Виртуальная реальность в химии как устроена

В виртуальной реальности интерактивная квантовая химия

Интерактивная квантовая химия в VR

Ученые из Лаборатории нематериальных реальностей (IRL) Университета Бристоля и ETH Zurich использовали алгоритмы виртуальной реальности и искусственного интеллекта , для изучения деталей химических изменений.

В сопроводительной статье, опубликованной в «Журнале физической химии», исследователи из Университета Бристоля и ETH Zurich описывают, как усовершенствованные структуры взаимодействия и визуализации с использованием виртуальной реальности (VR) позволяют людям обучать алгоритмы машинного обучения и ускорять научные открытия.

Команда рассказывает о своей работе по разработке современного программного обеспечения с открытым исходным кодом для виртуальной реальности, которое может выполнять вычисления квантовой механики «на лету».

Польза разработок

Это позволяет ученым-исследователям изучать сложные физические модели молекулярных перестроек, которые включают в себя создание и разрыв химических связей, впервые виртуальная реальность была использована для создания такой вещи. Команда использовала их интерактивную систему виртуальной реальности, чтобы «преподавать» квантовую химию нейронным сетям.

Ведущий автор Сильвия Амабилино, работающая между IRL и Бристольским центром вычислительной химии, сказала: «Создание наборов данных для обучения квантовой химии машинам является давней проблемой. «Наши результаты показывают, что человеческая интуиция в сочетании с виртуальной реальностью может генерировать высококачественные данные обучения и, таким образом, улучшать модели машинного обучения».

Соавтор, доктор Ларс Братхолм, который работает с IRL, Центром вычислительной химии и Математической школой, добавил: «Для большинства научных вычислительных процессов проблемным местом является вычислительная мощность. Но машинное обучение создало сценарий, где новым таким местом является способность быстро генерировать высококачественные данные».

Исследователь из Королевского общества, доктор Дэвид Гловаки, который возглавляет IRL в отделении компьютерных наук и химии в Бристоле, сказал:«Такие иммерсионные инструменты, как VR, предоставляют людям эффективные средства для выражения научных и дизайнерских идей высокого уровня. Насколько нам известно, эта работа представляет собой первый случай, когда среда VR использовалась для генерации данных для обучения нейронной сети».

Заключение

Рост машинного обучения и автоматизации в науке и обществе привел к важным вопросам о том, какое научное будущее мы должны сознательно разрабатывать в течение следующих нескольких десятилетий. Повествования о нашем новом будущем часто ставят автоматизацию в качестве конечной цели, и иногда неясно, куда вписывается человек.

Профессор Маркус Рейхер из ETH добавил: «Эта работа показывает, что передовые среды визуализации и взаимодействия, такие как VR и AR, позволяют людям дополнять подходы к автоматизированному машинному обучению и ускоряют научные открытия. «В статье предлагается интересное видение того, как наука может развиваться в ближайшем будущем, когда люди сосредотачивают свои усилия на том, как эффективно обучать машины».

Виртуальная реальность в химии как устроена

— Как вам пришла идея делать VR-софт для уроков химии?

— Этот проект объединяет все виды моей деятельности. По первому высшему я химик, по второму — педагог. Работал вузовским преподавателем, школьным учителем, и уже много лет занимаюсь разными проектами в области создания игр живого действия.

Идея химической VR-лаборатории появилась из моих учительских потребностей. Химия — наука о веществах и их превращениях, которая базируется на экспериментах и интерпретации полученных результатов. Изучение химии без эксперимента теряет смысл и становится карго-культом, когда ученики под бдительным контролем учителя переписывают с доски в тетрадь магические формулы.

У реальной лаборатории есть несколько ограничений:

Есть множество разработанных демонстрационных экспериментов и лабораторных работ, однако для 99% из них нужно оборудование и реактивы. А это, в свою очередь, требует лаборатории с сопутствующим инженерными коммуникациями (вентиляция, подвод воды, канализация), мест для хранения и приготовления реактивов, постоянного финансирования, выстроенной системы закупок и утилизации, лаборанта… Все это можно организовать при достаточном количестве денег и времени, но часто этого нет. Я несколько раз оказывался в ситуации, когда мне нужно было начинать занятия в новом, фактически пустом пространстве.
У меня как у учителя нет права давать ученику экспериментальную задачу, которая может принести вред его здоровью. Лабораторные работы построены так, что в них нельзя ошибиться и сделать что-то не так, там нет свободы действия. Но на ошибках учатся, нет ошибок — нет обучения.
Наконец, нельзя проводить эксперименты с токсичными или дорогими реактивами, эксперименты, которые занимают часы или дни, и почти невозможно предоставить ученикам современное научное оборудование или поставить индивидуальную задачу.

Мне было важно получить инструмент, который позволит дать каждому ученику опыт работы в лаборатории, даже когда нет соответствующей инфраструктуры. Очевидно, я не был первым человеком, который столкнулся с этой проблемой. Было множество вариантов решения — комплекты оборудования и реактивов «всё включено», книги «лаборатория из хозмага», виртуальные 2D-лаборатории. К сожалению, каждое из этих решений имеет свои недостатки.

Получайте свежие новости о мире Web3 в рассылке . Регулярно.
Без рекламы.

— К чему вы в итоге пришли?

— К началу нашей истории в ноябре 2016 года мы с коллегами уже несколько лет занимались разработкой офлайн- и онлайн-игр и симуляторов для естественно-научного и инженерного образования. Офлайн-активности, в которых надо было применять свои знания для решения реальных задач, были явно полезными и увлекательными для участников, но дорогими и сложными в проведении. С онлайн-симуляторами всё было наоборот. С их помощью было крайне сложно передать ощущения пребывания в мастерской или лаборатории и «души» предмета. Поэтому мы искали способ совместить два подхода, и концепция VR-обучения идеально для этого подходила.

Идея обучения в виртуальной реальности, когда есть ощущение погружения, присутствия в другом пространстве, а учебные ситуации и окружение легко сменяют друг друга — не новая и много раз описывалась в фантастике. До недавнего времени стоимость VR-оборудования была слишком велика для хоть сколько-то массового использования, однако ситуация изменилась в 2016 году с выходом на рынок VR-комплектов HTC Vive и Oculus Rift.

