U Center arbeitet mit Lehrern zusammen, um Tools für den naturwissenschaftlichen Unterricht zu entwickeln

Von Paul Gabrielsen

Das Genetic Science Learning Center entwirft mit Hilfe von Lehrkräften an vorderster Front und U-Forschern neue naturwissenschaftliche Lehrpläne.

In einem Labor im Craig H. Nielsen Rehabilitation Hospital in den USA, das so neu ist, dass Monitore und Geräteschränke immer noch mit Plastikfolie und Klebeband umhüllt sind, gruppieren sich drei oder vier Naturwissenschaftslehrer der Mittelschule um den Forschungsassistenten und frischgebackenen MS-Absolventen Bret Mecham, der eine Bionik trägt Exoskelett auf seinem Arm.

Der bionische Arm bewegt sich auf und ab. „Ich kontrolliere das nicht“, sagt Mecham dem Publikum, „Er ist –“ und deutet auf einen Lehrer, der eine Elektrode auf seinem Unterarm hält. Während der Lehrer sich beugt und entspannt, nimmt die Elektrode elektrische Signale in seinem Muskel auf. Diese Signale werden vom bionischen Arm in mechanische Bewegung umgewandelt. Ein solcher Arm, sagt Mecham, kann Menschen, die sie durch Krankheit oder Verletzung verloren haben, Kraft und Stabilität zurückgeben.

Im Raum versammeln sich andere Lehrer um andere Demos, die von Assistenzprofessor Jacob George, Direktor des Utah NeuroRobotics Lab, und seinen Schülern moderiert werden. Sie zeigen den Lehrern, wie U-Forscher Möglichkeiten entwickeln, wie Maschinen und Nerven miteinander kommunizieren können. Die Lehrer stellen Fragen und machen sich Notizen.

Diese 17 Lehrer aus neun Bundesstaaten sind nicht nur hier, um Ideen für ihre Klassenzimmer zu sammeln. Ihre Wirkung geht weit darüber hinaus. Sie wurden vom Genetic Science Learning Center (GSLC) der USA zusammengebracht. In vielen Zusammenkünften wie dieser hat das GSLC über viele Jahre gemeinsam mit Lehrern neue erziehungswissenschaftliche Inhalte konzipiert. Die Lehrer helfen dem GSLC dabei, herauszufinden, was die Schüler brauchen.

In den nächsten 12 bis 18 Monaten wird das GSLC auf Grundlage dieser Sitzungen Lektionen, Videos und Aktivitäten produzieren. Sobald die Materialien fertig sind, werden sie auf der Website des GSLC verfügbar sein, die mehr als 16 Millionen Seitenaufrufe pro Jahr aus fast allen Ländern verzeichnet. Diese drei Tage voller Präsentationen und Diskussionen im Gästehaus der Universität werden sich auf den naturwissenschaftlichen Unterricht für Mittelschüler und andere auf der ganzen Welt auswirken.

„Am Ende“, sagten GSLC-Direktorin Louisa Stark, HA und Edna Benning Presidential Endowed Chair und Professorin für Humangenetik, in ihrer Begrüßungsrede, „werden wir eine Reihe wunderbarer Ideen von Ihnen haben, was die Studierenden wissen müssen und.“ wie man sie beim Lernen unterstützen kann.“

Das GSLC ist Teil der Abteilung Humangenetik. Seit 1995 vermittelt das GSLC Grundlagen der Genetik und Biologie durch Videos, Spiele und Animationen. Zum Team gehören erfahrene Lehrer, Autoren, Künstler und Animatoren sowie Video- und Audioproduzenten. Die Mission des Zentrums besteht darin, „Wissenschaft und Gesundheit für jedermann verständlich zu machen“.

Sie arbeiten auch mit Zentren und Initiativen innerhalb und außerhalb der USA zusammen, um Aufklärungsmaterialien für Patienten und die breite Öffentlichkeit zu einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Themen zu erstellen. Zu ihren Kunden zählen die Vizepräsidentin für Forschung Erin Rothwell, die Cooperative Centres of Excellence in Hematology und das All of Us Research Program der National Institutes of Health.

Jeder kann die Materialien des GSLC unter learn.genetics.utah.edu durchsuchen. Es gibt zahlreiche Inhalte zur grundlegenden Genetik, aber auch zu Viren, Impfstoffen, Zellbiologie und Ökologie. Besucher können eine bakterielle Infektion bekämpfen, ein Gen mutieren und Tauben mit bestimmten Merkmalen züchten. Auf den Credits-Seiten dieser Websites werden Experten aus den USA gewürdigt, die ihre Zeit ehrenamtlich zur Verfügung gestellt haben, um Lehrern ihre Forschung vorzustellen.

