A kis emlős projekt: A hallgatók bevonása tudósokként

Erika V. Iyengar, Paul T. Meier, Rachel E. Hamelers; A kis emlős projekt: A hallgatók bevonása tudósokként. Az amerikai biológia tanár 2017. március 1 .; 79 (3): 200–206. doi: https://doi.org/10.1525/abt.2017.79.3.200

Hivatkozási fájl letöltése:

Ez a cikk egy tartós, hallgató által vezérelt, kutatáson alapuló tevékenységeket ismertet, amelyek célja a tudományos folyamat megvilágítása a kezdeti tudományos kérdésektől az eredmények szóbeli terjesztéséig. Helyénvaló a természettudományi szakok és a nem felső tagozatosok számára, az emelt szintű középiskolák számára felső szintű főiskolai tanfolyamokon keresztül. A hallgatók gyakorlati, önvezérelt vizsgálatokba való bevonása lehetővé teszi számukra, hogy megismerjék a kvantitatív tudományos vizsgálatok kihívásait, valamint a tudományos kreativitás szerepét a kísérleti tervezésben és értelmezésben. Ez a projekt lehetővé teszi, hogy a hallgatók nagy csoportja részt vegyen egy olyan típusú kutatási projektben, amelyet gyakran csak azok a hallgatók vehetnek igénybe, akik oktatókkal vagy kutató laboratóriumokban dolgoznak egyenként. Ehhez a tevékenységhez több kisemlős faj csontvázai szükségesek, de a projektet a rendelkezésre álló erőforrásoknak megfelelően sokféleképpen lehet megváltoztatni. Arra számítunk, hogy azok a hallgatók, akik akadémiai pályafutásuk elején részt vesznek a gyakorlati, önirányított tudományos vizsgálatokban, kevésbé valószínű, hogy a természettudományt pusztán tények halmozásának tekintik, és nagyobb valószínűséggel lesznek képesek később részt venni a tartósabb tudományos vizsgálatokban.

Bevezetés

Sok hallgató nem ismeri fel, hogy a tudományos folyamat mennyire kreatív és nemlineáris, és nem kérdőjelezi meg, hogy a tankönyvekben és az előadásokban hogyan szerezték meg az információkat. A tudomány zártnak tűnhet, a kutatás folyamata pedig titokzatos és elit. Ezenkívül egy Muhlenberg College belső értékelési felméréséből kiderült, hogy hallgatóink több mint fele az első természettudományi osztályát kezdte, a természettudományt pusztán tények halmozásának tekintette (Clark et al., 2015). Az eredeti, innovatív kutatásban való részvétel segíthet a hallgatóknak elképzelni magukat a terepen és kezelni ezeket a tévhiteket. A kutatás és a tudományos kutatás nem csak azoknak a hallgatóknak szól, akik terveik szerint végül belépnek az egyetemre. Minden szakembernek képesnek kell lennie a problémák kivizsgálására, meg kell értenie, hogyan lehet megbízható információkat gyűjteni, amelyek segítenek megválaszolni saját kérdéseit, és bizonyítékokat kell felhasználnia a döntések meghozatalához. A hallgatók nagy csoportjai számára fenntartható kutatási projekteket azonban nehéz lehet kezelni.

Noha a tantestület a legtöbb biológiai tanulás szerves részeként értékeli a kutatást, kevés osztályhoz kötött laboratóriumi gyakorlat arra ösztönzi a hallgatókat, hogy járják végig a teljes tudományos folyamatot, saját megfigyelési kérdések és az irodalom alapján hozzák létre saját kísérleti kérdéseiket, és lehetővé teszik számukra, hogy küzdjenek a kísérleti tervezéssel. Ehelyett a laboratóriumok többsége csak az adatok elemzését és értelmezését bízza meg a hallgatókra (Puttick et al., 2015). A hallgató azzal az érzéssel folytatja, hogy a professzor már tudja a választ (PCAST, 2012), hiányolva az ismeretlen felfedezésének izgalmát. A jó kísérleti tervezés megértése és felhasználása, az adatkészletek erősségeinek és gyengeségeinek felmérése, valamint konkrét tudományos kérdések feltevése konkrét releváns előrejelzésekkel a tudományos folyamat alapvető elemei.