В начале ноября я узнал о питерской команде, которая уже работала с VR, и мы с коллегой быстро взяли билеты и поехали знакомиться. Тогда я в первый раз увидел шлем HTC Vive и понял, что VR уже рядом, пора действовать.

— Как вы разрабатывали продукт?

— Стартовая конфигурация была простой: я должен был заниматься содержанием работ и всем преподавательским обвесом, коллега-химик — сделать математическую модель процессов, которая бы позволяла обсчитывать результаты действий пользователей, а VR-разработку должны были взять на себя наши партнеры из Питера. Мы купили комплект VR-оборудования и рабочую станцию для него и начали разработку.

В тот момент обе стороны плохо представляли масштаб проекта, в который мы лезем: мы недооценивали сложность и стоимость VR-разработки, а они — объем содержательной части проекта, а также реальные сроки апробации продуктов в области основного школьного и вузовского образования.

В результате в концу января 2017-го мы поняли, что в такой конфигурации проект не взлетает, и VR-часть придется разрабатывать своими силами. После этого наша команда пополнилась еще одним ключевым участником — VR-программистом, который с тех пор занимается всей нашей визуализацией.

К маю 2017 года мы сделали прототип и вывезли его на фестиваль. Следующим серьезным шагом стало участие в «Конкурсе Инноваций в Образовании» (КИВО) и заочном акселераторе ФРИИ. В итоге мы многое узнали о рынке, чуть лучше поняли масштабы задачи. Осенью-зимой мы вкладывали в проект доходы от остальной деятельности, сами занимались разработкой, ездили на выставки и общались с разными участниками рынка (учителями, директорами, представителями министерства и другими). К марту 2018 года мы получили грант «Фонда содействия инновациям» (2 млн рублей на год). Это позволило значительно ускорить разработку. В этот момент в проекте появились химик-методист, еще один VR-разработчик и человек, отвечавший за организацию и продажи.

Фото с первого фестиваля VR Chemistry Lab, Geek Picnic

Ключевые события за 2018 год: несколько выставок и пробных занятий, спин-офф лаборатории — VR-симулятор для подготовки к практическому туру Олимпиады НТИ, участие в акселераторе Ed2Tech. Весной 2019 года мы совместно с Центром компетенций НТИ по виртуальной и дополненной реальности в ДВФУ провели пилот по подготовке школьников к ОГЭ по химии с использованием нашего ПО. В результате, кажется, мы, нащупали все минимально необходимые компоненты для интеграции VR в учебный процесс в школе.

— Что из себя представляет ваша химическая VR-лаборатория?

— Это программа, которая способна анализировать действия студента и рассчитывать результаты смешиваний тех или иных реагентов. То есть не программировать заранее, что вещество А при добавлении в вещество Б даст фиолетовую окраску, а учитывать концентрацию, количество веществ, пропорции, прошло ли взаимодействие или все сгорело, или выпал осадок, и так далее. Также наш софт может автоматически собирать и обрабатывать данные, что, во-первых, дает учителю разную нужную аналитику, во-вторых, позволяет нам делать выводы, как происходит обучение на большем масштабе.

Наша лаборатория замышлялась как место, где можно делать ошибки. Представьте, что вы стоите в помещении размером со спортзал, которое заставлено шкафами с реактивами. Перед вами лабораторный стол и какая угодно лабораторная посуда. Вы можете всё это греть, смешивать, фильтровать. Это нормальный исследовательский опыт, тут есть пространство для ошибки. А в ситуации, когда ты можешь взять только вещество А и вещество Б и погреть их — ошибиться нельзя. В этом случае ты находишься в области, которая и так тебе известна.

Химия еще и опасна. Нельзя давать простому человеку свободно шариться по лаборатории. А если в классе 30 человек, то даже наборы на столы сложно раздать безопасно — за всем не уследишь.

— Какие задачи решает VR Chemistry?

— Когда для школьника или студента химия сводится к решению задачек мелом на доске, теория становится скучной, бессмысленной и абсолютно ненужной. В России в прошлом году 135 тысяч школьников сдавало ОГЭ по химии. То есть как минимум 135 тысяч ежегодно должны изучать химию на нормальном уровне. А как максимум общее образование должно быть хорошим для всех.

Ежегодно курс общей неорганической химии изучает примерно 100 тыс. студентов — медики, инженеры, социологи, географы, сельхозработники. Как правило, предмет проходит мимо них, потому что лаборатории либо нет, либо она есть, но в очень условном виде. Чтобы учить химию, нужно проводить эксперименты. Познакомившись с новой концепцией, ты должен проверить, правильно ли ты её понял. И никакого другого способа, кроме как проверить это на деле, нет.

— На какой стадии находится ваш продукт сейчас?

— Софт уже можно внедрять в школы при нашей техподдержке. Сейчас мы разрабатываем дополнительные инструменты для учителя, которые сделают его работу удобнее. Например, систему назначения выполняемых заданий, кабинет для работы с лабораторными журналами всех учеников, первичную аналитику результатов.

Еще два направления работы — упрощение технической стороны эксплуатации (доставка обновлений, работа в условиях ограничений школьного интернета) и перевод на другие платформы.

Скриншот решения VR Chemistry Lab

— Что из себя представляет набор на класс?

— Помимо нашей программы нужен компьютер, VR-шлем и джойстик, чтобы у вас были виртуальные руки. И какая-то система позиционирования, которая позволяет отслеживать перемещения пользователя в пространстве. Пока что это маячки, которые крепятся на стены и входят в комплект со шлемом, но уже в следующем поколении VR-комплектов их заменят встроенные в шлем камеры. Но в целом нам важен шлем, чтобы были свободны руки, была возможность перемещаться в пространстве и вертеть головой.

— Сколько всё это стоит?

— Одно рабочее место вместе с железом и нашим софтом стоит от 130 до 250 тысяч рублей в зависимости от VR-шлема и комплектации компьютера. В ближайших планах сделать порт для автономных шлемов, что позволит снизить стоимость рабочего места до менее чем 100 тысяч рублей.

— Это дешевле, чем закупать реагенты и оборудование?

