לימוד גנטיקה באמצעות סימולצית חקר ממוחשבת: כיצד גישות תלמידים ללמידה משפיעות על הישגיהם? הדס גלברט וענת ירדן המחלקה להוראת המדעים מכון ויצמן למדע

למה מדע אותנטי? קיימת הסכמה לגבי החשיבות של עיבוד מחקר אותנטי של מדענים עבור תלמידים “Authentic activities are important in promoting inquiry because they provide natural problem-solving contexts with high degrees of complexity “ (Lee & Songer, 2003) “Scientific tasks given to students in schools are often simple and do not reflect the complexity of the cognitive processes or the epistemology that guides authentic scientific research” (Chinn & Malhotra, 2002) תלמידים נחשפים למעט מאוד מחקר אותנטי בבית הספר “Often, real-world science is not accessible to students because authentic activities that are interesting to students are too open-ended and require content knowledge and scientific thinking that students do not have the supports to realize” (Edelson 1998)

יתרונות שילוב מדע אותנטי מזמן הצגה של תהליכים קוגניטיביים מורכבים ושל האפיסטמולוגיה המונחת ביסוד מחקר מדעי אותנטי “School tasks should reflect the complexity of the cognitive activities that guides scientific authentic research which consist of interlinked experimental conditions or events” (Chinn & Malhotra, 2002) מציג היבטים חשובים ייחודיים לתחום דעת מדעי מסוים “Such activities may contribute to the contextualized understanding of how scientific knowledge is created and evaluated and may represent important discipline- specific aspects of science” (Samarapungavanet al. 2006) מזמן התנסות קונקרטית העשויה לתמוך בבנייה של ידע מופשט "Such activities can provide students with a direct, concrete experience that they can use to support construction of abstract knowledge” (Edelson, 2001)

סימולציות מבוססות מחשב מאפשרות לתלמיד להתנסות בשימוש בכלים אותנטיים ובפרוצדורות בהם משתמשים מדענים “The most fertile use of technology in adapting scientific practice has been in adaptation of scientific tools, techniques and resources“ (Edelson, 1998) מאפשרות לבצע סימולציה של מחקר אותנטי מורכב רב שלבי (לעומת מחקר פשוט בית-ספרי במעבדה) “Computer-based simulations can be designed to allow learners to conduct simulated experiments with relatively complex design that could not be conducted in reality because of lack of time and equipment” (Chinn & Malhotra, 2002)

לימוד גנטיקה הקושי העיקרי – יצירת קשר עקבי בין פנוטיפ לבין גנוטיפ “One major obstacle for students is to form a conceptual continuum between a certain character and the associated molecular mechanism” (Duncan & Reiser, 2007; Lewis & Kattmann, 2004; Marbach-Ad & Stavy, 2000 to name a few) בתכנית הלימודים לא קיימת התנסות בפרקטיקה של מחקר אותנטי בגנטיקה “ Students should be given experiences with the practice of genetics, to understand how the specific subject- matter knowledge has been generated and justified through the process of inquiry (Cartier & Stewart, 2000)

ארגז הכלים של הגנטיקאי בעידן הגנום גנטיקה קלאסית (בניית שושלות לקביעת דרך תורשה) שיטות מעבדתיות של ביולוגיה מולקולרית כלים ביואינפורמטים מבוססי מחשב מצוידים בכלים משופרים אלה, מדענים יכולים כיום לקשור בין פנוטיפ לגנוטיפ ביעילות חסרת תקדים )Collins et al., 2003(

היוריסטיקה הבסיסית

מחקר קודם: כיצד משפיעה הלמידה באמצעות הסימולציה על הבנת גנטיקה בקרב תלמידי תיכון? נבדק בגישה כמותית (שאלונים פרה-פוסט בכיתות ניסוי ובכיתות ביקורת) נמצא כי לימוד באמצעות הסימולציה מקדם הבנת הקשר בין תכונה מסוימת ובין המנגנון המולקולרי המעורב בקביעתה (קשר פנוטיפ-גנוטיפ), בעיקר דרך הבנת היוריסטיקה בה מדענים משתמשים כדי לאתר גן מסוים (Gelbart & Yarden 2006; Gelbart & Yarden submitted)

שאלת המחקר כיצד גישות תלמידים ללמידה משפיעות על הישגיהם?

