Ерика В. Айенгар, Пол Т. Майер, Рейчъл Е. Хамелерс; Проектът за малки бозайници: ангажиране на ученици като учени. Американският учител по биология 1 март 2017 г .; 79 (3): 200–206. doi: https://doi.org/10.1525/abt.2017.79.3.200

бозайници

Изтеглете файла с цитат:

Тази статия описва устойчив, ориентиран към студентите набор от дейности, предназначени да осветят научния процес от първоначалните научни въпроси до устното разпространение на резултатите. Подходящо е за специалности и специалности за наука, за напреднали в гимназията чрез курсове за висше образование. Включването на студентите в практически самостоятелни изследвания ще им позволи да видят предизвикателствата на количествените научни изследвания и ролята на научното творчество в експерименталния дизайн и интерпретация. Този проект позволява на голяма група студенти да участват в типа изследователски проект, който често е достъпен само за студенти, работещи един на един с инструктори или в изследователски лаборатории. Тази дейност изисква скелети на множество видове дребни бозайници, но има много начини да се промени проектът, за да отговаря на наличните ресурси. Очакваме, че студентите, участващи в практически, самостоятелни научни изследвания в началото на академичната си кариера, са по-малко склонни да гледат на науката като просто натрупване на факти и е по-вероятно да бъдат упълномощени да участват по-късно в по-устойчиви научни изследвания.

Въведение

Много студенти не успяват да разпознаят колко творчески и нелинеен е научният процес, без да поставят под въпрос как е получена информацията в учебниците и лекциите. Науката може да изглежда затворена, а процесът на изследване загадъчен и елитен. Освен това, проучване на вътрешната оценка на колежа Muhlenberg разкрива, че над половината от нашите ученици, започвайки първия си клас по природни науки, разглеждат науката като просто натрупване на факти (Clark et al., 2015). Участието в оригинални, иновативни изследвания може да помогне на учениците да се представят в тази област и да се справят с тези заблуди. Изследванията и научните изследвания не са само за студенти, които планират в крайна сметка да влязат в академичните среди. Всички специалисти трябва да могат да разследват проблемите, да разбират как да събират надеждна информация, която да им помогне да отговорят на собствените им въпроси, и да използват доказателства за вземане на решения. Устойчивите изследователски проекти за големи групи студенти обаче могат да бъдат трудни за управление.

Въпреки че повечето преподаватели ценят изследванията като неразделна част от изучаването на биология, малко лабораторни упражнения, свързани с класа, насърчават студентите да преминат през целия научен процес, да създадат свои собствени експериментални въпроси въз основа на наблюдения и литература и да им позволят да се борят с експерименталния дизайн. Вместо това повечето лаборатории оставят на студентите само анализ и интерпретация на данни (Puttick et al., 2015). Студентът продължава с усещането, че професорът вече знае отговора (PCAST, 2012), пропускайки тръпката от откриването на неизвестното. Разбирането и използването на добър експериментален дизайн, оценка на силните и слабите страни на наборите данни и задаването на конкретни научни въпроси с конкретни съответни прогнози са ключови компоненти на научния процес.

Липсата на определени умения за научен процес може да бъде важен фактор, определящ тези, които са изложени на най-голям риск от провал на въвеждащата биология (Dirks & Cunningham, 2006). Допълнителните предимства на студентските изследвания включват: (а) повишени нива на доверие и компетентност при извършване на научни изследвания, (б) дисциплинарна, информационна грамотност и комуникативни умения, (в) удовлетвореност от основната учебна програма на бакалавърската програма и (г) изясняване на кариера и тенденции за посещение на аспирантура (напр. Hathaway et al., 2002; Hunter et al., 2007; Lopatto, 2003, 2004, 2010; Russell et al., 2007; Seymour et al., 2004; Crowe & Brakke, 2008). За да се ангажират с научни изследвания обаче, студентите трябва да осъзнаят, че могат да правят изследвания в началото на академичната си кариера. Ръсел и сътр. (2007) се застъпват за това, че на първокурсниците и второкласниците се предоставят възможности за научни изследвания и PCAST ​​(2012) препоръчва да се заменят стандартните лабораторни курсове с научноизследователски курсове, основани на открития, за да се подобри запазването на студентите по STEM. Въпреки известните предимства, малко институции могат да осигурят цял ​​клас, фокусиран върху самостоятелно проектирани експерименти за всички студенти от начално ниво по наука. По този начин ние включихме по-мащабен проект, вграден в доминиран от лекции клас.