— В химической лаборатории основные деньги тратятся не на реагенты — они там довольно простые. Как я уже говорил, у школьной лаборатории должно быть оборудованное помещение. С нормальной вентиляцией, вытяжкой, водой и выводом воды, электропроводкой, с местом для хранения реагентов. Нужен лаборант, который всё это обслуживает. Вот это — дополнительная нагрузка на школьный бюджет.

Более того, должна быть система закупки реактивов и их утилизация. То, что школы практически не утилизируют реактивы, говорит о том, что они не проводят эксперименты. Мой коллега работает в хорошей, недавно построенной частной школе, и у них было целое приключение с тем, чтобы найти того, кто организует им утилизацию. Более того, у реактивов есть сроки хранения. А в некоторых школах используются вещества 30-летней давности.

— Вы партнёритесь с производителями железа или приходите в школы, где оно уже есть?

— Мы продаем софт и зарабатываем на софте. Наша задача — сделать так, чтобы использование нашего ПО было максимально комфортным и продуктивным для школы. Мы не продаем железо. Если у школы нет железа, мы стыкуем её с представительством HTC в России, и школа может закупить оборудование напрямую.

— Есть возможность дать какие-то цифры по выручке?

— По выручке пока ничего сказать не могу, мы только начали продажи.

— В каких школах реализован проект?

— Пилот мы провели в школе 773 (Печатники), в «Интеллектуале» и в «Физтех-лицее». Общий дизайн исследований был организован следующим образом. Мы проанализировали публично вывешенные результаты ОГЭ прошлых лет. Статистически выяснили, какие вопросы хуже всего сдают, и сделали экспресс-курс по этим темам на 15 академических часов — пять блоков по три урока. По результатам курса дети сдали ЕГЭ.

— У этих школ уже было оборудование?

— Мы проводили пилоты при поддержке Центра компетенций НТИ в ДВФУ. Центр предоставил оборудование на время пилотов.

— Как вы вышли на клиентов?

— «Интеллектуал» и 773 школу мы нашли сами, а контакт с «Физтех-лицеем» случился благодаря ДВФУ.

Это было очень сложное время, когда мы почти 2 месяца по 3-4 раза в неделю возили туда-сюда все необходимое оборудование, готовили и вели занятия, правили баги и обрабатывали анкеты.

— Это были бесплатные пилоты?

— ДВФУ взяло несколько наших сотрудников в штат на время проведения, это позволило компенсировать расходы на постановку эксперимента, проведение занятий, обработку результатов и амортизацию оборудования. Но мы не продавали ПО, и многие задачи были для нас побочными.

С вероятностью 80% у нас до конца года будут первые 400 000 рублей выручки от продаж продукта. Сейчас мы подписываем документы. Мы с оптимизмом смотрим в будущее, так как в этом году оборудование должно быть поставлено во многие школы. Это значительно упростит продажи софта.

— Есть ли отзывы от учителей и учеников о полезности софта?

— Зависит от метрик для измерения полезности. Наша первая метрика — удержание: у нас дети продолжают ходить на дополнительные занятия. Вторая метрика — то, как они сдают экзамены. В нашем случае было принципиально, чтобы они сдали экзамен лучше, чем по стране. Даже этот маленький курс дал приличную прибавку: прирост от 10% до 40% по отношению к среднему баллу в России.

— Сложно обучать учителей пользоваться ПО?

— Наша аудитория — учителя, настроенные решать учебные задачи. Такие люди осваивают новые технологии независимо от пола и возраста. Встречаются вполне бодрые тётеньки семидесяти лет.

— Есть ли на российском рынке решения, похожие на VR Chemistry Lab, или вы пионеры?

— Наш модуль работает в режиме реального времени, ведь нам нужно сообщать пользователю результаты его действий меньше, чем за секунду. Такая штука оказалась уникальна как для российского, так и для мирового рынка. Три года назад в России и в мире были только 2D-лаборатории, которые обсчитывают очень небольшое количество ситуаций. VR-проектов не было.

Сейчас есть похожие стартапы, например, Labster и Mel Science. Они двигаются в ту же сторону, что и мы. Пока рынок не сформирован, но в принципе уже можно говорить, что делаем мы разные продукты. Labster прежде всего предлагает 2D-лаборатории и VR-лаборатории, но с довольно жестко заданными сценариями. Они хороши для знакомства с правильной последовательностью работы, но не дают свободы. Mel Science делает визуализацию на атомарном уровне. У Labster в партнёрах Google, Mel Science привлекли $6 млн в августе. Они растут, продают наборы «Юный химик» по подписке. Но до конкуренции у нас рынок пока не дорос.

— Сколько человек в вашей команде сейчас?

— Два методиста, которые готовят задания и оценивают результаты работы, два химика-программиста, занимающиеся разработкой химической модели. Три человека работают над VR-оболочкой и серверной частью, два — обеспечивают тестирование, еще два занимаются продажами, тендерами и всем таким. Ну и мы постоянно привлекаем основной состав «Стем-Игр», которые нас консультируют.

— У вас были внешние инвестиции? Помимо гранта от фонда Бортника.

— Крупных инвестиций пока не было. Мы работали на чистом энтузиазме и большом количестве денег, которые в это вложили. Сейчас эта история не просто на интерес, конечно. Разработка стоит денег, и довольно больших. Мы её финансируем пока что в основном из своих ресурсов.

— Как обстоят дела с международным рынком? Пытались выйти за границу?

— В случае с химией и электронными средствами обучения в целом мы вполне интегрированы в мировой рынок. Химия абсолютно структурно не привязана к языку, поэтому почти всегда легко внедряется. Всё хорошее может быть легко легализовано по обе стороны.

У нас есть несколько запросов не из России, но мы хотим за этот год доработать продукт, разобраться со всеми проблемами, и уже потом начинать работать с условными Филиппинами. Потому что без отработанного продукта, решая технические проблемы, наложившиеся на другой менталитет и другие законы, да ещё через полмира, мы можем сломаться.

— Какие планы на этот проект?

— В этом году у нас запланировано два новых внедрения в школы. Хотим показать, что VR может быть очень эффективен. Мы будем рады инвестициям. Решение уже готово, но его нужно выводить на широкий рынок. Для этого нужна уверенность, что в течение двух лет у нас будет человек, работающий над поддержкой продукта.

