W Labs Biologia On-Line projektu: Produkcja edukacyjne Symulacje promujące aktywne nauki


The Biology Labs On-Line Project: Producing Educational Simulations That Promote Active Learning
Copyright © By Jeffrey Bell
For original English text, go to: http://www.stanford.edu/~learnest/cart.htm

Abstrakcyjny
W Labs Biologia On-Line projektu jest próba stworzenia symulacji ważnych eksperymentów biologii, że studenci zazwyczaj nie mogą wykonywać w typowych licencjackich laboratoriach. Wszystkie symulacje mają wystarczająco dużo skomplikowania, że ​​uczniowie mają swobodę projektowania i interpretowania własnych eksperymentów. Programy generowania dużych ilości danych i są wystarczająco szybkie dla studentów do wielu eksperymentów, tworząc możliwość dla studentów do uzyskania dużej wprawy w stosowaniu metod naukowych. Symulacje są napisane w Javie i są dostępne za pośrednictwem sieci World Wide Web, dzięki czemu są łatwo dostępne dla studentów zawsze i wszędzie. Dziewięć z symulacji, obejmująca tematy ewolucji, genetyki Mendla, tłumaczenie białko ludzkie demografia populacji, białko struktura-funkcja, Genetyki Człowieka mitochondrialnego transportu elektronów, układu krążenia fizjologia i fotosynteza są już zakończone, z sześciu bardziej planowane latem 2000 .

1. Wprowadzenie
1,1. Pedagogicznej Motywacja
Głównym brak w dużo prądu instrukcją nauki na poziomie uniwersyteckim jest odpowiednie aktywne doświadczenia edukacyjne. Studenci w wielu kursach nauki wciąż zbyt mało szans na przemyślenie i rozumu temat problemów naukowych. Dobrze zaprojektowane eksperymenty laboratoryjne dostarczają najlepszych sposobów, aby dać studentom możliwość zapoznania się z tematem science podczas rozwijania umiejętności myślenia większości instruktorzy jako cel ich kursu. Jednakże, istnieje wiele ograniczeń w korzystaniu z rzeczywistych eksperymentów laboratoryjnych w licencjackich lub wysokiej Oczywiście nauki szkolnej. Studenci w edukacyjnych laboratoriach są poważnie ograniczone przez czas potrzebny do najpoważniejszych śledztw. Typowy laboratorium dla klasy biologii będą spotykać się raz lub dwa razy w tygodniu po dwie trzy godziny za każdym razem. To ograniczenie czasu jest główną przeszkodą dla wprowadzających studentów, którzy próbują nauczyć się być naukowcem. Wiele ważnych biologicznych eksperymentów potrwać kilka tygodni, miesięcy lub lat do przeprowadzenia, co stawia je daleko poza zasięgiem typowym laboratorium nauczania. Wiele innych barier ograniczyć wybór eksperymentów w laboratoriach dydaktycznych, w tym braku odpowiedniego sprzętu, niewystarczających środków dla drogich odczynników, ograniczenia dotyczące stosowania niebezpiecznych substancji chemicznych oraz materiałów promieniotwórczych, brak umiejętności technicznych przez studentów i kwestii etycznych.

W wyniku tych trudności, większość profesorów albo skoncentrować się na wykorzystaniu czasu laboratoryjnej, aby zapewnić studentom możliwość praktykowania bycia naukowcem przeprowadzając zapytanie prowadzenia dochodzeń, lub wykazać zasad naukowych przez studentów o przeprowadzenie dokładnie kontrolowanych eksperymentów zaprojektowanych przez instruktora. W obu przypadkach głównym mechanizmem uczniów do nauki przedmiotu jest tradycyjny wykład. Głównym trendem w obecnych prób poprawy nauczania przedmiotów ścisłych jest próbować zastąpić statyczne wykłady z bardziej aktywnych metod nauczania. Chociaż istnieje wiele wersji „aktywnego uczenia się“ w naukach podejście badanie jest często używane. Jedna z wersji jest to metoda uczenia się cykl, w którym studenci badać zjawiska biologiczne przed otrzymaniem wyjaśnień od instruktora. Inne aspekty podejścia zapytania zawierać konieczności studenci zaproponować własne hipotezy i projektowania, realizacji i interpretacji swoje własne eksperymenty, aby przetestować swoją hipotezę (Lawson, et. Al, 1990, Uno, 1999). W National Research Council Standardy Edukacja Nauka uważają to centralna strategia nauczania przedmiotów ścisłych (NRC, 1995). Oprócz nauczyć się myśleć jak naukowcy, uczniowie uczą się pojęcia i fakty przedmiotu lepiej, gdy mają zastosowanie wiedzy. Chociaż istnieje wiele sposobów, aby wykład Więcej dochodzenia w oparciu (patrz „Podręcznik do nauczania studia licencjackie“ Uno, 1999), jeden bardzo użyteczną alternatywą jest wykorzystanie symulacji (Windschitl, 1998, Uno, 1999). Aby rozwiązać te problemy laboratoriach biologii On-Line projekt stworzył kilka symulacji Java zjawisk biologicznych, które mogą być wykorzystane do uzupełnienia tradycyjnych laboratoriów i wykładów, zapewniając studentom wiele więcej możliwości uczenia się przez eksperymenty, niż jest to możliwe przy użyciu tradycyjnych metod.

