Les microscopes télécommandés apportent une formation complexe en biologie aux étudiants du monde entier

Dans de nombreuses communautés à travers le monde, la capacité et l’enthousiasme des étudiants à poursuivre des domaines STEM dans leurs carrières au lycée et au collège sont limités par un manque de ressources qui les empêche d’accéder à un programme complexe basé sur des projets comme leurs pairs. La pandémie de COVID-19 a exacerbé ces inégalités éducatives existantes, nécessitant de nouvelles solutions pour démocratiser l’accès à ce domaine.

Les chercheurs de l’UC Santa Cruz ont développé une méthode d’utilisation de microscopes télécommandés et connectés à Internet pour permettre aux étudiants du monde entier de participer à la conception et à la réalisation d’expériences biologiques.

Une nouvelle étude dans la revue Héliyon détaille ce nouveau cadre évolutif pour apporter une éducation STEM basée sur des projets à des étudiants qui, autrement, n’y auraient pas accès. Les chercheurs ont mis en œuvre la technologie du microscope dans les salles de classe de biologie de plusieurs communautés Latinx aux États-Unis et en Amérique latine, et ont trouvé que leur technologie était une approche efficace et évolutive pour donner aux étudiants sous-représentés en STEM la possibilité de mener des expériences complexes à distance.

« Prendre une caméra connectée à Internet et la mettre dans la lunette d’un microscope est quelque chose que beaucoup de laboratoires pourraient faire », a déclaré Pierre Baudin, docteur en génie informatique. étudiant à la Baskin School of Engineering et premier auteur de l’article. « En exposant le cadre dans cet article, l’idée était de créer une feuille de route afin que tout laboratoire qui ressent une sorte de mission ou de désir de créer des ressources éducatives pour sa communauté ou d’autres puisse mettre en place un type d’expérience similaire, permettant ce concept à diffuser. »

Les expériences de culture de tissus sont généralement inconnues au lycée et même dans les premières années d’université, et pourtant, dans les études d’utilisateurs menées pour cette recherche, des lycéens mal desservis du lycée Alisal dans la vallée rurale de Salinas près de Santa Cruz ont pu faire ces expériences. .

« Nous permettons aux étudiants de faire des expériences qui ne sont normalement pas réalisables pour [many] écoles du monde entier, soit parce que les matériaux sont dangereux, soit parce que l’équipement est cher ou nécessite une formation spécifique pour les enseignants et les élèves », a déclaré Mohammed Mostajo-Radji, le chercheur principal de cette étude.

Développement de la nouvelle méthode

Bien que l’apprentissage par projet se soit avéré être une méthode efficace pour enseigner les concepts STEM, il est limité par des obstacles tels que le coût et la logistique du matériel d’expédition vers les communautés isolées, la formation limitée des enseignants, les écoles sous-financées et l’exposition potentielle à des matières dangereuses. Grâce à une expérience approfondie de travail avec des organisations à but non lucratif dans le domaine de l’éducation, Mostajo-Radji de l’Institut de génomique de l’UCSC a déterminé qu’une solution réussie doit être évolutive et abordable, adaptable au contexte local d’une école et permettre aux étudiants d’explorer pleinement la méthode scientifique.

Mostajo-Radji et de nombreux autres chercheurs de l’UCSC Genomics Institute impliqués dans ce projet pensent que la réalisation d’expériences biologiques complexes via des microscopes télécommandés peut être une solution qui répond à ces critères.

La technologie qui alimente ces expériences à distance a été développée à l’origine pour permettre aux chercheurs de plusieurs institutions géographiquement séparées de collaborer à la recherche sur les cellules souches dans le cadre d’un groupe multi-institutions appelé les Braingeneers. Les étudiants diplômés Baudin et Victoria Ly ont développé l’outil pour contrôler les microscopes à distance de n’importe où dans le monde, afin de permettre l’observation non invasive des cultures cellulaires dans des incubateurs.

Mostajo-Radji, qui était auparavant ambassadeur bolivien pour la science, la technologie et l’innovation, a reconnu que la technologie de la microscopie pouvait être mise à profit pour l’enseignement à distance dans un contexte d’écarts éducatifs croissants en matière d’équité pendant la pandémie.

« [The remote-controlled microscopes] n’ont pas été développés à des fins d’éducation », a déclaré Mostajo-Radji. « Ce que nous avons fait, c’est tirer beaucoup de leçons que nous avons apprises de [my] et le travail à but non lucratif des autres pour construire quelque chose d’assez remarquable. »

Mostajo-Radji pense que cet article est le premier à décrire une méthode à la fois vraiment distante et utilisant pleinement la méthode scientifique, introduisant la recherche et l’apprentissage actif dans les leçons, ce qui peut être particulièrement important pour les élèves qui sont moins des apprenants basés sur la mémorisation.

