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 élèves à s’engager dans les STEM 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 connectés à Internet pour permettre aux étudiants du monde entier de collaborer à la planification et à la réalisation d’expériences biologiques.

Nouvelle étude dans la revue enfer détaille ce nouveau cadre évolutif pour fournir une éducation STEM basée sur des projets aux étudiants qui n’y auraient peut-être pas accès autrement. Les chercheurs ont mis en œuvre la technologie de microscopie dans les salles de classe de biologie de plusieurs communautés latino-américaines aux États-Unis et en Amérique latine et ont trouvé que leur technologie était une approche efficace et évolutive pour permettre aux étudiants sous-représentés en STEM de mener des expériences complexes à distance.

“Prendre une caméra connectée à Internet et la mettre dans un télescope de microscope est quelque chose que de nombreux laboratoires pourraient faire”, a déclaré Pierre Baudin, docteur en génie informatique. étudiant à la Baskin School of Engineering et premier auteur de l’article. “L’idée de définir le cadre dans cet article était de créer un plan directeur 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 établir une sorte d’expérience similaire qui permettra au concept de se propager. .”

Les expériences de culture de tissus sont généralement inconnues au lycée et même au début des années universitaires, mais dans les études d’utilisateurs menées pour cette recherche, les élèves du secondaire du lycée Alisal dans la vallée rurale de Salinas près de Santa Cruz ont peut-être vécu ces expériences. .

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

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Développement d’une 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. Mostajo-Radji de l’UCSC Genomics Institute, sur la base d’une vaste expérience de travail avec des organisations à but non lucratif dans le domaine de l’éducation, a déterminé qu’une solution réussie doit être évolutive et abordable, adaptable au contexte local de l’école et permettre aux étudiants d’explorer pleinement la méthode scientifique.

Mostajo-Radji et plusieurs autres chercheurs de l’UCSC Genomics Institute impliqués dans ce projet pensent que la réalisation d’expériences biologiques complexes avec 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-institutionnel appelé Braingeneers. Les étudiants diplômés Baudin et Victoria Ly ont développé un outil pour contrôler les microscopes à distance de n’importe où dans le monde afin de permettre l’observation non invasive de cultures cellulaires dans des incubateurs.

Mostajo-Radji, qui était auparavant ambassadeur de la Bolivie pour la science, la technologie et l’innovation, a reconnu que la technologie microscopique pourrait être utilisée pour l’enseignement à distance dans un contexte d’élargissement des écarts d’éducation pendant la pandémie.

“[The remote-controlled microscopes] ils n’ont pas été développés à des fins éducatives », a déclaré Mostajo-Radji. “Nous avons tiré beaucoup de leçons de mon travail à but non lucratif et du travail des autres pour construire quelque chose de très remarquable.”

Mostajo-Radji estime que cet article est le premier à décrire une méthode à la fois véritablement distante et utilisant pleinement la méthode scientifique, introduisant la recherche et l’apprentissage actif en classe, ce qui peut être particulièrement important pour les élèves qui apprennent moins par cœur. .

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Apprenez des étudiants du monde entier

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

Les chercheurs ont appris de plusieurs études d’utilisateurs qui ont utilisé la méthode localement avec des étudiants en biologie avancée du lycée Alisal de 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. Des expériences ont été menées à Santa Cruz et à San Francisco et ont été accessibles entièrement à distance par les étudiants. Les leçons pour chaque groupe reflétaient le contexte local des élèves et complétaient le programme existant.

Le premier programme pilote a été lancé 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 en classe avec certains groupes d’étudiants, tandis que d’autres groupes ont reçu un tutoriel sur la façon d’utiliser initialement la technologie et ont été autorisés à mener des expériences de manière indépendante.

L’une des expériences menées avec les étudiants de Salinas était un “essai clinique dans une boîte” qui a permis aux étudiants de voir l’effet des 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 effet positif sur l’identité STEM parmi les deux cohortes, bien que plus fortement parmi les étudiants boliviens, et a entraîné un intérêt global accru chez les étudiants participants. Ces résultats ont permis de comprendre la motivation STEM parmi la population latino-américaine sans extrapoler les résultats d’une étude géographiquement limitée.

« Pour bon nombre de ces stratégies et politiques éducatives, [researchers] J’aime à penser qu’une étude réalisée dans une certaine région du monde est représentative de la façon dont elle informe 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 hispaniques à l’étranger, dans le cadre de la même classe, de la même leçon et de la même expérience.

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Développer 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 de n’importe où dans le monde de planifier et de réaliser des expériences complètement à distance qui, autrement, ne seraient pas engagées dans la recherche. Les chercheurs ont récemment créé le Live Cell Biotechnology Discovery Lab pour accroître l’utilisation de leur technologie.

Idéalement, vous auriez 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 à partir des mêmes données.

Les chercheurs recherchent activement plus de partenaires par le biais de conférences pour établir des relations en dehors 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 pour apporter ces technologies à davantage d’étudiants.

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

“La microscopie était une sorte de fruit à portée de main”, a déclaré Mostajo-Radji. “Ce n’est que le début.”

Les étudiants diplômés de l’UCSC Raina Sacksteder, Atesh Worthington, Kateryna Voitiuk et Victoria Ly ont tous contribué de manière significative à cette étude. Ce travail a été soutenu par la Schmidt Futures Initiative et la National Science Foundation.

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