遙控顯微鏡為全球?qū)W生帶來復(fù)雜的生物學教育

在世界各地的許多社區(qū)，學生在高中和大學生涯中追求 STEM 領(lǐng)域的能力和熱情受到資源匱乏的限制，這使他們無法像同齡人一樣學習復(fù)雜的、基于項目的課程。COVID-19 大流行加劇了這些現(xiàn)有的教育不平等，需要新的解決方案來使進入該領(lǐng)域的機會民主化。

加州大學圣克魯斯分校的研究人員開發(fā)了一種使用遠程控制、聯(lián)網(wǎng)顯微鏡的方法，使世界各地的學生都能參與設(shè)計和開展生物學實驗。

Heliyon雜志上的一項新研究詳細介紹了這種新穎且可擴展的框架，用于將基于項目的 STEM 教育帶給那些否則無法訪問的學生。研究人員在美國和拉丁美洲的幾個拉丁裔社區(qū)的生物教室中實施了顯微鏡技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)他們的技術(shù)是一種有效且可擴展的方法，可以讓 STEM 中代表性不足的學生能夠遠程進行復(fù)雜的實驗。

“很多實驗室都可以將聯(lián)網(wǎng)攝像頭放入顯微鏡的視野中，”計算機工程博士 Pierre Baudin 說。巴斯金工程學院的學生和論文的第一作者。“通過在本文中制定框架，我們的想法是創(chuàng)建一個路線圖，以便任何感到某種使命或希望為他們的社區(qū)或其他人創(chuàng)建教育資源的實驗室都可以建立類似的實驗，允許傳播這個概念。”

組織培養(yǎng)實驗在高中甚至大學的頭幾年通常是聞所未聞的，但是在為這項研究運行的用戶研究中，圣克魯斯附近薩利納斯山谷鄉(xiāng)村的 Alisal 高中服務(wù)不足的高中學生能夠進行這些實驗.

Mohammed Mostajo 說：“我們允許學生進行世界上 [許多] 學校通常不可行的實驗，這些實驗要么是因為材料危險，要么是因為設(shè)備昂貴，或者需要對教師和學生進行專門培訓(xùn)。” -Radji，這項研究的高級研究員。

開發(fā)新方法

雖然基于項目的學習已被證明是教授 STEM 概念的有效方法，但它受到諸如向孤立社區(qū)運送材料的成本和物流、有限的教師培訓(xùn)、資源不足的學校以及可能接觸有害物質(zhì)等障礙的限制。通過與教育非營利組織合作的豐富經(jīng)驗，UCSC 基因組學研究所的 Mostajo-Radji 確定成功的解決方案必須具有可擴展性和可負擔性，適應(yīng)學校的當?shù)丨h(huán)境，并允許學生充分探索科學方法。

Mostajo-Radji 和參與該項目的 UCSC 基因組學研究所的許多其他研究人員認為，通過遙控顯微鏡進行復(fù)雜的生物學實驗可能是符合這些標準的解決方案。

為這些遠程實驗提供支持的技術(shù)最初是為了讓來自多個地理上分開的機構(gòu)的研究人員能夠作為一個名為 Brainggeneres 的多機構(gòu)小組的一部分來合作進行干細胞研究。研究生 Baudin 和 Victoria Ly 開發(fā)了可以從世界任何地方遠程控制顯微鏡的工具，從而能夠?qū)ε囵B(yǎng)箱中的細胞培養(yǎng)物進行非侵入式觀察。

前玻利維亞科學、技術(shù)和創(chuàng)新大使 Mostajo-Radji 認識到，在大流行期間教育公平差距不斷擴大的情況下，顯微鏡技術(shù)可以用于遠程教育。

“[遙控顯微鏡]不是為了教育目的而開發(fā)的，”Mostajo-Radji 說。“我們所做的是吸取我們從 [我的] 和其他人的非營利性工作中吸取的很多教訓(xùn)，來構(gòu)建一些非常了不起的東西。”

Mostajo-Radji 認為，這篇論文首次描述了一種既真正遠程又充分使用科學方法的方法，將探究和主動學習帶入課程，這對于不太依賴記憶的學習者來說尤其重要。

向世界各地的學生學習

該論文概述了其他實驗室和教室運行遠程控制實驗的框架，學生可以在其中設(shè)計實驗、進行觀察、分析數(shù)據(jù)并展示他們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員從幾項用戶研究中獲益，這些用戶研究在當?shù)嘏c薩利納斯 Alisal 高中的大學先修生物學學生以及來自玻利維亞兩所不同大學的學生和參與非營利組織國際科學俱樂部的跨國學生一起使用這種方法。實驗在圣克魯斯和舊金山進行，學生可以完全遠程訪問。每個小組的課程都反映了學生的當?shù)厍闆r，并擴充了現(xiàn)有的課程。

該計劃的第一個試點于 2020 年秋季大流行最嚴重的時候開始。項目因不同的組而異，通常運行大約八周。研究人員每周與一些學生組會面，并與其他組一起在開始時提供有關(guān)如何使用該技術(shù)的教程，并允許他們獨立進行實驗。

與薩利納斯的學生一起進行的一項實驗是“培養(yǎng)皿中的臨床試驗”，讓學生看到新藥對細胞系中神經(jīng)母細胞瘤(一種癌性腫瘤)的影響。在其他實驗中，學生們研究了定制金和石墨烯納米粒子的生物相容性。

在用戶研究計劃結(jié)束時進行的調(diào)查表明，這種方法對兩個群體的 STEM 認同產(chǎn)生了積極影響，盡管在玻利維亞學生中影響更大，并導(dǎo)致參與學生對 STEM 的整體興趣增加。這些結(jié)果提供了一個機會來了解拉丁裔人群的 STEM 動機，而無需從單一的地理限制研究中推斷結(jié)論。

“對于許多這樣的教育戰(zhàn)略和政策，[研究人員]喜歡認為在世界特定地區(qū)進行的研究具有代表性，可以為世界不同地區(qū)的政策提供信息，”Mostajo-Radji 說。“在這里，我們第一次在完全相同的班級、完全相同的課程和完全相同的實驗的背景下，徹底比較了[加利福尼亞]西班牙裔和國外西班牙裔的群體。”

擴展程序

該團隊現(xiàn)在正在申請撥款來構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施以擴展這項工作。他們設(shè)想了一款應(yīng)用程序，可以讓世界任何地方的高中生和社區(qū)大學生(他們可能不會以其他方式進行研究)完全遠程地設(shè)計和執(zhí)行實驗。研究人員最近創(chuàng)建了活細胞生物技術(shù)發(fā)現(xiàn)實驗室，以擴大其技術(shù)的使用范圍。

理想情況下，他們會有數(shù)百臺顯微鏡進行不同的實驗。Mostajo-Radji 想象來自世界不同地區(qū)的學生可以在同一個小組中，一起從相同的數(shù)據(jù)中學習。

研究人員正在通過會議積極尋找更多的合作伙伴，以在他們?yōu)檫@項研究合作的學校之外建立關(guān)系。為此，Mostajo-Radji 最近受邀參加美國國家科學院在肯尼亞內(nèi)羅畢舉行的國際前沿研討會，分享這一想法并建立教育合作伙伴關(guān)系，將這些技術(shù)帶給更多學生。

研究人員還對超越顯微鏡感興趣。感興趣的領(lǐng)域包括通過微流體教授編程的設(shè)備，以及向非視覺學習者教授電生理學、生物細胞和組織的電特性研究的技術(shù)。

“在某種程度上，顯微鏡是一種唾手可得的成果，”Mostajo-Radji 說。“這僅僅是個開始。”