我如何使用开源工具教授物理学

作为一名物理学家和研究人员，最棒的一点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来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工作原理。在这种环境中专业成长，开源一直是我所有软件的首选解决方案。

当我在我的大学医学院成为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。您应该首先理解该学科，然后弄清楚如何与对该学科一无所知的人交流；因此，深入研究该学科并提前做好讲座准备至关重要。关于物理学的书籍不计其数，但也有些有趣的免费资源。其中大多数不能算作开源，因为它们无法修改，但无论如何都很有用。

HyperPhysics可能看起来过时了，但它是 Carl R. Nave（佐治亚州立大学物理与天文系）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人员，他们都是非常出色的人。
OpenStax是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，并且在他们的科学部分中有几部关于物理学的著作。
Open Textbook Library提供免费教科书目录，其中也包括物理学部分。有些标题附有用户的评论。
Motion Mountain是 C. Schiller 撰写的一系列关于普通物理学的书籍，也被翻译成多种语言。
Light and Matter是另一系列关于物理学不同方面的著作，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

在准备支持材料之前，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，幻灯片变得更加流行。我将它们用作讲座草稿，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，而是使用图形平板电脑来记录我在讲课期间写下的所有笔记。我使用平板电脑主要有三个目的：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。即使我写的东西已经出现在幻灯片上，但在讲课期间实际手写下来，可以让学生有时间在笔记中写下来。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：课堂上使用图形平板电脑和 Krita 做的笔记示例}

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 class，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。布局简洁美观，迫使我不要在每张幻灯片上塞满太多内容。从相同的源代码，我可以准备两个版本的文件。讲座版本遵循大学的企业形象指南（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），因此可以打印而不会浪费打印机墨粉。我还看到学生直接在平板电脑和电脑上的讲义 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作为单独的文件保存。

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。

我尽可能喜欢使用矢量图形，因为它们可以轻松地进行修改和调整。我使用出色的Inkscape来制作矢量图形。另一方面，对于我的栅格图形，我使用GIMP。当我需要 3D 外观的图表时，我使用Blender绘制场景；然后我用 Inkscape 跟踪渲染图像，将其转换为矢量。我最近发现了FreeCAD，它的一个显著特点是它可以直接将 3D 场景导出为某些矢量格式。然后我可以使用 Inkscape 调整图像，而无需跟踪栅格图像。

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。我还使用相同的调色板在我的幻灯片中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：通过跟踪 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一些现象的 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jQuery（用于浏览器之间的兼容性）、MathJax（用于在网页中排版数学公式）或d3（用于图形显示）。由于我的机构不提供编写动态网页的功能，我正在使用Jekyll，它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。还有使用Okular的替代方案，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。结合图形平板电脑，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，其中每层都有一个新页面。

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计算。我可以更专注于练习的解决，而不是单位的转换。然而，这是一把双刃剑，因为学生将无法学习如何自己进行转换。因此，我通常在课程过半时开始使用 Qalculate。wxMaxima也可以支持练习的解决，象征性地解决一些困难的方程。

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^{图：Qalculate 的屏幕截图}

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。学生们有时希望对某些主题进行更深入的解释。以视频形式提供这些内容可以让学生们花时间聆听和理解这些主题。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）添加到视频场景中。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

这是我一直用来准备和支持我的讲座的一组开源工具。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，它的存储库包含所有这些软件的软件包。在我的台式电脑的CentOS安装中，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积极使用多少工具来开展讲座。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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