מתודולוגיה גישת מחקר איכותנית תיעוד של שני זוגות תלמידי תיכון לומדים בתנאי מעבדה רינה ורון, טניה ותום. תלמידי המגמה הביולוגית שהתנדבו להשתתף בניסוי, בעלי הישגים גבוהים ניתוח הנתונים (על פי שקדי, 2003) נעשה בשני שלבים: ניתוח גישת הלמידה (שלב 1) משמשת כנקודת המבט לניתוח הבנת גנטיקה (שלב 2). תיקוף של אפיון גישת הלמידה נעשה על ידי המורה לביולוגיה של התלמידים

תוצאות

הגישה ללמידה רינה ורון מעורבות ועניין קבועים מעקב אחר שלבי המחקר רכישת הבנה של המשימה לפני מעבר למשימה הבאה ניתוח של נתונים ויצירת הסברים באופן ספונטני ניסיון לתאם בין תוצאות טניה ותום אין ניסיון לעקוב אחר שלבי המחקר בעיקר ביצוע הפרוצדורות התמקדות בתשובות לשאלות באופן שיאפשר לעבור לשאלה הבאה גישה משימתית Tania & Tom, Task-oriented גישה מחקרית Rina & Ron, Research-oriented

זיהוי של פרקטיקת המחקר בגנטיקה הבנת מטרת המחקר שימוש בכלים ופרוצדורות של הדיסיפלינה ויצירת הבנה פרקטית שלהם חלקי הבנת מיומנויות החקר (היוריסטיקה) חלקי ניתוח התוצאות, יצירת מסקנות והסברים חלקי ניבוי שאלות המחקר בשלבים הבאים יצירת תשובה לשאלת המחקר הכללה מתוך הבעיה הנתונה תיאום בין תוצאות משלבי חקר שונים והבנת הכוח ההסברי של הקשר בין השלבים הבנת הכוח ההסברי של תחום הגנטיקה פרקטיקות המחקר Research- oriented Task- oriented

דוגמאות לרכישת הבנה פרקטית של כלים ופרוצדורות, יצירת מסקנות והסברים (רינה ורון) משימה 3 (BLAST results) "אה, הבנתי, גן של עכבר מהמאגר ואז חפש והוא מחפש. אה, הבנתי" (רינה) "מה הוא יעשה עכשיו? הוא יחפש דמיון בין זה לבין מה שיש לו במאגר... מה שידוע (איזה מאגר חכם)" (רון) קריאת דף התוצאות: " mice... זה אותו הגן בדיוק מה שחיפשנו, זה לא רלוונטי הגן הזה... Transcription factor, אה, זה גורם תעתוק...אה, זה הגן שלנו, אז בעצם מה שנדפק אצל החירשים זה שאין להם את הגורם תעתוק של השמיעה..." "לא היה צריך להשוות בין זה לבין אדם בריא או משהו, לקבל את הגן עצמו?" (רון)

דוגמה לתיאום בין תוצאות משלבי חקר שונים (רון) משימה 1 "לצאצאים במשפחה יש סיכוי של 50% להיות חירשים...אבל זו רק ההסתברות, זה לא בהכרח יהיה ככה...זו הסיבה שאני לא אוהב גנטיקה" (רון) לקראת סיום הפעילות "אה, אז כל המשימות האלה הם בעצם חוקרים מקרה אחד? אנחנו מתחילים מ... קודם כל מצאנו איך עוברת התורשה, אחרי זה את הסמנים, אחרי הסמנים מצאנו בדיוק את הגן, עכשיו אנחנו בודקים מה קרה למוטציה? אה, מעניין מה יהיה בסוף, אולי נעשה ריפוי גני..." (רון)

