URI-Studenten erweitern ihr Lernen im Labor mit virtuellen Apps

Die kollaborative App-Bibliothek erweitert das Wissen der Studierenden an der URI und darüber hinaus

KINGSTON, Rhode Island – 31. August 2023 – An der University of Rhode Island verbessern Studenten in biomedizinischen Studiengängen ihr Lernen mit neuen Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen. Die Zusammenarbeit wurde kürzlich in einem Artikel vorgestellt, der in Biotechniques veröffentlicht wurde. Die Apps stehen auch für das Lernen über URI hinaus zur Verfügung.

Die Apps sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen URI, dem ITS – Innovative Learning Technologies-Programm, dem 3D Science Visualization Teaching-Programm und dem Rhode Island IDeA Network of Biomedical Research Excellence (RI-INBRE) Molecular Informatics Core (MIC).

Sie können bereits auf eine Erfolgsgeschichte bei der Erstellung kurzer Videoclips zurückblicken, die veranschaulichen, wie Medikamente auf molekularer und zellulärer Ebene wirken.

Virtueller Rx

Die erste entwickelte App konzentrierte sich auf ein Medikament, das viele von uns kennen: Aspirin. Die App bietet ein virtuelles Aspirin-Museum in fünf Räumen: Einführung, seine Vorstufe Salicylsäure als Naturprodukt, Geschichte und Entwicklung, Anwendungen und Alternativen sowie Pharmakologie und Biochemie.

Ein weiteres App-Thema ist das bekannte Krebsmedikament Methotrexat (MTX). Schüler, die die App verwenden, können sehen, wie das Medikament auf eine Enzymkomponente abzielt, und ermöglichen so das Experimentieren mit molekularen Animationen und interaktiven Tests, die den Benutzern einen detaillierten Einblick in die Wirkung des Medikaments und ein besseres Verständnis der Antikrebsaktivität des Medikaments bieten. Die App wurde in den Onkologiekursen des URI eingesetzt, damit Pharmaziestudenten die komplexen molekularen Wechselwirkungen und biochemischen Prozesse des Medikaments visualisieren konnten, um seine krebshemmenden Wirkungen besser zu verstehen.

„Diese immersive und interaktive Erfahrung hilft Schülern, die räumlichen Anordnungen und strukturellen Merkmale zu verstehen, die die Wirkung von Arzneimitteln bestimmen“, sagt Bongsup Cho, Direktor von INBRE. „Die VR-Apps können auch einen ‚Wow 3D‘-Faktor erzeugen, indem sie es den Schülern ermöglichen, zu sehen, wie sich Arzneimittelwirkungen auf zellulärer Ebene entfalten, was mit herkömmlichen Lehrmethoden möglicherweise schwierig zu vermitteln ist.“

Programmiererfolg

Während die Apps von Studenten in den Pharmazieprogrammen des URI eingesetzt werden, wurden sie von einem Team von Informatikstudenten unter der Aufsicht von Lehrkräften und Mitarbeitern erstellt. Als besonders nützlich erwiesen sich die Apps während der Pandemie, als die Schule auf Fernunterricht umstellte.

Stephen R. Szpak, Jr. '23, ein frischgebackener Chemieingenieur (Pharmazeutik)-Absolvent, war Betatester für die neue Software. „Virtual/Augmented Reality ist eine großartige Ergänzung für den Unterricht, da es eine Möglichkeit bietet, eine Art „praktische“ Erfahrung zu sammeln, bevor man überhaupt ein Labor betritt“, sagt er. „Es kann das Lernen im Vorlesungsstil ergänzen und dazu beitragen, Kenntnisse über Laborsicherheit und experimentelle Techniken zu entwickeln, bevor empfindliche und teure Materialien und Maschinen verwendet werden.“ Da ich selbst ein visueller Lerner bin, war es fantastisch, die Entstehung von Nanopartikeln im virtuellen Raum mit integrierten Lernkontrollpunkten vor mir zu sehen.“

Laborzeit

Jyothi Menon, außerordentlicher Professor für biomedizinische und pharmazeutische Wissenschaften/Chemieingenieurwesen, hat eine App für die Zellkultur entwickelt, eine wichtige Labortechnik, die zunehmend in verschiedenen Disziplinen von der Biotechnologie bis zur Virologie eingesetzt wird. Es gibt jedoch Hindernisse für die Bereitstellung praktischer Schulungen zu aseptischen Zellkulturtechniken: unzureichende Arbeitsräume für die Schulung einer großen Anzahl von Studenten, hohe Kosten, die Schwierigkeit, Zellkulturkontaminationen einzudämmen, und zeitintensive Schulungen.

