Ferngesteuerte Mikroskope bringen Studenten weltweit eine komplexe Biologieausbildung

In vielen Gemeinden auf der ganzen Welt werden die Fähigkeit und der Enthusiasmus von Schülern, MINT-Fächer in ihrer Highschool- und College-Karriere zu verfolgen, durch einen Mangel an Ressourcen begrenzt, der sie daran hindert, wie ihre Kollegen auf komplexe, projektbasierte Lehrpläne zuzugreifen. Die COVID-19-Pandemie hat diese bestehenden Bildungsungleichheiten verschärft und erfordert neue Lösungen, um den Zugang zu diesem Bereich zu demokratisieren.

Forscher der UC Santa Cruz haben eine Methode zur Verwendung ferngesteuerter, mit dem Internet verbundener Mikroskope entwickelt, um es Studenten auf der ganzen Welt zu ermöglichen, an der Gestaltung und Durchführung von Biologieexperimenten teilzunehmen.

Eine neue Studie im Journal Heliyon beschreibt dieses neuartige und skalierbare Framework, um Schülern, die sonst keinen Zugang hätten, projektbasierte STEM-Ausbildung zu ermöglichen. Die Forscher implementierten die Mikroskoptechnologie in den Biologieklassenräumen mehrerer Latinx-Gemeinden in den Vereinigten Staaten und Lateinamerika und stellten fest, dass ihre Technologie ein effektiver und skalierbarer Ansatz ist, um Schülern, die in STEM unterrepräsentiert sind, die Möglichkeit zu geben, komplexe Experimente aus der Ferne durchzuführen.

„Eine mit dem Internet verbundene Kamera zu nehmen und sie in das Sichtfeld eines Mikroskops zu stecken, ist etwas, das viele Labore tun könnten“, sagte Pierre Baudin, ein promovierter Informatiker. Student an der Baskin School of Engineering und Erstautor des Artikels. „Durch die Festlegung des Rahmens in diesem Papier war die Idee, eine Roadmap zu erstellen, damit jedes Labor, das eine Art Mission oder den Wunsch verspürt, Bildungsressourcen für seine Gemeinschaft oder andere zu erstellen, in der Lage sein kann, eine ähnliche Art von Experiment einzurichten und zu ermöglichen dieses Konzept zu verbreiten.“

Gewebekulturexperimente sind in der High School und sogar in den ersten Jahren des Colleges normalerweise unbekannt, und doch konnten in Benutzerstudien, die für diese Forschung durchgeführt wurden, unterversorgte Highschool-Schüler der Alisal High School im ländlichen Salinas Valley in der Nähe von Santa Cruz diese Experimente durchführen .

„Wir ermöglichen Studenten Experimente, die normalerweise nicht möglich sind [many] Schulen auf der ganzen Welt, entweder weil die Materialien gefährlich sind oder weil die Ausrüstung teuer ist oder eine spezielle Ausbildung sowohl für die Lehrer als auch für die Schüler erfordert“, sagte Mohammed Mostajo-Radji, der leitende Forscher dieser Studie.

Entwicklung der neuen Methode

Während sich projektbasiertes Lernen als effektive Methode zum Unterrichten von MINT-Konzepten erwiesen hat, wird es durch Hindernisse wie Kosten und Logistik für den Versand von Materialien an isolierte Gemeinden, begrenzte Lehrerausbildung, unterfinanzierte Schulen und potenzielle Exposition gegenüber gefährlichen Materialien eingeschränkt. Durch seine langjährige Erfahrung in der Zusammenarbeit mit gemeinnützigen Bildungseinrichtungen stellte Mostajo-Radji vom UCSC Genomics Institute fest, dass eine erfolgreiche Lösung skalierbar und erschwinglich sein muss, an den lokalen Kontext einer Schule anpassbar sein muss und es den Schülern ermöglichen muss, die wissenschaftliche Methode vollständig zu erforschen.

Mostajo-Radji und viele andere Forscher am UCSC Genomics Institute, die an diesem Projekt beteiligt sind, glauben, dass die Durchführung komplexer biologischer Experimente über ferngesteuerte Mikroskope eine Lösung sein kann, die diese Kriterien erfüllt.

Die Technologie, die diese Fernexperimente antreibt, wurde ursprünglich entwickelt, um es Forschern aus mehreren geografisch getrennten Institutionen zu ermöglichen, als Teil einer institutionenübergreifenden Gruppe namens Braingeneers an der Stammzellenforschung zusammenzuarbeiten. Die Doktoranden Baudin und Victoria Ly entwickelten das Tool zur Fernsteuerung von Mikroskopen von überall auf der Welt, um eine nicht-invasive Beobachtung von Zellkulturen in Inkubatoren zu ermöglichen.

Mostajo-Radji, der früher bolivianische Botschafter für Wissenschaft, Technologie und Innovation war, erkannte, dass die Mikroskopietechnologie angesichts wachsender Bildungslücken während der Pandemie für die Fernausbildung genutzt werden könnte.

„[The remote-controlled microscopes] wurden nicht zum Zwecke der Bildung entwickelt“, sagte Mostajo-Radji [my] und die gemeinnützige Arbeit anderer, um etwas ziemlich Bemerkenswertes aufzubauen.“

Mostajo-Radji glaubt, dass dieses Papier das erste ist, das eine Methode beschreibt, die sowohl wirklich distanziert ist als auch die wissenschaftliche Methode vollständig nutzt und die Untersuchung und aktives Lernen in den Unterricht bringt, was besonders wichtig für Schüler sein kann, die weniger auswendig lernen.