Нашите малки, самостоятелно проектирани, количествено измерими изследователски проекти за начинаещи студенти по биология предоставят минимални насоки за конкретния въпрос, но много насоки за процеса на научно изследване. Студентите разработват въпроси и отговарят на тези научни въпроси в малки групи. Нашата цел е техният процес на проучване да им разкрие как се провеждат научни практики и как се създават и комуникират нови знания. Тази работа насърчава разбирането на съдържанието на лекцията чрез практическо приложение. Способността да се комуникират резултатите ефективно е критичен аспект на изследването. Следователно нашият проект започва с изучаване на различни видове научна комуникация и завършва с групова презентация, моделираща научна конференция. Този проект изпълнява две от практиките за учене с голямо въздействие на Асоциацията на американските колежи и университети (AAC & U): съвместни проекти и бакалавърски изследвания (Lopatto, 2010). Съгласни сме, че „трябва да изместим„ бакалавърските изследвания “от маргинална, привилегирована роля за няколко студенти, за да го превърнем в значително структурирано учебно изживяване за всички студенти“ (Jenkins & Healey, 2009), и допълнително настояваме институциите да предлагат тези изследвания преживява рано и всеобхватно.

Смятаме, че ангажирането на студентите със собствени научни открития ще увеличи интереса им към областта и ще осигури трайна оценка на научния процес: намиране и четене на съответната литература, определяне на подходящи количествено измерими показатели, оценяване на вариациите в данните и произтичащата от това несигурност в заключенията, разбиране как отговорът на един въпрос задейства повече въпроси. По този начин ние създадохме „Проектът за малки бозайници“, автентичен изследователски опит и сътрудничество между отдела по биология и библиотеката.

Проектът за малки бозайници

Използване на малки скелети на бозайници

Първите теми, обсъдени в нашия уводен курс за специалности, включват теми, които свързват изучаването на живота и процеса на научно изследване. Основните теми, разгледани в проекта, включват: връзката между структурата и функцията (например чрез сравняване на структурата на крайниците между видовете, които се различават в движението), еволюцията (например чрез сравняване на видове с подобни диети, но различна филогенетична история) и алометрия (от сравняване на видове, които се различават по размер на тялото).

По-големите кости от множество индивиди от всеки от 13 вида малки бозайници (Таблица 1) се предоставят на учениците. Студентите имат за задача да предоставят обяснение за формата или дължината на една (или функционална единица) от костите, прилагайки трите основни теми, идентифицирани по-горе, и използвайки методи за научно изследване. Използването на скелети е идеално, тъй като пробите са относително трайни, варират при отделните индивиди (важно за подчертаване на необходимостта от статистически анализ на данните и размера на извадката) и се влияят от алометрията и филогенетичната история. Студентите са попитани, как можем да определим кои са най-силните селекционни налягания и да оценим еволюционната пластичност на признаците в тези малки бозайници?

Често срещано име . Научно наименование .
Американска червена катерица Tamiasciurus hudsonicus
Източен бурундук Tamias striatus
Източна сива катерица Sciurus carolinensis
Домашна мишка Mus musculus
Маскирана землеройка Sorex cinereus
Ливадни полевки Microtus pennsylvanicus
Северни късоопашати землерийки Бларина бревикуда
Южни червеногърби полевки Миоди гапери
Тринадесет облицована земна катерица Ictidomys tridecemlineatus
Uinta земна катерица Urocitellus armatus
Мишки с бели крака Peromyscus leucopus
Уудчук Marmota monax
Горска скачаща мишка Napaeozapus insignis
Често срещано име . Научно наименование .
Американска червена катерица Tamiasciurus hudsonicus
Източен бурундук Tamias striatus
Източна сива катерица Sciurus carolinensis
Домашна мишка Mus musculus
Маскирана землеройка Sorex cinereus
Ливадни полевки Microtus pennsylvanicus
Северни късоопашати землерийки Бларина бревикуда
Южни червенокрили полевки Миоди гапери
Тринадесет облицована земна катерица Ictidomys tridecemlineatus
Uinta земна катерица Urocitellus armatus
Мишки с бели крака Peromyscus leucopus
Уудчук Marmota monax
Горска скачаща мишка Napaeozapus insignis