Das Zentrum entwickelt außerdem naturwissenschaftliche Lehrplanmaterialien für Lehrer der Mittel- und Oberstufe. Diese Materialien sind kostenlos über Teach.genetics.utah.edu erhältlich. Ein kürzlich veröffentlichter Lehrplan, der sich an Oberstufenschüler richtet, aber auch auf Hochschulebene verwendet wird, vermittelt die Prinzipien der Genetik durch eine Untersuchung genetischer Störungen. Ein weiterer aktueller Lehrplan für Mittelschüler untersucht, wie sich Gene und Merkmale im Laufe der Zeit verändern.

Beide Lehrplaneinheiten umfassen von GSLC produzierte Multimedia-Inhalte sowie praktische Aktivitäten, die Lehrer in ihren eigenen Klassenzimmern nutzen können. Alle GSLC-Lehrpläne werden im Klassenzimmer getestet, um sicherzustellen, dass sie wissenschaftliche Konzepte effektiv vermitteln.

„Wir bewerten die Wirksamkeit unserer Materialien und Programme und veröffentlichen die Ergebnisse“, sagte Stark den Institutsteilnehmern.

Ein Großteil der Mittel des GSLC stammt aus Zuschüssen des Science Education Partnership Award (SEPA) des National Institute of General Medical Sciences. Das SEPA-Programm finanziert die Entwicklung von Bildungsaktivitäten, um Schüler aller Herkunft zum Studium der MINT-Fächer zu ermutigen. Das diesjährige Summer Institute ist Teil eines fünfjährigen SEPA-Stipendiums mit dem Titel „Engineering Solutions for Better Health“, das darauf abzielt, Lehrpläne für Mittel- und Oberstufenschüler über Gentechnologien und Biotechnik zu entwickeln.

Lehrkräfte sind ein integraler Bestandteil des Lehrplangestaltungsprozesses. Ideen und Inhalte beginnen bei Summer Institutes, wo Lehrer Ideen zu Lernplänen entwickeln. GSLC-Mitarbeiter, darunter ehemalige Lehrer, wandeln diese Skizzen in vollständig erstellte Lehrplanmaterialien um. Diese Materialien werden dann von GSLC-Forschern in Klassenzimmern getestet. Manchmal finden diese Tests in den Klassenzimmern derselben Lehrer statt, die auch am Summer Institute teilgenommen haben, wodurch sich der Kreis schließt.

Um den Lehrern bei der Ideenfindung zu helfen, lud das GSLC zwei U-Forscher ein, ihre Arbeit vorzustellen.

Die Gruppe hörte zuerst von Greg Clark, Professor für Biomedizintechnik und leitender Forscher des Teams der University of Utah, das die LUKE-Armprothese verwendet. Die Elektronik im Arm interagiert mit dem Nervensystem des Trägers. Von den Armnerven und -muskeln des Benutzers aufgezeichnete elektrische Signale können die Bewegung des Arms steuern. Der Arm kann auch Berührungssignale an die Armnerven des Benutzers zurücksenden, die wiederum Signale an das Gehirn weiterleiten. Ein Benutzer kann eine Traube pflücken und mithilfe der Berührungssignale des Arms sicherstellen, dass er sie nicht zerquetscht.

Clark sprach über den Designprozess, der damit begann, sich anzuhören, was Menschen mit Amputationen von einer Prothese brauchten und wollten. Sie wollten in der Lage sein, alltägliche Dinge wie das Zubinden ihrer Schuhe zu erledigen. Sie wollten aber auch mit ihren Lieben in Kontakt treten, indem sie die Hand ihres Ehepartners hielten oder mit ihrem Kind spielten.

„Wir möchten, dass sie das Gefühl haben, dass ihr Körper vollständig ist“, sagte Clark, „nicht, dass ihnen etwas fehlt.“

Clark sprach über den iterativen Prozess des Engineerings. Fortschritte würden in kleinen Schritten erzielt, sagte er, während die Designs getestet und verfeinert würden.

„Sie können eine Idee haben, aber Sie können nicht alle Ideen in der ersten Version lösen – also arbeiten Sie zuerst an der Lösung der größten Probleme. Dann iterieren Sie.“

Anschließend besichtigten die Lehrer das Craig H. Neilsen Rehabilitation Hospital, das 2020 eröffnet wurde. Die Gruppe besichtigte Therapieeinrichtungen für Patienten, darunter elegante stationäre Räume mit Blick auf das Salt Lake Valley. Sie besuchten auch den Forschungsbereich des Krankenhauses, einschließlich einer „Garage“, die für die Entwicklung adaptiver Freizeittechnologien genutzt wird. Technische Lösungen ermöglichen Menschen mit Rückenmarksverletzungen das Skifahren, Segeln und Jagen.

