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 connectés à Internet pour permettre aux étudiants du monde entier de participer à la conception et à la réalisation d’expériences biologiques.

Nouvelle étude dans la revue voyou détaille ce nouveau cadre évolutif pour apporter l’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 hispaniques 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, Ph.D. en génie informatique. étudiant à la Baskin School of Engineering et premier auteur de l’article. “En mettant en place le cadre de 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 une sorte d’expérience similaire, permettant à ce concept se répandre. »

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 à Alisal High School dans la vallée rurale de Salinas près de Santa Cruz ont peut-être vécu de telles expériences. .

“Nous permettons aux étudiants de faire des expériences qui ne sont pas possibles autrement [many] écoles du monde entier, soit parce que les matériaux sont dangereux, soit parce que l’équipement est cher, soit parce qu’il nécessite une formation spéciale pour les enseignants et les élèves », a déclaré Mohammed Mostajo-Radji, chercheur principal de l’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 de l’envoi de matériel aux communautés isolées, la formation limitée des enseignants, les écoles sous-financées et l’exposition potentielle à des matières dangereuses. Grâce à une vaste expérience de travail avec des organisations à but non lucratif éducatives, 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 de l’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 pourrait être une solution répondant à ces critères.

La technologie qui pilote 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 permettant de contrôler à distance des microscopes 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 au milieu de l’élargissement du fossé éducatif pendant la pandémie.

“[The remote-controlled microscopes] ils n’ont pas été développés à des fins éducatives », a déclaré Mostajo-Radji. “Ce que nous avons fait, c’est tirer une grande partie des leçons que nous avons tirées de mon travail à but non lucratif et du travail des autres pour construire quelque chose de très 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 cours, 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 mener des expériences contrôlées à distance, 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 la méthode localement avec des étudiants avancés en biologie 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 les étudiants y ont accédé à distance. Les leçons pour chaque groupe reflétaient le contexte local de l’élève et complétaient le programme existant.

Le premier programme pilote 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 une fois par semaine pour des conférences avec certains groupes d’étudiants, et ont d’abord donné à d’autres groupes des instructions sur la façon d’utiliser la technologie et leur ont permis de mener des expériences de manière indépendante.

Une expérience menée avec des étudiants de Salinas était un “essai clinique dans une boîte” qui a permis aux étudiants de voir l’effet de nouveaux médicaments sur le neuroblastome, une tumeur cancéreuse, dans une lignée cellulaire. 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 groupes, 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 hispaniques sans extrapoler les résultats d’une étude géographiquement limitée.

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“Pour nombre de ces stratégies et politiques éducatives, [researchers] J’aime à penser qu’une étude menée 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 les groupes hispaniques [in California] et hispaniques à l’étranger, dans le cadre de la même classe, de la même leçon et des mêmes expériences.

Développer le programme

L’équipe est maintenant en train de demander des subventions pour construire l’infrastructure nécessaire à l’expansion de cette entreprise. Ils envisagent une application qui permettrait aux étudiants du secondaire et du collégial partout dans le monde qui ne seraient pas autrement impliqués dans la recherche de concevoir et d’exécuter des expériences complètement à distance. Les chercheurs ont récemment créé le Live Cell Biotechnology Discovery Lab pour accroître 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 à partir des mêmes données.

Les chercheurs recherchent activement plus de partenaires par le biais de conférences pour établir des relations au-delà des écoles avec lesquelles ils ont travaillé dans cette étude. À cette fin, Mostajo-Radji a récemment été invité à se joindre au symposium sur les frontières internationales de l’Académie nationale des sciences des États-Unis à Nairobi, au Kenya, pour partager cette idée et créer des partenariats éducatifs afin d’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 tissus biologiques, pour les apprenants non visuels.

“La microscopie, d’une certaine manière, était un 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 grandement contribué à cette étude. Ce travail a été soutenu par la Schmidt Futures Initiative et la National Science Foundation.

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