Образците могат да бъдат събрани чрез получаване на подходящи разрешителни за събиране на убийства по пътищата. Почистването на скелети може да се извърши чрез мацерация (по-бързо, но скелетите ще бъдат дезартикулирани и много малки кости вероятно ще бъдат загубени) или чрез използване на дерместидни бръмбари (по-бавно и по-лесно за получаване на съчленени цели скелети) (Sullivan, 1999). Скелети могат да бъдат закупени и от различни доставчици като Carolina Biological Supply, Skulls Unlimited или The Bone Room, но цената на множество скелети може да е непосилна.

Други биологични проби могат да бъдат заместени за скелетния материал. Материалите за предпочитане биха били здрави, твърди, неразтегливи материали с конкретни ориентири за измерване. Например, структурата на листата варира в зависимост от екологията, сред индивидите и сред филогенетичните групи (Nictoria et al., 2011); интересен проект може да разгледа формата на листата сред обикновените и екологично разнообразни дряни (Cornus spp.) и калини (Viburnum spp.). Други екземпляри, които биха били подходящи, включват крака на птици, банкноти, крила или пера, черупки от охлюви, бръмбари и рибни кости, особено черепи и челюсти.

Цели на проекта

Целите на проекта бяха представени на студентите в ранен материал:

Запознайте студентите с научния метод и начините за разработване на проект, включително как да: (а) разработят научен въпрос; (б) намиране, четене и използване на първична и вторична литература (част от целите за обучение по информационна грамотност за студенти по биология от първи семестър, виж таблица 2); (в) прилагат научния метод за събиране и анализ на данни и след това интерпретират резултатите; (г) да разгледа последиците от резултатите и да определи следващите логически стъпки, които да се преследват.

Позволете на учениците да работят и да получат по-задълбочено разбиране за концепциите за еволюция, естествен подбор, адаптация, филогения, научна номенклатура, независими променливи, зависими променливи и размер на извадката; водят до разбиране на всеобхватността и значението на променливостта при събирането на данни; и позволяват на учениците да извършват основни манипулации с данни и графики.

Определете библиотекаря на науката в кампуса, неговата/нейната роля и знайте как да се свържете.

Разграничете различните видове научни източници, включително първична литература, прегледни статии и други видове вторични източници.

Артикулирайте разликата между рецензирана работа и други източници.

Разберете различните видове научна комуникация и защо всеки е важен.

Идентифицирайте частите и предназначението на всеки раздел от първична статия.

Определете ролята на цитирането на чужда работа и етичните последици от споделянето на знания и плагиатството.

Определете библиотекаря на науката в кампуса, неговата/нейната роля и знайте как да се свържете.

Разграничете различните видове научни източници, включително първична литература, прегледни статии и други видове вторични източници.

Артикулирайте разликата между рецензирана работа и други източници.

Разберете различните видове научна комуникация и защо всеки е важен.

Идентифицирайте частите и предназначението на всеки раздел от първична статия.

Определете ролята на цитирането на чужда работа и етичните последици от споделянето на знания и плагиатството.

Хронология

Първият семестър от нашата трисеместриална последователност по уводна биология се преподава като голяма лекция (> 170 студенти) от един професор. Вместо тричасова лаборатория, се провежда 50-минутна рецитация седмично, преподавана от лектора, в която групи от 20 студенти изпитват практически дейности, илюстриращи лекционни концепции. Този проект се провежда през целия семестър в рецитация. Изброените седмици са седмиците от семестъра, когато е направена всяка стъпка. През други седмици бяха проведени занимания, свързани с класа, които не включват този проект.

