遙控顯微鏡為全球?qū)W生帶來復(fù)雜的生物學(xué)教育

在世界各地的許多社區(qū)，學(xué)生在高中和大學(xué)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(xué)習(xí)復(fù)雜的、基于項(xiàng)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(jìn)入該領(lǐng)域的機(jī)會民主化。

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

Heliyon雜志上的一項(xiàng)新研究詳細(xì)介紹了這種新穎且可擴(kuò)展的框架，用于將基于項(xiàng)目的 STEM 教育帶給那些否則無法訪問的學(xué)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(shí)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(kuò)展的方法，可以讓 STEM 中代表性不足的學(xué)生能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

“很多實(shí)驗(yàn)室都可以將聯(lián)網(wǎng)攝像頭放入顯微鏡的視野中，”計算機(jī)工程博士 Pierre Baudin 說。巴斯金工程學(xué)院的學(xué)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(shí)驗(yàn)室都可以建立類似的實(shí)驗(yàn)，允許傳播這個概念。”

組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在高中甚至大學(xué)的頭幾年通常是聞所未聞的，但是在為這項(xiàng)研究運(yùn)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(xué)生能夠進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn).

Mohammed Mostajo 說：“我們允許學(xué)生進(jìn)行世界上 [許多] 學(xué)校通常不可行的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)要么是因?yàn)椴牧衔ｋU，要么是因?yàn)樵O(shè)備昂貴，或者需要對教師和學(xué)生進(jìn)行專門培訓(xùn)。” -Radji，這項(xiàng)研究的高級研究員。

開發(fā)新方法

雖然基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)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(yùn)送材料的成本和物流、有限的教師培訓(xùn)、資源不足的學(xué)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(yàn)，UCSC 基因組學(xué)研究所的 Mostajo-Radji 確定成功的解決方案必須具有可擴(kuò)展性和可負(fù)擔(dān)性，適應(yīng)學(xué)校的當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并允許學(xué)生充分探索科學(xué)方法。

Mostajo-Radji 和參與該項(xiàng)目的 UCSC 基因組學(xué)研究所的許多其他研究人員認(rèn)為，通過遙控顯微鏡進(jìn)行復(fù)雜的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)可能是符合這些標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

為這些遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)的研究人員能夠作為一個名為 Brainggeneres 的多機(jī)構(gòu)小組的一部分來合作進(jìn)行干細(xì)胞研究。研究生 Baudin 和 Victoria Ly 開發(fā)了可以從世界任何地方遠(yuǎn)程控制顯微鏡的工具，從而能夠?qū)ε囵B(yǎng)箱中的細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行非侵入式觀察。

前玻利維亞科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新大使 Mostajo-Radji 認(rèn)識到，在大流行期間教育公平差距不斷擴(kuò)大的情況下，顯微鏡技術(shù)可以用于遠(yuǎn)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(rèn)為，這篇論文首次描述了一種既真正遠(yuǎn)程又充分使用科學(xué)方法的方法，將探究和主動學(xué)習(xí)帶入課程，這對于不太依賴記憶的學(xué)習(xí)者來說尤其重要。

向世界各地的學(xué)生學(xué)習(xí)

該論文概述了其他實(shí)驗(yàn)室和教室運(yùn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的框架，學(xué)生可以在其中設(shè)計實(shí)驗(yàn)、進(jìn)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(xiàng)用戶研究中獲益，這些用戶研究在當(dāng)?shù)嘏c薩利納斯 Alisal 高中的大學(xué)先修生物學(xué)學(xué)生以及來自玻利維亞兩所不同大學(xué)的學(xué)生和參與非營利組織國際科學(xué)俱樂部的跨國學(xué)生一起使用這種方法。實(shí)驗(yàn)在圣克魯斯和舊金山進(jìn)行，學(xué)生可以完全遠(yuǎn)程訪問。每個小組的課程都反映了學(xué)生的當(dāng)?shù)厍闆r，并擴(kuò)充了現(xiàn)有的課程。

該計劃的第一個試點(diǎn)于 2020 年秋季大流行最嚴(yán)重的時候開始。項(xiàng)目因不同的組而異，通常運(yùn)行大約八周。研究人員每周與一些學(xué)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(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

與薩利納斯的學(xué)生一起進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是“培養(yǎng)皿中的臨床試驗(yàn)”，讓學(xué)生看到新藥對細(xì)胞系中神經(jīng)母細(xì)胞瘤(一種癌性腫瘤)的影響。在其他實(shí)驗(yàn)中，學(xué)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(jìn)行的調(diào)查表明，這種方法對兩個群體的 STEM 認(rèn)同產(chǎn)生了積極影響，盡管在玻利維亞學(xué)生中影響更大，并導(dǎo)致參與學(xué)生對 STEM 的整體興趣增加。這些結(jié)果提供了一個機(jī)會來了解拉丁裔人群的 STEM 動機(jī)，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(rèn)為在世界特定地區(qū)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(kuò)展程序

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在申請撥款來構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施以擴(kuò)展這項(xiàng)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(xué)生(他們可能不會以其他方式進(jìn)行研究)完全遠(yuǎn)程地設(shè)計和執(zhí)行實(shí)驗(yàn)。研究人員最近創(chuàng)建了活細(xì)胞生物技術(shù)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室，以擴(kuò)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(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)。Mostajo-Radji 想象來自世界不同地區(qū)的學(xué)生可以在同一個小組中，一起從相同的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。

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(xiàng)研究合作的學(xué)校之外建立關(guān)系。為此，Mostajo-Radji 最近受邀參加美國國家科學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)者教授電生理學(xué)、生物細(xì)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。”