Am zweiten Tag des Instituts hörten die Lehrer Jessica Kramer, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik. Sie untersucht die Eigenschaften von Schleim und seine Rolle in biologischen Systemen. Schleim ist eine komplexe Substanz aus Proteinen und Zuckern. Es könnte unser größtes Organ sein, sagte Kramer. Die gesamte Haut einer Person kann etwa die gleiche Fläche bedecken wie ein Einzelbettlaken. Aber die Fläche aller Schleimoberflächen auf Organen im ganzen Körper würde einen NBA-Basketballplatz bedecken.

„Alles Nasse und Klebrige im Körper ist mit Schleim bedeckt“, sagte Kramer und fügte hinzu, dass der Mensch täglich etwa 10 Liter Schleim produziert. „Wir scheiden wie verrückt Schleim aus.“

Ihr Labor hat einige überraschende Rollen von Schleim für Gesundheit und Krankheit herausgefunden. Frühe Studien deuteten beispielsweise darauf hin, dass das SARS-CoV-2-Virus auf Oberflächen bis zu drei Tage lang infektiös bleiben könnte. Diese Studien gingen jedoch davon aus, dass es sich bei den Tröpfchen, die eine Person hustet, niest oder ausatmet, um reines Wasser handelt.

Sie sind nicht. Sie enthalten Salze und etwas Schleim. Kramer und ihre Schüler fanden heraus, dass dieser Schleim Viren bindet und umhüllt, während der Schleim trocknet. Sie kamen zu dem Schluss, dass es nicht nötig sei, die Lebensmittel abzuwischen.

Kramers Schüler Amanda Wood und Ke Wang stellten dann eine Demonstration auf, die sie in K-12-Schulen mitnehmen: das „Rotzlabor“. Sie mischten einen einfachen künstlichen Schleim aus Gelatine und Maissirup unterschiedlicher Viskosität oder Dicke. Die Lehrer stellten sich an die Reihe, um zu testen, ob sich der dicke oder dünne Schleim während eines „Niesens“ (eigentlich eines Schleimspritzers aus einer Pipette) weiter ausbreitet.

Nachdem Wood erklärt hatte, wie man verhindert, dass „Schleim“ an die Decke gelangt (er löst sich nie, sagt sie), verkündete er dann: „Jetzt steht es Ihnen frei, über den ganzen Tisch zu ‚niesen‘.“

Nach der Demo konzentrierten sich die Lehrer auf die Haupttätigkeit des Instituts: die Mitgestaltung des GSLC-Lehrplans. Molly Malone, Senior Education Specialist am GSLC, erläuterte den Prozess.

Das Ziel des Unterrichts bestehe darin, Schülern der Mittelstufe die biomedizinische Technik durch Verbindungen zu Organsystemen und technischem Design näher zu bringen.

„Bei der Lehrplanentwicklung ist es wirklich wichtig, herauszufinden, was wichtig ist, und herauszufinden, wie man einfach und frühzeitig dorthin gelangt“, sagte Malone.

Die Lehrer klebten zunächst Haftnotizen an die Wände, auf denen jeweils ein von den Präsentationen der Forscher inspiriertes Konzept stand. Die GSLC-Mitarbeiter organisierten die Konzepte in Themen. Dann begannen die Lehrer in vier kleinen Gruppen, diese Themen zu erarbeiten. Sie definierten übergreifende Ideen und Lernziele, die diese Ideen unterstützten.

Nachdem die Lernziele mithilfe von Peer-Feedback definiert und verfeinert worden waren, skizzierten die Lehrer Ideen für Schüleraktivitäten. Einige beinhalteten ein Video oder ein interaktives Multimedia-Erlebnis, während andere als Labore oder Aktivitäten im Unterricht konzipiert waren.

Am Ende des dritten Tages präsentierten die Lehrer ihre endgültigen Ideen. Eine Gruppe hatte eine einfache Roboterhand aus nichts anderem als Papier und Klebeband entworfen, gebaut und neu gestaltet. Ein anderer richtete ein Labor ein, um die Viskosität von „Schleim“-Proben zu messen. Mithilfe einer Bullseye-Matte konnten die Schüler messen, wie lange es dauert, sich auf einen bestimmten Radius auszubreiten.

In den kommenden Monaten werden die GSLC-Teams die Ideen der Lehrer weiterentwickeln. Nach und nach werden Lehrplanelemente in Form von Videos, Animationen, Laboraktivitäten und Lehrerhandbüchern entstehen. Danach wird der Lehrplan zum Testen in die Klassenzimmer geschickt, bevor er für jedermann auf learn.genetics.utah.edu und Teach.genetics.utah.edu verfügbar ist.

„Wir fangen jetzt mit den Ideen an, die Sie uns gegeben haben“, sagte Stark den Lehrern zum Abschluss des Instituts, „und dann machen wir uns an die Arbeit!“

Besuchen Sie die Lehrmaterialien des Genetic Science Learning Center unter learn.genetics.utah.edu.

Kontaktieren Sie das Zentrum unter [email protected].