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Em muitas comunidades ao redor do mundo, a capacidade e o entusiasmo dos alunos em seguir campos STEM em suas carreiras no ensino médio e na faculdade são limitados pela falta de recursos que os impede de acessar currículos complexos baseados em projetos como seus colegas. A pandemia da COVID-19 agravou essas desigualdades educacionais existentes, exigindo novas soluções para democratizar o acesso a esse campo.
Os pesquisadores da UC Santa Cruz desenvolveram um método para usar microscópios conectados à Internet e controlados remotamente para permitir que alunos de qualquer lugar do mundo participem do projeto e da realização de experimentos biológicos.
Um novo estudo na revista Heliyon detalha esta estrutura nova e escalável para trazer educação STEM baseada em projetos para alunos que de outra forma não teriam acesso. Os pesquisadores implementaram a tecnologia do microscópio nas salas de aula de biologia de várias comunidades Latinx nos Estados Unidos e na América Latina e descobriram que sua tecnologia é uma abordagem eficaz e escalável para dar aos alunos sub-representados em STEM a capacidade de conduzir experimentos complexos remotamente.
“Pegar uma câmera conectada à Internet e colocá-la no visor de um microscópio é algo que muitos laboratórios poderiam fazer”, disse Pierre Baudin, Ph.D. em engenharia da computação. aluno da Baskin School of Engineering e primeiro autor do artigo. “Ao traçar o framework neste artigo, a ideia foi criar um roteiro para que qualquer laboratório que sinta algum tipo de missão ou desejo de criar recursos educacionais para sua comunidade ou outros possa montar um tipo de experimento semelhante, permitindo esse conceito se espalhe.”
Experimentos de cultura de tecidos são normalmente inéditos no ensino médio e até mesmo nos primeiros anos de faculdade, e ainda assim, em estudos de usuários realizados para esta pesquisa, alunos carentes do ensino médio da Alisal High School, na zona rural de Salinas Valley, perto de Santa Cruz, foram capazes de fazer esses experimentos .
“Estamos permitindo que os alunos façam experimentos que normalmente não são viáveis para [many] escolas em todo o mundo, seja porque os materiais são perigosos ou porque o equipamento é caro ou requer treinamento específico para professores e alunos”, disse Mohammed Mostajo-Radji, pesquisador sênior deste estudo.
Desenvolvendo o novo método
Embora o aprendizado baseado em projetos tenha se mostrado um método eficaz para ensinar conceitos STEM, ele é limitado por barreiras como custo e logística de envio de materiais para comunidades isoladas, treinamento limitado de professores, escolas com poucos recursos e possível exposição a materiais perigosos. Por meio de uma profunda experiência trabalhando com organizações sem fins lucrativos de educação, Mostajo-Radji do UCSC Genomics Institute determinou que uma solução bem-sucedida precisa ser escalável e acessível, adaptável ao contexto local de uma escola e permitir que os alunos explorem totalmente o método científico.
Mostajo-Radji e muitos outros pesquisadores do Instituto de Genômica da UCSC envolvidos neste projeto acreditam que a realização de experimentos biológicos complexos por meio de microscópios controlados remotamente pode ser uma solução que se encaixa nesses critérios.
A tecnologia que alimenta esses experimentos remotos foi originalmente desenvolvida para permitir que pesquisadores de várias instituições geograficamente separadas colaborem em pesquisas com células-tronco como parte de um grupo multiinstitucional chamado Braingeneers. Os alunos de pós-graduação Baudin e Victoria Ly desenvolveram a ferramenta para controlar microscópios remotamente de qualquer lugar do mundo, para permitir a observação não invasiva de culturas de células em incubadoras.
Mostajo-Radji, ex-embaixador boliviano para Ciência, Tecnologia e Inovação, reconheceu que a tecnologia de microscopia poderia ser aproveitada para a educação remota em meio às crescentes lacunas educacionais de equidade durante a pandemia.
“[The remote-controlled microscopes] não foram desenvolvidos com a finalidade de educação”, disse Mostajo-Radji. “O que fizemos foi tirar muitas lições que aprendemos com o meu trabalho sem fins lucrativos e de outros para construir algo que é bastante notável.”
