Геймификация в науке

"Игры — самый высокий уровень исследования". (с) Альберт Эйнштейн. Геймификация в науке - это подтверждение его слов.

Геймификация в науке в 21 веке становится все более популярным способом вовлечения как специалистов, так и общественности в серьезные исследования и проекты. Научные проекты, которые используют геймификацию, охватывают широкий спектр областей, от биологии до астрономии. В науке геймификация имеет свою специфику и применяет различные игровые механики для стимулирования участия и обучения. Использование элементов игры обеспечивает более глубокое погружение и мотивацию к решению сложных задач.

Геймификация применяется в науке для решения двух глобальных задач:

• Популяризация: повышение интереса к науке
• Вовлечение широкой аудитории в помощь

Популяризация: повышение интереса к науке

Геймификация позволяет создавать новые, более эффективные обучающие материалы, подходящих для более широкой аудитории.

Например, на платформе Brilliant (см. подробнее кейс Платформа Brilliant: новый формат интерактивного образования), чтобы повысить интерес к математике и компьютерным наукам используются интерактивные иллюстрации, а с помощью интерактивные тренажеров пользователи могут почувствовать работу исследуемого закона или объекта на себе.

Популяризация науки построена на принципах обучения. Но отличается от последнего тем, что направлена, в первую очередь, не на профессионалов в науке, а на любителей. В кейсе Brilliant целевая аудитория проекта — студенты и школьники, которым интересна наука.

У популяризации нет цели подготовить специалистов или натаскать на экзамены. За счет игровых элементов геймификация помогает привлечь интерес к науке. Выводы и степень интереса к ней каждый формирует для себя сам.

Очень хорошо эта история показана также в проекте от Роснано — Стемфорд. Они создали платформу о наноиндустрии для школьников. Там можно учиться, смотреть короткие популярные ролики о нанотехнологиях, участвовать в исследованиях, следить за мировыми экспериментами и пробовать экспериментировать самому, участвовать в конкурсах и т.д.

В игровой форме на простых примерах объясняются технология бактериального выщелачивания, роль металлов в современном мире, биохимические наноразмерные пигменты и их классификация и др.

За счет персонализированного сторителлинга школьник без труда может погружаться в любую из научных сфер и узнавать о ней все больше и больше. Это бесплатный проект, который доступен любому, кто интересуется наукой, но пока мало о ней знает.

Так как цель геймификации в данном проекте не обучить, а заинтересовать — при любом неправильном ответе в тесте (если выбран курс) дается неограниченное количество попыток. Это показывает, что продвижение вперед по контенту важнее, чем оценка знаний пользователя и нет необходимости требовать от ученика заучивания.

Вовлечение широкой аудитории в помощь

Это вторая глобальная задача, которую решает геймификация в науке. По сути, это своеобразный краудсорсинг — процесс, где часть рутинных задач переносятся волонтеров, большую группу людей или сообщество (крауд) через открытый призыв. Люди становятся активными участниками исследований, первичной обработки информации или сбора материалов.

Самый известный пример — онлайн-головоломка о фолдинге белка Foldit (см. подробнее кейс Foldit: игра, которая помогает ученым в исследованиях белка). Фолдинг белка — это сворачивание последовательности аминокислот, составляющих белок, в уникальную трёхмерную структуру.

Проект Foldit выглядит не очень похожим на обычную онлайн-игру. Это научный инструмент. Для пользователей это больше похоже на головоломку, при том довольно сложную. Непросто понять, что изображено на экране, как с этим взаимодействовать. Но в мире довольно много любителей головоломок. В том числе, многие из них любят сложные задачи и не ждут, что им будет сразу всё понятно.

Предсказание структуры белка является сложной задачей, раньше решаемой научными методами и компьютерными программами. Центр игровой науки и Лаборатория Бейкера создали игру Foldit, чтобы использовать человеческий потенциал для решения этой задачи. Так как компьютер не раз упускал хорошие решения, слепо перебирая варианты.

Цель головоломки — по определённым правилам собрать молекулу белка. Игроки могли менять положение каркаса, поворачивать разные части, рассматривать молекулу так и эдак, а компьютер выделяет неудачные фрагменты красным цветом и показывает, какие атомы не должны оказываться рядом.

За найденные решения игра начисляет очки и составляет рейтинги лучших игроков и команд.

В Foldit существует «Поваренная книга» — механизм, который позволяет игрокам записывать последовательность действий, создавать «рецепты» (алгоритмы) и делиться ими.