VR-проект — инвестиционно дорогая история, которая окупается не так быстро. Рынок молодой, и сейчас у нас один из немногих продуктов, который можно реально использовать. Мы хотим, чтобы химия была интересна и понятна всем, кто ходит в школу.

— Несколько общих вопросов про рынок. В чем плюсы обучения в VR?

— У VR есть много неожиданных преимуществ.

Самое главное — право на ошибку.
С VR-софтом можно мгновенно готовить и проводить лабораторные работы. После не нужно тратить время на уборку.
Учитель может пересматривать запись того, как ученик работал.
Можно давать индивидуальные задания, предложить каждому ученику решать многоуровневые задачи.
Ещё VR обеспечивает фокус внимания. Когда ты в шлеме, сложно трепаться с соседом или смотреть в мобильник. Внезапно перестаёт быть важным мнение остального класса. Если в обычной жизни ты троечник и не понимаешь, то тут можешь попробовать спокойно разобраться.

— Плюсы понятны, а минусы?

— Стоимость внедрения, пока что серое правовое поле, то есть у нас нет никакой нормативки, которая регламентирует время работы. Мы можем опираться на СанПиНы (санитарно-эпидемиологические нормы — прим.) для мониторов, но стоит ожидать в какой-то момент СанПиНов, явно относящихся к VR. Отсутствие запахов и тактильных ощущений — тоже минус. Но в реальности этого и так почти не бывает. Зато в VR ребенок не «навоняет» сероводородом на уроке. Воспоминания вроде «на меня брызнуло серной кислотой и я запомнил, что серная кислота — это плохо» — не тот опыт, который мы хотим передавать от занятий.

— Насколько российское образование готово к внедрению VR?

— Новые технологии не приходят в школу мгновенно. До ситуации, когда у каждого ученика есть VR, мы пока не дошли. Есть много причин, и не только финансовых. В принципе VR-оборудование пока не супер удобно для эксплуатации. Но оно улучшается с каждым годом, дешевеет, появляются автономные, не привязанные к оборудованию шлемы. Это означает, что на горизонте двух-трёх лет у нас есть реальный шанс увидеть класс из школьников, которые работают в VR.

Чтобы эффективно использовать VR, нужно понимать специфику предмета. Так как у меня есть опыт преподавания химии, я понимаю, где он имеет смысл, а где нет (условно говоря, где для нас доска является хорошей альтернативой, а где мы можем справиться просто компьютером). Например, для изучения языков в VR нужна нейросеть, которая умеет распознавать речь. Насколько я знаю, в эту сторону сейчас много кто смотрит. Недавно о совместном пилоте со Skyeng заявила компания Cerevrum.

VR может быть востребован в физике, в стереометрии. На уроках истории можно погружать ученика в разные исторические ситуации, чтобы он а) ощутил себя там и б) сделал выводы, характерные для человека того времени. Это требует довольно хорошего инсценирования и, опять же, возможности распознавания речи.

— Вы писали в интро, что не считаете VR next big thing в образовании. А что считаете?

— Сам по себе VR недостаточно крут. VR с нейросетями — вот это будущее.

Представьте, что мы собираем цифровой след от ученика, который работает в нашей лаборатории, берём всё, что он делает, анализируем и на основании этого подкидываем ему задачу из ближней зоны развития. Просто VR — это кирпичик, очень важный, но кирпичик. Это не next big thing, но хотелось бы, чтобы VR присутствовал в повседневной жизни и стал нормой.

Химия в виртуальной реальности

Химию, информационные технологии и технологии виртуальной реальности обсудили с экспертами лектория «Капитаны будущего», спикерами из Университета ИТМО: Екатериной Скорб и Артёмом Смолиным.

Об областях химии, где информационные технологии создают новые направления, на кого идти учиться будущему химику, что сейчас происходит в сфере виртуальной реальности и действительно ли она помогает в образовательном процессе, рассказали:

Екатерина Скорб — кандидат химических наук, директор научно-образовательного центра инфохимии, ведущий профессор Университета ИТМО
Артём Смолин — кандидат философских наук, директор Центра юзабилити и смешанной реальности Университета ИТМО.

— Артём, как бы вы определили, что такое технология виртуальной реальности?

— Чёткое определение дать не берусь, но если не брать в расчёт то, что под виртуальной реальностью мы можем понимать цифровое пространство как таковое, в этом случае технологии виртуальной реальности — это программно-аппаратные комплексы, позволяющие обеспечить погружение внутрь цифрового пространства, включая не только визуальный и аудиальный сенсорные каналы, например, с помощью гарнитур виртуальной реальности, но и иные устройства вроде устройств для передачи запаха, костюмы с обратной связью и т. д. Плюс к этому нужно обязательно добавить непосредственно контент, виртуальные среды, в которые осуществляется погружение.

— Я помню, что когда только-только появились VR-очки, то все кругом говорили, что «вот оно — будущее», что всё уйдёт в VR. Однако прошло уже больше десяти лет, а даже в кинотеатрах обычные фильмы вытесняют 3D. Обществу оказались не так нужны новые технологии?

— Мы склонны к громким лозунгам и некорректным прогнозам. В 2012 году, благодаря стартапу Oculus и непосредственно Палмеру Лаки (Palmer Freeman Luckey) появилась первая доступная гарнитура виртуальной реальности, главными свойствами которой были приемлемая цена и возможность видеть виртуальную среду полностью, а не частично, как было в дорогостоящих предыдущих аналогах. Несмотря на то, что был сильный «вау-эффект» (я, например, попробовал гарнитуру в 2013 году на мероприятии Geek Picnic, отстояв часовую очередь, и испытал непередаваемые ощущения) устройство было ещё далеко до совершенства.

За период с 2012 по 2023 г. данные технологии претерпели сильный позитивный скачок и сейчас они активно используются во всех сферах жизнедеятельности, от науки до досуга. Тем не менее, говорить о том, что они готовы полностью заменить плоские экраны ещё рановато и, возможно, данные технологии это промежуточный этап к некой новой технологии, которая позволит комфортно находиться в реальной и виртуальной средах, как по отдельности (с возможностью быстрого переключения), так и комбинированно, когда трансляция цифрового контента будет происходить непосредственно на объективную реальность.