Die App ist einem modernen Zellkulturlabor nachempfunden und ermöglicht es den Schülern, Techniken in einer sicheren Umgebung zu erlernen, bevor sie mit der Ausbildung im Nasslabor beginnen.

Ein Großteil der virtuellen Laborausrüstung ist interaktiv (z. B. können Pipetten Flüssigkeiten aufnehmen und ausstoßen, Schränke können geöffnet und geschlossen werden, Behälter können geöffnet werden usw.). Interaktive Tests testen das Wissen der Schüler, während sie die Simulationen durchlaufen.

„Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen ermöglichen es uns, Studenten in einem virtuellen Zellkulturlabor auszubilden, wo sie grundlegende Laborfähigkeiten erlernen und mit den verwendeten Geräten interagieren“, sagt sie. „Diese Schulung stärkt die Kompetenz der Studierenden, sodass sie problemlos zum praktischen Experimentieren im Labor übergehen können.“

Da die Schüler mit der Technologie vertraut sind, tragen die nicht benoteten Programme dazu bei, sich in einem unterhaltsamen und vertrauten Umfeld mit den Themen vertraut zu machen.

„Wir haben versucht, es interaktiv zu halten“, sagt Christopher Hemme, Direktor von RI-INBRE MIC, „um den Schülern die Möglichkeit zu geben, zu handeln und Dinge in die Tat umzusetzen.“

Die studentischen App-Designer arbeiteten kreativ daran, die Apps sowohl benutzerfreundlich als auch wissenschaftlich fundiert zu gestalten. In ihren ersten Iterationen der Apps wurden öffentlich verfügbare 3D-Modelle für In-App-Objekte verwendet, was jedoch nicht immer ideal war, da die Modelle für wissenschaftliche Instrumente oft ungenau oder „karikaturhaft“ waren. Die studentischen Programmierer von URI könnten es besser machen und wissenschaftlich korrekte Inhalte erstellen, die von der Fakultät genehmigt wurden, um „echte“ wissenschaftliche Labore zu simulieren.

„Diese Generation ist offen für vielfältige Möglichkeiten des Lernens und des Zugangs zu Informationen“, sagt Hemme. „Die Biochemie bleibt dieselbe, aber zusätzliche Tools helfen. Die Schüler werden mehr verstehen, wenn wir es richtig erklären.“

Das allgemeine Feedback der Studierenden zu den Apps war sehr positiv.

In Vorbefragungen zur MTX-App glaubten beispielsweise die Hälfte (52 %) der Schüler, die die VR-Simulation erleben wollten, dass sie ihnen dabei helfen könnte, die Mechanismen von MTX zu erlernen. Diese Zahl stieg in der Nachbefragung der App dramatisch an (auf 96 %), was zeigt, dass die Schüler ihr Vertrauen in das Verständnis der krebsbekämpfenden Wirkung von MTX in nur einer der angebotenen Apps dramatisch gestärkt haben.

Darüber hinaus werden Anwendungen für Diuretika, Nanotech (Nanopartikel und Liposomen) und Naturprodukte angeboten. Eine App für URIs Medicinal Garden in Augmented-Reality-Form ist ebenfalls in Vorbereitung.

Das Papier wurde seit seiner Veröffentlichung bereits mehr als 800 Mal heruntergeladen und Hemme und Roy Bergstrom von URI ITS – Innovation Services werden auf der Educause-Jahreskonferenz im Oktober eine Demonstration der Apps präsentieren, die Spitzendenken in der Hochschultechnologie präsentiert.

Das Team sagt, dass diese Apps nicht nur URI-Studenten dabei helfen, ihre Kursinhalte zu meistern, sondern sie sind auch von entscheidender Bedeutung für die Öffentlichkeitsarbeit in der größeren Rhode Island-Gemeinschaft, beispielsweise zu Gastschülern der Mittel- und Oberstufe, die sich für MINT-Themen interessieren, oder angehenden Studenten des College of Pharmacy. Das Team hofft, den Umfang der Apps, die anderen Hochschulen am URI und anderen Institutionen im RI-INBRE-Netzwerk zur Verfügung stehen, zu erweitern.