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Lezioni da "Spider-Man": come i videogiochi potrebbero cambiare l'educazione scientifica universitaria

Come molte persone durante le vacanze, ho trascorso un po 'di tempo - forse troppo - suonando uno dei più popolari e miglior recensione videogiochi di 2018: "Uomo Ragno. "

Mentre pensavo di fare una pausa dalla ricerca chimica, mi sono ritrovato a navigare in rete attraverso missioni di ricerca virtuali in tutta New York. Ho raccolto campioni di idrocarburi policiclici aromatici in Hell's Kitchen, ha studiato le emissioni dei veicoli a Chinatown e ha determinato la composizione chimica dell'atmosfera particolato a Midtown.

"Spider-Man" ha molte di queste missioni di ricerca eco-compatibili. Ma quello che ho trovato più incoraggiante è che il gioco include anche strumenti che possono potenzialmente insegnare concetti avanzati in chimica e fisica. Questi strumenti includono la regolazione della lunghezza d'onda e dell'ampiezza delle onde radio, i circuiti di ricablaggio per soddisfare le tensioni target e ciò che verrà esaminato qui, utilizzando la spettroscopia di assorbimento per identificare sostanze chimiche sconosciute.

Che sia vero o no, il milioni di persone suonare "Spider-Man" è stato involontariamente introdotto nei principi della meccanica quantistica. C'è molta scienza velata in questo aspetto del videogioco. Forse più importante - come a ricercatore di chimica e docente universitario - Credo che il gioco rappresenti un'opportunità interessante per insegnare la scienza in modo divertente e coinvolgente nell'istruzione superiore.

Spettroscopia e 'Spider-Man'

Per capire meglio la tecnica scientifica che i giocatori simulano in "Spider-Man", aiuta ad avere un breve primer su quale sia la spettroscopia di assorbimento.

L'interazione della luce con la materia è il mezzo più potente che gli scienziati devono capire di che cosa è fatta la materia. Quando la materia non interagisce con la luce, siamo letteralmente lasciati al buio. Questo problema è reso evidente nella composizione ancora sconosciuta di materia oscura ciò costituisce la grande maggioranza della materia nell'universo.

Usare la luce per studiare la materia ordinaria come gli atomi e le molecole è un ampio campo della scienza noto come spettroscopia. È una parte importante dei corsi universitari di chimica e fisica. Attualmente ci sono molti diversi tipi di spettroscopia. Tuttavia, i concetti sottostanti sono quasi completamente identici a quelli della versione originale iniziata nel 17esimo secolo, quando Isaac Newton dapprima disperse la luce del sole con un prisma.

Come celebremente illustrato nell'album "Dark Side of the Moon" dei Pink Floyd coprire, disperdendo la luce bianca del sole con un prisma rivela il suo spettro di colori continuo che si estende dal viola (più alta energia, più corta lunghezza d'onda) al rosso (energia più bassa, lunghezza d'onda più lunga). Tuttavia, se questo viene fatto con attenzione, si troverà che questo spettro continuo è modellato con bande scure intermittenti.

Mentre l'origine di queste bande oscure non è stata pienamente compresa fino al 20esimo secolo, gli scienziati ora sanno che sono dovuti all'assorbimento di specifiche lunghezze d'onda della luce da parte di atomi e molecole presenti al sole. In effetti, questo tipo di spettroscopia ha portato alla scoperta di elio nello spettro solare prima che venisse identificato sulla Terra. Questo è il motivo per cui deriva il suo nome dal greco "helios" che significa sole.

Quindi cosa causa questo fenomeno? Gli atomi e le molecole hanno una serie di livelli di energia che dipendono da come sono disposti i loro elettroni. L'assorbimento della luce - che ricorda è l'energia - può causare il riordinamento degli elettroni in questi diversi livelli. Il problema è che l'energia - o lunghezza d'onda - della luce deve corrispondere esattamente alla differenza di energia tra due disposizioni di elettroni in un atomo o molecola perché si verifichi l'assorbimento. Questo insieme di energie è unico per ogni sostanza chimica e porta a uno spettro di assorbimento distinto molto simile a un'impronta digitale dalla quale può essere identificato.

In "Spider-Man", il giocatore identifica sostanze sconosciute usando versioni semplificate di questi spettri.

Spettro di molecola sconosciuta dalla missione di ricerca.

L'obiettivo è abbinare il modello nello spettro usando l'inventario dei frammenti fornito per dare lo spettro di assorbimento della sostanza sconosciuta. Sfortunatamente per i chimici di tutto il mondo, determinare la struttura chimica di una molecola sconosciuta è molto più complicato.

Tuttavia, c'è una quantità significativa di scienza trasmessa nella versione di videogioco di ciò che uno spettroscopista chiamerebbe assegnando questo spettro. Solo piccole modifiche e ulteriori spiegazioni potrebbero rendere queste parti del gioco un modo eccellente per insegnare questi concetti agli studenti universitari di scienze. Ma i videogiochi sono mai stati usati nell'istruzione superiore?

Videogiochi nell'istruzione superiore

Videogiochi per l'insegnamento più abilità elementari come l'aritmetica o l'ortografia sono comuni. Allo stesso modo, università e università sono sempre più infondendo i videogiochi nei loro corsi.

In una recente pubblicazione sulla rivista Nature Chemistry, i ricercatori hanno presentato una versione modificata del videogioco "Minecraft" chiamato "PolyCraft World. "In questo gioco, il giocatore impara la chimica dei polimeri realizzando materiali nel gioco. I risultati preliminari hanno mostrato che gli studenti imparato la vera chimica attraverso il gioco anche se non lo facevano per i voti o per ottenere regolari lezioni in classe.

Nel popolare gioco "Kerbal Space Program, "Il giocatore costruisce il proprio programma spaziale lanciando con successo i missili in orbita. Il gioco non era originariamente destinato a scopi educativi, ma implementa una rigorosa meccanica orbitale nei suoi calcoli fisici. È così preciso che la NASA si unì agli sviluppatori del gioco creare nuove missioni e ora ha un Gioco autonomo pronto per l'insegnamento che potrebbe essere usato direttamente nei corsi di fisica universitaria.

Un approccio unico è stato preso con il gioco basato sulla biochimica "Piegalo. "Questo gioco è sia educativo che a piattaforma di citizen science. Nel gioco, i giocatori manipolano le strutture delle proteine ​​reali per cercare le strutture "migliori" o le più basse. I risultati pubblicati sulla rivista Nature hanno dimostrato che il metodi di ricerca del giocatore può essere combinato con successo con algoritmi basati su computer risolvere i problemi scientifici attuali.

L'uso dei videogiochi nell'istruzione superiore è una possibilità concreta e potrebbe persino avere un futuro promettente nell'istruzione superiore, dati i vantaggi di offrire contenuti educativi attraverso un formato di videogioco. Questi vantaggi includono cose come accesso remoto, progresso personalizzato degli studenti e feedback immediato. Tuttavia, creare un videogioco coinvolgente da zero è impegnativo, costoso e richiede tempo. Come indicato dai creatori di "PolyCraft World", trovare i giochi esistenti da modificare a fini didattici - come le missioni di ricerca in "Spider-Man" - potrebbe essere la migliore strada da seguire.The Conversation

Autore: Aaron W. Harrison, Insegnante e ricercatore, Chapman University

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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