Если говорить о виртуальной среде без использования VR-очков, то создателям выставки-игры «Капитаны будущего: Terra Futura», которая проходила на ВДНХ, удалось сделать некую виртуальную среду с эффектом погружения: в одном из залов выставки пол был в формате экрана, по которому посетители могли ходить и видеть города с разной высоты. А за одной из дверей выставки была скрыта «зелёная» архитектурная мысль, воплотившаяся также с помощью технологий погружения: здесь использовались эффекты глубины и зеркального отражения, 3D-графика. Открываешь дверь, а за ней — город-лес: высокие деревья с пышной листвой, в стволах которых — многоэтажки, светящиеся изнутри. Такие инструменты позволили гостям увидеть города будущего в разных измерениях и почувствовать себя реальными жителями этих мест. А увидеть 3D-технологию на выставке удалось благодаря экспонату — 3D-принтеру, который печатал Школу Чародейства и волшебства Хогвартс.

— Что нам мешает погрузиться в виртуальную реальность? Несовершенство шлемов или сама реальность недостаточно реальна?

— Для тотального прихода данных технологий, когда все, условно, будут использовать технологии расширенной (Extended Reality, XR) реальности вместо смартфонов и телевизоров ещё рановато. Необходимо дорабатывать всё, от «железа» до приложений. Тем не менее я считаю, что если не будет явного форс-мажора, это дело ближайшего будущего.

— Получается, в сфере образования эти технологии активно используются?

— Да, в этой области дела обстоят вполне позитивно. Создано уже приличное количество образовательных программ, от тренажёров в виртуальной реальности до возможности проводить занятия в виртуальных классах. Причём, это не замена текущим образовательным процессам, а вполне качественное дополнение. Скажем, прежде чем проходить стажировку на потенциально опасном оборудовании, можно пройти образовательный курс на цифровом двойнике в виртуальной реальности. Или же проводить полноценное занятие с необходимым иллюстративным материалом, собрав учеников со всего мира в виртуальном классе, который может быть на Марсе или в Марианской впадине.

Артём Смолин. Фото из личного архива.

Например, в нашем Центре Юзабилити и Смешанной Реальности Университета ИТМО мы совместно с коллегами из центра нейронаук в образовании ИТМО и Российским государственным педагогическим университетом им. А. И. Герцена создали многопользовательскую VR-игру «Орбитальный космический бой». В основе игры лежит изучение принципов распределения электронов в атомах разных химических элементов. Игра напоминает морской бой, только действие происходит в космосе. Выбираете, за какую из рас «Лантаноиды» или «Актиноиды» вы играете, и ваша задача будет заключаться в том, чтобы стоя на мостике космического корабля, быстрее противника угадать соответствующий элемент таблицы Менделеева.

Если мы делаем цифровой двойник химической лаборатории, то это даёт много преимуществ: безопасное использование опасных веществ, перманентная демонстрация процессов, происходящих на молекулярном уровне, ускорение или замедление времени и многое другое.

— Екатерина, можно ли сейчас к списку уже существующих «химий» — органической, физической, биохимии и других — добавить химию виртуальную?

— «Виртуальная химия» — такого понятия пока что нет. У нас пока не существует такой среды, в который вы сможете промоделировать систему одинаково хорошо на разных уровнях её организации. Например, для каких-то небольших химических систем вы можете приближённо решить уравнение Шрёдингера, применив ту же теорию функционала плотности (Density Functional Theory, DFT). Но когда системы становятся больше, то приходится уже задействовать другие методы, например, молекулярной динамики.

До какого-то времени не было понятия и «инфохимия». Но появляется всё больше областей на стыке химии и информационных технологий: это и хемоинформатика, и хемометрика, и трибоинформатика, и хемотроника. Каждая из этих областей характеризует определённую систему и необходима для решения какой-либо практической задачи, где основной фокус — это насколько мы сможем предсказывать поведение сложных систем, и какие модели можно для этого применять. Поскольку таких областей появилось много, инфохимия объединяет их под своим зонтиком и смотрит, насколько алгоритмы с большими данными могут помочь в каждой из областей.

Одна из областей, где «информационная» революция свершилась — это биоинформатика. Учёные-биоинформатики могут даже никогда не заходить в лаборатории и тем не менее работать с реальными данными, полученными экспериментально, например, с помощью секвенирования ДНК. И конечно, им нравится, когда их теоретические модели подтверждаются на практике.

Екатерина Скорб. Фото из личного архива.

Такая же революция сейчас происходит в материаловедении, в химии, потому что появились хорошие алгоритмы по предсказанию поведения сложных систем. И здесь также стоит вопрос в сборе баз данных. Одно из направлений нашего центра инфохимии — сбор больших данных с помощью роботизированных химических комплексов. Но прежде всего мы стремимся изучить на молекулярном, на атомном уровне поведение химических систем, процессы, протекающие на межфазных границах.

— Что сейчас ожидают от инфохимика?

— Что он понимает в вычислительных методах, которые есть в химии, умеет программировать, понимает много чего в IT и, конечно, знает химию. У ребят очень сложная программа, но они понимают, что это их сделает теми специалистами, которые смогут решать задачи на новом уровне. Здесь можно привести пример импрессионистов: сначала они научились хорошо рисовать, а потом уже нашли свой стиль.

— А что нового и интересного в инфохимии появилось за последнее десятилетие-другое?

— Среди программ можно отметить AlphaFold — для предсказания пространственной структуры белков, так называемого фолдинга. Возможность предсказывать структуру белка стала большим прорывом в биохимии. Но, к сожалению, эта программа ничего не может сказать о динамике процесса: вы предсказываете структуру, но не понимаете, как в действительности происходит этот фолдинг, как белок «сворачивается». Формирование таких сложных структур — это отдельная большая проблема.

Нам интересны разработки команды член-корреспондента РАН Максима Фёдорова по использованию платформ искусственного интеллекта для изучения химического пространства и прогнозирования свойств органических соединений с использованием пакета SYNTELLY. Смотрим, какие модули от наших команд можем интегрировать.

Кроме использования элементов машинного обучения в расчётах, появились возможности строить гибридные модели, смотреть, как на каждом уровне можно использовать преимущества разных методов и подходов, как эти «мостики» между ними настроить.

