Как заинтересовать школьника естественными науками, используя томограф, молекулярную динамику и дополненную реальность



    Современное естественнонаучное образование в большей части российских школ служит одной цели: отбить у ученика интерес к предмету. Имея почти десятилетний опыт создания графики для ведущих издательств научной литературы, иллюстраций, публикуемых в The New York Times и The Washington Post и даже изображений для презентаций нобелевских лауреатов, мы решительно настроены на борьбу с этой проблемой. В этом и следующем посте изложен рассказ о том, как мы помогали единомышленникам из лабораторий Политехнического музея развивать привычный для школ формат образовательного плаката, предоставив ученикам приложение с дополненной реальностью. В процессе мы получили детальную трехмерную модель препарированной лягушки на основе данных компьютерной томографии, визуализировали ген и соответствующий ему белок в одном масштабе, а также смоделировали интерактивный атом, позволяющий увидеть орбитали разных форм и размеров.

    Постеры и плакаты – вполне привычная вещь для сферы образования, уже давно интегрированная в учебный процесс. Несмотря на обилие цифровых досок и прочего инновационного оборудования, плакаты по-прежнему используются в школах – но зачастую нуждаются в серьёзном обновлении. Их устаревание – это хороший повод, чтобы преподаватель-энтузиаст заменил древний плакат на более актуальный (к тому же содержащий сюрприз). У нас нет иллюзий относительно того, что одним лишь плакатом можно решить проблему мотивации и вовлечения учеников, но пилотный проект, в котором постер является “окном” для доступа к расширенному содержанию в привычной школьнику среде планшета или смартфона, кажется нам интересным для оценки потенциала подобной затеи.

    Плоская иллюстрация вполне может быть информативной и привлекательной, однако на двумерной картинке непросто по-настоящему детально и наглядно продемонстрировать устройство сложных объектов, которых даже в школьной программе довольно много (от строения молекул или живых существ до экспериментальных установок или атомных орбиталей). На сложный объект хочется посмотреть с разных сторон, чтобы снять слой за слоем или увидеть отдельные части. Это становится возможным, если соединить образовательный плакат и мобильное приложение, созданное с использованием технологии дополненной реальности, что мы и сделали. Помимо этого, приложение содержит и “урезанные” электронные версии плакатов, которые адаптируют содержание постера под мобильное устройство.

    Темами первых плакатов, которые получат учителя, посетившие образовательные лаборатории Политехнического музея, станут “Анатомия земноводного”, “Строение атома”, “ДНК, РНК и белок”, а также “Таблица растворимости”. На нашу работу ушло около четырёх месяцев – при этом наиболее комплексного подхода потребовал плакат с анатомией лягушки.

    Анатомия лягушки


    С одной стороны, эта тема разрабатывается уже в течение многих десятилетий: есть масса книг, иллюстраций и видео, демонстрирующих, как устроена лягушка; доступны схемы отдельных систем органов и, конечно, плакаты.



    Картинка отсюда.

    Существующие иллюстрации преимущественно выполнены в стиле классического одноцветного рисунка. Это позволяет схематизировать материал, что зачастую хорошо, но в большинстве случаев данные иллюстрации содержат много неточностей и некорректно отображают реальность. Удивительно, но наиболее полное русскоязычное руководство по анатомии травяной лягушки (книга П.В. Терентьева “Лягушка” из серии “Лабораторные животные”) иллюстрировано крайне плохо и на деле содержит много не самых очевидных моментов, из-за чего разобраться в теме без зоологов, занимающихся позвоночными, почти нет шансов. Когда речь заходит о взаимном расположении подвижных частей организма или, например, сосудов относительно скелета, следует препарировать животное, чтобы разобраться в вопросе.



    У видео препарирования есть свои проблемы: в них можно показать далеко не все, что требуется (наиболее сложными в этом плане представляются кровеносная и нервная системы).
    Второй ключевой проблемой существующих школьных пособий является то, что они не могут привлечь и удержать внимание школьника, искушенного работами лучших специалистов игровой, рекламной и киноиндустрии, распоряжающимися несопоставимыми бюджетами при визуализации даже более простых предметов и явлений.