W Labs Biologia On-Line projektu jest elementem California State University Systemu (CSU) Zintegrowana Strategia Technologii (ITS), który wzywa do dowolnym miejscu i czasie dostępu do informacji. Projekt początkowo zgromadził biologów z całego systemu CSU i centrum CSU dla Distributed Learning (CDL) w celu zbadania sposobów wykorzystania technologii w celu poprawy uczenia się kursów wprowadzających biologii. Później, multimedialne programiści z Addison Wesley Longman zostały dodane do zespołu rozwoju. Głównym celem współpracy było umożliwienie studentom uczyć się, jak biolodzy zrobić, to znaczy, aktywnie projektowaniu eksperymentów i interpretowania ich wyników. Wyeliminowanie ograniczeń czasowych tradycyjnego eksperymentu, symulacje dają studentom możliwość projektowania i interpretować doświadczenia, uczyć się na własnych błędach, a do przeglądu i ponowić swoje eksperymenty, podobnie jak prawdziwych naukowców. Symulacje nie mają zastąpić tradycyjne „mokre Labs“ znajdujące się w normalnym toku biologii, ale raczej rozszerzyć doświadczenia laboratoryjnego do tematów i eksperymentów, które nie mogą być wykonane, czy nie zrobić na tyle dobrze, w tradycyjnym laboratorium. Symulacje nie są także multimedialne prezentacje, samodzielne samouczki i kursy on-line.

Główną zaletą symulacji jest potencjał umożliwiający studentowi zaprojektować i przeprowadzić wiele więcej doświadczenia niż byłoby to możliwe z prawdziwymi laboratoriach. To daje studentom wiele więcej możliwości, aby praktykować umiejętności tworzenia hipotez, projektowania i analizy danych eksperymentalnych niż może się zdarzyć w normalnym laboratorium lub ustawienie wykładowej. Braku podstaw złożoności jest problem z wielu obecnie dostępnych online, symulacji edukacyjnych, które często pozwalają tylko jeden prawdziwy eksperyment. Dlatego jednym z celów projektowych dla laboratoriów biologii On-Line projektu było stworzenie symulacji z dość podstawowej złożoności, że uczniowie będą w stanie zrobić wiele różnych eksperymentów. Na przykład, FlyLab posiada 29 różnych genów na czterech różnych chromosomów, dzięki czemu możliwość dosłownie milionów eksperymentów. Podobnie Lab Evolution, który wykorzystuje dwie wyspy, każdy z 7 niezależnych parametrów bezstopniową, zapewnia możliwość milionów różnych możliwych eksperymentów. Oprócz złożoność parametrów wyjściowych, każdy z tych programów działa stochastycznie tak, że nawet przy identycznych warunkach wyjściowych studenci otrzymają różne wyniki. Duża liczba możliwych eksperymentów i szybkości, z jaką każdy eksperyment można przeprowadzić, pięć do dziesięciu minut na eksperymencie, oznacza, że ​​studenci mogą uzyskać znacznie większą praktykę w projektowaniu i interpretacji ich własnych doświadczeniach niż jest to możliwe w tradycyjnym laboratorium. Stwarza to nowe możliwości dla nauczania niektóre tematy, jak uczniowie mogą dowiedzieć się podstawową zasadę na własną rękę, tylko z minimalnym wskazówek od swojego instruktora.

Wprowadzenie na FlyLab do temat powiązania płci pokazuje, jak te symulacje mogą być stosowane w zapytania. Po wykonaniu kilku genetycznych krzyże, które pokazują normalne Mendla dominacji i recesywne wzorców dziedziczenia, studenci proszeni są o zbadanie jednego z X-linked cech dostępnych w symulacji. Uczniowie nie powiedział, że cecha jest sprzężony z chromosomem X, ani nie jest koncepcja powiązania płci omówione przed cesji. Studenci mogą zrobić tyle różnych krzyży, ile potrzeba, aby spróbować dowiedzieć się, co się dzieje. Zdolność do wykonywania wielu różnych eksperymentów jest kluczem do tej pracy, jako że jest to jedyny sposób uczniowie mogą wyeliminować wiele z ich wstępnych wyjaśnień tego, co się dzieje. Nawet dla wielu studentów, którzy nie rozwiązać ten problem, doświadczenie jest bardzo pomocne, dzięki czemu są znacznie bardziej uważny kiedy genetyczne wyjaśnienie znajduje się w klasie.

