Een initiatief van de faculteit farmaceutische wetenschappen aan de KU Leuven wilde haar studenten helpen met het creëren van moleculair ruimtelijk inzicht en heeft voor een moderne insteek gekozen: een educatief computerspel, genaamd Moleculous.
Wanneer het op hogescholen of universiteiten over moleculen gaat, is een van de belangrijkste aspecten de ruimtelijke structuur. Die kan namelijk bepalend zijn voor de functie, vooral als het gaat om farmaceutische stoffen. De Leuvense faculteit farmaceutische wetenschappen heeft daarom het spel Moleculous ontworpen. ‘Het team dat achter de ontwikkeling zit, het Biomedical Technology Lab, maakte al 3D-structuren en Virtual Reality toepassingen voor crime scenes en tandimplantaten die studenten op de juiste manier in een digitaal gebit moeten plaatsen’, vertelt Peter Verwilst, professor Medicinale Chemie.
‘Sommige studenten vonden het zó leuk dat ze binnen anderhalf uur alle opdrachten afhadden’
Peter Verwilst
Vanuit die driedimensionale gedachte ontstond het idee voor Moleculous. Dat begon binnen het vak Algemene Chemie. Riet Ramaekers, betrokken bij het didactische team van het vak, heeft ook een steentje bijgedragen aan de ontwikkeling van het spel. ‘In de zomer van 2023 heb ik al testversies nagekeken en suggesties en verbeterpunten aangeleverd’, vertelt Ramaekers. ‘Helaas was de finale versie net niet op tijd klaar voor het eerste semester, dus hebben wij het programma nog niet in de les kunnen gebruiken. Vanaf volgend academiejaar gaan we er vol mee aan de slag.’
Visualiseren
Ondertussen ging de ontwikkeling door en zodoende kwam het programma beschikbaar voor de cursus Organische Chemie, wat Verwilst doceert. ‘Ik merk dat de studenten er echt veel mee bezig zijn’, vertelt hij. ‘Het waren relatief veel oefeningen en de bedoeling was dat ze er af en toe een paar zouden doen. Maar sommige studenten vonden het blijkbaar zó leuk dat ze in een uur en een half alle opdrachten afhadden!’
Moleculous gaat nu vooral om het leren uitschrijven van Lewis-structuren en het visualiseren van de overgang van Lewis-structuren naar 3D-structuren. ‘Maar de tool is nog volop in ontwikkeling’, zegt Verwilst. ‘We zijn nu aan het werken om de gamification iets uit te breiden. Het idee is dat de student een soort bedrijfsleider wordt, die opdrachten van andere bedrijven moet maken.’ Afhankelijk van hoe goed de opdracht is uitgevoerd krijgt de student feedback, zowel inhoudelijk als mogelijk in de vorm van coins.
‘Studenten kunnen niet anders dan tot de juiste structuur komen’
Riet Ramaekers
Maar ook inhoudelijk breidt het spel uit. Verwilst: ‘We proberen de organische reacties E1, E2, SN2 en SN1 te visualiseren, zodat je ziet wat er gebeurt in 3D. De bedoeling is dat het voor alle chemische vakken in onze opleiding beschikbaar wordt.’ Ramaekers vult aan: ‘Het Biomedical Technology Lab is op dit moment bezig om nieuwe functies toe te voegen aan de huidige versie. Zo kan de student binnenkort ook hybridisatietoestanden van de verschillende atomen in een Lewisstructuur bepalen en vervolgens de overlappingen tussen de orbitalen ruimtelijk voorstellen. Ik zou het ook interessant vinden om de link tussen de ruimtelijke structuur van een molecule en zijn polariteit te leggen.’
Easter egg
‘Ik vind het vooral heel leuk dat het een game is’, zegt Ramaekers, die toegeeft zelf niet zo thuis te zijn in de gamewereld. ‘En het mooie is dat studenten niet anders kunnen dan tot de juiste structuur komen, omdat ze continu feedback krijgen. Zo leren ze echt de ruimtelijke structuur en het waarom daarachter beter kennen. Wat ik ten slotte ook tof vind, is dat het team er een easter egg in heeft verstopt, dat is een heel leuk detail.’
Van het leeuwendeel van de studenten krijgt Verwilst heel enthousiaste reacties en de paar die wat negatiever zijn richten zich meer op de technische aspecten. ‘Al met al zijn ze op deze manier veel actiever met moleculen bezig dan bijvoorbeeld met een bouwdoos die ze niet gebruiken. Maar op het examen gaan we zien of het doel écht bereikt is’, zegt Verwilst met een lach.
Demonstratie
Het programma is mooi vormgegeven en heeft een duidelijke interface. Bij het starten van de leermodule krijg je de keuze tussen organische en anorganische chemie. Na je keuze kom je op een scherm met verschillende opdrachten die je kunt kiezen. ‘Op dit moment kun je zelf nog kiezen’, licht Peter Verwilst toe. ‘Maar het is uiteindelijk de bedoeling dat je meteen een opdracht krijgt die bij je niveau past en dat je van daaruit steeds moeilijkere opdrachten krijgt.’ Verwilst klikt het molecuul (CH3)2HCHO aan, 2-methylpropanal, en we komen in een industriële bedrijfsomgeving, waarin ingezoomd wordt op een lege werkbank. Verschillende uitlegprompts staan aan de randen van het scherm en onderin bevindt zich de navigatie. Eerst kun je door op een lijstje atomen te klikken de benodigde atomen op de werkbank neerleggen, die je vervolgens aan elkaar moet binden, de juiste elektronen moet toewijzen en uiteindelijk in 3D kunt tonen, wanneer je de opdracht goed hebt uitgevoerd. De 3D-structuur kun je draaien en laat ook de niet-bindende elektronenparen zien in een zo juist mogelijke weergave.
Verwilst laat nog een opdracht zien, dit keer vanuit de anorganische hoek: SbCl3. De anorganische module is iets verder ontwikkeld en heeft bij het selecteren van de opdracht ook een korte uitleg over wat het molecuul bijzonder maakt of wat de functie is. Verder moet je voor de structuur in 3D wordt getoond ook aangeven wat je denkt dat de ruimtelijke structuur moet zijn (in dit geval trigonaal pyramidaal) en wat de hoeken van de bindingen zullen zijn (hier <109°). We eindigen hier met de 3D-structuur in wat lijkt op een farmaceutische bedrijfshal, waar af en toe een vorkheftruk langsrijdt.
Nog geen opmerkingen