，带有粗红色边框），而讲义版本具有更简洁的布局（例如，没有粗边框），因此允许打印而不会浪费打印机墨粉。我还看到学生直接在他们平板电脑和计算机上的讲义 PDF 上做笔记。

使用 LaTeX 和 Beamer 的唯一缺点是无法在生成的演示文稿中嵌入视频。因此，我必须将我在课堂上偶尔播放的视频保留为单独的文件。

Figure: Examples of slides created with LaTeX and Beamer

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^{图：使用 LaTeX 和 Beamer 创建的幻灯片示例}

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^{图：使用 LaTeX 和 Beamer 创建的幻灯片示例}

图像和图表

我非常注意我使用的图形的许可。因此，我从不使用不允许我重新分发我的修改的图形。我绘制了幻灯片中的大部分图像。如果我使用别人的作品，我总是在幻灯片中引用它。

我更喜欢在可行的情况下使用矢量图形，因为它们可以很容易地在之后进行修改和调整。我使用出色的 Inkscape 来制作我的矢量图形。另一方面，对于我的栅格图形，我使用 GIMP。当我需要 3D 效果图时，我使用 Blender 绘制场景；然后我用 Inkscape 描摹渲染的图像，将其转换为矢量图。我最近发现了 FreeCAD，它具有惊人的功能，可以直接将 3D 场景导出为一些矢量格式。然后，我可以使用 Inkscape 调整图像，而无需描摹栅格图像。

在我的所有图表中，我都在努力保持一致的外观，因此我将自己限制在 10-色调色板中，它们都来自 d3 和 matplotlib。我也在我的幻灯片中使用相同的调色板来突出显示与插图相关的量。为了生成绘图和图形，我编写 Python 脚本并使用 matplotlib 图形库。

Figure: Diagram example created with Inkscape by tracing a Blender 3D diagram

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^{图：通过描摹 Blender 3D 图表，使用 Inkscape 创建的图表示例}

多媒体支持

我准备了一些页面，其中包含演示我在讲座中描述的某些现象的 applet（例如，用骰子模拟放射性衰变）。我选择在我的机构网页上提供这些 applet，以便轻松地接触到所有学生，而不是要求他们安装软件来运行它们。必要的选择是使用 JavaScript 和一些支持库，例如用于浏览器之间兼容性的 jQuery、用于在网页中排版数学公式的 MathJax 或用于图形显示的 d3。由于我的机构不提供编写动态网页的功能，我正在使用 Jekyll，这是一个静态站点生成器。Jekyll 允许我在所有页面上保持一致的外观和感觉，而无需编写 HTML 代码。

Figure: Dice modeling radioactive decay, image of the interactive simulation

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^{图：骰子模拟放射性衰变，交互式模拟的图像}

讲课软件

由于我的幻灯片是 PDF 文件，为了在讲课期间展示它们，我使用了我的 GNOME 3 桌面环境的默认文档查看器。也可以使用 Okular，它允许注释 PDF，但我更喜欢不使用它，因为注释不会被带到讲义中。与绘图板结合使用，我使用了出色的绘画程序 Krita。我将图像图层用作笔记的新页面。这种方法在讲课期间比创建一系列新文件更实用。我还可以复制图层并编辑它们，或者加载矢量图像并在其上绘制。Krita 可以编写自定义 Python 插件，因此我准备了一个脚本，该脚本导出一个 PDF 文件，其中每层都有一页新页面。

Figure: Screenshot of Krita used in class to write notes

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^{图：课堂上用于书写笔记的 Krita 屏幕截图}

当我们在课堂上进行练习时，我使用计算器 Qalculate 来获得数值结果。它的特殊功能是它可以执行与数字关联的单位的计算。我可以更多地关注练习的解决，而不是单位的转换。然而，这是一把双刃剑，因为学生不会学习如何自己进行转换。因此，我通常在课程进行到一半时开始使用 Qalculate。wxMaxima 也可以支持练习解决，象征性地解决一些难题。

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^{图：Qalculate 屏幕截图}

视频讲座

有时我在 YouTube 上提供流媒体讲座，或者我上传包含额外迷你讲座的视频。学生们有时会想要更深入地解释某些主题。以视频形式提供这些内容可以让他们花时间聆听和理解主题。对于这些视频，我使用 OBS studio，它可以录制视频或直接将视频流式传输到 YouTube。OBS 可以将屏幕图像和一些额外的视频源（例如网络摄像头）放在视频场景中。为了编辑视频，我一直在使用 OpenShot。

Figure: Screenshot of OBS studio recording the screen

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^{图：OBS studio 录制屏幕的屏幕截图}

结论

这是一套我一直在使用的开源工具，用于准备和支持我的讲座。多年来，每当我发现一些更合适的工具或者我改变了我的讲课风格时，我都会更改其中一些工具。坦率地说，由于懒惰，所有工具的要求之一是它们必须易于安装。我在我的笔记本电脑上使用 Fedora，它的存储库中包含所有这些软件的软件包。在我的台式计算机的 CentOS 安装上，我的运气更差。例如，Krita 和 OBS 只能通过 Flatpak 获得。

撰写这篇文章让我意识到我正在为我的讲座积极使用多少工具。也许有一些一体化解决方案，例如 LibreOffice Impress，但我对我获得的结果非常满意。此外，所有这些软件还有其他有用的应用。

如果您有任何问题，请留言。

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