遥控显微镜为全球学生带来复杂的生物学教育

在世界各地的许多社区，学生在高中和大学生涯中追求STEM领域的能力和热情受到资源匮乏的限制，这使他们无法像同龄人一样学习复杂的、基于项目的课程。COVID-19大流行加剧了这些现有的教育不平等，需要新的解决方案来使进入该领域的机会民主化。

加州大学圣克鲁斯分校的研究人员开发了一种使用远程控制、联网显微镜的方法，使世界各地的学生都能参与设计和开展生物学实验。

Heliyon杂志上的一项新研究详细介绍了这种新颖且可扩展的框架，用于将基于项目的STEM教育带给那些否则无法访问的学生。研究人员在美国和拉丁美洲的几个拉丁裔社区的生物教室中实施了显微镜技术，并发现他们的技术是一种有效且可扩展的方法，可以让STEM中代表性不足的学生能够远程进行复杂的实验。

“很多实验室都可以将联网摄像头放入显微镜的视野中，”计算机工程博士PierreBaudin说。巴斯金工程学院的学生和论文的第一作者。“通过在本文中制定框架，我们的想法是创建一个路线图，以便任何感到某种使命或希望为他们的社区或其他人创建教育资源的实验室都可以建立类似的实验，允许传播这个概念。”

组织培养实验在高中甚至大学的头几年通常是闻所未闻的，但是在为这项研究运行的用户研究中，圣克鲁斯附近萨利纳斯山谷乡村的Alisal高中服务不足的高中学生能够进行这些实验.

MohammedMostajo说：“我们允许学生进行世界上[许多]学校通常不可行的实验，这些实验要么是因为材料危险，要么是因为设备昂贵，或者需要对教师和学生进行专门培训。”-Radji，这项研究的高级研究员。

开发新方法

虽然基于项目的学习已被证明是教授STEM概念的有效方法，但它受到诸如向孤立社区运送材料的成本和物流、有限的教师培训、资源不足的学校以及可能接触有害物质等障碍的限制。通过与教育非营利组织合作的丰富经验，UCSC基因组学研究所的Mostajo-Radji确定成功的解决方案必须具有可扩展性和可负担性，适应学校的当地环境，并允许学生充分探索科学方法。

Mostajo-Radji和参与该项目的UCSC基因组学研究所的许多其他研究人员认为，通过遥控显微镜进行复杂的生物学实验可能是符合这些标准的解决方案。

为这些远程实验提供支持的技术最初是为了让来自多个地理上分开的机构的研究人员能够作为一个名为Brainggeneres的多机构小组的一部分来合作进行干细胞研究。研究生Baudin和VictoriaLy开发了可以从世界任何地方远程控制显微镜的工具，从而能够对培养箱中的细胞培养物进行非侵入式观察。

前玻利维亚科学、技术和创新大使Mostajo-Radji认识到，在大流行期间教育公平差距不断扩大的情况下，显微镜技术可以用于远程教育。

“[遥控显微镜]不是为了教育目的而开发的，”Mostajo-Radji说。“我们所做的是吸取我们从[我的]和其他人的非营利性工作中吸取的很多教训，来构建一些非常了不起的东西。”

Mostajo-Radji认为，这篇论文首次描述了一种既真正远程又充分使用科学方法的方法，将探究和主动学习带入课程，这对于不太依赖记忆的学习者来说尤其重要。

向世界各地的学生学习

该论文概述了其他实验室和教室运行远程控制实验的框架，学生可以在其中设计实验、进行观察、分析数据并展示他们的发现。

研究人员从几项用户研究中获益，这些用户研究在当地与萨利纳斯Alisal高中的大学先修生物学学生以及来自玻利维亚两所不同大学的学生和参与非营利组织国际科学俱乐部的跨国学生一起使用这种方法。实验在圣克鲁斯和旧金山进行，学生可以完全远程访问。每个小组的课程都反映了学生的当地情况，并扩充了现有的课程。

该计划的第一个试点于2020年秋季大流行最严重的时候开始。项目因不同的组而异，通常运行大约八周。研究人员每周与一些学生组会面，并与其他组一起在开始时提供有关如何使用该技术的教程，并允许他们独立进行实验。

与萨利纳斯的学生一起进行的一项实验是“培养皿中的临床试验”，让学生看到新药对细胞系中神经母细胞瘤(一种癌性肿瘤)的影响。在其他实验中，学生们研究了定制金和石墨烯纳米粒子的生物相容性。

在用户研究计划结束时进行的调查表明，这种方法对两个群体的STEM认同产生了积极影响，尽管在玻利维亚学生中影响更大，并导致参与学生对STEM的整体兴趣增加。这些结果提供了一个机会来了解拉丁裔人群的STEM动机，而无需从单一的地理限制研究中推断结论。

“对于许多这样的教育战略和政策，[研究人员]喜欢认为在世界特定地区进行的研究具有代表性，可以为世界不同地区的政策提供信息，”Mostajo-Radji说。“在这里，我们第一次在完全相同的班级、完全相同的课程和完全相同的实验的背景下，彻底比较了[加利福尼亚]西班牙裔和国外西班牙裔的群体。”

扩展程序

该团队现在正在申请拨款来构建基础设施以扩展这项工作。他们设想了一款应用程序，可以让世界任何地方的高中生和社区大学生(他们可能不会以其他方式进行研究)完全远程地设计和执行实验。研究人员最近创建了活细胞生物技术发现实验室，以扩大其技术的使用范围。

理想情况下，他们会有数百台显微镜进行不同的实验。Mostajo-Radji想象来自世界不同地区的学生可以在同一个小组中，一起从相同的数据中学习。

研究人员正在通过会议积极寻找更多的合作伙伴，以在他们为这项研究合作的学校之外建立关系。为此，Mostajo-Radji最近受邀参加美国国家科学院在肯尼亚内罗毕举行的国际前沿研讨会，分享这一想法并建立教育合作伙伴关系，将这些技术带给更多学生。

研究人员还对超越显微镜感兴趣。感兴趣的领域包括通过微流体教授编程的设备，以及向非视觉学习者教授电生理学、生物细胞和组织的电特性研究的技术。

“在某种程度上，显微镜是一种唾手可得的成果，”Mostajo-Radji说。“这仅仅是个开始。”

UCSC研究生RainaSacksteder、AteshWorthington、KaterynaVoitiuk和VictoriaLy都是这项研究的主要贡献者。