Apprendre des étudiants du monde entier

L’article décrit un cadre permettant à d’autres laboratoires et salles de classe de mener des expériences télécommandées, dans lesquelles les étudiants conçoivent une expérience, font des observations, analysent des données et présentent leurs résultats.

Les chercheurs ont appris de plusieurs études d’utilisateurs qui ont utilisé cette méthode localement avec des étudiants en biologie avancée du lycée Alisal à Salinas, et à l’étranger avec des étudiants de deux universités différentes en Bolivie et des étudiants multinationaux impliqués dans l’organisation à but non lucratif Science Clubs International. Les expériences ont été menées à Santa Cruz et San Francisco et accessibles complètement à distance par les étudiants. Les leçons de chaque groupe reflétaient le contexte local de l’élève et complétaient un programme déjà existant.

Le premier projet pilote du programme a débuté à l’automne 2020, au plus fort de la pandémie. Les programmes variaient entre les différents groupes et duraient généralement environ huit semaines. Les chercheurs se sont réunis chaque semaine pour des leçons avec certains des groupes d’étudiants, et avec d’autres groupes, ils ont donné un tutoriel sur la façon d’utiliser la technologie au début et leur ont permis de mener les expériences de manière indépendante.

Une expérience qui a été menée avec des étudiants à Salinas était un « essai clinique dans un plat » qui a permis aux étudiants de voir l’effet de nouveaux médicaments sur le neuroblastome, une tumeur cancéreuse, dans des lignées cellulaires. Dans d’autres expériences, les étudiants ont étudié la biocompatibilité de nanoparticules d’or et de graphène fabriquées sur mesure.

Les enquêtes menées à la fin des programmes d’étude des utilisateurs ont montré que cette méthode avait un impact positif sur l’identité STEM parmi les deux cohortes, bien que plus fortement parmi les étudiants boliviens, et a conduit à un intérêt global accru pour les étudiants participants. Ces résultats ont offert une opportunité de comprendre la motivation STEM parmi les populations Latinx sans l’extrapolation des conclusions d’une seule étude géographiquement limitée.

« Pour beaucoup de ces stratégies et politiques d’éducation, [researchers] J’aime penser qu’une étude réalisée dans une région particulière du monde est représentative pour éclairer la politique dans une autre partie du monde », a déclaré Mostajo-Radji. « Ici, pour la première fois, nous comparons en profondeur des groupes d’Hispaniques [in California] et les Hispaniques à l’étranger, dans le contexte de la même classe, de la même leçon et des mêmes expériences. »

Élargir le programme

L’équipe est maintenant en train de demander des subventions pour construire l’infrastructure nécessaire à l’expansion de ce travail. Ils envisagent une application qui permettrait aux étudiants du secondaire et des collèges communautaires de n’importe où dans le monde, qui autrement ne feraient pas de recherche, de concevoir et d’exécuter des expériences complètement à distance. Les chercheurs ont récemment créé le Live Cell Biotechnology Discovery Lab pour intensifier l’utilisation de leur technologie.

Idéalement, ils auraient des centaines de microscopes exécutant différentes expériences. Mostajo-Radji imagine que des étudiants de différentes parties du monde pourraient être dans le même groupe et apprendre ensemble des mêmes données.

Les chercheurs recherchent activement plus de partenaires par le biais de conférences pour créer des relations au-delà des écoles avec lesquelles ils ont travaillé pour cette étude. À cette fin, Mostajo-Radji a récemment été invité à rejoindre l’Académie nationale des sciences des États-Unis lors du Symposium international sur les frontières à Nairobi, au Kenya, pour partager cette idée et créer des partenariats éducatifs afin d’apporter ces technologies à davantage d’étudiants.

Les chercheurs souhaitent également aller au-delà de la microscopie. Les domaines d’intérêt comprennent les dispositifs pour enseigner la programmation par microfluidique et les techniques d’enseignement de l’électrophysiologie, l’étude des propriétés électriques des cellules et des tissus biologiques, aux apprenants non visuels.

« La microscopie, d’une certaine manière, était un fruit à portée de main », a déclaré Mostajo-Radji. « C’est juste le début. »

Les étudiants diplômés de l’UCSC Raina Sacksteder, Atesh Worthington, Kateryna Voitiuk et Victoria Ly ont tous été les principaux contributeurs à cette étude.