Интересный факт: Однажды исследователи заметили, что рецепт под названием Blue Fuse version 1.1 чрезвычайно популярен. Один из учёных узнал этот алгоритм: он оказался очень похожим на тот, что его коллеги разрабатывали в биохимической лаборатории, но ещё не опубликовали. Так выяснилось, что игроки без специального образования могут прийти к тем же выводам, что и профессионалы.

Результатом онлайн-головоломки стало открытие, которое позволило значительно улучшить энзим и определить структуру белка вируса, вызывающего иммунодефицит у обезьян. Игроки справились с задачей за 3 недели. Исследователи проверили лучшие решения с помощью рентгеновской кристаллографии и выяснили, что участники команды The Contenders «угадала» верную структуру. В знак благодарности, игроков включили в состав авторов статьи об этом открытии в журнале Nature.

Энзимы — белковые соединения, которые имеются в любой клетке любого растения, животного и человека.

Проект позволил не только помочь ученым, но и повысил интерес общественности к науке. Foldit — отличный пример того, как непрофессионалы способны решать сложные научные задачи.

Целевая аудитория геймификации в науке

Геймификация ориентирована на разнообразную аудиторию:

• Дети: Популяризация науки. Используют игры как платформу для обучения научным концепциям. Пример — Стемфорд.
• Студенты: Используют игры как платформу для обучения научным концепциям. С большим удовольствием пробуют новые эксперименты, помогают научным руководителям на волонтерских основах.
• Любители науки: Участвуют в играх, чтобы внести свой вклад и узнать что-то новое. Все вышеописанные примеры: Foldit, мобильные игры Canсer research UK, EyeWire, Phylo, Brilliant.
• Научные работники: Чаще всего выступают как организаторы научных игр. Находят в играх новые подходы и идеи для своих исследований благодаря трудам волонтеров-непрофессионалов.

Типичные проблемы, которые решает геймификация в науке

Главная проблема, которую помогает преодолеть геймификация в науке:

Сложность при анализе данных и привлечение волонтеров в работу

Научные исследования зачастую связаны с анализом большого объема данных. Для того, чтобы не тратить дорогостоящее время ученых, научились привлекать добровольцев, которыми интересны головоломки и задачки. Общественное участие усиливается благодаря возможности играть и вносить вклад в науку одновременно.

Благодаря привлечению волонтеров к научным проектам также решается проблема финансирования проектов. Ученые тратят свое дорогостоящее время на реально важные задачи. А волонтеры с удовольствием решают рутинные задачи, на которые у ученых могли бы уйти годы.

Работу может сделать обычный человек, не особенно в этом разбирающийся, если это подать в очень понятной и игровой форме. Мы убедились в этом на примере Foldit выше. Но таких примеров гораздо больше. Биологическая игра для создания "атласа мозга" от EyeWire, геймификация науки в исследованиях ДНК от McGill University, Canсer research UK и др. Рассмотрим последний кейс подробнее.

Британский Центр исследований рака выпустил две мобильные игры для смартфонов, чтобы вовлечь обычных людей в борьбу с раком через их устройства (см. подробнее кейс Canсer research UK: мобильные игры против рака).

Play To Cure: Genes In Space - это игра, где игроки помогают анализировать реальные генетические данные, прокладывая маршруты через космическую карту, отражающую данные ДНК-микрочипов. Пользователи также собирают ресурсы, следуя этим маршрутам, и их действия используются для проверки и анализа генетической информации, что помогает исследованиям в области онкологии.

Reverse The Odds - это игра-головоломка, в которой игроки помогают исследователям анализировать образцы опухолей для диагностики и лечения различных видов рака. В процессе игры участникам предлагается осмотреть слайды с биомаркерами и ответить на вопросы, что помогает ученым в исследовании эффективности операций и лучевой терапии, в частности для пациентов с раком мочевого пузыря.

Оба приложения способствуют улучшению исследований и лечения рака, обеспечивая инновационный метод сбора данных через игровой процесс. Результат: За месяц игроки помогли лаборатории Cancer Research UK сделать работу, которая заняла бы у ученых полгода.