Innym celem BLOL projektu było zaprojektowanie symulacje, które mogłyby zostać wykorzystane do poznania podstawowych pojęć z zakresu biologii, które nie są normalnie używane w tradycyjnych laboratoriach z powodu czasu, kosztów, zagrożeń, itp. Przykładami są Evolution Lab i DemographyLab, które symulacji procesów, które odbywają się przez setki lat; MitochondriaLab, który symuluje eksperymenty, które używają toksyczne związki chemiczne; TranslationLab, które symuluje wykorzystanie izotopów promieniotwórczych; HemoglobinLab i LeafLab, który symulować użycie skomplikowanych i drogich urządzeń pomiarowych; PedigreeLab, który symuluje drogie eksperymenty mapowania za pomocą dziesiątki ludzkich rodzin; i CardioLab, który symuluje potencjalnie śmiertelne eksperymenty na ludziach.

1,2. Projektowanie BLOL i stosunku do innych Simulations Lab
Inne produkty symulacji laboratoryjnych istnieje, porównywalna pod pewnymi względami do BLOL projektu. Stella, na przykład, jest ogólnym narzędziem modelowania i Ecobreaker to pakiet, który może być wykorzystany do stworzenia użytecznych symulacje procesów ekologicznych. Konsorcjum Bioquest sprzedaje dużą liczbę symulacji na płycie CD, obejmującej wiele tych samych tematów przez BLOL. Te symulacje różnią się od tych w BLOL Project, jednak w tym, że mają pewne wymagania maszyny (Mac, PC, Unix) i trudności dystrybucji. Nasze Java BLOL symulacje, z drugiej strony, są niezależne od platformy i nie przywiązany do użytku w ciągu rzeczywistego laboratorium naukowym.

W BLOL symulacje wszystkie zostały stworzone w języku Java, dzięki czemu mogą być łatwo dostępne w internecie za pośrednictwem dowolnej standardowej przeglądarki. Rozwiązuje to problem szeroko rozpowszechniania aplikacji, często pojawiający się problem z większością oprogramowania edukacyjnego. Aplikacja Java udostępnia interfejs użytkownika, gdzie studenci ustawić parametry startowe dla ich doświadczenia i uzyskać graficzny komentarz na ich bieżących ustawieniach. Podczas gdy każdy z symulacji jest wyjątkowa, wszystkie z nich mają wiele wspólnych elementów interfejsu i funkcji. W niektórych symulacji program Java oblicza również wyniki, podczas gdy w innych parametrów wejściowych są przekazywane z powrotem do serwera, gdzie prawdziwe wyliczenia mają miejsce. Studenci otrzymują wyniki poprzez zastosowanie Java.

Minusem korzystania Java jest to, że tylko jednostki i szkoły z całkiem nowych komputerów i oprogramowania (Netscape 3 lub lepsza, itp.) i połączenia z internetem można korzystać z oprogramowania. Inną wadą przy użyciu języka Java jest niezdolność programów Java, aby zapisać na dysku lub wydrukować. Ograniczenie to zostało przezwyciężone dzięki wykorzystaniu notebooka, które mogą być eksportowane do strony internetowej. Wszystkie tabele danych, takich jak numery różnych typów potomstwa, lub wyniki obliczeń statystycznych, mogą być importowane bezpośrednio do notebooka. Po wpisaniu w swoich komentarzach, studenci mogą eksportować notebooka na stronie internetowej do druku, lub na e-mail do siebie lub instruktora. Strona jest tymczasowo przechowywane na serwerze. Grafikami, produkowane przez niektóre programy są również eksportowane do notebooka, gdzie mogą być następnie wydrukowane.

Wszystkie programy mają pewne wspólne elementy interfejsu użytkownika, w tym pasku tytułowym z linkami do wprowadzenia do laboratorium, pomoc, przykładowe zadania, notebook, itp. Chociaż istnieje duża rozbieżność w jaki sposób różne laboratoria działają, większość z nich uruchomić w trybie wprowadzania gdzie studenci zaprojektować swój eksperyment poprzez regulację różnych parametrów, po czym uruchomić symulację. Program oblicza wyniki eksperymentu, zwykle w minutę, a następnie przedstawia wyniki w trybie wyjściowym. W tym trybie istnieje kartach interfejs, gdzie studenci wybrać typ wyjścia chcą zobaczyć, tabela danych, wykres, wartości wejściowych, itp. Po analizie ich wyników mogą importować je do notebooka, a następnie przejść z powrotem na tryb wprowadzania zaprojektować kolejny eksperyment. Ta zdolność tam iz powrotem szybko między projektowaniu eksperymentu oraz wyniki to jeden z potężnych zalet podejścia symulacji nauczanie przedmiotów ścisłych.

1,3. Dostępność
Do symulacji dobrze być przydatny jako podstawowy mechanizm poznania koncepcji kursu, muszą pokryć większość kluczowych pojęć w toku. BLOL Projekt przygotowała dziewięć różnych symulacji edukacyjnych obejmujących tematy ewolucji, genetyki Mendla, tłumaczenie białko ludzkie demografia populacji, białko struktura-funkcja, ludzki genetyka, mitochondrialnego transportu elektronów, fotosynteza roślin i oddychanie, a fizjologia układu sercowo-naczyniowego. Aktualne projekty w toku i ma zostać zakończona w lecie 2000 roku będzie symulować kinetyką enzymów w EnzymeLab), korzystanie z myszy transgenicznych do badania rozwojowe Genetics (TransgenicLab) i filogenetyczną Odbudowy (CladisticsLab) i Genetyka populacji (PopulationGeneticsLab) i metabolizm (MetabolismLab ekologia) i ludności (PopulationEcologyLab). Dlatego znaczna część najważniejszych pojęć wprowadzonych w typowym szkolenia wstępnego biologii może być nauczana przy użyciu kombinacji rzeczywistych laboratoriach i tych symulacji.

