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，最棒的一点是我们社区的开放性。我们有很多合作和想法分享（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，我们想要修改别人的代码，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原理。在这样的环境中长大，开源一直是我所有软件的首选解决方案。

当我成为医学院大学物理和生物物理课程的常任教师时，我决定只使用开源软件来准备我的讲座。以下是我到目前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沟通；因此，深入研究该学科并提前做好讲座准备至关重要。关于物理学的书籍数不胜数，但也有一些有趣的、免费的资源。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 可能外观过时，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。
开源物理拥有大量的应用程序和支持材料。我在各种会议上见过一些维护人员，他们都是非常出色的人。
OpenStax 是位于莱斯大学的非营利教育倡议，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几部关于物理学的著作。
开放教科书图书馆提供免费教科书目录，其中也包括物理部分。其中一些书名附有用户的评论。
Motion Mountain 是 C. Schiller 关于普通物理学的书籍合集，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，全部由加州富勒顿学院的 B. Crowell 撰写。
维基百科，我还能说什么呢？

授课风格

在准备我的辅助材料之前，我必须决定在讲座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，以便在讲座期间有一个正确的参考。

我没有使用黑板，而是最终使用了一个图形平板电脑来记录我在讲座期间写下的所有笔记。我使用平板电脑主要用于三个目的：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在幻灯片上，在讲座期间实际手写出来也能让学生有时间在笔记中写下来。讲座结束后，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 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。讲座版本遵循大学企业形象的指南（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。我绘制了我的幻灯片中的大部分图像。如果我使用别人的作品，我总是在我的幻灯片中引用它。

我更喜欢在可行的情况下使用矢量图形，因为它们可以轻松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 外观的图表时，我使用 Blender 绘制场景；然后我用 Inkscape 跟踪渲染的图像，将其转换为矢量图。我最近发现了 FreeCAD，它具有引人注目的功能，可以直接将 3D 场景导出为某种矢量格式。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，我都尽量保持一致的外观，因此我将自己限制在 10 色调色板中，均来自 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数量。为了生成绘图和图表，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应用程序（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应用程序，以便轻松地让所有学生访问，而无需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，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}

授课软件

由于我的幻灯片是 PDF 文件，为了在讲座期间展示它们，我使用我的 GNOME 3 桌面环境的默认文档查看器。也可以选择使用 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。结合图形平板电脑，我使用出色的绘画程序 Krita。我使用图像图层作为我的笔记的新页面。这种方法在讲座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图。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 PDF 文件，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 截图}

当我们在课堂上做练习时，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，因为学生将无法学习如何自己进行转换。因此，我通常在课程过半时才开始使用 Qalculate。wxMaxima 也可以支持练习解决，符号化地解决一些困难的方程式。

图片来源：

^{图：Qalculate 截图}

视频讲座

有时我在 YouTube 上提供流媒体讲座，或者我上传带有额外迷你讲座的视频。有时学生们想要对某些主题进行更深入的解释。将这些作为视频提供可以让他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）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授课风格时，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，我的运气比较差。例如，Krita 和 OBS 仅通过 Flatpak 提供。

撰写本文让我意识到我正在积极地为我的讲座使用多少工具。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，所有这些软件都有其他有用的应用程序。

如果您有任何问题，请留下评论。

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