Mostajo-Radji acredita que este artigo é o primeiro a descrever um método que é verdadeiramente remoto e usa totalmente o método científico, trazendo investigação e aprendizado ativo para as aulas, o que pode ser especialmente importante para alunos que são menos aprendizes baseados na memorização.
Aprendendo com estudantes do mundo todo
O artigo descreve uma estrutura para outros laboratórios e salas de aula executarem experimentos controlados remotamente, nos quais os alunos projetam um experimento, fazem observações, analisam dados e apresentam suas descobertas.
Os pesquisadores aprenderam com vários estudos de usuários que empregaram esse método localmente com alunos de Biologia de Colocação Avançada na Alisal High School em Salinas, e no exterior com alunos de duas universidades diferentes na Bolívia e alunos multinacionais envolvidos com a organização sem fins lucrativos Science Clubs International. Os experimentos foram conduzidos em Santa Cruz e San Francisco e acessados de forma totalmente remota pelos alunos. As aulas de cada grupo refletiam o contexto local do aluno e aumentavam um currículo já existente.
O primeiro piloto do programa começou no outono de 2020, no auge da pandemia. Os programas variaram entre os diferentes grupos, geralmente durando cerca de oito semanas. Os pesquisadores se reuniam semanalmente para aulas com alguns dos grupos de alunos e, com outros grupos, davam um tutorial sobre como usar a tecnologia no início e permitiam que realizassem os experimentos de forma independente.
Um experimento realizado com estudantes em Salinas foi um “teste clínico em um prato” que permitiu aos alunos ver o efeito de novas drogas no neuroblastoma, um tumor cancerígeno, em linhagens de células. Em outros experimentos, os alunos estudaram a biocompatibilidade de nanopartículas de ouro e grafeno feitas sob medida
As pesquisas realizadas no final dos programas de estudo do usuário mostraram que esse método impactou positivamente a identidade STEM entre os dois grupos, embora mais fortemente entre os estudantes bolivianos, e levou a um aumento geral do interesse em STEM para os alunos participantes. Esses resultados ofereceram uma oportunidade para entender a motivação STEM entre as populações latinas sem a extrapolação das conclusões de um estudo geograficamente limitado.
“Para muitas dessas estratégias e políticas educacionais, [researchers] gosto de pensar que um estudo feito em uma determinada região do mundo é representativo para informar a política em uma parte diferente do mundo”, disse Mostajo-Radji. “Aqui, pela primeira vez, estamos comparando minuciosamente grupos de hispânicos [in California] e hispânicos no exterior, no contexto exatamente da mesma classe, exatamente da mesma lição e exatamente dos mesmos experimentos”.
Expandindo o programa
A equipe está agora em processo de solicitação de doações para construir a infraestrutura para expandir este trabalho. Eles imaginam um aplicativo que permitiria que alunos do ensino médio e de faculdades comunitárias de qualquer lugar do mundo, que de outra forma não fariam pesquisas, projetassem e executassem experimentos completamente remotos. Os pesquisadores criaram recentemente o Live Cell Biotechnology Discovery Lab para ampliar o uso de sua tecnologia.
Idealmente, eles teriam centenas de microscópios executando diferentes experimentos. Mostajo-Radji imagina que alunos de diferentes partes do mundo possam estar no mesmo grupo e aprender juntos com os mesmos dados.
Os pesquisadores estão procurando ativamente mais parceiros por meio de conferências para criar relacionamentos além das escolas com as quais trabalharam para este estudo. Para tanto, Mostajo-Radji foi recentemente convidado a ingressar na Academia Nacional de Ciências dos EUA no Simpósio Internacional de Fronteiras em Nairóbi, no Quênia, para compartilhar essa ideia e criar parcerias educacionais para levar essas tecnologias a mais alunos.
Os pesquisadores também estão interessados em ir além da microscopia. As áreas de interesse incluem dispositivos para ensinar programação por meio de microfluídica e técnicas de ensino de eletrofisiologia, o estudo das propriedades elétricas de células e tecidos biológicos, para alunos não visuais.
“A microscopia, de certa forma, era uma fruta fácil”, disse Mostajo-Radji. “É só o começo.”
Os alunos de pós-graduação da UCSC Raina Sacksteder, Atesh Worthington, Kateryna Voitiuk e Victoria Ly foram todos os principais contribuintes para este estudo. Este trabalho foi apoiado pela iniciativa Schmidt Futures e pela National Science Foundation.
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