Bizonyos természettudományos folyamatkészségek hiánya fontos meghatározó lehet azok számára, akiknek a legnagyobb a kockázata a bevezető biológia kudarcának (Dirks & Cunningham, 2006). Az egyetemi hallgatói kutatás további előnyei a következők: (a) megnövekedett bizalom és kompetencia a kutatás során, (b) fegyelmi, információs műveltség és kommunikációs készségek, (c) elégedettség az alapszakos fő tantervvel, és (d) karrierút és a posztgraduális iskolába való hajlam (pl. Hathaway et al., 2002; Hunter et al., 2007; Lopatto, 2003, 2004, 2010; Russell et al., 2007; Seymour et al., 2004; Crowe & Brakke, 2008). Ahhoz azonban, hogy kutatást folytassanak, a hallgatóknak fel kell ismerniük, hogy tudományos karrierjük elején tudnak kutatni. Russell és mtsai. (2007) azt javasolja, hogy a főiskolai pályakezdők és a másodéves hallgatók számára biztosítsanak kutatási lehetőségeket, és a PCAST (2012) javasolta a standard laboratóriumi tanfolyamok felváltását felfedezésalapú kutatási kurzusokkal a STEM-hallgatók megtartásának javítása érdekében. Az ismert előnyök ellenére kevés intézmény képes egy teljes osztályt biztosítani saját tervezésű kísérletekre az összes bevezető szintű természettudományos hallgató számára. Így egy kisebb léptékű projektet építettünk be egy előadások által uralt osztályba.

Kis kezdetű, saját tervezésű, számszerűsíthető kutatási projektjeink a kezdő biológus hallgatók számára minimális útmutatást adnak az adott kérdéshez, de sok útmutatást adnak a tudományos kutatás folyamatához. A hallgatók kérdéseket dolgoznak fel, és ezekre a tudományos kérdésekre adnak választ kis csoportokban. Célunk, hogy vizsgálódási folyamatuk feltárja előttük, hogy miként folytatják a tudományos gyakorlatokat, és hogyan jönnek létre és kommunikálnak új ismereteket. Ez a munka gyakorlati alkalmazással elősegíti az előadás tartalmának megértését. Az eredmények hatékony közlésének képessége a kutatás kritikus szempontja. Ezért projektünk a különböző típusú tudományos kommunikáció megismerésével kezdődik, és egy tudományos konferenciát modellező csoportos előadással fejeződik be. Ez a projekt megfelel az Amerikai Főiskolák és Egyetemek Szövetségének (AAC & U) két nagy hatású tanulási gyakorlatának: együttműködési projektek és egyetemi kutatások (Lopatto, 2010). Egyetértünk abban, hogy „néhány hallgató számára egy marginális, privilegizált szerepből kell elmozdítanunk az„ egyetemi kutatást ”, hogy ez jelentős strukturált tantervi tapasztalattá váljon az összes hallgató számára” (Jenkins & Healey, 2009), és további ösztönzésre ösztönözzük az intézményeket, hogy ajánlják fel ezeket a kutatásokat. korán és mindent áthatóan tapasztal.

Úgy gondoljuk, hogy a hallgatók bevonása saját tudományos felfedezéseikbe növeli az érdeklődésüket a szakterület iránt, és tartósan értékelni fogja a tudományos folyamatot: a releváns irodalom megtalálása és olvasása, a megfelelő számszerűsíthető mérőszámok meghatározása, az adatok változékonyságának és az ebből fakadó bizonytalanságnak a következtetésekben való értékelése, annak megértése, hogy a egy kérdésre adott válasz további kérdéseket vált ki. Így hoztuk létre a „Kis emlősök projektjét”, egy hiteles kutatási tapasztalatot, valamint a biológiai osztály és a könyvtár együttműködését.

