在當今飛速發展的科技時代，數碼化工具在教育中的作用越來越顯著，特別是在計算物理與化學等領域，互動式視覺化工具不僅能提高教學效果，還能大大增強科研效率。本文將詳細介紹Jupyter小元件和擴充套件的開發背景、套用場景及其在教育與科研中的重要成果。
一、開發背景
在過去的十年裏，數碼化教學工具的使用顯著增加，尤其是那些具有互動性、易於存取且設計精良的工具。這些工具不僅可以顯著提升學習效果，還能簡化科研工作。然而，開發出有效的互動式視覺化工具需要大量的精力和經驗。為了解決這一問題，開放軟件服務課堂與研究專案（OSSCAR）應運而生。該專案旨在透過開發客製化的Jupyter小元件和擴充套件，為教育和科研領域的使用者提供系統化的互動式網頁套用，降低開發負擔，提升使用者體驗。
Jupyter和Python是當前非常流行的計算工具，Jupyter小元件作為其核心互動功能之一，廣泛套用於建立圖形化使用者介面和教學材料。然而，目前市面上可用的小元件大多為通用元件，專門針對計算物理、化學和材料科學領域的小元件仍然十分匱乏。為此，OSSCAR專案開發了一系列高質素的客製化Jupyter小元件，幫助研究人員和教育者更高效地開展工作。
二、主要研究成果
1. Brillouin區視覺化工具：widget-bzvisualizer
Brillouin區是固態物理中的一個重要概念，通常用於描述晶體材料的電子能帶結構、振動及磁性等內容。然而，將這些復雜的三維物件視覺化並非易事。為解決這一難題，研究團隊開發了名為widget-bzvisualizer的小元件，該元件可以在Jupyter筆記本中以互動方式顯示周期性晶體的第一Brillouin區的三維形狀。透過與其他元件（如NGLView）的結合，使用者可以同時觀察實空間中的晶格結構和倒空間中的Brillouin區，這一互動性大大提升了學生對抽象概念的理解能力。
widget-bzvisualizer的開發不僅需要Python編程，還涉及JavaScript的高級套用。開發團隊透過使用Three.js庫實作了瀏覽器中的快速三維視覺化，並透過Jupyter的Traitlets庫實作了Python後端與JavaScript前端之間的數據同步。這種設計讓不熟悉JavaScript的教師和研究人員也能夠輕松使用這些高級視覺化工具，顯著降低了技術門檻。
2. 互動式元素周期表：widget-periodictable
元素周期表是物理、化學和材料科學教學中不可或缺的工具。盡管許多化學化合物數據庫（如Materials Project）中都整合了互動式的元素周期表，但在Jupyter筆記本中使用的Python庫卻沒有類似功能。為此，研究團隊開發了widget-periodictable，它可以在Jupyter筆記本中顯示可選的互動元素周期表。該元件允許使用者根據不同狀態對元素進行分組，並根據需求選擇、排除或禁用某些元素。學生可以使用該元件選擇特定的元素，並動態顯示其內容，從而更直觀地了解化學元素的規律。
這一小元件不僅在教學中發揮了重要作用，在科研中也得到了廣泛套用。例如，它被整合到OPTIMADE客戶端應用程式中，用於在材料數據庫中進行元素篩選和搜尋，極大地提高了使用者的使用效率。
3. 電子能帶結構與態密度視覺化：widget-bandsplot
電子能帶結構和態密度（DOS）是固態物理中描述材料電子和光學性質的兩個核心內容。研究團隊開發了名為widget-bandsplot的小元件，它允許使用者在Jupyter筆記本中生成互動式的電子能帶結構和態密度圖。這一工具特別適合用於分析從計算中獲得的能帶結構數據，並支持同時展示多種材料的能帶結構或不同理論框架下的計算結果。
這一小元件不僅在科研中得到了廣泛套用，還被引入了教育領域。例如，在OSSCAR量子力學課程中，學生可以透過該工具直觀地學習自由電子氣在周期性邊界條件下的能帶結構，從而更好地理解固體材料的電子結構。
三、JupyterLab擴充套件與未來展望
除了小元件之外，研究團隊還開發了針對JupyterLab的擴充套件，以提升特定科研社區的使用者體驗。例如，jupyterlab-mol-visualizer擴充套件讓使用者可以直接在JupyterLab界面中視覺化分子軌域和分子結構，無需編寫額外程式碼。這一擴充套件極大簡化了科研人員的工作流程，提高了數據分析的效率。
未來，隨著Jupyter生態系的不斷發展，這些工具將在更多的教育和科研領域中得到套用。研究團隊也希望透過這些高質素的小元件和擴充套件，激勵更多的開發者參與其中，共同推動領域的進步。
結語
本文詳細介紹了OSSCAR專案中開發的一系列Jupyter小元件和擴充套件，它們不僅顯著提升了計算物理與化學教育和科研的效率，還為未來的工具開發提供了重要的參考樣版。這些工具的開發，不僅為教師和學生提供了高效的互動學習工具，還為研究人員簡化了復雜的科研任務。隨著更多客製化工具的出現，Jupyter生態系將在教育和科研中發揮越來越重要的作用。
外掛程式連結：
https://github.com/osscar-org/widget-bzvisualizer
https://github.com/osscar-org/widget-periodictable
https://github.com/osscar-org/widget-bandsplot
https://github.com/osscar-org/jupyterlab-mol-visualizer