Недостаток вовлеченности и мотивации в обучении

Это общая проблема почти для любого проекта в сфере необязательного онлайн-образования. Студенты и молодые ученые могут испытывать трудности с поддержанием интереса и мотивации. Игровые механики делают обучение менее монотонным и более практичным. Этот пункт дополняет основную проблему, которую решает геймификация — привлечение волонтеров. Без игровых механизмов, которые стимулируют участников анализировать данные, будет очень мало желающих решать рутинные задачи в исследованиях. Делая процесс более понятным и интересным, такие игры часто приводят к новым научным открытиям, сделанным непрофессионалами.

В 2014, через два года после запуска EyeWire (см. подробнее кейс EyeWire: биологическая игра для создания "атласа мозга") сотрудники лаборатории МТИ сделали первое открытие, благодаря труду игроков, и рассказали о нём в журнале Nature. Учёным удалось выяснить, как именно млекопитающие распознают движение. То, что в процессе участвует не только мозг, но и сетчатка уже было известно, но сам механизм подробно изучен не был.

Изоляция научного сообщества

Исследователи часто работают в закрытых академических кругах. Геймификация открывает двери для широкого участия и сотрудничества путем вовлечения общественности и создания сообщества вокруг научных вызовов. Она помогает упаковать знания в форму — простую, понятную и, самое главное, интересную для широкой аудитории. Появляются люди, которые поиграли, заинтересовались, приехали на экскурсию в научный институт, откликнулись на волонтерство или, даже пошли в университет, чтобы работать в интересовавшей научной сфере.Геймификация увеличивает понимание того, чем занимаются ученые. Способствует росту интереса к тому, что делают ученые, и, возможно, кого-то побуждает стать ученым. Помогает демонстрировать важность и релевантность научных исследований для широкой аудитории, что увеличивает общественную поддержку науки. Что примечательно, одновременно и в разных странах.В игре от EyeWire при входе показывается рейтинг участников по именам за результаты в течение дня. Таким образом, игрок может найти свое имя, увидеть свой вклад в общее дело и понять, что он не мал.

Решение этой проблемы также напрямую влияет на решение глобальной задачи геймификации в науке — популяризации науки.

Сложность создания игровых решений

Эта проблема решается привлечением специалистов из гейм.индустрии, а также предоставлением доступа к уже готовым инструментам другим ученым.

Интеграция игровых элементов в работу научных групп может стимулировать коллаборативные усилия. Например, в проекте McGill University (см. подробнее кейс McGill University: геймификация науки в исследованиях ДНК), разработчики игры Phylo открыли доступ другим учёным. Благодаря геймифицированному проекту Open Phylo генетики смогли загрузить в базу игры регион гена, получить результат и оценить сотрудничество с непрофессионалами-волонтерами.

Некоторые элементы геймификации уже давно применяются в научных сообществах. Например, конкурсы и гранты построены на механике соревновательных игр. В отличии от привычных конкурсов, где единственная цель — победить. В игровых механиках соревновательных игр учитывается общий результат усилий всех участников. Наиболее ценный вклад отмечается различными номинациями.

Области применения геймификации

Геймификация используется во многих научных сферах:

• Молекулярная биология: Проект Foldit привлекает неспециалистов в процесс определения структур белков.
• Астрономия: Galaxy Zoo включает добровольцев в процесс классификации галактик.
• Экология: iNaturalist стимулирует наблюдения за растениями и животными.
• Университетском образовании: студенты помогают научным руководителям в сборе и анализе материалов, проведении экспериментов и тд.
• Фундаментальная математика, алгебра, компьютерные науки, анализ данных, программирование, логика, научное мышление, теория вероятностей и машинное обучение: Brilliant за счет яркого интерактивного контента стимулирует ежедневно решать головоломки и математические задачи, тратя на это только 15 минут в день.
• Генетика: игра Phylo позволяет игрокам участвовать в оптимизации выравнивания последовательностей ДНК.
• Химия: Игры, такие как ChemCollective предлагают виртуальные лаборатории для проведения химических экспериментов, способствуя лучшему пониманию химических процессов и реакций.
• Социальные науки (Социология, социодинамика, психология, психиатрия, экономика, педагогика, политология и тд): геймификация в данных сфера часто используется для исследований человеческого поведения или массовых соц.опросов. И не только. Приложение iCivics, основанное бывшим Судьей Верховного суда США Сандра Дэй О’Коннор, предназначено для приобщения школьников к основам гражданства и демократии.

Специфика геймификации в науке

Геймификация в научной сфере отличается своей целью и методами.

