CC BY
62
^t/J
Модели
исследовательского обучения
Привлечение школьников и студентов к исследованиям окружающей среды, актуальным для фундаментальной и прикладной науки: иностранный и российский опыт
Involving schoolchildren and students in environmental studies relevant for fundamental and applied science: foreign and Russian experience
Аннотация. За рубежом и в России в настоящее время активно развиваются новые формы привлечения в научную деятельность молодых исследователей — школьников и студентов. В данной статье проведен анализ имеющихся зарубежных практик, направленных на вовлечение школьников и студентов в массовые эксперименты, а также программ, ориентированных на научные открытия, рассмотрен опыт авторов в организации подобных мероприятий в России. Представленные материалы могут быть полезны при разработке новых проектов в области гражданской науки. Ключевые слова: массовый эксперимент, высшее образование, среднее образование, дополнительное образование, детско-взрослый проект, гражданская наука
Abstract. New forms of attracting schoolchildren and students to research are actively developing in the USA, European countries and Russia now. This article analyzes the existing practices aimed at involving schoolchildren and students in mass experiments, programs focused on scientific discoveries, and describers the authors' experience in organizing such research programs in Russia. The materials presented may be useful for developing new projects in the field of Citizen science.
Keywords: mass experiment, higher education, secondary education, Citizen science
A
Власов
Валентин Викторович,
доктор химических наук, академик РАН, ИХБФМ СО РАН, научный руководитель, г. Новосибирск e-mail: vvlassov@mail.ru
Власов В.В., Воронина Е.Н., Галямова М.Р., Седых С.Е.
Введение
Биотехнология и биомедицина активно развиваются с середины двадцатого века. В развитых и развивающихся странах неуклонно растет спрос на квалифицированных специалистов, способных проводить научные исследования на высоком уровне, разрабатывать новые технологии. В связи с этим принимаются различные меры для привлечения молодежи в вузы, готовящие специалистов в области естественных и точных наук, разрабатываются новые методы преподавания, позволяющие включить мотивированную молодежь в научную работу на более ранних этапах и отбирать наиболее перспективных молодых исследователей. В последние годы в США и в ведущих европейских странах внедряются новые подходы к обучению школьников и студентов, основанные на проведении так называемых массовых экспериментов и организации учебно-научных курсов для студентов. Внимание этому вопросу уделяется и в России, наиболее ярким примером является создание образовательного центра и университета «Сириус» в г. Сочи. Накопленный к настоящему времени опыт позволяет сделать заключение о том, что массовые эксперименты и учебные программы, ориентированные на научные открытия, дают возможности для отбора мотивированной и способной молодежи для работы в науке. Актуальность подготовки специалистов, имеющих практические навыки научной работы, сегодня не вызывает сомнений [Центр HealthNet], отечественный рынок биотехнологии и медицинской генетики по скорости роста и выводу новых продуктов практически не уступает зарубежным. Существенным ограничением для появления новых стартапов и развития высокотехнологичных компаний является кадровый голод. Появление новых программ подготовки специалистов, компетентных в исследовательской деятельности в области естественных наук и наук о жизни, является несомненным приоритетом современного образования.
Массовые эксперименты с участием неподготовленной молодежи
Массовые эксперименты, в которые вовлекаются тысячи школьников, уже несколько лет проводятся в Швеции в рамках Европейского научного фестиваля. В экспериментах участвуют все школы страны, в 2017 году участниками экспериментов стали более двенадцати тысяч школьников. Молодые исследователи под руководством инструкторов и наставников собирают биологические образцы или проводят простые измерения, школьники помогают ученым, планирующим эксперимент, получить большое количество данных. Такая форма работы соединяет образование и исследование, устанавливает живой контакт ученых
Воронина
Елена Николаевна,
кандидат биологических наук, ИХБФМ СО РАН, научный сотрудник, СУНЦ НГУ, доцент, г. Новосибирск e-mail: voronina en@inbox.ru
Галямова
Мария Рашитовна,
руководитель инфраструктурного центра Хэлснет, г. Новосибирск e-mail: mgalyamova@ gmail.com
^m
Седых
Сергей Евгеньевич,
кандидат биологических наук, ИХБФМ СО РАН, научный сотрудник, СУНЦ НГУ, преподаватель, г. Новосибирск e-mail: sedyh@niboch.nsc.ru
Valentin
Vlasov,
Doctor of Chemistry, Academician of the RAS, Scientific director of SB RAS ICBFM, Novosibirsk
Elena
Voronina,
Ph. D. in Molecular Biology, Researcher at SB RAS ICBFM, Assistant Professor at SESC NSU, Novosibirsk
Mariya
Galyamova,
Director of HealthNet Infrastructure Center, Novosibirsk
Sergey
Sedykh,
Ph. D. in Biochemistry, Researcher at SB RAS ICBFM, Senior Lecturer at SESC NSU, Novosibirsk
со школьниками, получающими возможность приобщиться к настоящей науке. Эксперимент выгоден обеим сторонам. Ученые за счет огромного количества исполнителей проекта получают намного больше данных, чем если бы они собирали их сами, а школьники получают возможность участвовать в реальном научном исследовании и ознакомиться с методами исследований и научными подходами к решению проблем.
