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 ^[1]”, “Строение атома ^[2]”, “ДНК, РНК и белок ^[3]”, а также “Таблица растворимости ^[4]”. 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 ^[5].

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” ^[6]) 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 ^[7] 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 ^[8] и Android ^[9] 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 ^[10], 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.

Автор: Visual Science

Источник ^[11]