דוגמה לרכישת הבנה עקרונית של פרקטיקת המחקר (טניה ותום) משימה 1 "אם זה דומיננטי אז נגיד האבא... אפשר לקבוע, זה התחתן עם חולה, שניהם חולים, הילד שלהם בטוח חולה" (טניה) משימה 2 "מראש אבל אפשר לפני שהפנוטיפ עדיין מתבטא...הם (הסמן והאלל) עוברים ביחד, אז ברגע שאתה רואה אם הוא דומיננטי, אם אתה רואה את הסמן, אתה יכול לדעת שהוא יעבור והבן יהיה חולה...אפשר לנבא מראש אם הילד יהיה חולה לפי הסמן" (טניה)

הרחבה של הידע בגנטיקה חלקי יצירת קשר בין רמות ארגון ביולוגיות חלקי התייחסות לגרסאות נורמלית ומוטנטית של גן יצירת קשר בין מודלים קלאסי ומולקולרי בגנטיקה קישור מושגים בגנטיקה לפרקטיקת המחקר בדיקת גבולות מושגים ידע בגנטיקה Research- oriented Task- oriented

דוגמה לבדיקת גבולות מושגים (רינה ורון) רון: "למה לא כתוב לנו למה זה דומה?" רינה: "אולי זה פשוט איננו" רון: "מה זאת אומרת איננו? אה, אולי זה מוטציה של החסרה" רינה: "של הרבה החסרה, באותו מקום הרבה" רון "אז אולי זה בתאחיזה, שאם אחד נופל כולם נופלים יחד איתו? זה יכול להיות ש-8 צמודים יפלו? זה נורמלי שיפלו כמה?" רינה: "תאחיזה זה סתם משהו שאנחנו אומרים לדעתי, זה לא משהו שבאמת דבוקים בגן..." (משימה 4, BLAST השוואתי, 8 בסיסים חסרים באלל המוטנטי)

הלמידה של שני הזוגות יכולה להיות מתוארת על אותה ה"סקאלה" רינה ורון רכישת הבנה "מלאה" של פרקטיקת המחקר ושל היוריסטיקה רכישת יכולת להתייחס לכל אחד משלבי המחקר בתוך המסגרת של המחקר בגנטיקה יצירת קשר בין רמות ארגון קישור מושגים בגנטיקה לפרקטיקה עידון הבנת מושגים יצירת קשר בין מודל גנטיקה קלאסית ומולקולרית טניה ותום רכישת הבנה עקרונית בלבד של פרקטיקת המחקר ושל היוריסטיקה ללא רכישת יכולת להתייחס לקשר בין שלבי המחקר יצירת קשר בין חלק מרמות ארגון קישור מושגים בגנטיקה לפרקטיקה

דיון ומסקנות

תלמידים עשויים לנצל הזדמנויות ללמידה באמצעות הסימולציה בדרכים שונות גישה מחקרית ללמידה עשויה להוביל לניצול יותר הזדמנויות לזהות את פרקטיקת המחקר בגנטיקה לעומת גישה משימתית ללמידה. כתוצאה מכך עשויה להוביל לניצול הזדמנויות להרחיב את הידע בגנטיקה, ובמיוחד לעידון הבנה של מושגים. לתלמידים בעלי גישה מחקרית ללמידה הסימולציה עשויה לשקף תהליכים קוגניטיביים מורכבים ואפיסטמולוגיה המונחת ביסוד מחקר אותנטי. לתלמידים בעלי גישה משימתית ללמידה הסימולציה עשויה לשקף מחקר שאינו שונה מהותית ממחקר בית-ספרי פשוט.

השלכות להוראה אנו מציעים כי בכיתה מורים ינחו את התלמידים לעקוב אחר שלבי המחקר ובכך יקדמו גישה מחקרית ללמידה מעורבות המורה חשובה במיוחד עבור תלמידים בעלי גישה משימתית ללמידת מדע.

תודה על ההקשבה