Von Studenten weltweit lernen

Das Papier skizziert einen Rahmen für andere Labore und Klassenzimmer, um ferngesteuerte Experimente durchzuführen, in denen die Schüler ein Experiment entwerfen, Beobachtungen machen, Daten analysieren und ihre Ergebnisse präsentieren.

Die Forscher lernten aus mehreren Anwenderstudien, in denen diese Methode lokal mit Advanced Placement Biology-Studenten an der Alisal High School in Salinas und im Ausland mit Studenten zweier verschiedener Universitäten in Bolivien und multinationalen Studenten, die an der gemeinnützigen Organisation Science Clubs International beteiligt waren, eingesetzt wurde. Die Experimente wurden in Santa Cruz und San Francisco durchgeführt und von den Studenten vollständig aus der Ferne aufgerufen. Der Unterricht jeder Gruppe spiegelte den lokalen Kontext des Schülers wider und ergänzte einen bereits bestehenden Lehrplan.

Der erste Pilot des Programms startete im Herbst 2020 auf dem Höhepunkt der Pandemie. Die Programme variierten zwischen den verschiedenen Gruppen und dauerten normalerweise etwa acht Wochen. Mit einigen Schülergruppen trafen sich die Forscher wöchentlich zum Unterricht, mit anderen Gruppen gaben sie anfangs eine Einweisung in den Umgang mit der Technologie und ließen sie die Experimente selbstständig durchführen.

Ein Experiment, das mit Studenten in Salinas durchgeführt wurde, war eine „klinische Studie in einer Schale“, die es Studenten ermöglichte, die Wirkung neuartiger Medikamente auf das Neuroblastom, einen Krebstumor, in Zelllinien zu sehen. In anderen Experimenten untersuchten die Studenten die Biokompatibilität von maßgeschneiderten Gold- und Graphen-Nanopartikeln.

Umfragen, die am Ende der Benutzerstudienprogramme durchgeführt wurden, zeigten, dass diese Methode die MINT-Identität bei beiden Kohorten positiv beeinflusste, wenn auch stärker bei bolivianischen Studenten, und zu einem insgesamt erhöhten Interesse an MINT bei den teilnehmenden Studenten führte. Diese Ergebnisse boten die Möglichkeit, die STEM-Motivation unter Latinx-Populationen zu verstehen, ohne die Schlussfolgerungen aus einer einzigen geografisch begrenzten Studie extrapolieren zu müssen.

„Für viele dieser Bildungsstrategien und -politiken [researchers] Ich denke gerne, dass eine Studie, die in einer bestimmten Region der Welt durchgeführt wurde, repräsentativ ist, um die Politik in einem anderen Teil der Welt zu informieren“, sagte Mostajo-Radji. „Hier vergleichen wir zum ersten Mal gründlich Gruppen von Hispanics [in California] und Hispanics im Ausland, im Kontext genau derselben Klasse, genau derselben Lektion und genau derselben Experimente.“

Erweiterung des Programms

Das Team ist nun dabei, Zuschüsse zu beantragen, um die Infrastruktur aufzubauen, um diese Arbeit auszuweiten. Sie stellen sich eine App vor, die es Highschool- und Community-College-Studenten von überall auf der Welt, die sonst vielleicht nicht in die Forschung gehen würden, ermöglichen würde, Experimente vollständig aus der Ferne zu entwerfen und durchzuführen. Die Forscher gründeten kürzlich das Live Cell Biotechnology Discovery Lab, um den Einsatz ihrer Technologie zu erweitern.

Idealerweise hätten sie Hunderte von Mikroskopen, die verschiedene Experimente durchführen. Mostajo-Radji stellt sich vor, dass Studenten aus verschiedenen Teilen der Welt in derselben Gruppe sein und gemeinsam aus denselben Daten lernen könnten.

Die Forscher suchen aktiv über Konferenzen nach weiteren Partnern, um Beziehungen über die Schulen hinaus aufzubauen, mit denen sie für diese Studie zusammengearbeitet haben. Zu diesem Zweck wurde Mostajo-Radji kürzlich eingeladen, sich der US National Academy of Sciences beim International Frontiers Symposium in Nairobi, Kenia, anzuschließen, um diese Idee zu teilen und Bildungspartnerschaften aufzubauen, um diese Technologien mehr Schülern zugänglich zu machen.

Die Forscher sind auch daran interessiert, über die Mikroskopie hinauszugehen. Zu den Interessengebieten gehören Geräte zum Lehren des Programmierens durch Mikrofluidik und Techniken zum Unterrichten von Elektrophysiologie, dem Studium der elektrischen Eigenschaften biologischer Zellen und Gewebe, für nicht-visuelle Lernende.

„Mikroskopie war in gewisser Weise eine niedrig hängende Frucht“, sagte Mostajo-Radji. „Das ist nur der Anfang.“

Die UCSC-Studentinnen Raina Sacksteder, Atesh Worthington, Kateryna Voitiuk und Victoria Ly haben alle maßgeblich zu dieser Studie beigetragen.