    Нашей задачей в данном случае было создание максимально аккуратного и близкого к реальности пособия, которое было бы удобно использовать для ознакомления со строением всех систем органов лягушки. Ну и, конечно, нам хотелось “отбить запах нафталина” от биологии как дисциплины – как минимум в этом частном случае. Традиционно мы используем гибридные подходы, в основе которых лежит трехмерная графика. Никаких иллюзий и планов относительно того, что нам удастся нарисовать и смоделировать лягушку по существующим атласам и иллюстрациям у нас не было – этот подход заведомо выглядел тупиковым. Поэтому мы поставили себе задачу получить максимально точные томографические сканы лягушки.

    Поиск самой лягушки был непростым. Во-первых, оказалось, что к концу мая, когда нам понадобились животные, у них уже закончился период размножения, и найти их в подмосковных лесах самостоятельно у нас не вышло. К тому же зоологи и физиологи, которые ежегодно обучают студентов на лягушках, отмечают резкое снижение их количества в подмосковных лесах, из-за чего ловцы лягушек собирают животных все дальше от города. Поиск по зоомагазинам и птичьим рынкам тоже не дал результатов – примерно по тем же сезонным причинам. Пришлось искать людей, которые непосредственно занимаются отловом лягушек для террариумов, магазинов и учебных учреждений. В итоге мы заполучили троих желаемых представителей вида Rana temporaria в охлажденном и сонном состоянии.



    Современные методы томографии позволяют получить скан с разрешением до 20 микрон (микрон – это одна десятитысячная сантиметра). Это значит, что на примерно восьмисантиметровую лягушку придется около 4000 горизонтальных “срезов”. В нашем случае слоев было несколько меньше, но все же их количество было более чем достаточным для построения действительно достоверной модели, где можно различить, например, фалангу пальца животного и даже довольно мелкие сосуды. Только такой подход гарантирует точность взаимного расположения всех органов и систем органов в финальной модели. Подходящие по разрешающей способности томографы используются для оценки величины дефектов – например, в электронике.



    К одному из таких рентгеновских томографов нам удалось получить доступ. Казалось бы, после этого все должно быть довольно просто: помещаем животное в прибор, получаем скан. На деле же возникает проблема контрастирования внутренних органов: другими словами, “в лоб” томограф позволяет различить только довольно плотные ткани, подобно костной, а мягкие ткани на изображениях сливаются в единое целое. Такая проблема распространена довольно широко, в связи с чем исследователи уже отработали различные техники обработки препаратов, основанные на отличии в способности разных тканей пропускать и накапливать контрастирующие агенты (обычно в этой роли выступают вещества, содержащие атомы относительно тяжелых элементов – от галогенов до тяжелых металлов). Нам пришлось основательно изучить методическую научную литературу, а потом обратиться к коллегам с Химического факультета МГУ за помощью в подготовке нужных реактивов. Но и в данном случае некоторые задачи оставались нерешенными. В частности, кости, мышечная ткань, полости и органы после обработки становятся достаточно контрастными, а кровеносная система – нет. В результате работы нам пришлось адаптировать существующие протоколы и разработать новую технику, которая решает данную проблему. На этом этапе к нашей команде присоединились зоологи с Биологического факультета МГУ, которые помогли препарировать животное и провести инъекцию альтернативного контрастирующего агента в кровеносную систему перед томографией.



    В результате, сочетая софт для анализа компьютерных томограмм с распространенными программами для трехмерного моделирования, нам удалось получить полную модель лягушки вместе с моделями всех ее основных внутренних органов, кровеносных сосудов и скелета. На это ушел где-то месяц кропотливой работы по разметке, “чистке” и дополнительному 3D-моделированию.







    Изображения на плакате создавались именно на основе полученной модели, а в специальном приложении с дополненной реальностью для современных устройств на основе iOS и Android есть возможность посмотреть на модель с разных сторон, чтобы разглядеть те структуры, которые не видны на статичной иллюстрации.