Седмица 2: В лекция научният справочен библиотекар изнесе 15-минутна интерактивна лекция, описваща рецензии, първична и вторична литература. За домашна работа учениците определиха дали предоставените откъси от статии идват от първични или вторични литературни източници; написа дефиниции за първични, вторични, рецензии и популярни прес статии и рецензии; както и мозъчна атака за предимствата и недостатъците на получаването на научна информация от всеки тип източник. По време на рецитирането тази седмица активна учебна дейност помогна да се илюстрират автора и аудиторията, предимствата и недостатъците, разликите и приликите между различните форми на научна комуникация, както и частите от основна статия в литературата (Hamelers, 2015).

Седмица 3: В малки групи учениците присъстваха на едночасова сесия за търсене на литература и цитиране, водена от библиотекаря. На всеки ученик бяха назначени два вида дребни бозайници от списък с тринадесет и му беше възложено да открие съответната първична и вторична литература. Бяха предоставени насочващи въпроси (Таблица 3). Студентите трябваше да намерят и използват информация от три публикувани източника, включително поне един първичен и един вторичен източник. След това за всеки определен вид учениците подават по електронен път отделни статии от една страница (правилно цитирани), които обобщават екологична информация и електронна таблица, изброяваща ключови екологични фактори (за заглавията на темите, вижте Приложение 4). Професорът състави и публикува електронна таблица, обобщаваща екологична информация за всичките тринадесет вида и всеки отделен специфичен за вида документ на сайта за управление на курса на рецитацията. Всеки студент беше длъжен да прочете всички публикувани документи (по две заявки за всеки от тринадесетте вида, плюс единичната кумулативна електронна таблица) в подготовка за рецитирането на седмица 6.

1 Къде се срещат видовете по цялата планета?
2 Мигрира ли? Ако да, кога и къде да и защо?
3 Хибернира ли? Коя част от годината е активна?
4 Колко бебета обикновено има?
5 Каква е типичната му продължителност на живота?
6 Какво яде? Съхранява ли храна?
7 Какво го яде?
8 Какво микрообитание обитава?
9 Социални ли са? Моногамен? Колониален? Самотен?
1 Къде се срещат видовете по цялата планета?
2 Мигрира ли? Ако да, кога и къде да и защо?
3 Хибернира ли? Коя част от годината е активна?
4 Колко бебета обикновено има?
5 Каква е типичната му продължителност на живота?
6 Какво яде? Съхранява ли храна?
7 Какво го яде?
8 Какво микрообитание обитава?
9 Социални ли са? Моногамен? Колониален? Самотен?

В допълнение към статията студентите представиха електронна таблица с фрагменти от изречения, отговарящи на конкретни въпроси, така че лесно да може да се направи кумулативно сравнение между всички видове, които представляват интерес. За заглавията на електронната таблица вижте Приложение 4.

Седмица 6: Преди клас студентите четат две назначени статии: една за основната механика на лостовете (адаптирана от Glase et al., 1981) и друга за адаптациите на животните за скорост спрямо мощност (Hildebrand, 1960). Групи от четири до шест ученици бяха разпределени в една от четирите проектни групи. Всеки ученик в групата беше изследвал различна двойка видове, улеснявайки сравненията и контрастите. Първо всяка група обсъждаше основните статии, за да изясни концепциите на физиката на скелетно-мускулните системи, след което сравняваше екологията на техните малки бозайници. Чрез по-късни срещи извън рецитацията всяка група излезе с шест хипотези, че се интересува от разследване. Всяка хипотеза предлага различни адаптации между подгрупите на дребните видове бозайници, като подгрупите се определят чрез споделена екология. След това за всяка хипотеза учениците направиха конкретни прогнози за това как трябва да се проявят адаптациите в скелетите.

Седмица 9: Въз основа на своята хипотеза и конкретна прогноза (вж. Таблица 4 за пример или Приложение 1), всяка група събра своите данни, като измери три до шест скелета от всеки вид (Фигура 1). През останалото време групите прегледаха своите прогнози и обсъдиха как да изобразяват и интерпретират данните си.