Много интересных вещей есть и в Сколтехе. Например, Артём Оганов благодаря своей программе «USPEX» предсказывает структуры больших систем в твёрдой фазе. При этом важной становится возможность использовать методы машинного обучения для предсказания поведения таких сложных систем. Например, в нашей лаборатории мы реализуем подобный подход относительно электрохимических систем и методов, пытаемся их «скрестить» с вычислительными методами, чтобы анализировать гибридные данные.

Среди интересных направлений можно отметить ещё, например, разработку химического перцептрона — химической платформы, способной хранить и обрабатывать информацию, своего рода аналог физической нейросети. Также отмечается интерес к нейроморфным вычислениям и материалам, которые позволяют реализовать разные архитектуры.

— Насколько близко или далеко мы сейчас находимся от того, чтобы понять, как устроена жизнь? Может быть, мы быстрее смоделируем жизнь на компьютере, создадим такой «виртуальный перцептрон», чем создадим её, условно говоря, в пробирке?

— Уже сейчас многие системы, с которыми мы работаем, ведут себя подобно живым системам. Рассматривая что-то под микроскопом вам будет казаться, что система живая и меняется во времени, но при этом на самом деле она неживая.

В прошлом году отмечали юбилей известной работы Алана Тьюринга, которая говорила о том, как появляются различные химические паттерны, в том числе объясняющие поведение биологических систем. Можно отметить и работы фон Неймана по теории игр и размножению организмов. Да, математический аппарат для описания сложных систем постепенно появляется, но также важно иметь для него экспериментальные системы, на которых вы проверяете то, что моделируете.

Что касается описания процессов, протекающих в клетке, то здесь уже многое известно. Понятно, что не до конца, но про самые важные химические циклы мы знаем. Можно подумать, как запускать эти циклы, где будет происходить обмен продуктами разных реакций — они в свою очередь будут играть роль прекурсоров для другой реакции и так далее.

Существуют группы исследователей, которые пытаются у живой клетки убрать некоторые функции, минимизировать их: то есть они идут как бы сверху вниз, упрощая то, что уже сделала природа. Другие исследователи, наоборот, пытаются сделать что-то живое, идя снизу вверх: собирают блоки и смотрят, как эти блоки друг с другом коррелируют.

Используя методы моделирования путей реакции можно сегодня предсказывать и впоследствии создавать материалы, которые на самом деле ведут себя подобно живым системам. Здесь к тому же поднимаются философские вопросы — а что такое живое и не живое? А эмбрион живой или не живой? А вирус? При поиске жизни на других планетах мы, конечно, используем определение, когда химические системы способны к дарвиновской эволюции и к самовоспроизводству. Компьютерный вирус не будет считаться за жизнь в таком случае. Но если кто-то такую химическую систему сделает, вы можете убедить нас, что вы сделали искусственную жизнь!

— Сейчас часто говорят о пользе игр, в том числе и виртуальных, в обучении. А есть ли место химии в виртуальной реальности и наоборот, играм в обучении химии?

— Всё, что связано в образовании с игровыми методиками, это, на мой взгляд, хорошо и может быть полезным в разных аспектах. В детских образовательных проектах, например, на выставке-игре «Капитаны будущего: Terra Futura» была воплощена идея знакомства детей и их родителей с научными фактами через игру. Важно, чтобы предлагаемые системы были основаны на современных технологиях. Интересна, например, идея про умный браслет с возможностью мониторинга состояния организма, что соответствует тренду персонализированной диагностики.

Метод игры в познании был применён на выставке в разных форматах: юные капитаны «вдыхали» молекулярную пищу из стеклянной колбы, изучали бургер, «приготовленный» в 3D-принтере, и сами развивали идею возможности питания в будущем с помощью пластыря, который самостоятельно будет рассчитывать набор необходимых человеку питательных веществ и вводить их в организм. Также в каждом зале выставки с помощью умного браслета путешественники могли пройти увлекательный тест на интерактивных панелях: по итогам всех тестов в конце выставки браслет определял идеальную планету для жизни юного исследователя.

Что касается наших разработок, то совместно с Артёмом Смолиным мы делаем один из проектов по VR-технологиям как раз для того, чтобы собирать большие данные по процессам диффузионного роста гидроксиапатитных структур.

Или вот появилось какое-то время назад химическое обновление в Minecraft. Сейчас оно годится скорее для того, чтоб заинтересовать химией, а хотелось бы видеть его более правдоподобным. Например, там есть такая функция, что когда вы получили ацетат натрия и затем бросаете его в воду, у вас образуется лёд, по которому вы можете идти — однако это всё-таки противоречит действительности.

— Артём, возвращаясь к теме образования в виртуальной реальности. Нет ли тут опасности, что изучение науки, как способа познания реальности, превратится в изучение пусть и красивой, но компьютерной программы?

— И опять я с вами не соглашусь, поскольку никто не пытается заменить виртуальными образовательными средами реальные лаборатории. Виртуальные среды это хорошая подготовка к реальным лабораторным условиям или вынужденная замена в определённых ситуациях, но никак не их полноценная замена. Нам будут не нужны реальные локации, когда мы полностью перейдём существовать в цифровое пространство, отказавшись от своей материальной оболочки. А до тех пор, это будет достойным и качественным дополнением.

— Екатерина, а как именно может дополнять виртуальная реальность образовательный процесс на конкретном примере в вашем университете?

— Сейчас мы активно работаем над тем, чтобы для магистратуры сделать виртуальную среду и инфохимическую «сеть» (infochemistry web), из которой преподаватели смогут брать химические кейсы и работать с ними, задействовав знания химии и IT. Такие кейсы хороши для магистратуры, но в бакалавриате понятно, что сначала нужно всё изучить, «потрогать», чтобы хорошо разбираться в предметах.

— А как вы думаете, абитуриентам, будущим учёным сейчас лучше сразу смотреть на какие-то междисциплинарные программы обучения или всё-таки сначала получить одно базовое образование, а уже потом добирать дополнительными курсами?

— С моей точки зрения, каждому надо выбрать то, что ему комфортно — здесь мы все индивидуальны. Если бы я сегодня выбирала для себя, то выбрала и первое и второе, потому что когда мы говорим про инфохимию в образовательном треке, то это и химия, и IT. Учиться тяжело, зато за 4 года вы освоите и одно и второе. Главное быть готовым работать больше и усерднее, чем работают остальные ребята. Если после основного курса химии вы добираете дополнительные, то основная рекомендация — не забыть, что вы химик.