O autorze …
Dziewięć z tych programów są aktualnie dostępne dla testów beta i wszystko piętnaście powinna zostać zakończona w lecie 2000 roku. Opisy każdego z laboratoriów można znaleźć poniżej. Obecne plany wymagają USD 19,95 opłaty za dostęp do wszystkich dziewięciu symulacji oraz podręcznika laboratorium z drukowanych instrukcji i zadań przykładowych. Opłata jest niezbędne do obsługi serwerów i utrzymanie poszczególnych programów, jak i zmiany systemów operacyjnych komputerów. Roczne subskrypcje do poszczególnych laboratoriów są dostępne za 5,25 dolarów każda, i istnieje również możliwość uzyskania pięć symulacje genetyki, FlyLab i EvolutionLab i TranslationLab i HemoglobinLab i PedigreeLab na 10,95 dolarów.

Poniżej znajduje się krótki opis z gotowych symulacji.

Strona internetowa za dostęp do laboratoriów i aktualnej informacji o laboratoriach jest http://www.biologylab.awlonline.com/.

2. DemographyLab
Modele Demografia Lab ludzki wzrost populacji do siedmiu różnych krajach na całym świecie. Studenci mogą korzystać z tego laboratorium do zbadania w jaki sposób różnice w wielkości populacji, struktura wiekowa i od wieku płodności i umieralności wpływa ludzkiego wzrostu populacji. Wartości domyślne dla siedmiu krajów – Chiny, Indie, Japonia, Meksyk, Nigeria, Szwecja i Stany Zjednoczone – zostały włączone do programu w celu umożliwienia porównań między narodami z bardzo różnych demograficznych, takich jak Japonia i Nigerii. Ponadto studenci mogą zmienić dowolny z parametrów do tworzenia własnych eksperymentów. Początkowa wielkość populacji można ustawić w dowolnym miejscu od dwóch do sześciu milionów. Odsetek mężczyzn i kobiet w każdym pięciu lat grupie wiekowej mogą być ustawiane niezależnie od siebie. Tak więc skutki wojny lub choroba, która dotyka jedną płeć lub określonych grup wiekowych można modelować. Śmiertelność dla mężczyzn i kobiet w każdym wieku pięciu lat można także ustawić niezależnie więc wpływ zmian w opiece zdrowotnej można modelować (poprzez zmianę wskaźników śmiertelności niemowląt i umieralności z powodu na przykład osoby starsze). Wskaźnik urodzeń na kobietę w każdym pięcioletnim grupie wiekowej mogą być nastawione na tych epok, w których wskaźniki urodzeń są możliwe. Dlatego skutki działań antykoncepcyjnych lub zmian w wieku małżeństwa można modelować. Wszystkie te parametry są ustawiane za pomocą prostego interfejsu graficznego.

Po uruchomieniu symulacji dla 100, 200 lub 300 lat, studenci statystyki zbiorcze, takie jak długość życia, wskaźnik urodzeń, wzrost populacji, itp. Mogą przeglądać liniowy wykres liczby ludności w ciągu swojego eksperymentu, patrz graficzny przedstawienie struktury ludności na każde pięć lat doświadczenia, lub zbadać liczbę samców i samic w każdej grupie wiekowej, dla każdego okresu pięcioletniego. Z programem różnorodność zjawisk demograficznych można wykazać, takie jak gwałtowny wzrost i spadek, stabilnej struktury wiekowej, zerowy wzrost populacji, pędu demograficznych, współczynnika zależności, wskaźników płci i małżeństwo najpełniej.

Rysunek 1.Miniatura na zdjęcie DemographyLab.

Film QuickTime (533 KB) pokazujący jak DemographyLab działa.

Zrzut ekranu (16 KB) przedstawiające DemographyLab.

3. EvolutionLab
Mimo, że ewolucja jest ujednolicenie tematem naukach biologicznych, to być może jedno z pojęć najbardziej niezrozumiany i trudne do przekazania w warunkach laboratoryjnych. Badanie ewolucji jest szczególnie przystosowany do symulacji komputerowych, ponieważ ewolucja zwykle występuje w ciągu bardzo długich odstępach czasu, duże zestawy danych są zwykle potrzebne, aby ją zrozumieć, a jest ich zwykle kilka ważnych parametrów, które są trudne do opanowania w rzeczywistych eksperymentach. EvolutionLab jest internetową, interaktywna symulacja komputerowa przeznaczona do nauczania podstawowych koncepcji doboru naturalnego i przekazać znaczenie czasu w procesie ewolucyjnym.

