Bakgrund. Genomförande

Transkript

1 Datorprogrammet BioMolCraft hjälper studenter till en interaktiv inlärning av cellulära processer Bakgrund Syftet med projektet var att utveckla en mjukvara för interaktiv inlärning av cellulära processer med fokus på metabolismen. I våra celler sker ständigt processer såsom energiomvandling, uppbyggnad och nedbrytning av biologiska strukturer, mm. Dessa involverar tusentals olika molekyler och är ofta mål för t.ex. behandling av sjukdom. Metabolismen omfattar ett antal olika processer inklusive glykolysen, glukoneogenesen, citronsyracykeln och andningskedjan och utgör ett centralt innehåll i biokemikursen för kemisk biologi (KB), tekniks biologi (TB), kemisk analysteknik (KA), biologi, kemi och lärarstudenterna. Genomförande Inledningsvis i projektet utvecklades en första version av programmet BioMolCraft som illustrerade den metaboliska processen glykolysen. En enkel grafikmotor som använder OpenGL för att rendera grafiken utvecklades för att användas som plattform för utvecklingen av programmet. Programmet utvecklades i första hand för linuxbaserade system men med utgångspunkt att kunna portas till andra OS. Detta gjordes genom att använda SDL (SimpleDirect Media Layer) för att få åtkomst till in- och utenheter såsom mus, tangentbord, ljud och grafikhårdvara. SDL är plattformsoberoende vilket underlättar när man vill porta programmet till ett annat OS. Grafikmotorn använder även Bullet som är en fysikmotor för att simulera rörelse hos fysikaliska modeller. Den används i BioMolcraft för att lokalisera och peka och flytta på objekt i programmet. I senare planerade versioner av programmet kommer Bullet användas till fler uppgifter. Denna pilotversion av programmet testades för första gången under höstterminen 2015 för studenter på programmet kemisk analysteknik på kursen TFKI09. Prototypen som togs fram begränsades till att enbart köras på en dator med linuxdistributionen Ubuntu som OS. Universitetslabben saknade stöd för att köra program byggda för Ubuntu OS:et, vilket begränsade prototypen av programmet till att endast köras på en dator. För att utföra labben med endast en dator delades studenterna upp i två grupper och laborationen gjordes under ledning av läraren (mig) där studentgrupperna fick tävla om att först komma på de olika metaboliterna i glykolysen. Tävlingen var uppskattad och studenterna tyckte det var ett underhållande och interaktivt sätt att lära in glykolysen. Under våren 2016 utvecklades programmet BioMolCraft till att vara portat mot den Linux distribution och version som användes på universitetets labblokal så programmet kunde installeras på ett flertal datorer. Denna version av programmet testades under höstterminen 2016 på samma kurs som året innan. Denna gång kunde studenterna jobba två och två och diskutera med varandra för att pricka in rätt molekyl på rätt plats i glykolysen. Denna version av programmet var helt textbaserat och inga strukturer fanns med på de olika molekylerna. Nedan ses en utvärdering av programmet från studenterna.

