Genetik-inspireret tilgang kunne forbedre klasseværelsesanalyse

For at forstå forskellen mellem områderne uddannelsesforskning og genomik, bare overvej, hvordan hver enkelt kan definere ordet "kodning".

Til Nebraskas Marilyne Stains, hvis forskning i STEM-uddannelse for nylig gav hende Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers, det betyder at klassificere klasseværelsesadfærden for instruktører og elever.

Til Robert Erdmann, som tog sin doktorgrad på at studere plantegenetik, før han kom til Stains' laboratorium, den beskriver, hvordan organismer opbevarer de biologiske brugsanvisninger, der gør livet muligt.

Men Stains bragte Erdmann ombord, netop fordi hans akademiske baggrund adskilte sig fra hendes egen, prissætter chancen for at tilføje et særskilt perspektiv og stemme til hendes laboratorium. Den investering i det tværfaglige har givet pote i form af Classroom as Genome, en genetik-inspireret tilgang, som duoen udviklede for bedre at analysere og fortolke data indsamlet fra klasseværelser.

De statistiske og visualiseringsværktøjer, der har fremskyndet søgningen efter genetiske indikatorer for sygdom eller fitness i organismer, har potentialet til at gøre det samme for STEM-undervisning, sagde forskerne.

"Jeg tror, ​​at den store innovation her er at (at) kunne udnytte værktøjer, der allerede er undersøgt og eksisterer på helt andre områder og anvende dem på uddannelsesdata, "Pletter, en lektor i kemi, sagde. "De værktøjer, vi bruger her, hjælper os med at identificere mønstre for instruktører (og) elevers adfærd, som vi virkelig ikke kunne gøre med kun traditionel statistik."

Ved at sammenligne noter, mens man brainstormer tilgangen, Stains og Erdmann identificerede nogle få kritiske, men let oversete ligheder mellem genomer og klasseværelser.

Duoen indså, for eksempel, at begge har flere lag af information, som kan gå tabt eller komprimeres, når man kun ser på helheden. I fællesskab et genom kan opfattes som hele kataloget af genetiske tegninger i en organisme. Forstå genomet på et praktisk niveau, selvom, betyder at grave ned i de dybere lag:hvad DNA og gener faktisk er, hvordan instruktionerne indlejret i gener bliver transskriberet og oversat, hvorfor den proces nogle gange mislykkes.

De fleste traditionelle tilgange til at analysere klasseværelsesdata ligner førstnævnte mere end sidstnævnte, sagde forskerne, manglende dynamik, der nogle gange bedst fanger, hvordan instruktører underviser, og eleverne lærer. Stains og Erdmann ville have nuancerne. De ønskede en tilgang, der kunne redegøre for både indflydelsen af ​​sekvens - hvordan et element kan forårsage eller påvirke det næste - og samspillet mellem begivenheder, der opstår samtidigt eller overlapper i tid. Og de ønskede at skelne meningsfulde mønstre fra enorme mængder data indsamlet fra hundredvis eller endda tusindvis af klasseværelser.

Genetikere har stået over for lignende, men endnu større udfordringer, mens de studerede organismers genomer, hvoraf mange indeholder millioner hvis ikke milliarder af nukleotidbaser – de fire "bogstaver" i DNA's alfabet. Den teknologidrevne stigning i bioinformatik gennem de sidste par årtier har gjort det muligt for genetikere at fortolke ækvivalenter af ord, sider og kapitler i instruktionsmanualerne dannet af denne kode – sammen med syntaksen, tegnsætning og andre regler, der bestemmer, hvordan det bliver transskriberet.

I Erdmanns sind, at svimlende fremskridt også repræsenterede urealiseret potentiale.