Uczniów korzystających EvolutionLab obserwować zmiany ewolucyjne w morfologii dziób ptaka w hipotetycznych populacji ptaków samodzielnie na dwóch wyspach. W symulacji, studenci mogą ustawić roczna suma opadów na wyspie (S) zawierającego Finch populacji, a następnie obserwować wpływ tego środowiska na ewolucję dziobami zięby spacerem. Studenci mogą również zmienić kilka innych właściwości populacji ptaków, takich jak początkowej średniej wielkości dziób, dziób wielkość zmienności, dziób dziedziczności wielkości i średniej wielkości sprzęgła, w celu określenia ich wpływu na ewolucję dziób.

Choć symulacja opiera się na zięb Darwina, zmiany w zmiennych gatunków, takich jak oznaczać dziób wielkość, zmienność, dziedziczność i sprzęgło rozmiar tworzyć wirtualne gatunki, które mogą mieć właściwości podobne do wielu innych dzikich gatunków. Uczniowie mogą badać parametry, które są bardziej prawdopodobne, aby doprowadzić do wyginięcia zagrożonych gatunków, dlaczego niektóre gatunki mogą ewoluować szybciej niż inni, i zbadać wiele innych aspektów ewolucji. Program generuje dużych zestawów danych – jeden bieg może produkować 600 punktów danych – więc uczniowie mogą nauczyć się, jak analizować i interpretować duże ilości danych, w odróżnieniu od sytuacji w typowym laboratorium. Duża elastyczność programu powinny umożliwić indywidualne instruktorów dobierać projekty uczniów do ich indywidualnych preferencji i studentów z prawdziwego możliwość projektowania własnych eksperymentów. Aktywne angażowanie studentów w badania i rozwój poprzez studiowanie tej symulacji stanowi kolejną drogę dla uczniów do nauki o ewolucji oprócz tradycyjnego tekstu i wyjaśnienia wykładowych.

Film QuickTime (561 KB) pokazujący jak EvolutionLab działa.

Zrzut ekranu (18 KB) przedstawiające EvolutionLab.

4. PedigreeLab
PedigreeLab generuje sto rodowody dla każdego z 23 różnych chorób genetycznych, w tym m.in. dominujących, chorób recesywnych i X-linked. Każdy student dostaje unikalny zestaw rodowodach do analizy. Uczniowie mogą badać rodowody ustalić wzór dziedziczenia danej choroby. Gdy wzorzec dziedziczenia została ustalona student może wybrać marker, od kilkunastu dostępnych znaczników, każdy o znanej pozycji na chromosomie, uczyć się. Program będzie przeszukiwać setek losowo generowanych rodowodach do znalezienia 100 rodowody spełniające kryteria wybrane przez ucznia. Porównanie obecności cech choroby do obecności marker może być użyty do określenia, czy marker jest związane z cechą choroby, a jeśli są one związane, należy podać odległość między nimi. Program śledzi wyniki z każdego rodowodzie, których używają i może określić istotność statystyczną ich wyników. Mogą korzystać molekularnych markerów do mapowania genu choroby do konkretnego chromosomu lub do regionu chromosomu. Jest to kluczowy proces w bieżącym poszukiwaniu genów chorób genetycznych człowieka i jest zazwyczaj bardzo trudne do wyjaśnienia uczniom. Program zawiera graficzne widoki chromosomów, na których mogą oni stawiać znacznik wyznaczający jeżeli uważają gen choroby znajduje. Istnieją także graficzne pomoce dla zrozumienia wzór dziedziczenia będą oczekiwać jeśli wskaźnik był związany z genem lub nie zostało połączone. Po nich faktycznie przejść przez proces mapowania ludzkiego genu może znacząco poprawić swoją naukę trudnych pojęć.

Film QuickTime (663 KB) pokazujący jak PedigreeLab działa.

Zrzut ekranu (23 KB) przedstawiające PedigreeLab.

5. FlyLab
Symulacja FlyLab jest aktualizacja do FlyLab pierwotnie stworzonego przez Boba Desharnais. W FlyLab studenci zaprojektować własne muszki owocowe, wybierając spośród wielu różnych fenotypów możliwych do cech takich jak kolor oczu, kształt skrzydeł, kolor ciała, itp. Potem kolega swoje muchy i analizować potomstwo do ustalenia zasad dziedziczenia różnych cech . Każde doświadczenie jest wyjątkowy, a uczniowie mogą mieć do 10.000 potomstwa produkowanego od jednego krycia. Potomstwo może być kojarzone, zapewniając szeroki zakres różnych eksperymentów. Istnieje 29 różnych cech, które mogą być badane oddzielnie lub w różnych kombinacjach więc liczba możliwych eksperymentów jest w milionach. Cechy są reprezentowane graficznie, dzięki czemu student przestrzegać fenotyp bezpośrednio. Na przykład, jeśli uczeń wybierze białą mutację oczu dla kobiet rodzica, obraz kobiecego rodzic będzie miał białe oczy. Po kopulacji zdjęcia różnych potomstwa zostały przedstawione, wraz z numerami obok każdego obrazu, aby wskazać liczbę potomstwa tego typu (liczba kobiet z białymi oczami, kobiety z czerwonymi oczami, itp.) Program zawiera kalkulator chi-kwadrat za to statystyczne testy hipotez studenckich i notatnik do zapisywania wyników, obserwacji, hipotez i wniosków. Studenci mogą importować numerycznych wynika z ich krzyżami i testów statystycznych bezpośrednio do notebooka.