В качестве примера простейшего эксперимента, проведенного при участии школьников в Швеции, можно привести изучение скорости разложения биологического материала в различных регионах страны в зависимости от типа почвы. Тысячи чайных пакетиков были закопаны школьниками в почву, ученики определяли скорость их разложения в зависимости от погодных условий, состава почвы и температуры. Ряд экспериментов был направлен на изучение пищевых предпочтений жителей страны, на оценку светового загрязнения в населенных пунктах Швеции.
Массовые эксперименты могут быть направлены на получение ценных образцов, важных для исследования и развития технологий. Примером может служить эксперимент, проведенный школьниками в Дании Датским национальным центром образования в области естественных наук Астра с участием компании Novozymes [Schoolchildren's bacteria hunt results]. Задачей эксперимента было ознакомление школьников с основами микробиологии и сбор коллекции микроорганизмов, полезных для приготовления молочных продуктов. В эксперименте участвовали более двадцати пяти тысяч школьников, их задачей был поиск полезных лактобактерий. Под руководством наставников ученики собирали образцы почвы в лесах, полях и на школьных площадках, исследовали способность образцов сквашивать молоко. Образцы, содержащие лактобактерии, отправляли для дальнейшего анализа в компанию. Более семидесяти сотрудников компании Novozymes, среди которых были ученые и инженеры, изучили более одиннадцати тысяч образцов, собранных школьниками. В результате эксперимента было получено четыре тысячи чистых штаммов лактобактерий, десять из которых ранее не были известны. Это очень большая цифра: в результате работы всех микробиологических лабораторий Дании удается обнаружить лишь один новый штамм лактобактерий в год.
Этот массовый эксперимент позволил получить и фундаментальные научные результаты. Была построена карта распределения разных штаммов лактобактерий по территории страны, результаты секвенирования геномов новых штаммов бактерий опубликованы в научных журналах. Кроме того, был получен и перспективный прикладной результат — были найдены новые штаммы лактобактерий, которые представляют ценность как потенциальные пробиотики и ключевые компоненты, необходимые для производства йогуртов и других кисломолочных продуктов.
Власов В.В., Воронина Е.Н., Галямова М.Р., Седых С.Е.
Массовые эксперименты, программы для вузов, ориентированные на научные открытия
В последнее десятилетие в США успешно развиваются массовые эксперименты, рассчитанные на студентов первых курсов. В 2012 году Президентский совет специалистов по науке и технологии США представил доклад о том, что для обеспечения потребностей растущей экономики страны в предстоящее десятилетие дополнительно к ожидаемому числу выпускников вузов потребуется около одного миллиона выпускников-специалистов в области естественных наук [Report to the President 2012]. В связи с этим прогнозом было признано необходимым обеспечение активного привлечения молодежи в вузы, готовящие специалистов в области естественных наук, поднятие качества образования и ускорение процесса подготовки молодых исследователей.
Для решения проблемы были разработаны предложения по созданию новых принципов обучения, которые делают точные и естественные науки более привлекательными для студентов, а также позволяют повысить качество подготовки будущих ученых, вовлекая их в исследовательский процесс на ранних стадиях обучения. Основной подход — замена стандартных лекционных и лабораторных курсов на научно-исследовательские курсы, ориентированные на научные открытия. Данный формат предполагает участие студентов на самом раннем этапе обучения в реальных научных исследованиях. Участие в реальных научных исследованиях привлекает молодых студентов в естественные и точные науки и ориентирует их на научную карьеру. Такой подход рассматривается как приоритетный в научном образовании в двадцать первом веке.