Геймификация помогает объединить развлечение и обучение (эдьютеймент)

Игровой процесс стимулирует обучение и научное исследование. На принципах эдьютеймента построен весь проект Brilliant

Эдьютейнмент (англ. edutainment)— «обучение как развлечение» — «эффективное познание мира в игровой форме», т.к. через развлечение не просто создается осведомленность об определенном предмете, а одновременно устанавливается эмоциональная связь обучающегося и изучаемого предмета. (с) Цитата из книги Попова А.В. «Маркетинговые игры. Развлекай и властвуй».

Понятие edutainment состоит из двух объединённых в одно слов: education (образование) и entertainment (развлечение). Эдьютейнмент предполагает внедрение игровых практик в традиционные форматы учёбы. Такой подход реализует две основные задачи:

1. Позволяет поддерживать интерес и вовлечённость учащихся;
2. Игра даёт возможности для создания непосредственного опыта. Тренировка и освоение навыков происходит прямо в процессе обучения

У проектов в сфере геймификации в науке не стоит задачи монетизации

Мы хотим привлечь внимание пользователей (популяризация), привлечь их рабочий ресурс на волонтерство (краудсорсинг). Но, зачастую, нам нечего им предлагать к покупке или склонять к ней. Исключение — Brilliant, т.к. он стоит на стыке геймификации в обучении и науке. Даже в нем за подписку платят только уже заинтересованные люди или профессионалы.

Из-за отсутствия монетизации, геймификация в науке скорее дает чистое удовольствие и развлечение — “Я причастен к большому делу, какому-то открытию, но одновременно мне еще и интересно решать головоломку”.

Вторая причина, почему в научных играх отсутствует монетизация — нам необходимы достоверные данные. Если начать людям платить за опросы или исследования, они начнут искать правильные ответы или стараться “отработать” по-максимуму деньги и пытаться искать правильные ответы. Это исказит исследование и перечеркнет весь смысл подобных игр.

Третья причина — малое финансирование научных проектов. Благо, интерес к науке не пропадает у людей, поэтому всегда можно найти заинтересованных в общем деле энтузиастов, готовых помочь на волонтерских основах.

• Доступность и прозрачность: Превращение сложных научных процессов в игровые задания делает их понятными для всех. В описанных выше проектах для того, чтобы получить проверенные рабочие результаты используются краудсорсинг. Множество игроков сталкиваются с одними и теми задачами, у кого-то получается решить задачу правильного, у кого-то нет. Самые удачные решения отбирают те же игроки. Дальше уже отобранные алгоритмы переходят учёным, на их основе, ученые проводят реальные эксперименты и, например, синтезируют молекулы РНК. Важно, что игроков просвещают и предлагают увидеть свою деятельность, как часть большой работы ученых.

Головоломки, которые создают учёные требуют не тупой игры на количество попыток, а осознанной деятельности и попытки найти алгоритм, разобраться, как на самом деле это устроено. В реальности такие молекулы существуют и мы знаем, что решение существует, но каким образом оно было получено мы не знаем. Очень хорошо, что игроков не используют, как механических роботов по перебору комбинации, эту функцию неплохо выполняет и компьютер. Их используют, как молодых учёных, просто этих ученых намного больше, у них больше свободного времени и они не ждут другой награды, кроме самой деятельности.

В геймификации в науке очень важна внутренняя мотивация и не подходит внешняя (материальная, призы, принуждение и тд.)

Игровые достижения и награды мотивируют заинтересованных участников продолжать участие в проекте. Виртуальные награды или звания, которые не имеют никакого веса в реальной жизни, являются хорошим фильтром для отсеивания не заинтересованных участников. Во всех геймифицированных проектах важно получить точные данные от волонтеров-участников. Поэтому, если человек пришел “просто потыкать на кнопки”, при наличии монетизации он бы был на равных с заинтересованным участником. А так как денег за прохождение никто не выдает, поэтому и доходят до наград только истинные энтузиасты, которым интересна данная тема, сфера или исследование.