Za pomocą tego programu, uczniowie mogą odkryć lub studiować większość ważnych zasad genetyki Mendla, w tym dominujących i recesywnych alleli, sex-przeniesienia, alleli letalnych, asortyment niezależnej epistaza, powiązania, porządek genów, grup sprzężeń i map sprzężeń. Zaletą symulacji jest to, że uczniowie mogą odkryć te zasady przez działanie tego samego rodzaju eksperymentów, jak oryginalne naukowców, tylko znacznie szybciej. Program jest odpowiedni dla szerokiej gamy kursów biologii jako zadanie określa poziom trudności. Uczniowie mogą wykonać testy statystyczne, ale nie jest to wymagane. Mogą robić skomplikowanych krzyże z wielu cech, albo krzyże proste z jednym tylko cechy na raz. Jeżeli uczniowie są zdezorientowani skomplikowanej krzyża, zawsze mogą zrobić kilka dodatkowych prostsze krzyże, aby spróbować dowiedzieć się, co się dzieje. Mogą też zrobić dodatkowe krzyże z potomstwa ze swoich krzyży i ich potomstwa itp. Ta zdolność do opracowywania własnych eksperymentów i spróbuj wiele różnych permutacji jest głównym atutem FlyLab.

Film QuickTime (1,46 MB) pokazujący jak FlyLab działa.

Zrzut ekranu (23KB) przedstawiające FlyLab.

6. TranslationLab
Do tej pory BLOL projekt przygotowała dwa Symulacje molekularne biologii. Pierwszy, TranslationLab symuluje niektóre z oryginalnych eksperymentów używanych do złamania kodu genetycznego, jedną z kluczowych odkryć w dziedzinie biologii molekularnej. Eksperymenty te polegają na materiałów radioaktywnych i trudne do produkują szablony RNA, dlatego nie można zrobić w normalnym laboratorium biologii. Studenci projektowania i tworzenia prostych cząsteczek RNA w symulacji, że potem przekładają się na wirtualny w strukturze vitro tłumaczenia. Program pokazuje prostą animację z technik, które będą wykorzystywane do analizy produktów z tłumaczeniem, a następnie daje im sekwencję aminokwasów jakichkolwiek białek wytwarzanych w ich eksperymencie. Student musi logicznie analizować wyniki wielu eksperymentów wyprowadzić właściwości kodu genetycznego, podobnie jak oryginalne naukowcy nie tylko z korzyścią jest w stanie robić eksperymenty w ciągu kilku minut, które zwykle biorą miesięcy do przeprowadzenia. Różne właściwości kodu, który można określić za pomocą tej symulacji są natura trójka z kodu, nie nachodzą na siebie rodzaj kodu, zdegenerowany rodzaj kodu, przyporządkowanie kodonu dla każdego aminokwasu, a istnienie i tożsamość przystanku kodony.

Film QuickTime (1,45 MB) pokazujący jak TranslationLab działa.

Zrzut ekranu (39 KB) przedstawiające TranslationLab.gif.

7. HemoglobinLab
W drugiej symulacji biologii molekularnej, HemoglobinLab studenci zbadanie różnych aspektów biologii molekularnej hemoglobiny z wykorzystaniem studiów przypadków. Celem jest dla ucznia, aby dowiedzieć się w jaki sposób zmiany w sekwencji nukleotydów genu może wpływać na sekwencję białek, które mogą mieć wpływ na strukturę białka, które mogą wpływać na funkcję białka, które mogą wpływać na właściwości komórki, które mogą z kolei wpływać na fizjologię człowieka. Studenci wybierają sprawy poprzez wybranie pacjenta z rozwijanego menu zawierającego listę kilkunastu pacjentów. Dla każdego przypadku studenci mogą zbadać lekarza notatki na temat objawów i historii choroby pacjenta, kolor fiolki z krwią pacjenta i mikroskopowym pobierania próbek krwi w celu określenia zmian w krwinkach czerwonych. Mogą biegać próbkę krwi na żelu elektroforetycznego celu ustalenia, czy istnieją fizyczne zmiany w białku globiny i określić sekwencję aminokwasów białka pacjenta globiny. Po ustaleniu sekwencji białka, student może przejść do edytora sekwencji DNA i starać się zmienić sekwencję DNA normalnego genu, aby zobaczyć, jaki rodzaj mutacji DNA spowoduje zmiany wskazane w pacjenta. Pacjenci mają różne mutacje genu globiny, począwszy od prostych mutacji punktowych, które zmieniają jeden aminokwas, takich jak anemia sierpowata, do delecji i insercji powoduje frameshifts, takich jak niektóre thallasemias. Mutacje powodują wiele różnych fenotypów pacjentów, takich jak anemia, krew brązu, czerwienicy (zbyt wiele czerwonych krwinek) i fioletowy kolor skóry.

