Уроки "Человека-Паука"

Вы не поверите, но многие научные сотрудники выходные дни проводят не за чтением интеллектуальной литературы, а за видеоиграми. Происходит это не от скуки, а, чтобы отдохнуть от своих исследований. По крайней мере, именно так считает преподаватель химии и научный сотрудник Университета Челмена мистер Харрисон.

Как и многие люди за праздники, он провел некоторое время за одной из самых популярных видеоигр 2018 года Человек-Паук. Действие настолько захватило мистера Харрисона, что он не сразу обнаружил, как бродит по сети с виртуальными исследовательскими миссиями по всему Нью-Йорку. Сначала его герой собрал образцы полициклических ароматических углеводородов на адской кухне, изучил выбросы транспортных средств Китайского квартала и определил состав атмосферных твердых частиц в центре города.

***

У игры много экологических миссий. Но мистера Харрисона поразило то, что «Человек-Паук» изобилует инструментами, которые потенциально могут научить передовым концепциям в химии и физике. Эти инструменты проводят регулировку длины волны и амплитуды радиоволн, перепроводку цепей для соответствия напряжениям, идентифицируют неизвестные химические вещества с помощью абсорбционной спектроскопии.

Верьте или нет, но миллионы людей, играющих в «Человека-Паука», невольно знакомятся с принципами квантовой механики. Как исследователя в области химии, мистера Харрисона впечатлило наличие завуалированной науки в компьютерной игре. А как преподаватель университета, он считает, что такое развлечение представляет собой интересную возможность преподавать студентам науку весело и увлекательно.

Спектроскопия и «Человек-Паук»

Чтобы лучше понять технику, которой пользуются игроки в «Человеке-Пауке», нужно иметь представление о том, что такое абсорбционная спектроскопия.

Ученые используют самое мощное средство для изучения физических тел ― взаимодействие света с материей. Когда этого взаимодействия не происходит, мы буквально остаемся в темноте.

Использование света для изучения обычных веществ, таких как атомы и молекулы, является широкой областью науки, известной как спектроскопия. Это важная часть университетских курсов по химии и физике. В настоящее время существует множество различных видов спектроскопии. Однако основные концепции почти полностью совпадают с первоначальной версией, когда Исаак Ньютон впервые рассеял солнечный свет с помощью призмы.

***

На обложке альбома Pink Floyd «Темная сторона луны» видно, как рассеивание белого света солнца через призму раскрывает его непрерывный цветовой спектр. Цвета простираются от фиолетового до красного. Т.е. от более высокой энергии с короткой длиной волны до более низкой энергии с большей длиной волны. Если тщательно присмотреться, обнаруживается, что этот непрерывный спектр перемежается прерывистыми темными линиями.

Pink Floyd Dark Side of the Moon
Обложка альбома группы Pink Floyd ”Dark Side of the Moon” (c) 1973

До 20 века происхождение этих темных линий не было полностью изученным, но сегодня ученые знают, что появляются они из-за поглощения определенных длин волн света атомами и молекулами, которые присутствуют на солнце. Фактически, этот вид спектроскопии привел к открытию гелия в солнечном спектре. Вот почему он получил свое название от греческого «Гелиос», что означает солнце.

Так что же вызывает это явление? Атомы и молекулы имеют набор энергетических уровней, которые зависят от того, как устроены их электроны. Поглощение света, или другими словами энергии, может заставить электроны перестраиваться на эти разные уровни.

***

Подвох в том, что для того, чтобы произошло поглощение, энергия света должна точно соответствовать разности энергий между двумя электронами в атоме или молекуле. Этот набор энергий уникален для каждого химического вещества и приводит к определенному спектру поглощения очень похожему на отпечаток пальца, по которому он может быть идентифицирован.

В «Человеке-Пауке» игрок использует упрощенные версии этих спектров для распознавания неизвестных веществ. Цель состоит в том, чтобы при идентификации элементов, сопоставить совпадения с шаблонами фрагментов спектра поглощения. К сожалению, определение химической структуры неизвестной молекулы гораздо сложнее.

В игровой версии есть много научных данных о том, как спектроскопист определил бы назначение каждого спектра. Только незначительные дополнительные объяснения этой части игры могут стать отличным пособием для обучения студентов старших курсов. Но используются ли видеоигры в высшем образовании?

Спектр неизвестной молекулы из исследовательской миссии
Спектр неизвестной молекулы из исследовательской миссии

Видеоигры в высшем образовании

Уже давно видеоигры распространены для обучения учащихся начальной школы элементарным навыкам, таким как арифметика или правописание. Точно так же поступают колледжи и университеты на своих курсах.

Недавно журнал Nature Chemistry опубликовал статью, где исследователи представили модифицированную версию компьютерной игры «Minecraft» под названием PolyCraft World.  В ней игроки знакомились с химией полимеров. Предварительные результаты показали, что студенты, которые изучали химию в процессе игры, добились хороших результатов. А ведь они делали это не ради оценок.

Популярная Kerbal Space Program не была первоначально предназначена для образовательных целей, но в ее физических расчетах используется строгая орбитальная механика. Притом настолько точно, что NASA присоединились к разработчикам для создания новых миссий. Теперь у них есть своя обучающая игра, которую можно использовать на университетских курсах физики.

***

Уникальный подход был применен и к FoldIt. Эта игра служит как образовательной, так и научной платформой по биохимии. В ней игроки манипулируют структурами реальных белков для поиска высших или низших энергетических структур. Результаты, опубликованные в журнале Nature Chemistry, показали, что методы поиска игроков успешно сочетаются с компьютерными алгоритмами для решения актуальных научных задач.

Просветительный научный контент в формате видеоигр имеет многообещающее будущее в высшем образовании. Такая форма обучения дает ряд преимуществ:

  • удаленный доступ;
  • персонализированный прогресс студентов;
  • немедленная обратная связь;

Тем не менее, создание привлекательной видеоигры с нуля остается сложной задачей, дорогостоящей и трудоемкой. Как указывают создатели «PolyCraft World», использование существующих игр для модификации образования может быть лучшим способом продвижения вперед.

Перевод и редактура: Ирина Сивочкина-Пичуревич

Источник

Поделитесь!