Мы сейчас предлагаем единственную программу онлайн для магистратуры — химический soft. Она нацелена как раз на то, чтобы те, кто уже получил химическое образование, не забыли, что они химики и одновременно развивались в IT и на конкретных химических кейсах посмотрели, для чего это нужно. Например, человек знает химию, но хочет научиться делать VR-образовательные проекты, он сможет выучить Python, а потом уйти в C Sharp и сделать игру для химии вместе со мной и Артёмом, а дальше — сделать компанию, которая будет правильно двигать химическое образование.

Когда у нас выходит новая научная статья, то мы организуем вокруг неё своего рода инфохимическую сеть, чтобы уже из неё был выход на образование, пытаемся подумать, как это использовать в игровых технологиях, делаем VR-лабораторную работу.

Изучать параллельно можно много чего, но нужно понимать, как использовать это для своей профессии. С моей точки зрения, будет появляться ещё больше таких программ, нацеленных на использование IT-инструментов в химии, физике, биологии и других науках.

— Кого бы вы пригласили работать в свою лабораторию: условных десять универсальных биофизхимиков-айтишников, которые умеют всё понемногу, или десять узкопрофильных специалистов?

— Я бы пригласила своих выпускников, которых мы сейчас воспитываем. А пока приходится набирать команду, которая умеет взаимодействовать друг с другом. В этом случае если один человек имеет несколько навыков, он может больше сделать именно сам, но дальше даже он — один в поле не воин, и нужна команда, каждый из членов которой поможет в решении определенных задач.

— Артём, а есть ли научные исследования эффективности VR в образовании?

— Конечно, есть и достаточно много. И данные исследования демонстрируют эффективность использования подобных технологий в образовательных учреждениях. Здесь важно подчеркнуть именно алгоритм использования данных технологий и их качественного внедрения в образовательный процесс. Если преподаватель пришёл в класс и сказал: «Дети, все надели VR-шлемы и проходим урок», а сам при этом занимается своими делами это одно. А если данные технологии качественно дополняют работу преподавателя на уроке, это уже совсем другое. Тут нужна компетентная методология использования, качественный контент, техника безопасности и много чего ещё. В этой области мы только в начале пути качественного внедрения технологий расширенной реальности в образовательный процесс.

Как мы уже упомянули, технологии виртуальной реальности стали одним из главных инструментов познания на выставке-игре на ВДНХ «Капитаны будущего: Terra Futura», где посетители могли совершить увлекательное путешествие и узнать о главных открытиях человечества — о чём люди мечтали в прошлом и что ждёт нас в будущем. Так, в павильоне с разными проектами движущихся машин прошлого и будущего был представлен проект личного дирижабля, на котором можно было бы летать на короткие и длинные расстояния — как сегодня мы все ездим на обычных автомобилях. Эта разработка 2008 года заморожена, но инженеры не теряют надежды сделать доступными каждому воздушные суда, не загрязняющие планету выхлопными газами. А в космическом зале выставки-игры юные капитаны будущего оказывались внутри фантастического корабля, парящего в просторах Вселенной. Здесь можно было нажимать кнопки и любоваться на планеты Солнечной системы, нависающие над головой. А голос Виктора Вержбицкого тем временем рассказывал о великих исследователях космоса — от Константина Циолковского до Юрия Гагарина. Выставка создана медиагруппой «Красный квадрат» при поддержке Президентского фонда культурных инициатив и является частью развлекательно-познавательной вселенной «Капитаны будущего». С каждым годом вселенная пополняется новыми проектами: это и познавательный лекторий, и серия книг по «увлекательному завтраведению». А ещё — обучающая игра «Капитаны будущего: TIME JUMPERS» и новый анимационный сериал-приключение.

Виртуальная лаборатория — перспективная альтернатива химическому эксперименту

Швецова, А. А. Виртуальная лаборатория — перспективная альтернатива химическому эксперименту / А. А. Швецова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 34 (429). — С. 125-128. — URL: https://moluch.ru/archive/429/94577/ (дата обращения: 11.10.2023).

В статье рассмотрены возможности и перспективы использования инструмента виртуальной реальности на уроках химии. Определены основные преимущества и недостатки виртуальных лабораторий, а также целесообразность их внедрения в образовательный процесс.

Ключевые слова: химический эксперимент, урок химии, виртуальные технологии, VR-технологии, виртуальные лаборатории.

Химический эксперимент играет ключевую роль в преподавании химии в школе. Это основной и специфический метод обучения, который непосредственно знакомит с химическими явлениями и одновременно развивает познавательную деятельность учащихся. Такое обучение, которое формирует навыки учебной деятельности учащихся и непосредственно влияет на умственное развитие и интенсификацию их практической деятельности, принято считать развивающим обучением. В системе современного обучения особенно велика роль химического эксперимента, если он используется не только в качестве иллюстрации, но и как средство познания.

До недавнего времени проведение химического эксперимента в школе было настолько необходимо, что этот вопрос даже не обсуждался. Однако за последние двадцать лет в подходе к школьному химическому эксперименту произошли принципиальные изменения, связанные с тем, что стали доступны видеозаписи экспериментов и программы для проведения имитационных экспериментов (при которых учащиеся «проводят реакции» на экране монитора); усилилась озабоченность проблемами безопасности школьников, что проявляется в попытках оградить их вообще от любого риска. Длительное время материально-техническое оснащение школ было таким, что эксперименты де-факто не проводились, и культура школьного химического эксперимента в значительной мере деградировала [1].

Помимо прочего, искоренение реального эксперимента на уроках химии напрямую связано с сокращением количества часов предмета, предусмотренными современными образовательными стандартами.

В связи с чем, перед школой встают вопросы: как же вернуть эксперимент на уроки химии и возможна ли его равноценная замена?

В решении данной проблемы, целесообразно рассмотреть применение виртуальных (VR) технологий, в качестве альтернативы эксперименту на уроке химии.

Технологии VR уже начали набирать популярность в современном образовании. Виртуальная реальность — это воплощение воображения в мире, созданном компьютером [2, с. 29].