Film QuickTime (751 KB) pokazujący jak HemoglobinLab działa.

Zrzut ekranu (21 KB) przedstawiające HemoglobinLab.

8. MitochondriaLab
Dwa biochemii i biologii komórki laboratoria zostały zakończone, MitochondriaLab i LeafLab. MitochondriaLab symuluje transport elektronów, gradienty protonowej i fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach. Studenci odtworzyć klasyczne eksperymenty, które ustanowiły chemiosmotic teorię jako mechanizmu produkcji energii w komórce. Dodają różnych podłoży, takich jak pirogronian, bursztynian, itp. i inhibitory, takie jak malonianu, cyjanku, DNP, itp. do wirtualnych mitochondrialnych ekstraktów a następnie pomiar zużycia tlenu w czasie. Program tworzy wykres podobny do tego, co będzie produkowane przez prawdziwego elektrodą tlenową. Studenci użyć wykresu, znanej objętości kolby i stężeń reagentów dodany do określenia zużycia tlenu oraz kwoty substratów. Od ich wyników mogą działać niektóre z etapów szlaku transportu elektronów, a mechanizm, poprzez który energia chemiczna przekształca się w cząsteczkach ATP.

Film QuickTime (2,08 MB) pokazujący jak MitochondrialLab działa.

Zrzut ekranu (38 KB) przedstawiające MitochondriaLab.

9. LeafLab
LeafLab symuluje reakcje fotosyntezy liści. Uczniowie mierzą zużycie przez C02 liści z sześciu różnych roślin, w tym zarówno C3 i roślin C4. Studenci mogą zmieniać długość fali i natężenie światła, stężenie CO2, przepływ powietrza, temperaturę i rodzaj liścia i następnie zmierzyć zużycie CO2 w swoich symulowanych liści. Program pomaga uczniowi z obliczeniem intensywność fotosyntezy i posiada zaawansowaną funkcję dopasowania krzywej, która pozwala studentom wykreślić swoje dane, a następnie określić kształt krzywej najlepiej poprzez danych. Studenci mierzyć lub badać punkt kompensacji światła, CO2 punkt kompensacji, połączenie pomiędzy światłem i CO2, efektywności zużycia fotochemicznego, oddychanie ciemnym, nasycenie fotochemicznego oraz różnice między C3 i roślin C4, słońce porównaniu cieniu rośliny i krzewy o różnych poziomach ploidii .

Film QuickTime pokazując jak LeafLab (1,61 MB) działa.

Zrzut ekranu (24 KB) przedstawiające LeafLab.

10. CardioLab
CardioLab symuluje pewne aspekty układu krążenia. Studenci mogą bezpośrednio zmieniać sześć różnych parametrów, które wpływają na czynności układu krążenia, lepkość krwi, promień naczyń krwionośnych, częstość akcji serca, objętości krwi, objętości komory skurczowego i zdolności żylnej i mierzyć wpływ ich zmian na ciśnienie krwi, częstość akcji serca, objętości wyrzutowej, krwi objętość oraz różne impulsy nerwowe. Pojęcia takie jak homeostazy, opinie i odszkodowanie można zilustrować. Studenci mogą również robić eksperymenty na wirtualnych pacjentów z różnymi problemami zdrowotnymi, takimi jak nadciśnienie tętnicze, zastoinowa niewydolność serca, zwężenie zastawki dwudzielnej zastawki itp. skutków różnych „REAL“ interwencji po obu normalnych i chorych pacjentów, takich jak krwotok, ćwiczenia, odwodnienie, IV infuzyjnych , destrukcyjne szok i leczenie za pomocą leków, takich jak epinefryna, jest również modelowane w symulacji.

Film QuickTime (946 KB) pokazujący jak CardioLab działa.

Zrzut ekranu (24 KB) przedstawiające CardioLab.

11. Ocena
Prekursorem wszystkich tych laboratoriów jest oryginalny Virtual Lab Fly. Ta symulacja owoców fly genetyki jest obecnie wykorzystywana na lekcjach biologii na całym świecie, i stworzył tak wiele popyt na serwerze obsługującym program, że obecnie pięć różnych serwerów lustrzanych. I pole testował FlyLab i EvolutionLab i TranslationLab w górnej podział oczywiście genetyki z zachęcających wyników. 98% uczniów w tym czasie za ich FlyLab zadania przydatne w nauce genetyki; 83% znalazło EvolutionLab się przydatne, a 93% uznało TranslationLab przydatne. Niektóre komentarze studentów są podane poniżej (komentarze odnoszą się do starszych studentów nazw aplikacji. Wirtualny Fly jest obecnie FlyLab, EvolveIt jest teraz EvolutionLab i TranslateIt jest teraz TranslationLab).

„Virtual Fly i TranslateIT były zadania mam najwięcej z. Podobał mi się sposób, w jaki wykonane jest systematycznie myśleć w celu rozwiązania problemów“.