A kis emlős projekt

Kis emlős csontvázak használata

Az első témák, melyeket a főbb hallgatók számára indított bevezető tanfolyamunkon tárgyaltak, olyan témákat tartalmaznak, amelyek összekapcsolják az élet tanulmányozását és a tudományos kutatás folyamatát. A projekt főbb témái a következők: a szerkezet és a funkció kapcsolata (pl. A végtagok szerkezetének összehasonlítása a mozgásban változó fajok között), evolúció (pl. Hasonló étrendű, de eltérő filogenetikai előzményekkel rendelkező fajok összehasonlításával) és az allometria ( a testméretében változó fajok összehasonlítása).

A 13 kis apró emlősfaj több egyedének nagyobb csontjait (1. táblázat) a hallgatók rendelkezésére bocsátják. A hallgatók feladata, hogy magyarázatot adjanak a csontok egyikének (vagy funkcionális egységének) alakjára vagy hosszára, a fentiekben meghatározott három fő téma alkalmazásával és a tudományos kutatás módszereinek alkalmazásával. A csontvázak használata ideális, mert a minták viszonylag tartósak, egyénekenként eltérőek (fontosak az adatok statisztikai elemzésének szükségességének és a minta méretének hangsúlyozásához), az allometria és a filogenetikai előzmények befolyásolják őket. A diákokat megkérdezik, hogyan lehet azonosítani a legerősebb szelekciós nyomást, és hogyan lehet értékelni az evolúciós plaszticitást ezekben a kisemlősökben?

Gyakori név . Tudományos név .

Amerikai vörös mókus	Tamiasciurus hudsonicus
Keleti mókus	Tamias striatus
Keleti szürke mókus	Sciurus carolinensis
Házi egér	Mus musculus
Álarcos csaj	Sorex cinereus
Réti pocok	Microtus pennsylvanicus
Északi rövidfarkú rigók	Blarina brevicauda
Déli vöröshátú pelyhek	Myodes gapperi
Tizenhárom soros földi mókus	Ictidomys tridecemlineatus
Uinta földi mókus	Urocitellus armatus
Fehérlábú egerek	Peromyscus leucopus
Mormota	Marmota monax
Woodland ugró egér	Napaeozapus insignis

Gyakori név . Tudományos név .

Amerikai vörös mókus	Tamiasciurus hudsonicus
Keleti mókus	Tamias striatus
Keleti szürke mókus	Sciurus carolinensis
Házi egér	Mus musculus
Álarcos csaj	Sorex cinereus
Réti pocok	Microtus pennsylvanicus
Északi rövidfarkú rigók	Blarina brevicauda
Déli vöröshátú pelyhek	Myodes gapperi
Tizenhárom vonalú mókus	Ictidomys tridecemlineatus
Uinta földi mókus	Urocitellus armatus
Fehérlábú egerek	Peromyscus leucopus
Mormota	Marmota monax
Woodland ugró egér	Napaeozapus insignis

A mintákat megfelelő engedélyek megszerzésével lehet összegyűjteni a közúti gyilkosságok gyűjtésére. A csontvázak tisztítása történhet macerázással (gyorsabban, de a csontvázak tagolódnak és valószínűleg nagyon apró csontok vesznek el), vagy dermestid bogarak használatával (lassabban és könnyebben megszerezhető csuklós csontvázak) (Sullivan, 1999). A csontvázak különféle gyártóktól is megvásárolhatók, mint például a Carolina Biological Supply, a Skulls Unlimited vagy a The Bone Room, de a több csontváz költsége megfizethető lehet.

Más biológiai minták helyettesíthetők a csontváz anyagával. Az anyagok előnyösen robusztus, szilárd, nem nyújtható anyagok, mérésre beton tereptárgyakkal. Például a levél szerkezete változik ökológia, egyének és filogenetikai csoportok szerint (Nictoria et al., 2011); egy érdekes projekt megfontolhatja a levél alakját a közönséges és ökológiailag sokszínű kutyafák (Cornus spp.) és a viburnumok (Viburnum spp.) között. Egyéb megfelelő példányok lehetnek a madárlábak, a számlák, a szárnyak vagy a tollak, a csigahéjak, a bogarak és a halcsontok, különösen a koponyák és az állkapcsok.

