Τα βιολογικά μακρομόρια είναι σύνθετα συστήματα με πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές, οι οποίες είναι δύσκολο για τους μαθητές να οπτικοποιήσουν.Στις αίθουσες διδασκαλίας οι πρωτεΐνες απεικονίζονται κυρίως μέσω των εικόνων του βιβλίου ή στην καλύτερη των περιπτώσεων μέσω φυσικών μοντέλων, περιορίζοντας την ικανότητα των μαθητών να παρακολουθούν και κατά συνέπεια να ερμηνεύουν και να κατανοούν τα τρισδιάστατα χαρακτηριστικά τους.Η εξέλιξη όμως της τεχνολογίας δεν θα μπορούσε να μην αγγίξει την επιστήμη της Βιολογίας!Τα τεχνολογικά εργαλεία που βοηθούν την μοντελοποίηση του υπομικροσκοπικού κόσμου των μορίων γίνονται όλο και πιο εξελιγμένα. Η μοντελοποίηση μέσω Η/Υ δεν είναι μόνο χρήσιμη για την αυθεντική βιοχημική έρευνα αλλά και για τις αίθουσες διδασκαλίας της βιολογίας, για τη μάθηση σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία των πρωτεϊνών.Έχουν εντοπιστεί 5 διαφορετικοί παράγοντες που σχετίζονται με τη φύση των μοντέλων που θα έπρεπε να γίνονται κατανοητοί από του μαθητές.Αυτοί είναι: η μεταβαλλόμενη φύση των μοντέλων, μοντέλα ως ακριβή αντίγραφα, μοντέλα ως επεξηγηματικά εργαλεία, μοντέλα ως πολλαπλές αναπαραστάσεις, και χρήσεις των επιστημονικών μοντέλων. Την αξία της χρήσης των τεχνολογικών αυτών εργαλείων προσεγγίζει η παρακάτω έρευνα των τμημάτων Πρόγραμμα σπουδών και Διδασκαλίας, Χημείας και Βιοχημείας του Πανεπιστημίου Arkansas
ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ
Ένας δηλωμένος στόχος των Προτύπων της Επιστήμης Νέας Γενιάς (Next Generation Science Standards είναι να προσελκύσουν μαθητές στις πραγματικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται από επαγγελματίες επιστήμονες.Στα πλαίσια αυτού του στόχου διεξήχθη η παρούσα μελέτη. Σε αίθουσες διδασκαλίας Βιολογίας στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση γίνεται εισαγωγή ενός επαγγελματικού λογισμικού προγράμματος μοριακής μοντελοποίησης που χρησιμοποιείται από ερευνητές βιοχημικούς για την οπτικοποίηση πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων. Σκοπός της έρευνας είναι να ανακαλύψει τις πιθανές επιπτώσεις όσον αφορά τις αντιλήψεις για τη φύση των μακρομορίων που θα επιφέρει η χρήση του προγράμματος τόσο στους μαθητές όσο και στους εκπαιδευτικούς. Απώτερος στόχος είναι:
• H ενθάρρυνση των μαθητών στην ανάλυση μοντέλων μέσω της χρήσης ενόςεξαιρετικά αυθεντικού εργαλείου με στόχο την θετική επιρροή των αντιλήψεών τους για τη φύση των μοντέλων.
• Ένας άλλος στόχος είναι η προσέλκυση του ενδιαφέροντος των μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης σχετικά με το τι ακριβώς χρησιμοποιούν οι Βιοχημικοί ερευνητές.
• Η εξέταση των στάσεων και των εντυπώσεων τόσο των εκπαιδευτικών όσο και των μαθητών όσον αφορά τη χρήση του προγράμματος θα δώσουν ισχυρό έναυσμα για διερεύνηση ενδεχομένως διαφορετικών και ίσως περισσότερο αποτελεσματικών χρήσεων του στο μέλλον.
ΠΛΑΙΣΙΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΑ ΜΕΛΕΤΗ
Η μελέτη διεξήχθη σε ένα μεγάλο δημόσιο Λύκειο στις νότιες Η.Π.Α από δύο εκπαιδευτικούς Βιολόγους σε συνεργασία με έναν βοηθό καθηγητή στη διδακτική των φυσικών επιστημών καθώς και με έναν βοηθό καθηγητή Χημείας, με εξειδίκευση στη μοριακή μοντελοποίηση των βιοχημικών δομών. Αυτοί οι δύο βοηθοί καθηγητών εκπαίδευσαν τους εκπαιδευτικούς πάνω στη χρήση του προγράμματος Visual Molecular Dynamics.Εν συνεχεία οι εκπαιδευτικοί με τη βοήθεια του τεχνολογικού προσωπικού του σχολείου εγκατέστησαν το πρόγραμμα στους υπολογιστές του σχολείου. Οι μαθητές που συμμετείχαν στην έρευνα ήταν μαθητές 14-16 ετών, με βαθμό στο μάθημα της βιολογίας 9 ή 10 και δεν είχαν ξανασυμμετάσχει σε πρόγραμμα μοριακής μοντελοποίησης με χρήση Η/Υ.Ο βαθμός των εμπειριών των μαθητών σε διαδικασίες μοντελοποίησης ήταν με φυσικά μοντέλα μικρών μορίων (π.χ Η20).Η δραστηριότητα που πραγματοποιήθηκε στην τάξη ήταν διάρκειας 1,5 ώρα και οι μαθητές δούλεψαν σε μικρές ομάδες.Το περιεχόμενο της δραστηριότητας είχε να κάνει με τη διερεύνηση μια γενετικής ασθένειας ή διαταραχής και της σχετιζόμενης με αυτή πρωτεΐνη.Στη συνέχεια οι μαθητές έκαναν αναζήτηση στη Protein Data Bank για να βρουν και να κατεβάσουν ένα ψηφιακό αρχείο της προς αναζήτηση πρωτεΐνης και να την αποδώσουν σε τρισδιάστατη δομή με τη χρήση του προγράμματος Visual Molecular Dynamics. Όσον αφορά την επιλογή του προγράμματος Visual Molecular Dynamics κύριος λόγος ήταν για να δοθεί η ευκαιρία στους μαθητές να χρησιμοποιήσουν πραγματικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται από ερευνητές Βιοχημικούς, και συνεπώς να τους επιτραπεί μια ενδεχομένως πιο εμπεριστατωμένη συμμετοχή σε αυθεντικές επιστημονικές πρακτικές.
Το σχήμα εμφανίζειπολλές διαφορετικές αναπαραστάσιες της ίδιας πρωτεΐνης που αποδίδονται μέσω τουπρογράμματος Visual Molecular Dynamics.Η πρωτεϊνική δομή που φαίνεται στο σχήμα είναι μία από τις αρκετές κρυσταλλικέςδομές που σχετίζονται με τη νόσο του Huntington που έχει κατατεθεί στην Protein Data Bank.Η νόσος του Huntington είναι μία από τις 12 ασθένειες που προκλήθηκαναπό «αλλοιωμένες ή ελλειπούσες πρωτεΐνες» που οι μαθητές μπορουσαν να επιλέξουνγια μοντελοποίηση.
ΜΕΘΟΔΟΣ
Χρησιμοποιήθηκε μία έρευνα που δημιουργήθηκε από τους Treagust et al, πριν και μετά την εκπαιδευτική χρήση του προγράμματος και ερευνήθηκαν τυχόν αλλαγές στην κατανόηση της φύσης των μοντέλων στην επιστήμη.Η έρευνα αποτελείται από μια σειρά δηλώσεων σχετικά με τα μοντέλα και τη χρήσητους στην επιστήμη.Κάθε μία από αυτές τις δηλώσεις έχει ως στόχο την καταγραφή των αντιλήψεων μίας από τις 5 πτυχές της φύσης των μοντέλων.Το σκεπτικό γι αυτό ήταν ότι θα μπορούσαν ενδεχομένως να γίνουν ισχυρισμοί σχετικά με την αλλαγή απόψεων γιατη φύση των μοντέλων με την πάροδο του χρόνου. Ο περιορισμός σε αυτή την προσέγγιση είναι ότι μία ποικιλία επιρροών στην τάξη επιπρόσθετα με τη χρήσητου ειδικού λογισμικού προγράμματος θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο στην ανάπτυξητης αντίληψης των μαθητών για τα μοντέλα.Για υπερκεραστεί αυτός οπεριορισμός, ζητήθηκε συγκεκριμένα από τους μαθητές στη δεύτερη έρευνα,μέσω ενός ανοιχτού τύπου ερωτηματολογίου,να μας πουν εάν πίστευαν ότι έμαθαν κάτι για τα μοντέλαειδικά ως αποτέλεσμα της χρήσης του λογισμικού Visual Molecular Dynamics. Το t-test επιλέχθηκε να αναλύσει τα δεδομένα τηςέρευνας δεδομένου ότι υπήρξε μια πρώτη και μία δεύτερη έρευνα και οι 2 έρευνες τωνμαθητών θα μπορούσαν να συνδυαστούν.Επιπροσθέτως της έρευνας παρατηρήσαμε την χρήση, εντός της σχολικής αίθουσας, του προγράμματος Visual Molecular Dynamics σε κάθε μία από τις τάξεις, πήραμε συνέντευξη και απότους 2 εκπαιδευτικούςσχετικά με τις προοπτικές του προγράμματος, και πήραν συνέντευξηαπό 3 μαθητές για τη γνώμητους για το πρόγραμμα.Συνεντεύξεις αναλύθηκαν σύμφωνα με μεθόδους νατουραλιστικής έρευνας χρησιμοποιώντας μια μορφή σταθεράς συγκριτικής ανάλυσης.