2 Jag tycker att programmet var till hjälp vid inlärningsmomentet eftersom man får själv sätta in enzymer, reduktions och oxidationsmedel etc. på de platser där de ska vilket gjorde at man fick en förståelse hur glykolysen fungerar. Programmet var till hjälp på det sättet att man får sätta in enzymer etc på det stället där de ska vara och att man kan se om de blev fel eller rätt med två olika färger. En annan hjälp som var positivt men som kan avgöras om det ska vara med eller inte var att alla enzymer etc. fanns med som en kolumn på sidan. Programmet gav en tydlig överblick glykolysens 2 olika sektioner. listan till höger gav ledtrådar till vilka ämnen/enzymer som ingick och gjorde att man inte behövde kunna alla namn utantill. Det hade i princip samma effekt som att sitta och skriva ned glykolysen om och om igen, men på ett mycket smidigare sätt. Programmet gjorde det helt enkelt lätt att repetera de ingående stegen många gånger. Jag tycker att programmet kan utvecklas på det sätt att man kanske skulle kunna se föreningarna hur dessa ser ut i varje steg i glykolysen t.e.x hur den slutgiltiga produkten ser ut i glykolysen som pyruvat. Detta tycker jag är till hjälp för förståelsen, att se hur molekyler bryts ner till mindre föreningar vilket gör det lättare att följa med, att det sker en metabolistisk process i glykolysen. Under våren 2017 utvecklades BioMolCraft ytterligare till att även innefatta strukturer av metaboliterna i glykolysen. Grafikmotorn utökades med stöd för att läsa in 3d objekt designade i andra programvaror som tex Blender. Detta underlättade möjligheterna att lägga till grafiska strukturer i programmet. Programmet gavs även stöd för att hantera menyer och dialogfönster med hjälp av ett programbibliotek som heter Dear ImGui. Ett videoklipp av programmet finns här biomolcraft.com. Under hösten 2017 testades denna version av programmet på TFKI09 och laborationen blev mkt uppskattad av studenterna. Se utvärdering nedan. Utvärdering PUG projekt 2017 Fråga 1: Var programmet till hjälp för inlärningsprocessen av glykolysen? Förklara även kortfattat varför programmet var till hjälp för inlärning av glykolysen Svar: Student 1) Absolut, det är ett bra verktyg för att lättare förstå glykolysen. I Kontrast till att bara läsa om den i boken, vilket är mycket svårare. Det mesta var väl utarbetat. Student 2) Ja, det var till väldigt bra hjälp. Student 3) Ja! Jag tyckte det var ett väldigt intressant och roligt sätt att lära glykolysen på! Det var ett mer underhållande sätt att lära sig på vilket jag tyckte var roligare än att bara studera in glykolysen Student 4) Ja, det var ett bra sätt att repetera glykolysen och man lär sig något mycket fortare om man får "rita upp den" och repetera den om och om igen.

3 Student 5) Jag tyckte att det var ett roligt sätt att lära på. Det blir lite mer "spelkänsla" än plugg som ibland kan kännas lite tradigt. Jag tycker att det blir lättare att lära sig om man gör det på ett roligt sätt så tycker absolut att det var ett positivt inslag i kursen. Det är bra att man kan vrida och vända på molekylerna också. Jag tycker att det blir lättare att känna i igen dem då om man kan se från olika håll. Student 6) ja, det hjälpte mig att förstå mekanism av glykolysen. Student 7) Jag tyckte att program konceptet var väldigt intressant och lärorikt på sättet att man visuellt kunde se hur molekylerna såg ut speciellt eftersom vi kommer ihåg bilder lättare än ord, hur, steg för steg, glukos omvandlades till pyruvat och att programmet gav en snabb respons ifall man hade gjort rätt eller fel. Student 8) Ja! Det är alltid lättare att lära sig med lek med dator Student 9) Programmet var till hjälp för inlärningsprocessen av glykolysen. Det var pedagogiskt att se molekylerna i 3D vid studering av tillhörande processer. Det var även smart att ha ett program som ger feedback direkt. Fråga 2: Vad saknade du i programmet och hur skulle det kunna göras bättre? Student 1) Det jag skulle anmärka på var det grafiska, det kunde lätt bugga i grafiken. Det skulle även vara bra om alla molekyler kunde blandas när man startar på nytt då det kan vara lätt för den med bildminne att bara memorera molekylerna och vart de finns vid varje start. Student 2) Det var riktigt tålamodskrävande med de buggar som fanns i programmet. Man hade kunnat ha flera alternativ på hur man ser att man har rätt, t.ex så kan man ha ett "test" där man inte ser om man har rätt eller inte förrän man har gjort hela. Student 3) Grafiken kan förbättras, man var tvungen att starta om spelet efter att man lyckats sätta ihop glykolysen. Man kanske kan lägga till fler spel med citronsyracykeln exempelvis. Student 4) Det var ganska svårt för oss att komma in i programmet och det kraschade några gånger. Det skulle även vara bra om man kunde se molekylernas namn vid dem istället för uppe i vänstra hörnet. Student 5) Det var inte något som jag tänkte på att jag saknade under labben. Det är ju vissa buggar som gör programmet lite osmidigt men det är såndant som ordnas under utvecklingen. Kan inte komma på något annat. Tror absolut att detta kan vara bra användning för liknande procedurer i kroppen som t.ex. citronsyracykeln. Student 6) Det var svår att trycka på knaparna, och det tog lång tid vid omstarten av programmet.