Projekt céljai

A projekt céljait korai kézikönyvben ismertették a hallgatókkal:

Mutassa be a hallgatókat a projekt kidolgozásának tudományos módszerével és módjaival, ideértve a következőket is: (a) tudományos kérdés kidolgozása; b) megtalálja, olvassa el és felhasználja az elsődleges és a másodlagos irodalmat (az első félév biológus hallgatói számára az információs műveltség tanulási céljainak része, lásd a 2. táblázatot); c) a tudományos módszert alkalmazza az adatok gyűjtésére és elemzésére, majd az eredmények értelmezésére; d) megvizsgálja az eredmények következményeit és meghatározza a követendő logikus következő lépéseket.

Engedje meg a hallgatóknak, hogy dolgozzanak és mélyebben megértsék az evolúció, a természetes szelekció, az adaptáció, a filogenitás, a tudományos nomenklatúra, a független változók, a függő változók és a minta nagyságát; az adatgyűjtés terjedésének és fontosságának megértéséhez vezet; és lehetővé teszi a hallgatók számára az alapvető adatkezelések és grafikonok készítését.

Határozza meg az egyetem tudományos könyvtárosát, szerepét és ismerje meg a kapcsolattartás módját.

Különböztesse meg a különféle tudományos forrásokat, ideértve az elsődleges irodalmat, az áttekintő cikkeket és más típusú másodlagos forrásokat.

Fogalmazza meg a szakértők által áttekintett munka és más források közötti különbséget.

Megérteni a tudományos kommunikáció különböző típusait, és miért fontos mindegyik.

Határozza meg az elsődleges cikk egyes szakaszainak részeit és célját.

Határozza meg mások munkájának idézésének szerepét, valamint a tudásmegosztás és a plágium etikai következményeit.

Határozza meg az egyetem tudományos könyvtárosát, szerepét és ismerje meg a kapcsolattartás módját.

Különbséget kell tenni a különféle tudományos források között, ideértve az elsődleges irodalmat, az áttekintő cikkeket és más típusú másodlagos forrásokat.

Fogalmazza meg a szakértők által áttekintett munka és más források közötti különbséget.

Ismerje meg a tudományos kommunikáció különböző típusait, és miért fontos mindegyik.

Határozza meg az elsődleges cikk egyes szakaszainak részeit és célját.

Határozza meg mások munkájának idézésének szerepét, valamint a tudásmegosztás és a plágium etikai következményeit.

Idővonal

Bevezető biológia három féléves sorozatunk első félévét egyetlen professzor nagy előadásként (> 170 hallgató) oktatja. Háromórás laboratórium helyett heti 50 perces szavalat van, amelyet az előadás professzora tanít, amelyben 20 hallgatóból álló csoportok gyakorlati tevékenységeket tapasztalnak, amelyek szemléltetik az előadás fogalmait. Ezt a projektet a félév során szavalatban végezték. A felsorolt hetek a félév hetei, amikor az egyes lépéseket megtették. Más hetekben olyan osztály-releváns tevékenységeket folytattak, amelyek nem tartalmazzák ezt a projektet.

2. hét: Az előadásban a tudományos referencia könyvtáros 15 perces interaktív előadást tartott a szakértői értékelés, az elsődleges és a másodlagos irodalom ismertetésével. A házi feladatok elvégzéséhez a hallgatók meghatározták, hogy a megadott cikkrészletek származnak-e elsődleges vagy másodlagos irodalmi forrásokból; definíciókat írt az elsődleges, a másodlagos, az áttekintő és a népszerű sajtócikkekhez és a szakértői véleményekhez; valamint ötletelték az egyes forrásokból származó tudományos információk megszerzésének előnyeit és hátrányait. Azon a héten egy aktív tanulási tevékenység bemutatta a szerzőt és a hallgatóságot, az előnyöket és hátrányokat, a tudományos kommunikáció különböző formái közötti különbségeket és hasonlóságokat, valamint az elsődleges szakirodalmi cikk részeit (Hamelers, 2015).

