在当今飞速发展的科技时代，数字化工具在教育中的作用越来越显著，特别是在计算物理与化学等领域，互动式可视化工具不仅能提高教学效果，还能大大增强科研效率。本文将详细介绍Jupyter小组件和扩展的开发背景、应用场景及其在教育与科研中的重要成果。
一、开发背景
在过去的十年里，数字化教学工具的使用显著增加，尤其是那些具有交互性、易于访问且设计精良的工具。这些工具不仅可以显著提升学习效果，还能简化科研工作。然而，开发出有效的交互式可视化工具需要大量的精力和经验。为了解决这一问题，开放软件服务课堂与研究项目（OSSCAR）应运而生。该项目旨在通过开发定制化的Jupyter小组件和扩展，为教育和科研领域的用户提供系统化的交互式网页应用，降低开发负担，提升用户体验。
Jupyter和Python是当前非常流行的计算工具，Jupyter小组件作为其核心交互功能之一，广泛应用于创建图形用户界面和教学材料。然而，目前市面上可用的小组件大多为通用组件，专门针对计算物理、化学和材料科学领域的小组件仍然十分匮乏。为此，OSSCAR项目开发了一系列高质量的定制化Jupyter小组件，帮助研究人员和教育者更高效地开展工作。
二、主要研究成果
1. Brillouin区可视化工具：widget-bzvisualizer
Brillouin区是固态物理中的一个重要概念，通常用于描述晶体材料的电子能带结构、振动及磁性等属性。然而，将这些复杂的三维对象可视化并非易事。为解决这一难题，研究团队开发了名为widget-bzvisualizer的小组件，该组件可以在Jupyter笔记本中以交互方式显示周期性晶体的第一Brillouin区的三维形状。通过与其他组件（如NGLView）的结合，用户可以同时观察实空间中的晶格结构和倒空间中的Brillouin区，这一互动性大大提升了学生对抽象概念的理解能力。
widget-bzvisualizer的开发不仅需要Python编程，还涉及JavaScript的高级应用。开发团队通过使用Three.js库实现了浏览器中的快速三维可视化，并通过Jupyter的Traitlets库实现了Python后端与JavaScript前端之间的数据同步。这种设计让不熟悉JavaScript的教师和研究人员也能够轻松使用这些高级可视化工具，显著降低了技术门槛。
2. 交互式元素周期表：widget-periodictable
元素周期表是物理、化学和材料科学教学中不可或缺的工具。尽管许多化学化合物数据库（如Materials Project）中都集成了交互式的元素周期表，但在Jupyter笔记本中使用的Python库却没有类似功能。为此，研究团队开发了widget-periodictable，它可以在Jupyter笔记本中显示可选的互动元素周期表。该组件允许用户根据不同状态对元素进行分组，并根据需求选择、排除或禁用某些元素。学生可以使用该组件选择特定的元素，并动态显示其属性，从而更直观地了解化学元素的规律。
这一小组件不仅在教学中发挥了重要作用，在科研中也得到了广泛应用。例如，它被集成到OPTIMADE客户端应用程序中，用于在材料数据库中进行元素筛选和搜索，极大地提高了用户的使用效率。
3. 电子能带结构与态密度可视化：widget-bandsplot
电子能带结构和态密度（DOS）是固态物理中描述材料电子和光学性质的两个核心属性。研究团队开发了名为widget-bandsplot的小组件，它允许用户在Jupyter笔记本中生成交互式的电子能带结构和态密度图。这一工具特别适合用于分析从计算中获得的能带结构数据，并支持同时展示多种材料的能带结构或不同理论框架下的计算结果。
这一小组件不仅在科研中得到了广泛应用，还被引入了教育领域。例如，在OSSCAR量子力学课程中，学生可以通过该工具直观地学习自由电子气在周期性边界条件下的能带结构，从而更好地理解固体材料的电子结构。
三、JupyterLab扩展与未来展望
除了小组件之外，研究团队还开发了针对JupyterLab的扩展，以提升特定科研社区的用户体验。例如，jupyterlab-mol-visualizer扩展让用户可以直接在JupyterLab界面中可视化分子轨道和分子结构，无需编写额外代码。这一扩展极大简化了科研人员的工作流程，提高了数据分析的效率。
未来，随着Jupyter生态系统的不断发展，这些工具将在更多的教育和科研领域中得到应用。研究团队也希望通过这些高质量的小组件和扩展，激励更多的开发者参与其中，共同推动领域的进步。
结语
本文详细介绍了OSSCAR项目中开发的一系列Jupyter小组件和扩展，它们不仅显著提升了计算物理与化学教育和科研的效率，还为未来的工具开发提供了重要的参考模板。这些工具的开发，不仅为教师和学生提供了高效的互动学习工具，还为研究人员简化了复杂的科研任务。随着更多定制化工具的出现，Jupyter生态系统将在教育和科研中发挥越来越重要的作用。
插件链接：
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