4 Student 7) Jag tycker att man kan implementera olika svårighetsnivåer, tex att man inte får en lista över molekylerna men istället får skriva in det själv på rätt plats. 3D molekylerna till höger i programmet var alltid placerade på samma ställen, det var alltså enkelt att komma ihåg vilken molekyl tillhörde till vilken plats i stadierna, ett förslag är att randomisera placeringen. Programmet kan även utökas och täcka citronsyracykeln också. Det skulle vara fantastiskt om man kunde se en kort animering (en mekanism skulle fungera också) på hur reaktionerna sker (tex hur glukos-6-fosfat omvandlas till fruktos-6-fostat). Student 8) Det skulle vara bra om molekylerna inte fanns på samma ställe hela tiden, för nu lärde man sig var man skulle plocka like mycket som hur den såg ut och vad den heter. Student 9) Programmet var till hjälp för inlärningsprocessen av glykolysen. Det var pedagogiskt att se molekylerna i 3D vid studering av tillhörande processer. Det var även smart att ha ett program som ger feedback direkt. Resultat I detta projekt har programmet BioMolCraft skapats och utvecklats för att fungera som ett pedagogiskt verktyg för studenternas inlärning av den metaboliska processen glykolysen. Programmet innehåller en struktur av den cellulära processen där studenterna skall placera de olika molekylerna som ingår i glykolysen på rätt position. Programmet get omedelbar feedback på studentens progress. Utvärderingarna från studenterna visar att programmet är till stor hjälp vid inlärning av glykolysen. Studenterna tyckte det var intressant, lätt, roligt, underhållande och lärorikt att använda programmet för att lära sig en metabolisk process. Nästa steg i utvecklingen av BioMolCraft är att öka driftsäkerheten för programmet, förbättra grafiken samt inkludera fler cellulära processer. BioMolCraft ska fungera på mer än en plattform. En vision är även att utveckla programmet till en tre-dimensionell cellulär miljö där molekyler kan kopplas på och av varandra och där strukturer för makromolekyler kan hämtas direkt från befintliga databaser. Programmet skall även ha olika svårighetsnivåer där ledtrådar finns tillgängliga vid de lättare nivåerna. BioMolCraft skall också kunna användas för examinering av en specifik cellulär process eller metabolisk väg.

5 Svar på frågor i samband med återrapportering för projektet interaktiv inlärning av cellulära processer. Ledde projektet till önskat resultat? Ja - syftet med projektet var att utveckla en mjukvara att använda som ett pedagogiskt verktyg för interaktiv inlärning av cellulära processer med fokus på metabolismen. Den framtagna programvaran BioMolCraft har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för inlärning av cellulära processer. Om inte vari består avvikelserna, och har ni några teorier om orsaken? Kommer projektet att leva vidare, och i så fall hur? Ja - under förutsättning att finansiering finns. Programmet behöver utvecklas ytterligare för att nå full potential Om inte varför? Finns någon dokumentation om hur studenterna uppfattat projektet? Ja se utförlig dokumentation i rapporten Vad säger i så fall den? Studenterna var mycket positivt inställda till BioMolCraft och upplevde att programmet hade en positiv effekt för inlärning av metaboliska processer. Studenterna gav även förbättrings och utvecklingsförslag för programmet. Har ni presenterat projektet vid någon konferens eller på något annat sätt publicerat resultaten utanför LiU? Nej Finns det någon dokumentation (t.ex. från en konferens) utöver den rapport som lämnas till PUG? Nej