3D-gedruckte Modelle helfen Studenten, ein besseres Verständnis des DNA-Verhaltens zu erlangen

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In einem Artikel mit dem Titel „Visualizing the Invisible: A Guide to Designing, Printing and Incorporating Dynamic 3D Molecular Models to Teach Structure-Function Relationships“ diskutiert eine Gruppe von Forschern der University of Nebraska, wie wichtig es ist, dreidimensionale Modelle zu verwenden, um Studenten zu helfen kritische Konzepte der Biologie und Chemie zu verstehen. Die Lehrer, so die Forscher, verlassen sich häufig auf zweidimensionale Bilder, um komplexe dreidimensionale Konzepte wie die Struktur von Molekülen zu vermitteln. Die Studenten können die Konzepte jedoch nicht vollständig mit 2D-Bildern erfassen. Kits mit 3D-Modellen gibt es für Unterrichtszwecke, sie „können jedoch nicht mit der Größe und den Details von Makromolekülen umgehen“. Mit dem 3D-Druck können Instruktoren jedoch detaillierte, benutzerdefinierte Modelle von Molekülen jeder Größe erstellen.

In dem Artikel beschreiben die Forscher die Erstellung einer 3D-Modellstunde zum DNA-Supercoiling für einen Biologieunterricht. Sie wählten dieses Modell aus, damit die Schüler „DNA-Entspannung fühlen und Verrenkungen aufgrund von Verdrehungen in der DNA beobachten können“. Sie entwarfen und 3D-gedruckte flexible Kunststoffmodelle mit magnetischen Enden, um das DNA-Supercoiling zu imitieren.

„Zum Beispiel können Proteinmodelle entworfen werden, um enzymaktive Zentrumsstrukturen mit kinetischer Aktivität in Beziehung zu setzen“, stellen die Forscher fest. „Darüber hinaus können Ausbilder verschiedene Druckmaterialien und Zubehör verwenden, um molekulare Eigenschaften, Dynamik und Wechselwirkungen zu demonstrieren.“

Ein Biochemiestudium der Oberstufe wurde in kleine Gruppen von zwei bis drei Studenten aufgeteilt, um das Lernen mit Gleichaltrigen zu fördern, und jeder Gruppe wurde ein Modellsatz zur Verfügung gestellt. Die Modelle wurden auch in einem Bibliotheks-Ressourcenzentrum zur Verfügung gestellt. Bei interaktiven Fragen mussten die Schüler physikalische Aspekte der Modelle messen und untersuchen. Die Schüler brauchten etwa 50 Minuten, um die Aktivität abzuschließen, die von Vortrag und Demonstration über einen digitalen Overhead begleitet wurde.

In Interviews im Anschluss an die Aktivität berichteten die Studenten, dass die Modelle ihnen beim Lernen geholfen hätten, weil „etwas physisch Sehen es sehr reales macht“. In einer Umfrage gaben 60 bis 70 Prozent der Studenten an, dass die physischen Modelle das Erlernen des Materials erleichtern.

Die Forscher geben Schritt für Schritt Anweisungen zum Erstellen von 3D-gedruckten Modellen für die Verwendung im Klassenzimmer. Sie entwarfen die Modelle nach den Missverständnissen der Schüler, sie erklären, und es wurde gezeigt, dass die Modelle bei der Beseitigung dieser Missverständnisse wirksam sind. Diese Studie bestätigt, was viele Forscher und pädagogische Fachleute gelernt haben – dass 3D-gedruckte Modelle eine hervorragende Möglichkeit darstellen, Schüler aller Altersgruppen zu unterrichten. Von Vorschulkindern, die Formen und Texturen lernen, bis hin zu College-Studenten, die sich mit DNA-Super-Coiling vertraut machen, helfen praktische Modelle, Konzepte realisierbar und zugänglich zu machen. Der 3D-Druck ist eine kostengünstige Möglichkeit, diese Modelle zu erstellen, und er kann Details so darstellen, dass andere Fertigungsmethoden dies nicht sind.

„Der dreidimensionale Druck stellt eine aufstrebende Technologie mit erheblichem Potenzial zur Weiterentwicklung der lebenswissenschaftlichen Ausbildung dar, indem Studenten die Möglichkeit erhalten, makromolekulare Struktur-Funktions-Beziehungen physikalisch zu untersuchen und molekulare Dynamiken und Wechselwirkungen zu beobachten“, schließen die Forscher. „Mit der Entwicklung dieser Technologie verbessern sich Kosten, Auflösung, Festigkeit, Materialoptionen und Komfort von 3DP, wodurch 3D-Modelle zu einem noch besser zugänglichen Lehrmittel werden.“

Zu den Autoren der Arbeit gehören Michelle E. Howell, Karin van Dijk, Christine S. Booth, Tomáš Helikar, Brian A. Couch und Rebecca L. Roston.

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