„TranslateIt było przyjemne, ponieważ wymaga od studenta zbadać i rozwiązać problem.“

„TranslateIT dała mi doskonałe pojęcie o tym, jak geny dla białek poprzez cennych doświadczeń. Mogłem eksperymentować i uczyć się metodą prób i błędów, aby udowodnić sobie, że książka i co byłem w pracy na w rzeczywistości ten sam.“

„To jest więź pomiędzy TranslateIT i EvolveIT za najbardziej przydatne i jak bardzo mam z nich. Były proste w obsłudze, informacji pomocy został dobrze zdefiniowany i oboje pomógł mi zobaczyć większe koncepcje, ‚dużej zdjęcie‘. “

„Podobało mi się wirtualny muchę i działalności EvolveIt ponieważ pozwalał na pewne dochodzenie na własną rękę i zrobili myślisz o tym, co naprawdę się dzieje, co sprawiło, że zrozumieć materiał lepiej.“

Było tylko kilka negatywnych komentarzy, zazwyczaj mając do czynienia z trudnością się w sieci i korzystania z programów. Studenci, którzy czują się nieswojo z komputerów są w niekorzystnej sytuacji podczas korzystania z tych symulacji i specjalne należy zachować ostrożność, aby upewnić się uzyskać jak najwięcej z symulacji. Tylko inny negatywny komentarz został „Lubiłem TranslateIt choćby dlatego, że się moja głowa boli“. Chociaż jest to niefortunne, jeśli projekt Biolabs może produkować więcej symulacji, które powodują szefowie niektórych uczniów zranić, a następnie projekt będzie produkować symulacje, że zmiany, na lepsze, biologia sposobem jest nauczane.

12. Wniosek
Celem BLOL projektu jest spróbować znaleźć sposoby wykorzystania technologii w celu poprawy edukacji biologii. Podejście decyduje się stworzyć zespół składający się z profesorów biologii, grafików i programistów, które projektujemy i produkujemy symulacje istotnych procesów biologicznych. Takie podejście znacznie zwiększa koszt produkcji symulacji, mamy nadzieję, że wzrosła jakość i złożoność symulacji pozwoli im znacznie bardziej użyteczne niż typowego programu produkowanego przez poszczególnych wykładowców, które zazwyczaj są używane tylko w małej liczby kursów . W końcu wydawca, Addison-Wesley-Longman, dodano również zapewnić marketing i wsparcie, jaka byłaby potrzebna, czy programy zostały przyjęte przez wielu wykładowców. Wstępne badania sugerują, że programy mogą być bardzo przydatne narzędzia uczenia się. Czy znaczna liczba wykładowców będzie skłonny do zmian koniecznych do włączenia tych narzędzi na swoich kursach okaże się. Wraz z szybkim wzrostem mocy obliczeniowej dostępnej dla studentów i zwiększenie znajomości uczniów z korzystania z aplikacji przez Internet, Narzędzia on-line, takich jak symulacje produkowanych przez BLOL projektu staną się bardziej i bardziej użyteczne. Symulacje takie dostarczają nowych narzędzi w celu zwiększenia wykorzystania podejścia zapytania do nauczania nauki. Nie będą, i nie powinien zastąpić prawdziwe praktyczne laboratoria. Znalezienie właściwej równowagi i właściwego sposobu korzystania z tych nowych narzędzi, zajmie trochę czasu i eksperymentów przez instruktorów (Jensen, 1998). Mamy nadzieję, że będą one przynajmniej rozważyć możliwości te nowe narzędzia zapewniają.

13. Refererences

Jensen, M. S. 1998. Znalezienie miejsca dla komputera w początkowej Laboratorium Biologii. Journal of Science College Teaching 38 ust 2): 247-249

Lawson, AE, Rissing, SW, i Faeth, SH 1990. Zapytanie podejście do biologii Nonmajors. Journal of Science College Nauczanie 30 (5): 340-346

National Research Council. 1990. Krajowe Standardy Nauka Edukacyjnych. National Academy Press, Washington, D. C

Uno, G.E. 1999. Podręcznik do nauczania studia licencjackie. Saunders College Publishing, Orlando, Floryda

Windschitl, M. A. 1998. Praktyczny przewodnik dla Włączenie symulacje komputerowe w Instrukcji Nauki. Amerykanin Biology Teacher 60 (2): 92-97

14. Podziękowania
Następujące osoby przyczyniły się do rozwoju tych symulacji. Ich składki są wdzięcznością przyznał: Bob Desharnais, David Caprette, Mike Palladino, Steve Wolf, Zed Mason, Ron Quinn, Terry Frey, David Hanes, Judith Kandel, Nancy Smith, Sally Veregge, Abbe Barker, Michelle Lamar, Mark Crowley Chuck Schneebeck Rachel Smith, David Risner, Swann DO, Lou Zweier, Scott Anderson, Peilin Nee i Anne Scanlan-Rohrer. Częściowe dofinansowanie został dostarczony przez amerykańską National Science Foundation dotacji DUE 9455428 Boba Desharnais.

Comments are closed.