В ряде вузов студентов традиционно привлекают к научным работам в исследовательских лабораториях. Однако в большинстве случаев в таких работах может участвовать относительно небольшое число студентов и только на старших курсах. Дело в том, что для вовлечения в исследовательский проект, реализуемый с использованием традиционных подходов, новые участники должны иметь глубокие фундаментальные знания и знать современные методы исследования. Кроме того, в большинстве вузовских лабораторий уровень научных исследований недостаточно высок, и в них работает не настолько много ученых, чтобы руководить научными работами большого числа студентов.
Выходом из положения является разработка специальных образовательных программ, ориентированных на научные открытия, в которые могут вовлекаться студенты младших курсов. Также к образовательному процессу привлекают сильные исследовательские институты, способные создавать такие программы и обеспечивать квалифицированное руководство научными
Science Education Alliance | J ]-] ¡\/\
Иди Щ t "
Phage Hunters Advancini Genomics and Evolutionary Selena
работами. Программы и подробные методические рекомендации могут быть разработаны ведущими институтами таким образом, чтобы они могли быть внедрены практически в любых вузах, даже не располагающих современной приборной базой, для того, чтобы расширить число участников программы за пределы ведущих исследовательских организаций. Специалисты из ведущих научных институтов обеспечивают подготовку наставников в вузах-участниках программы и курируют ход выполнения программ.
Наиболее успешным проектом, ориентированным на научные открытия, функционирующим в США, является программа, в рамках которой студенты занимаются поиском и изучением бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии и являющихся перспективными средствами борьбы с инфекционными заболеваниями. Программа SEA-PHAGES (seaphages.org) имеет целью ознакомление студентов с исследовательскими методами и подходами, планированием эксперимента, интерпретацией данных в пределах одного биологического исследования. Основным достоинством программы является то, что студенты являются прямыми участниками научного открытия. Поиск и изучение бактериофагов представляет пример привлекательного для начинающих ученых эксперимента, в котором возможно сделать настоящее открытие. На первом этапе работ с микробиологическими образцами не нужны глубокие теоретические знания и владение сложными методами.
Программа поиска новых бактериофагов была инициирована профессором университета Питтсбурга Г. Хатфуллом. В 2002 году в Университете им была разработана программа PHIRE «Интеграция исследований и образования охотников за фагами», далее эта программа выросла в программу национального масштаба, Science Education Alliance Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science, возглавляемую институтом Говарда Хьюза. В основе программы лежит разработанная Г. Хатфуллом методология для обнаружения и исследования фагов [Jordan, Burnett, Carson et al. 2014]. В соответствии с разработанными протоколами, студенты первых курсов ведут поиск бактериофагов, поражающих не опасный для человека штамм микобактерии M. smegmatis. Анализ бактериофагов позволяет исследовать общие принципы эволюции вирусов, закономерности их взаимодействия с бактериями, в ходе исследований получаются важные научные знания. Однако результаты работ по программе имеют и важное практическое значение, поскольку некоторые из бактериофагов, поражающих Mycobacterium smegmatis, способны также уничтожать родственные бактерии, являющиеся возбудителями заболеваний человека. В результате работ по программе накапливается коллекция фагов, потенциально перспективных для терапии.
Привлечение школьников и студентов к исследованиям окружающей среды, актуальным для фундаментальной и прикладной науки
Власов В.В., Воронина Е.Н., Галямова М.Р., Седых С.Е.
В 2014 году в программу было вовлечено более 2600 студентов, 80% из которых были студентами первого или второго курса. Программа рассчитана на два семестра и включает лекции и лабораторные исследования. Первый семестр посвящен микробиологии: выделению фагов, их очистке, размножению, изучению с помощью электронной микроскопии и выделению фаговой ДНК. На втором курсе студенты анализируют фаги с помощью современных физико-химических методов и исследуют их геномы. Вся работа организована так, что ее можно начать, не имея никаких начальных знаний: обучаться на программе может любой неподготовленный студент. Все, что нужно для достижения успеха — любознательность и желание работать, а необходимое будет дано и усвоено по ходу экспериментов. Сейчас в программе SEA-PHAGE участвует около 4200 студентов более чем из 100 вузов. Программа оказала положительное влияние на качество образования, привлекла активных студентов на факультеты, готовящие биологов и биотехнологов, и привела к получению важных практических результатов: общее количество выделенных студентами бактериофагов против микобактерий составляет около шести тысяч, и полные последовательности генома были определены почти для тысячи из них. На сегодня это крупнейшая в мире коллекция бактериофагов. Студенты, прошедшие обучение по этой программе, способны выполнять роль наставников для первокурсников. К началу 2020 года по результатам работы программы было опубликовано более 20 работ в изданиях, индексируемых PUBMED [Результаты по запросу].