ΕΥΡΗΜΑΤΑ
Συνολικά,οι αντιλήψεις των μαθητών για 4 από τις 5 πτυχές της φύσηςτων μοντέλων αυξήθηκε σημαντικά από την πρώτη στη δεύτερη έρευνα βάση μίαςανάλυσης της έρευνας. Οι κατανοήσεις μίας εκ των πτυχών (μοντέλα ως ακριβή αντίγραφα) μειώθηκαν από την πρώτη στη δεύτερη έρευνα, αλλά όχι σε σημαντικό βαθμό, δεδομένου ότι είναι μία πτυχή που οι μαθητές κατανόησαν ελάχιστα προτού δουλέψουν με το πρόγραμμα Visual Molecular Dynamics. Παρατηρείται ότι οι πτυχές της φύσης των μοντέλων (μοντέλα ως ακριβή αντίγραφα, μοντέλα ως πολλαπλές αναπαραστάσεις, χρήση επιστημονικών μοντέλων) τις οποίες οι μαθητές ήταν δυσκολότερο να κατανοήσουν πριν τη χρήση του προγράμματος εξακολούθησαν να είναι οι πιο δύσκολες στην κατανόηση και μετά τη χρήση του προγράμματος.Ωστόσο, οι αντιλήψεις των μαθητών γι αυτά (μοντέλα ως πολλαπλές αναπαραστάσεις και τη χρήση επιστημονικών μοντέλων)βελτιώθηκε σημαντικά μετά την χρήση αυτών των προγραμμάτων. Από τους 2 εκπαιδευτικούς βιολογίας,και οι δύο είχαν κάποια θετικά να πουν για τη χρήση του Visual Molecular Dynamics μέσα στην τάξη. Η κύρια ένσταση των εκπαιδευτικών για το πρόγραμμα είχε να κάνει με τις προκλήσεις της χρήσης του ως επαγγελματικό εργαλείο παρά ως εκπαιδευτικό. Η πολύπλοκη και πολύπλευρη φύση του προγράμματος οδήγησε στην αίσθηση αδυναμίας της εκπαιδευτικού να βοηθήσει τους μαθητές της στο βαθμό που θα επιθυμούσε. Οι μαθητές συνολικά είχαν μια θετική αντίληψη για τη χρήση του προγράμματος Visual Molecular Dynamics στην σχολική αίθουσα.Περίπου το 70% των συμμετεχόντων μαθητών εντοπίστηκε ότι,στη δεύτερη έρευνα στις ερωτήσεις ανοιχτού τύπου,είχαν μάθει κάτι για τα μοντέλα και την μοντελοποίηση, ιδιαίτερα ως αποτέλεσμα της χρήσης τουπρογράμματος Visual Molecular Dynamics. Κατά προσέγγιση το 18% των μαθητών πίστευε ότι δεν είχε επωφεληθεί από τη χρήση του προγράμματος.Το βασικό τους παράπονο σχετιζόταν με την πολυπλοκότητα της χρήσης ενός επαγγελματικού εργαλείου που δεν είναι σχεδιασμένο για χρήση σε αίθουσες διδασκαλίας επιστημών, δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Στις συνεντεύξεις των μαθητών,οι τρεις μαθητές από τους οποίους είχαμε πάρει συνέντευξη είχαν κάποια πράγματα να πουν σχετικά με την χρήση του προγράμματος.Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα πράγματα κατέδειξε ότι τείνουν να εκτιμούν τις δυνατότητες που τους δίνει το υπολογιστικό πρόγραμμα κάτι που δενθα ήταν εφικτό μόνο με τη χρήση φυσικών μοντέλων
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Οι αντιλήψεις φοιτητών και καθηγητών για το πρόγραμμα έδειξαν μία εκτίμηση για την αυθεντική φύση του προγράμματος και τις δυνατότητες της, όταν χρησιμοποιείται για την απόδοση της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών.Οι εκπαιδευτικοί ανέφεραν ένα γενικό επίπεδο απογοήτευσης όσον αφορά την έλλειψητης εμπειρίας τους με το πρόγραμμα και την αδυναμία τους να ξεκλειδώσουν το πλήρες δυναμικό του,εξαιτίας της μη ικανότητάς τους να έχουν πρόσβαση σε όλες τις λειτουργίες του προγράμματος.Αξίζει να σημειωθεί ότι, η έρευνα αποδεικνύει ότι εξαιρετικά, αυθεντικά λογισμικά μοριακής μοντελοποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κάποιο αποτέλεσμα μέσα στις σχολικές αίθουσες Βιολογίας.Μέσω της ερευνητικής εργασίας γίνεται ενθάρρυνση στους εκπαιδευτικούς Βιολογίας να συνεργαστούν με ερευνητές και να βρουν δημιουργικούς τρόπους να προσελκύσουν τους μαθητές τους σε πρακτικές που είναι πολύ παρόμοιες με εκείνες που συμμετέχουν οι ερευνητές.