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Was sind die Formen von Molekülen und warum? Wie bewegen sie sich? Wie binden Proteine die DNA, um die in ihr kodierte genetische Information zu lesen? Wie finden wir überhaupt molekulare Strukturen heraus? Lernen – und Lehren – der Chemie ist wegen der abstrakten Natur ihrer vielen Konzepte oft kompliziert. Wenn wir im Alltag keine echten Atome oder Moleküle sehen können, wie können sich die Schülerinnen und Schüler dann die molekularen Formen, Wechselwirkungen und Mechanismen hinter Chemie und Biologie vorstellen und wie können Lehrpersonen sie kommunizieren? Gewöhnliche Lehrmaterialien wie Bücher machen ausgiebigen Gebrauch von statischen, zweidimensionalen Grafiken, die komplexe Themen, insbesondere über 3D-Formen und -Bewegungen, oft nicht vermitteln können.
Physikalische dreidimensionale Molekülmodelle bieten sehr intuitive Möglichkeiten, die räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül oder die verschiedenen Arten, auf die sich das Molekül selbst im Raum bewegt, zu verstehen. Aber selbst solche Modelle sind begrenzt: Sie sind nur für die Arbeit mit Molekülen nützlich, können aber andere Teile der Chemie wie Molekülorbitale und Oberflächen nicht darstellen und auch grosse biologische Moleküle nicht umfassend darstellen. Ausserdem sind physikalische Modelle in der Anzahl der im Bausatz verfügbaren Atome und Atomarten begrenzt, und die Nutzerinnen und Nutzer müssen die Modelle selbst bauen, was unter anderem bei grossen Molekülen schwierig wird.
Neue Technologien zur Unterstützung des Chemie- und Biologieunterrichts
Moderne Technologien, die auf virtueller (VR) und erweiterter Realität (AR) basieren, können das Beste aus Computersimulation und physischen Welten herausholen, damit Lehrpersonen und Studierende mit virtuellen Objekten arbeiten können, als handle es sich um reale. Die meisten Lehrinhalte, die in diesen Formaten verfügbar sind, sind jedoch teuer und erfordern möglicherweise Hardware wie VR-Brillen. Und in vielen Fällen bestehen die Werkzeuge aus statischen Visualisierungen ohne Interaktivität.
Nun haben Luciano Abriata und Fabio Cortes, zwei Wissenschaftler des Labors von Matteo Dal Peraro an der Fakultät für Life Sciences der EPFL, eine Website mit zahlreichen interaktiven AR-Unterrichtsaktivitäten in Chemie und Biologie entworfen, die Lehrpersonen und Schülerinnen auf normalen Laptops, Tablets und Smartphones nutzen können.
Die Benutzer wählen über ihren Webbrowser eine Aktivität aus und zeigen ihre Webcam-AR-Marker an, die zuvor auf einem normalen Drucker ausgedruckt wurden. Jede Aktivität zeigt virtuelle Objekte auf den Markern an, und die Benutzerinnen können sie dann im Raum bewegen, um ihre Formen zu untersuchen und sie durch den Bildschirm interagieren zu lassen, wobei die reale Welt überlagert wird. Die derzeit verfügbaren Aktivitäten sind auf Chemie- und Biologiekurse auf Stufe Gymnasium und die ersten zwei oder drei Jahre Universität zugeschnitten: molekulare Formen, atomare und molekulare Orbitale, molekulare Konformationen und Dynamik, Säure-Base-Gleichgewichte, Chiralität und Enantiomerie, Proteinstrukturen und makromolekulare biologische Baugruppen.
Aktivitäten
© 2020 EPFL
Die «Star»-Aktivität fungiert als virtuelle Alternative zu Plastikmodellbausätzen, bei der die Benutzenden ein beliebiges Molekül bauen oder aus einer Datenbank laden und dreidimensional manipulieren können, unterstützt durch mehrere Bedienelemente, die über das hinausgehen, was ein herkömmliches Plastikmodell leisten kann. Die Benutzenden können komplexe 3D-Strukturen leicht inspizieren, sehen, wie sich Moleküle bewegen, chirale Zentren vergleichen, Wechselwirkungen testen und vieles mehr.