Несмотря на то, что первые опыты применения технологий виртуальной реальности начались более полувека назад, принципиальная идея осталась практически неизменной (рис. 1).

Принцип использования VR-технологии [3]

Рис. 1. Принцип использования VR-технологии [3]

Использование технологии виртуальной реальности применительно к химическому эксперименту связано с созданием виртуальных лабораторий.

Виртуальная лаборатория представляет собой смоделированный объект реального мира в электронную образовательную среду. Такого рода лаборатория реализуется в виде программного обеспечения или же целого программно-аппаратного комплекса, который позволяет провести эксперимент без прямого контакта с исследуемым объектом и оборудованием.

Программное обеспечение включает ряд лабораторных работ и опытов. Как правило, тематика опытов соответствует примерной программе основного общего образования по химии, поэтому программа может быть использована в подавляющем большинстве российских школ [4].

Следует выделить различные варианты использования виртуальных лабораторий (рис. 2).

Варианты использования виртуальных лабораторных работ на уроках химии

Рис. 2. Варианты использования виртуальных лабораторных работ на уроках химии

Какой бы вариант работы в виртуальной лаборатории не выбрал педагог, создатели программного комплекса прогнозируют повышение интереса у обучающихся к предмету. Помимо прочего, предполагается что виртуальные лабораторные работы имеют перспективы стать одной из основ для развития самостоятельности и критического мышления школьников.

Преимущества и недостатки использования виртуальных лабораторий для реализации химического эксперимента целесообразно представить в таблице 1.

Основные преимущества и недостатки использования виртуальных лабораторий

Преимущества виртуальных лабораторий

Недостатки виртуальных лабораторий

Полностью или на определенных этапах заменяет реальный объект

Отсутствует предметная наглядность

Сокращает время на проведение эксперимента

Не позволяет приобретать навыки работы на конкретном оборудовании

Позволяет фокусировать внимание на ключевых сторонах исследуемого объекта

Виртуальная модель, как правило имеет упрощенный вид

Обеспечивает безопасность проведения эксперимента

Наличие множества настроечных параметров

Несмотря на ряд недостатков, с учетом сложившейся ситуации с угасанием интереса школьников к эксперименту на уроках химии, внедрение виртуальных лабораторий является актуальным и весьма перспективным [5].

Стоит рассмотреть аспект экономической целесообразности внедрения виртуальной лаборатории. Для запуска VR-версии лабораторных работ необходимо VR-оборудование и стабильное подключение к интернету.

Примерное количество и стоимость необходимого оборудования, а также стоимость программного обеспечения представлены в таблице 2.

Количество и стоимость оборудования для внедрения виртуальной лаборатории в образовательный процесс

Оборудование

Количество

Стоимость, руб.

Комплект VR-оборудования (VR-шлем и контроллеры с шестью степенями свободы (6dof))

Персональный компьютер с минимальными требованиями: процессор i5–8300, ОЗУ — 6 Гб, видеокарта — nVidia GeForce 1060, 2 Gb места на жестком диске, порты — usb 3.0 + HDMI, операционная система — Windows 10.

Неограниченная лицензия программного обеспечения на устройство

Помимо прочего, могут потребоваться дополнительные затраты на обучение педагогов, а также разработку индивидуального контента в соответствии с образовательной программой.

Сегодня, администрации образовательных учреждений опасаются высокой стоимости затрат на внедрение виртуальных лабораторий и считают такие инвестиции неоправданными.

Несмотря на это, процесс цифровизации образования идет полным ходом. В конце концов, внедрение виртуальных лабораторий на урок химии в будущем может быть определено с учетом ориентиров на высокие цифровые технологии в образовании. Тогда и проблемы доступности VR-технологий будут решены. Ведь такой инструмент, как виртуальные лаборатории, имеет широкие перспективы и может стать основным драйвером роста в преподавании естественных наук.

Жилин Д. М. Химический эксперимент в российских школах // Российский химический журнал. — 2011. — № 4. — С. 48.
Рахматов Д. Р. Возможности виртуальной реальности в образовании и развлечениях / Д. Р. Рахматов, А. Ш. Абдугониев, Б. Ш. Абдуфаррух // Сборник статей VI Международного научно-исследовательского конкурса. — Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». — 2020. — 232 с.
Уваров А. Ю. Технологии виртуальной реальности в образовании // Наука и школа. — 2018. — № 4. — С. 108.
Никулина Т. В. Виртуальные образовательные лаборатории: принципы и возможности / Т. В. Никулина, Е. Б. Стариченко // Педагогическое образование в России. — 2016. — № 7. — С. 62.
Использование виртуальных лабораторных работ [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.virtulab.net/index.php?option=com_content&view=article&id=256:2009–11–14–16–34–11&catid=69:2010–02–12–13–56–16&Itemid=127 (Дата обращения: 16.08.2022).

Виртуальная реальность в химии как устроена

В виртуальной реальности интерактивная квантовая химия

Польза разработок

Заключение

Виртуальная реальность в химии как устроена

Химия в виртуальной реальности

Виртуальная лаборатория — перспективная альтернатива химическому эксперименту

Ключевые слова

Похожие статьи

Применение возможностей виртуальных лабораторий.

Интерактивные методы преподавания химии в современной школе

Разработка учебного приложения по химии с демонстрацией.

Образовательный web-квест как средство формирования.

Роль лаборатории для обучения химии | Статья в журнале.

Возможности применения Web-технологий для создания.

Инновации на основе информационных и коммуникационных.

Роль химического эксперимента в решении познавательных.

Развитие потенциальных способностей учащихся на уроках химии

Сетевые презентации школьников по химии | Статья в журнале.

Похожие статьи

Применение возможностей виртуальных лабораторий.

Интерактивные методы преподавания химии в современной школе

Разработка учебного приложения по химии с демонстрацией.

Образовательный web-квест как средство формирования.

Роль лаборатории для обучения химии | Статья в журнале.

Возможности применения Web-технологий для создания.

Инновации на основе информационных и коммуникационных.

Роль химического эксперимента в решении познавательных.

Развитие потенциальных способностей учащихся на уроках химии

Сетевые презентации школьников по химии | Статья в журнале.

Добавить комментарий Отменить ответ