"Det, jeg så, var en mulighed for at bruge de samme bioinformatiske værktøjer, som jeg brugte til plantebiologi til en slags unikt og kreativt formål:at analysere data, der faktisk har mange paralleller med biologiske data, men som ikke var blevet set i det kontekst før, sagde Erdmann, nu ved University of Minnesota Rochester. "Jeg tror, ​​vi begge var meget tilfredse med, hvor problemfrit det endte med at bruge dem og de resultater, vi var i stand til at få, da vi testede værktøjerne."

Foran klassen

En stor fordel ved Classroom as Genome-tilgangen, Stains og Erdmann sagde, er, at den kan inkorporere flere måder at måle de samme klasseværelsesobservationer på. Et almindeligt instrument, kendt som COPUS, hjælper med at kategorisere tilstedeværelsen eller fraværet af adfærd og interaktioner i klasseværelset. Andre instrumenter klassificerer den opfattede kvalitet eller andre aspekter af disse begivenheder.

Uddannelsesforskere analyserer typisk data fra forskellige instrumenter uafhængigt af hinanden, Pletter sagde. Men den nye tilgang vil give forskere mulighed for at laggøre tilstedeværelsen, kvantitet og kvalitet af en praksis eller interaktion i ét visualiseringsværktøj, give dem et mere omfattende, men stadig forståeligt syn på en instruktørs stil eller klasseværelseskultur, hun sagde.

"Klasseværelser er kaotiske steder, " sagde Erdmann. "Du vil være i stand til at få så meget information som du kan og ikke miste noget af det. Dette er en fantastisk datastruktur at bruge til det.

"Dette lader forskere bruge de bedste dele af flere værktøjer samtidigt for at få mere information ud af det samme sæt data."

For at illustrere brugen og værdien af ​​Classroom som genom, Stains og Erdmann inkluderede eksempler og casestudier - sidstnævnte med data fra et papir fra 2015 - da de afslørede deres tilgang i tidsskriftet CBE—Life Sciences Education.

Deres eksempler bestod af spørgsmål, som uddannelsesforskere måske bedre kunne løse ved hjælp af tilgangen, sideløbende med de genomiske ækvivalenter, der allerede besvares via bioinformatik. Et klasseværelsesspørgsmål, der undersøger, hvor jævnt spredte klikkerspørgsmål er på tværs af en undervisningsperiode, blev parret med, hvor langt en genetisk kode er fra andre forekomster af den samme kode i et genom.

I et relateret casestudie, duoen brugte COPUS-data og et genomics-visualiseringsværktøj til at teste hypotesen om, at instruktører, der udsender klikkerspørgsmål, også opfordrer eleverne til at samarbejde, før de svarer. Stains og Erdmann udvidede derefter analysen for at demonstrere bredden af ​​relaterede spørgsmål eller hypoteser, som tilgangen kunne adressere.

"Jeg tror, ​​det vil være særligt nyttigt for uddannelsesforskere eller andre, der ikke ved noget om disse teknikker, " sagde Stains. "Hvis du allerede bruger bioinformatik, sproget og måden at tænke på er nok fælles. Men især for folk, der er uden for den verden, det var virkelig vigtigt at demonstrere, hvordan disse værktøjer ser ud (og) hvad de kan.

"Det er en slags proof-of-concept at se det potentiale, som disse metoder har. Men jeg tror, ​​det er så nyt, at vi er nødt til at eksemplificere det."

Stains og Erdmann sagde, at de håber, at det omvendte også vil vise sig sandt - at bænkforskere, der er mere fortrolige med analyser i laboratoriet end klasseværelset, vil komme til at værdsætte og potentielt bruge sidstnævnte.

"Dette kunne være en god bro mellem folk i akademiske afdelinger, der er i den mere biologiske ende, og folk, der tænker mere i de pædagogiske baner, " sagde Erdmann. "Hvis du giver muligheder for, at deres verdener kan kollidere, det kan være meget nyttigt for begge sider i forhold til at tænke uddannelse på nye måder og være med til at gøre uddannelsesforskning til noget, flere tænker over."