Andere Aktivitäten ermöglichen es den Benutzenden, verschiedene Moleküle zu laden, die die Haupttypen von Molekülformen, Atomorbitale oder sogar die Molekülorbitale einfacher Moleküle darstellen. Diese Aktivitäten unterstützen zwei AR-Marker, die unabhängig voneinander agieren, was den direkten Vergleich der 3D-Objekte im Raum der Benutzerin erleichtert. Dies ist wichtig, um durch den Vergleich von Molekülpaaren oder Orbitalen den Ursprung verschiedener Molekülformen und die chemische Reaktivität zu verstehen.
Ein spezieller Satz von Aktivitäten ermöglicht es den Studierenden, dynamische Gleichgewichte, Wasserstoffbrückenbindungen und Säure/Base mit Molekülen zu erleben, die bei der Interaktion Wasserstoffatome austauschen. Der Server bietet auch zwei spezielle Aktivitätsmodule, die biologischen Makromolekülen und Baugruppen gewidmet sind. Diese reichen von Strukturen, die im atomaren Detail untersucht werden können, um etwas über Proteinstruktur und Protein-DNA-Interaktionen zu erfahren, bis hin zu 3D-Darstellungen experimentell bestimmter Strukturen ganzer Viren.
Benutzende erreichen
Die Website, die im Rahmen eines Spark-Stipendiums des SNF entwickelt wurde, ist jetzt unter https://molecularweb.epfl.ch in Deutsch, Englisch, Französisch, Italienisch, Spanisch und Portugiesisch kostenlos und ohne Registrierung verfügbar. «Wir hoffen nun, an den Erfahrungen der Schweizer Schülerinnen und Schüler sowie deren Lehrpersonen bei der Nutzung der Website teilzunehmen und vor allem, mit den Lehrerinnen und Lehrern zusammenzuarbeiten, um möglicherweise neue, auf ihre Lehrpläne zugeschnittene Aktivitäten zu entwickeln oder ihnen sogar die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen AR-Aktivitäten zu kreieren», sagt Abriata und fügt hinzu: «[...] die Hürde für die Nutzung ist minimal: Man braucht nur auf eine Webseite zuzugreifen, einen Marker auszudrucken und ihn der Webcam zu zeigen. Wir sind daher der Meinung, dass die Website tief in die Schule und das moderne Lernen eindringen kann und sich besonders auch für den Online-Unterricht eignet.»
Seit Einführung der frühen Versionen für die Veranstaltung Portes Ouvertes der EPFL und andere Outreach-Veranstaltungen, die 2019 stattfanden, wurde die Website mehr als 10 000 Mal aufgerufen, was ein hohes Engagement der Studierenden zeigt, das Interesse an der Chemie fördert und interessanterweise auch das Interesse an der Webprogrammierung unterstützt. «Als wir dies im Lycée Cantonal de Porrentruy zeigten, baten uns einige Schülerinnen und Schüler, als sie merkten, dass es sich um als Webseiten kodierte Seiten handelte, den Code zu sehen, was man – wie sie wohl wussten – direkt im Webbrowser selbst tun kann, so dass man direkt dort mit dem Code experimentieren und so etwas über Programmierung lernen kann», sagt Abriata.
Die Entwickler des Werkzeugs, ein promovierter Chemiker und ein webXR-Ingenieur, wenden sich nun an Pädagoginnen und Pädagogen, um von ihren Erfahrungen zu hören, um die tatsächliche pädagogische Wirkung des Werkzeugs auf den Chemieunterricht zu messen und um ihre Wünsche für neue Aktivitäten zu erfahren. Sie laden Schul- und Hochschullehrpersonen der Chemie und Biologie ein, die Website in ihren Klassen auszuprobieren, und betonen, dass die bescheidenen Hardware-Anforderungen eine individuelle Nutzung sowohl in der Schule als auch zu Hause problemlos ermöglichen.
Weitere Informationen finden Sie unter https://molecularweb.epfl.ch.