3. hét: Kis csoportokban a hallgatók egyórás irodalomkereső és idéző foglalkozáson vettek részt a könyvtáros vezetésével. Mindegyik hallgatóhoz két kisemlős faj került kijelölésre a tizenhárom fős listából, és feladata volt a releváns elsődleges és másodlagos irodalom felfedezése. Irányító kérdéseket adtak meg (3. táblázat). A hallgatóknak három közzétett forrásból kellett információt találniuk és felhasználniuk, köztük legalább egy elsődleges és egy másodlagos forrásból. Az egyes hozzárendelt fajokról a hallgatók ezt követően elektronikus úton külön egyoldalas (helyesen hivatkozott) dolgozatokat küldtek be, amelyek összefoglalták az ökológiai információkat, valamint egy táblázatot, amely felsorolja a legfontosabb ökológiai tényezőket (a témakörök fejezeteit lásd a 4. mellékletben). A professzor összeállított és közzétett egy táblázatot, amely összefoglalja mind a tizenhárom faj ökológiai információit, és mindegyik külön fajspecifikus dokumentumot a szavalat tanfolyamkezelő oldalán. Minden hallgatónak el kellett olvasnia az összes kifüggesztett dokumentumot (két beadványt a tizenhárom fajról, plusz az egyetlen kumulatív táblázatot) a 6. hét szavalatára való felkészülés érdekében.

1	Hol van a faj a bolygón?
2	Vándorol? Ha igen, mikor és hova és miért?
3	Hibernál? Az év melyik része aktív?
4	Hány babája szokott lenni?
5.	Mi a tipikus élettartama?
6.	Mit eszik? Tárolja-e az ételt?
7	Mi eszi meg?
8.	Milyen mikrohabitát lakik?
9.	Szociálisak? Monogám? Gyarmati? Magányos?

1	Hol van a faj a bolygón?
2	Vándorol? Ha igen, mikor és hova és miért?
3	Hibernál? Az év melyik része aktív?
4	Hány babája szokott lenni?
5.	Mi a tipikus élettartama?
6.	Mit eszik? Tárolja-e az ételt?
7	Mi eszi meg?
8.	Milyen mikrohabitát lakik?
9.	Szociálisak? Monogám? Gyarmati? Magányos?

A dolgozat mellett a hallgatók egy táblázatot küldtek be, amely mondatfoszlányokkal adott kérdésekre válaszolt, így könnyen elvégezhető az összes érdekes faj összesített összehasonlítása. A táblázat fejlécét lásd a 4. függelékben.

6. hét: Óra előtt a diákok két hozzárendelt cikket olvasnak: egyet a karok alapvető mechanikájáról (Glase és mtsai., 1981), és egyet az állatok alkalmazkodásáról a sebesség és a teljesítmény arányában (Hildebrand, 1960). Négy-hat hallgatóból álló csoportokat a négy projektcsoport egyikébe osztottak be. A csoporton belül minden tanuló különféle fajpárokat kutatott, megkönnyítve az összehasonlításokat és a kontrasztokat. Először mindegyik csoport megvitatta a háttércikkeket, hogy tisztázza a csontváz-izomrendszer fizikájának fogalmait, majd összehasonlították sajátos kisemlősök ökológiáját. Később a szavalaton kívüli találkozókon keresztül mindegyik csoport hat hipotézissel állt elő, amelyek kivizsgálása érdekelt. Mindegyik hipotézis különböző adaptációkat javasolt a kisemlős fajok alcsoportjai között, az alcsoportokat a közös ökológia alapján határozták meg. Az egyes hipotéziseknél a hallgatók ezután konkrét előrejelzéseket tettek arról, hogy az adaptációknak hogyan kell megnyilvánulniuk a csontvázakban.

9. hét: Hipotézisük és konkrét előrejelzésük alapján (lásd például a 4. táblázatot vagy az 1. függeléket) minden csoport összegyűjtötte adatait, minden faj három-hat csontvázának mérésével (1. ábra). A hátralévő időben a csoportok áttekintették előrejelzéseiket, és megbeszélték, hogyan ábrázolják és értelmezik adataikat.