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遺傳學啟發的方法可以改善課堂分析

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  • 2019-10-16 08:34:59
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要了解教育研究和基因組學領域之間的差異,只需考慮每個領域如何定義“編碼”一詞。

對內布拉斯加州的瑪麗蓮·斯坦斯(Marilyne Stains)而言,她最近對STEM教育的研究贏得了她的“科學家和工程師總統早期職業獎”,這意味著對教師和學生的課堂行為進行分類。

對于在加入斯坦斯實驗室之前獲得植物遺傳學博士學位的羅伯特·埃德曼(Robert Erdmann)來說,它描述了有機物如何存儲使生命成為可能的生物學指導手冊。

但斯坦因之所以把埃德曼帶入美國,正是因為他的學術背景與她的學術背景不同,因此有機會為她的實驗室增添獨特的見解和聲音。對跨學科的投資已經以“課堂作為基因組”的形式獲得了回報,這是一種遺傳學啟發的方法,二人組開發了這種方法以更好地分析和解釋從教室收集的數據。

研究人員說,加速了對生物疾病或適應性遺傳指標搜索的統計和可視化工具有可能在STEM教育中也能做到這一點。

化學副教授斯坦斯說:“我認為這里的重大創新是(能夠)利用已經在完全不同領域中審查和存在的工具,并將其應用于教育數據。”“我們在這里使用的工具可以幫助我們確定教師和學生行為的模式,而這些行為實際上是傳統統計數據無法做到的。”

在腦力激蕩方法時比較筆記時,斯坦斯和埃德曼確定了一些關鍵但容易被忽略的基因組和教室之間的相似性。

例如,二人組意識到這兩者都具有多層信息,這些信息僅在整體上看可能會丟失或壓縮??偟膩碚f,基因組可以被視為生物體中遺傳藍圖的完整目錄。但是,從實際的角度理解基因組意味著深入研究:DNA和基因實際上是什么,基因中嵌入的指令如何被轉錄和翻譯,為什么該過程有時會失敗。

研究人員說,大多數傳統的分析教室數據的方法比后者更類似于前者,而缺少動態性,有時無法最好地捕捉教師的教與學方式。斯坦斯和埃德曼想要細微差別。他們想要一種方法,該方法既可以考慮順序的影響(一個元素如何導致或影響下一個元素),又可以考慮同時發生或時間重疊的事件之間的相互作用。他們想從數百個甚至數千個教室收集的大量數據中識別出有意義的模式。

在研究生物體的基因組時,遺傳學家面臨著相似但甚至更大的挑戰,其中許多生物體包含數百萬個甚至數十億個核苷酸堿基(DNA字母的四個“字母”)。在過去的幾十年中,由技術驅動的生物信息學的興起使遺傳學家能夠解釋由該代碼形成的使用說明書中的單詞,頁面和章節的等效內容,以及確定其如何轉錄的語法,標點符號和其他規則。

在埃德曼(Erdmann)的腦海中,驚人的進步也代表了未實現的潛力。

“我所看到的是一次機會,可以使用與植物生物學相同的生物信息學工具來實現獨特且具有創造性的目的:分析實際上與生物學數據有很多相似之處但并未被視為相似之處的數據”?,F任明尼蘇達州羅切斯特大學的埃德曼說。“我認為我們對最終使用它們的無縫性以及在測試工具時獲得的結果感到非常滿意。”

提前上課

Stains和Erdmann說,“以基因組作為課堂”方法的一個主要優點是,它可以采用多種方法來測量同一課堂的觀察結果。一種常見的工具稱為COPUS,它可以對教室中行為和互動的存在與否進行分類。其他工具對這些事件的感知質量或其他方面進行分類。

Stains說,教育研究人員通??梢元毩⒌胤治鰜碜圆煌瑑x器的數據。她說,但是這種新方法將使研究人員能夠將一種實踐或互動的存在,數量和質量分層到一個可視化工具中,從而使他們對教師的風格或課堂文化有更全面但仍可理解的認識。

“教室是混亂的地方,”埃爾德曼說。“您希望能夠獲得盡可能多的信息,并且不丟失任何信息。這是用于此操作的出色數據結構。

“這使研究人員可以同時使用多種工具的最佳部分,以從同一組數據中獲取更多信息。”

為了說明“課堂”作為基因組的用途和價值,Stains和Erdmann在《 CBE-生命科學教育》雜志上揭露了他們的方法,并舉例和案例研究(后者使用2015年論文的數據)。

他們的例子包括教育研究人員可能會更好地使用該方法解決的問題,以及已經通過生物信息學解決的基因組等效問題。一個課堂上的問題調查了整個教學過程中答題者問題的平均分布情況,該問題與遺傳密碼與基因組中同一密碼的其他實例的距離相匹配。

在相關的案例研究中,二人組使用COPUS數據和基因組學可視化工具來檢驗假設,即發出答題者問題的講師還會鼓勵學生在回答之前進行協作。然后,斯坦因斯(Stains)和埃德曼(Erdmann)擴大了分析范圍,以證明相關問題或方法可以解決的假設的廣度。

Stains說:“我認為這對于教育研究人員或其他對這些技術一無所知的人特別有用。”“如果您已經使用了生物信息學,那么語言和思維方式可能很常見。但是,特別是對于那些不在世界范圍內的人們來說,展示這些工具的外觀(以及)它們可以做什么非常重要。

“看到這些方法的潛力是一種概念證明。但是我認為這太新了,我們必須加以例證。”

Stains和Erdmann表示,他們希望相反的事實也將成為事實-與實驗室相比,對實驗室的分析更為熟悉的替補科學家將逐漸意識到并有可能使用后者。

埃爾德曼說:“這可能是學術界人士和生物學界人士之間的一座偉大橋梁。“如果為他們的世界提供碰撞的機會,那么對于雙方以新的方式思考教育以及幫助使教育研究成為更多人正在思考的事情而言,對雙方都是非常有用的。”

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