Риски геймификации в науке

При использовании геймификации в наук следует учитывать следующее:

• Потеря качества из-за ложной мотивации: например, из-за страха не набрать массовость участников, некоторые проекты включают материальную мотивацию или простые рейтинги. Что приводит к преобладанию внешней мотивации над внутренней. Определенная группа будет зациклена на получении средств, а вторая будет исходить из искренней заинтересованности. Данные будут не верные, все участники в разных условиях с разной мотивацией.
• Гипер-упрощение: Игровой процесс не должен упрощать науку до нереалистичности. Логично, что из научных теорий нам надо сделать массовый понятный интересный материал. Однако, здесь очень важно держать баланс и не утрировать. Например, информация о том, что ДНК состоит из пары соединений, которые нужно сопоставить друг с другом — это ложная информация. Поэтому игра Phylo хоть и упрощена до доступности непрофессионалам, но не кажется простой игрушкой, чтобы “убить время”.
• Отсутствие денег для глубокой интересной геймификации: Так как научные проекты не направлены на монетизацию пользователей, сами по себе очень затратные, а их финансирование не велико — часто хорошим проектам не хватает материальных средств, чтобы нанять профессионалов из игровой индустрии. Геймификация в научных проектах, если она сделана хорошо, помогает сэкономить огромное количество времени и ускорить результат. Но, к сожалению, сегодня очень трудно доказать инвесторам или государству, что в гранте необходимо выделить на это отдельную статью расходов. Чаще всего, это считается излишним, к сожалению. Ученым приходится создавать геймификацию самим. Но из ученых не всегда выходят хорошие геймификаторы. Чаще, наоброт. Менее интересная игра — меньше аудитории — силы и время все равно потрачены — разочарование. Если обобщить, то все это подводит нас к риску плохого дизайна, который замедляет процесс исследований.

Эффективность геймификации в науке

Результаты геймификации впечатляют:

• Foldit: игра, которая помогает ученым в исследованиях белка. Привлечение непрофессионалов к работе, которая ранее считалась исключительно экспертной. Игроки справились с поставленной задачей всего за три недели. Исследователи проверили лучшие решения с помощью рентгеновской кристаллографии и выяснили, что команда The Contenders «угадала» верную структуру. В знак благодарности игроков включили в состав авторов статьи об открытии в журнале Nature. За три недели игроки изменили каркас энзима так, что его активность увеличилась в 18 раз. В процессе они добавили около 13 новых аминокислот — шаг, на который учёные не пошли, потому что думали, что это не сработает.
• Canсer research UK: мобильные игры против рака. За месяц игроки помогли лаборатории Cancer Research UK сделать работу, которая заняла бы у ученых полгода.
• EyeWire: биологическая игра для создания "атласа мозга". Идея превратить процесс в игру родилась, когда сотрудники лаборатории Себастьяна Сеунга осознали, что воссоздание одного нейрона занимает около пятидесяти часов. Картирование сетчатки мыши у группы из ста учёных заняло бы почти двести лет. Стало ясно: нужно придумать способ привлечь добровольцев, чтобы ускорить процесс. С момента старта игроки реконструировали 305 нейронов. Из 245 нейронов, которые исследователи планировали воссоздать с 2014 года к октябрю 2015 года уже было готово 103. В 2014, через два года после запуска EyeWire сотрудники лаборатории МТИ сделали первое открытие и рассказали о нём в журнале Nature. Учёным удалось выяснить, как именно млекопитающие распознают движение. То, что в процессе участвует не только мозг, но и сетчатка уже было известно, но сам механизм подробно изучен не был.‍
• McGill University: геймификация науки в исследованиях ДНК. За пять лет существования, с 2010 по 2015 игроки решили 336 172 головоломок, а создатели игры опубликовали статью о ней в научном журнале.

Заключение

‍Понятно, что создавать подобные игры ученым нелегко. Это требует от них и умений, которых у них нет и само восприятие, что для серьёзной работы ученых могут помочь какие-то игроки, которые соревнуются между собой — тоже не столь очевидная мысль. Думаю, что со временем появятся универсальные платформы, которые позволят учёным не программировать, а просто принести на эту платформу свой проект и начать работу. Вероятно, будут оптимизированы задачи и основная часть такой черновой работы все-таки будет возложена на искусственный интеллект и нейросеть. Задачу обучения нейросетей, конечно же, будут выполнять люди. Для них это может быть более интересной упаковкой рутинных действий. Мы сможем видеть, например, общий процент успеха, насколько данная нейросеть научилась или же переложить на реальных пользователей контроль за запуск машин нейросети и для исправления конкретных ошибок.Но главная задача геймификации — популяризации науки — останется актуальной. Геймификация в образовании явно распространяется и становится все более интересной. Постепенно, эти качества переходят и в науку. Это усилит поток энтузиастов, что приведет к росту популярности науки в обществе. А важные вопросы, поднимаемые в научных играх, выйдут на передний план и получат более широкую огласку.