    Такой обстоятельный подход для школьного плаката может показаться избыточным. Но, во-первых, на примере трехмерных моделей вирусов, которые создавались отнюдь не для школ, мы заметили, что школьники ценят, когда с ними обращаются так же, как и с более старшими людьми. Им нравится, когда им предлагают вместе разобраться в чем-то на первый взгляд сложном, приглашая подняться на уровень ученого, вместо того, чтобы рассматривать схемы неизвестных художников с шаблонными определениями из учебника. Во-вторых, мы не питаем иллюзий относительно того, что все учебники следует иллюстрировать подобным образом, но верим, что в школьном образовании есть место для ярких и интересных “точек входа” в тематику, где мы можем приложить максимум усилий и все-таки увлечь школьника биологией, химией или физикой. В-третьих, предвкушая вопросы зеленых и зоозащитников, мы хотим донести ту идею, что подобные детальные 3D-модели могут стать основой для образовательных курсов по анатомии нового поколения, в рамках которых студентам общих курсов, не планирующим в дальнейшем работать с экспериментальными животными, не придется бессмысленно губить сотни и сотни лягушек, крыс и голубей просто для того, чтобы рассмотреть их внутренности.

    В следующем посте мы расскажем о создании интерактивного плаката “Атом” и модели гена инсулина.
    Visual Science
    Компания
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 10

      0
      Это очень круто. Недавно нашел и купил себе на планшет и телефон 3D анатомический атлас — во всех плоскостях можно крутить модель, добавлять слоями органы и системы. Даже то, на что способна программа, впечатлило — аж взвыл от жалости, что такого не было во время моего обучения в медицинском университете. Пока что такая программа не заменяет классические анатомические атласы (она все-таки грубовата в плане нюансов), но даже так становится намного интереснее и понятнее изучать анатомию. Вышесказанное справедливо, разумеется, не только для анатомии)
      А уж если бы такое было бы интегрировано в виде дополненной реальности, скажем, к учебнику анатомии — фантастика…
        +1
        Мы тоже с оптимизмом смотрим на возможности, которые дают планшеты и телефоны. Сейчас еще довольно много технических ограничений и дополненная реальность не так хороша, как хочется, но в ближайшие годы все должно стать лучше в плане качества, распространения и требовательности к мощности девайса (Magicleap и Google, Oculus и Facebook, Hololens от Microsoft). И то самое «взвыл от жалости», как нам кажется, и должны вызывать такие пособия у тех у кого их не было, и «очень круто» у кого они есть. Эмоции — то что позволяет вовлекать в процесс обучения.
          0
          Абсолютно ЗА. Это можно делать даже в упрощенном варианте — например, на поднесения к камере телефона напечатанной фразы «деление клетки» можно повесить ролик с анимацией деления. Достаточно 1 ребенку притащить такое в класс — «зарязятся» все :)
            +1
            Да, например. Один вопрос это первична мотивация ученика скачать специализированное приложение — в большинстве случаев ему уже ничего не хочется, если мы говорим о 8-11 классах, — «не хочу учиться, хочу жениться».
              0
              Также пока остается вопрос с широкополосным доступом в девайсе ученика — все ролики по всем темам зашивать в апп не годится. Даже в нашем случае приложение на iOS очень увесистое, около 600 Мб (версии под разную битность и видимо не очень эффективное сжатие текстур). Для андройда существенно лучше — 140 Мб, но и это на грани с точки зрения пользовательского опыта и удобства.
        0
        Такой обстоятельный подход для школьного плаката может показаться избыточным.

        зато это будет подход, который заинтересует предметом, а не просто заставит вызубрить пару-тройку параграфов )
          0
          Да, расчет делается именно на это.
            0
            Мы хотим делать действительно круто, чтобы увлечь ребенка. Многие знакомые из мира науки вспоминали эпизоды из детства, с которых начался их интерес — это были иллюстрации, научные книги, музей, а иногда и просто красная кнопка электронного микроскопа, но всегда что-то эмоциональное и удивительное для них в тот момент.
            0
            Ура! Ну наконец-то творческий подход!
            Нужное дело делаете, ребята. Не останавливайтесь.
              0
              Творческий и… научный) в ближайшее время напишем как делали плакат "Атом на примере урана 238", где для дополненной реальности потребовалось моделировать орбитали атомов от водорода до урана.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое