Computerized Molecular Modeling as Means for Enhancing Students' Understanding of Protein Structure and Function Miri Barak, Rania Hussein- Farraj (Technion - Israel Institute of Technology)

המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים הדמיה מולקולרית ממוחשבת כאמצעי לקידום הבנת מבנה ותפקוד של חלבונים אצל תלמידים Computerized Molecular Modeling as Means for Enhancing Students` Understanding of Protein Structure and Function ראניה חוסין-פראג' ד"ר מירי ברק המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים טכניון, חיפה

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום אחת המטרות העיקריות של החינוך בעידן הטכנולוגי-מדעי היא עיצוב בוגרים בעלי אוריינות מדעית גבוהה היכולים לקשר בין התיאוריות לבין העולם הסובב אותם. (Barak& Dori, 2005; Barak, Carson & Zoller, 2007) מזה מספר שנים, ועדת מקצוע הכימיה שבמשרד החינוך מובילה שינוי בתוכנית הלימודים ומתאימה אותה לצורכי הלומדים ולתפיסות הפדגוגיות של המאה ה-21. (ברנע, 2003; 2009) אחת מיחידות הלימוד המשולבת במסגרת נושאי הבחירה של חמש יחידות לימוד לבגרות בכימיה, עוסקת בנושא ביוכימיה ומתמקדת בכימיה של חלבונים וחומצות גרעין. מטרתה היא להעמיק את בסיס הידע של התלמידים ביסודות הכימיה הביולוגית ולהקנות מושגי יסוד במדעי החיים. (ברק, גבע ואינטרטור, 2008)

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום הכימיה היא מדע העוסק בחומרים שונים, תהליכים ותופעות. מדע הדורש הבנה של המבנה התלת מימדי של המולקולות, הבנת הנוסחאות הכימיות שלהן ותכונות החומר. (Gabel, 1998; Barak & Dori, 2005; Dori & Barnea, 1997) תלמידים מתקשים בלימוד הכימיה מאחר והמושגים והתופעות הנלמדים דורשים: רמת הפשטה גבוהה. לימוד בעל פה של מושגים, שמות ומנגנונים רבים. (Simpsons, 1983) ביצוע מעברים בין ארבע רמות ההבנה בכימיה (מאקרו, מיקרו, סמל ותהליך). (Dori & Hameiri, 1998; Johnston, 1991) 4

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום מחקרים הראו כי השימוש במודלים והדמיה ממוחשבת משפר את ההוראה והלמידה של מושגים בתחום הכימיה על ידי חשיפת הלומד לצורות ייצוג שונות של החומר ותרגול המעברים בין ארבע רמות ההבנה. (Barnea & Dori, 1999; Dori, Barak & Adir, 2003) מאחר ומדע הביוכימיה הינו מדע חדש יחסית (Boyer & Zimmerman, 1992) וכניסתו למערכת החינוך בבתי ספר תיכון בעולם ובארץ נמצאת בצעדיה הראשונים, נעשו מחקרים מועטים הקשורים בהוראה ולמידה של תחום זה. כל שכן לגבי מחקרים העוסקים בהוראה ולמידה בסיוע הדמיה של מולקולות ביוכימיות. (Stieff, Bateman & Uttal, 2005)

ביוכימיה - הכימיה של חלבונים וחומצות גרעין מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום ביוכימיה - הכימיה של חלבונים וחומצות גרעין ב. מחומצות אמיניות לחלבונים א. מבוא למדעי החיים ד. מחומצות גרעין לחלבונים ג. מבסיסים לחומצות גרעין

פיתוח מיומנויות ניסוי וחקר חקר מבנים מרחביים של מולקולות מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום מטרות יחידת הלימוד פיתוח חשיבה מדעית פיתוח מיומנויות ניסוי וחקר חקר מבנים מרחביים של מולקולות מאמרים מזמנים חשיבה מדעית תכנון וביצוע מעבדות חקר הדמיה ממוחשבת פיתוח חשיבה ברמות גבוהות: פתרון בעיות וחשיבה מערכתית תוך ביצוע מעברים בין ארבע רמות ההבנה של הכימיה

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום פעילויות הדמיה ממוחשבות ביחידת הלימוד נעשה שימוש בתוכנות הדמיה: ISIS ו- Chime מחברת MDL, וזאת במטרה לערוך היכרות עם המבנים המרחביים של ביופולימרים כגון חומצות אמיניות, חלבונים, חומצות גרעין ועם תכונותיהן הפיסיקליות והכימיות. היחידה כוללת משימות המפנות את התלמידים להדמיות ממוחשבות באינטרנט שפותחו באוניברסיטאות מוכרות בעולם. הפעילויות כוללות שאלות ברמות חשיבה מגוונות כגון: השוואה בין מספר מולקולות או הסקת מסקנות בנוגע לקשר בין מבנה ותפקוד.

משימות הדמיה ממוחשבת היכרות עם המבנים המרחביים של חומצות אמיניות מודלים ממוחשבים שפותחו באוניברסיטת Carnegie Mellon : http://www.bio.cmu.edu/courses/biochemmols/AAViewer/AAVFrameset.htm

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום מטרות המחקר למחקר הנוכחי שלוש מטרות: לבדוק האם וכיצד למידה בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת משפיעה על הבנת נושאים בביוכימיה, אשר מאופיינת בשלושה היבטים: היכולת לבצע מעברים בין צורות ייצוג שונות של החומר. היכולת לבצע מעברים בין ארבע רמות ההבנה בכימיה. ידע, הבנה ויישום של תהליכים ומושגים בביוכימיה. לאפיין למידה המתבצעת בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת. לבחון את דעות המורים לגבי גישת הוראה המשלבת התנסות פעילה בהדמיה מולקולרית ממוחשבת.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום חשיבות המחקר וחדשנותו מחקר זה חדשני בשני היבטים: בכך שהוא מתמקד בדיסציפלינה חדשה יחסית: מדע ביוכימיה ובכך שהמולקולות המוצגות בהדמיה הממוחשבת הינם מקרומולקולות – מולקולות ענק בעלות מבנה מרחבי מורכב ומסובך. בנוסף, רוב המחקרים שנעשו עד היום בתחום ההדמיה המולקולרית הממוחשבת התמקדו בהצגה של מולקולות קטנות בעלות מספר אטומים בודדים. במחקר הנוכחי, פעילות ההדמיה התמקדה בהצגה של המבנה המרחבי של ביופולימרים, מולקולות ענק הכוללות אלפי אטומים שכל אחד מקיים קשרים ייחודיים עם שאר האטומים.

שיטת המחקר והכלים המחקר הנוכחי מבוסס על מודל "המחקר המעורב "Mixed Methods Research” המשלב ניתוח כמותי ואיכותני. (Johnston & Onwuegbuzie, 2004) מחקר מעורב איכותני כמותי שאלונים מקדימים ראיונות שאלונם מסכמים תצפיות

אוכלוסיית המחקר קבוצות המחקר מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום אוכלוסיית המחקר תלמידי כתות י"ב (N=175) שלמדו כימיה במסגרת חמש יחידות לימוד לבחינת הבגרות. ניסוי א' (51(N= , ניסוי ב' (N=63) וביקורת (N=61). בנוסף לחמשה מורים לכימיה (N=5) בבתי ספר תיכון שהתנדבו לשמש כמורים נסיינים של יחידת הלימוד החדשה. קבוצות המחקר ניסוי א'- למידת ביוכימיה תוך התנסות בהדמיה מולקולרית ממוחשבת ביקורת - למידת חלבונים ללא הדמיה מולקולרית ממוחשבת ניסוי ב'- למידת ביוכימיה בסיוע הדגמות של הדמיה מולקולרית ממוחשבת

ממצאים

ממוצעים וסטיות תקן של הציונים בשאלונים המקדימים והמסכמים מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום ממוצעים וסטיות תקן של הציונים בשאלונים המקדימים והמסכמים קבוצות מחקר Research Group N שאלון מקדים Pre Test שאלון מסכם Post Test t p< Mean* SD Mean* SD ניסוי א' - למידת ביוכימיה תוך התנסות בהדמיה 51 4.33 2.03 6.45 2.05 5.24 0.01 ניסוי ב' - למידת ביוכימיה בסיוע הדגמות של הדמיה 63 3.81 1.33 2.14 5.14 ביקורת – למידת חלבונים ללא הדמיה 61 4.24 1.78 4.43 2.10 0.27 n.s. כלל האוכלוסייה 175 4.20 1.75 5.23 2.27 * מתוך 10 נקודות n.s. – non significant נמצא הבדל מובהק בין ממוצעי התלמידים מקבוצת ניסוי א' ו ב' בשאלונים המסכמים לעומת המקדימים עם יתרון לקבוצה א'. לא נמצא הבדל מובהק אצל קבוצת הביקורת.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה ראשונה א. האם וכיצד למידה בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת משפיעה על הבנת נושאים בביוכימיה, אשר מאופיינת ביכולת התלמידים לבצע מעברים בין צורות ייצוג שונות של החומר?

שאלה לבדיקת יכולת התלמידים לבצע מעבר בין צורות ייצוג שונות של המולקולה מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה לבדיקת יכולת התלמידים לבצע מעבר בין צורות ייצוג שונות של המולקולה Barak, M. and Dori, Y.J. (2005). Enhancing undergraduate students’ chemistry understanding through project-based learning in an IT environment. Science Education, 89(1), 117-139.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום מבחן t להשוואת יכולת התלמידים לבצע מעברים בין צורות ייצוג שונות של החומר בשאלון המסכם לעומת השאלון המקדים * * * p<0.05 הציונים מתוך מקסימום של 10נקודות נמצא הבדל מובהק בין ממוצעי התלמידים מקבוצת ניסוי א' ו ב' בשאלונים המסכמים לעומת המקדימים עם יתרון לקבוצה א'. לא נמצא הבדל מובהק אצל קבוצת הביקורת.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום ציורים של תלמידים משלוש קבוצות המחקר בניסיונם לבצע מעבר מצורת ייצוג דו ממדית (נוסחת מבנה) לצורת ייצוג תלת ממדית (מודל) ציורי מודלים של מולקולת אלאנין א. של תלמיד מקבוצת ניסוי א' ג. של תלמיד מקבוצת הביקורת ב. של תלמיד מקבוצת ניסוי ב' בעוד שרוב תלמידי קבוצת ניסוי ב' והביקורת ציירו ציורים לא נכונים מבחינה מדעית או לא ענו על שאלה זו כלל, רוב תלמידי קבוצות הניסוי א' ענו על שאלה זו בצורה נכונה וציירו מודלים נכונים מבחינה מדעית.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה ראשונה ב. האם וכיצד למידה בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת משפיעה על הבנת נושאים בביוכימיה, אשר מאופיינת ביכולת התלמידים לבצע מעברים בין ארבע רמות ההבנה בכימיה?

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום השוואת יכולת התלמידים לבצע מעברים בין רמות ההבנה בכימיה בשאלון המקדים והמסכם * * p<0.01 נמצא הבדל מובהק בין ממוצעי התלמידים מקבוצת ניסוי א' בשאלונים המסכמים לעומת המקדימים. לא נמצא הבדל מובהק אצל קבוצת ניסוי ב' וקבוצת הביקורת.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה ראשונה ג. האם וכיצד למידה בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת משפיעה על הבנת נושאים בביוכימיה, אשר מאופיינת ביכולת התלמידים לדעת, להבין וליישם מושגים ותהליכים מתחום הביוכימיה?

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום השוואת ממוצע ציוני התלמידים בשאלה הדורשת רמת חשיבה של יישום ורמות הבנה כימית של מיקרו ומאקרו * * * p<0.01 נמצא הבדל מובהק סטטיסטית בין ממוצעי התלמידים מקבוצת ניסוי א' ו ב' בשאלונים המסכמים לעומת המקדימים בשאלות שדרשו רמות הבנה ויישום, עם יתרון לקבוצה הראשונה. לא נמצא הבדל מובהק אצל קבוצת הביקורת.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה שנייה מה הם המאפיינים של למידה המתבצעת בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת?

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום דוגמה על דיון פורה ושיתוף ידע בין התלמידים בנושא הקשרים המייצבים את מבנה החלבון חנה, חן ונעמי יושבים סביב אותו מחשב ושייכים לאותה קבוצת למידה. חנה: "האם קיימים קשרי מימן בין הקבוצה הקרבוקסילית לקבוצת האמינית?" חן: "כן. הם קיימים בין החמצן בקבוצה הקרבוקסילית למימן בקבוצה האמינית." חנה: "האם קיימים קשרי מימן גם בין הקבוצות הצדדיות?" חן: "לא, זה בין הקבוצה האמינית והקבוצה הקרבוקסילית כמו שאמרת קודם. תסתכלי גם במודל לא רואים קשר כזה." ואז הם מתבוננים במסך על המבנה המרחבי של החלבון. חן: "מה הם הקשרים שמייצבים את המבנה השלישוני של החלבון?" תלמידים מקבוצות שיושבות בעמדות מחשב קרובות מגיבים: "קשרי גופרית, קשרי מימן, קשרים יונים..."

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום התלמידים צופים בהדמיה שמציגה את המבנה השלישוני של החלבון. חנה: "אז איפה קשרי הצלוב הדיסולפידיים?" נעמי: "הם קשרים קוולנטיים...." ומצביעה עליהם במסך. חנה: "אבל מיניתם גם את קשרי המימן כמעצבים את המבנה השלישוני, איך זה יכול להיות?" נעמי: "כי הם יכולים להיווצר בין הקבוצות הצדדיות בחומצות אמיניות שונות". נעמי מצביעה על המסך ומראה לחנה. חן: "אהה...אז טעיתי קודם כשאמרתי לך שקשרי מימן לא נוצרים בין הקבוצות הצדדיות בחומצות אמיניות שונות". המקרה הזה הינו דוגמה לדיון פורה שהתפתח בין תלמידים השייכים לאותה קבוצה ויושבים סביב אותו המחשב. דיון זה התפתח בהמשך גם בקבוצות אחרות. ניתן להבחין בתהליך קוגניטיבי שעברו התלמידים והביא אותם להסיק מסקנות באופן עצמאי. הלמידה שנעשתה הייתה תוך כדי ניסוי וטעייה.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום שאלה שלישית מה הן דעות המורים לגבי למידת ביוכימיה המתבצעת בסיוע הדמיה מולקולרית ממוחשבת?

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום

יצירת מודל מנטאלי של תהליכים כימיים מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום יצירת מודל מנטאלי של תהליכים כימיים אורנה: "שילוב הדמיה ממוחשבת עוזר לתלמידים "לראות" ולהבין טוב יותר תהליכים כימיים רבים. למשל, יצירת קשר פפטידי, התקפלות החלבון ויצירת מבנים שניוניים ושלישוניים ותהליכי התעתוק והתרגום. לתלמידים הרבה יותר קל להבין כשהם רואים הדמיה ממוחשבת. הם ילדים של אנימציות ולא ילדים של ספרים. למשל בתהליך הדחיסה, כאשר הם "רואים" איך מתקרבת חומצה אמינית אחת לחומצה אמינית שנייה ונוצר קשר פפטידי בין קצה הקרבוקסילי של חומצה אמינית אחת לקצה אמיני של חומצה אמינית שנייה ויוצאת מולקולת מים, אז הם "מרגישים" את התהליך. זה אחרת מאשר להסביר להם ולרשום את התהליך על הלוח. כך הם רואים אותו בשלבים ובתלת מימד וכך אין סיכוי כמעט שהם ישכחו אותו".

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום ממצאי המחקר מראים כי : למידה בסיוע התנסות פעילה בהדמיה מולקולרית ממוחשבת כמו גם למידה בסיוע הדגמות של הדמיה, משפרים את יכולת התלמידים לבצע מעבר מצורת ייצוג תלת ממדית של מולקולה (תמונה של מודל) לצורת ייצוג טקסטואלית (שם של מולקולה), עם יתרון גדול יותר לגישה הראשונה. שתי השיטות המשלבות הדמיה ממוחשבת תורמות לשיפור יכולת התלמידים לבצע מעברים מצורת ייצוג תלת ממדית לצורת ייצוג דו ממדית. כל התלמידים במחקר התקשו בביצוע מעברים מצורת ייצוג דו ממדית (נוסחת מבנה) לצורת ייצוג תלת ממדית (ציור של מודל) של המולקולה, למרות שבכל זאת נמצא שיפור יחסי בקרב שתי הקבוצות שנחשפו להדמיה מולקולרית ממוחשבת, אלא שההבדל לא היה מובהק סטטיסטית.

מבוא I סקר ספרות I יחידת הלימוד I מערך המחקר I ממצאים I סיכום סיכום-המשך.. תוצאות ניתוח השאלונים הראו כי התנסות פעילה בהדמיה מולקולרית ממוחשבת הביאה להבנה טובה יותר של הרכב ותכונות החומר כמו גם תהליכים כימיים קשורים, דבר שעזר לתלמידים לבצע מעברים נכונים בין רמות ההבנה בכימיה, זאת למרות שהדבר לא עלה בצורה מפורשת בתהליך הלמידה. לכן ההנחה היא שבמידה ומורים ותלמידים ידונו בנושא תוך כדי תהליך ההוראה והלמידה של ביוכימיה, השיפור במיומנות זו יגדל. הדגמות של הדמיה מאפשרות קידום חשיבה ברמות נמוכות אצל תלמידים (ידע). במידה ורוצים לקדם חשיבה ברמות גבוהות יותר (הבנה ויישום) תלמידים צריכים להתנסות באופן פעיל בהדמיה ממוחשבת.

תודות תודה לכם על ההקשבה לד"ר מירי ברק על ההנחיה המסורה, התמיכה והעידוד. לפרופ' יהודית דורי על הייעוץ והתמיכה המקצועית. לתמר אשקר על העזרה בניתוח השאלונים. לכל המורים הנסיינים ולמורים שכיתותיהם שימשו כקבוצות השוואה. תודה לכם על ההקשבה