Высокий уровень и успех программы SEA-PHAGE были обеспечены за счет организаций-лидеров: университетов Питтсбурга, James Madison Univeristy, а также Howard Hughes Medical Institute. Они составили необходимые учебные программы, обучили преподавателей-инструкторов. Это облегчает включение в программу вузов, не имеющих сложной исследовательской инфраструктуры: только одна треть вузов-участников входит по национальной классификации в число исследовательских университетов. Можно сказать, что в настоящее время в США программы, подобные SEA-PHAGES, распространяются «со скоростью вируса».
Опыт организации массовых экспериментов в России
Примером может служить опыт сотрудников ИХБФМ СО РАН, полученный в Образовательном центре «Сириус» [Власов, Седых 2018]. В 2018 году для направления «Агропромышленные биотехнологии» научно-технологической программы «Большие вызовы» поступил запрос от Всероссийского НИИ цветоводства и субтропических культур.
Publß)ed
Учеными ВНИИЦСК была поставлена практическая задача: провести видовую идентификацию патогенов сельскохозяйственных культур — фитопатогенных грибков, вызывающих бурую гниль фруктов на территории Краснодарского края. В течение трех недель группа школьников под руководством научных сотрудников ИХБФМ СО РАН и ГНЦ ВБ «Вектор» собрала биологический материал — фитопатогенные грибы рода МотЫа, поражающие сливы, персики, черешни яблоки и алычу на Черноморском побережье Краснодарского края и в сопредельных регионах Абхазии. На фруктах были идентифицированы три вида бурой гнили и был обнаружен неожиданный факт — широкое распространение на яблоках, персиках и мушмуле фитопатогенного гриба, который ранее не был зарегистрирован в европейской части России. Участники проекта под руководством сибирских ученых разработали и протестировали диагностический набор на основе полимеразной цепной реакции для идентификации патогенов фруктовых культур, на эту разработку оформлен патент, результаты исследования опубликованы [Воронина, Карташов 2018].
В 2019 году сотрудники ИХБФМ СО РАН совместно с Открытым университетом Технопарка Новосибирского Академгородка, Фондом «Образование» и региональным центром «Альтаир» реализовали пилотный проект «Охотники за микробами» [Федорова 2019]. В масштабах Новосибирской области более 200 школьников под руководством педагогов собрали образцы азотфиксирующих почвенных бактерий. В декабре 2019 года состоялась отчетная конференция участников проекта, на которой были представлены результаты пятидесяти исследовательских работ. Полученные знания о распространении азотфиксирующих бактерий рода Аго^ЬаШг на территории области представляют интерес для оценки качества почв; возможно, среди выделенных микроорганизмов будут обнаружены перспективные бактерии для производства биоудобрений. Полученный положительный опыт позволяет рассчитывать на успех в проведении массовых экспериментов в масштабе страны, направленных на решение важных задач, привлечение мотивированных школьников в науку и эффективное обучение студентов. Сегодня более 200 образцов бактерий рода АгоОЬа^ет анализируются в лабораториях ИХБФМ СО РАН, определяется их видовой состав и особенности генов системы фиксации атмосферного азота.
В 2020 году ИХБФМ СО РАН и его партнеры планируют провести подобные массовые эксперименты в масштабе Российской Федерации. Обсуждаемые темы — поиск бактериальных ферментов, представляющих интерес для развития генетических технологий, поиск бактериофагов, перспективных для борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактерий, поиск эффективных микроорганизмов-нефтедеструкторов.
Власов В.В., Воронина Е.Н., Галямова М.Р., Седых С.Е.
Методика «охотника за микробами»
На первом этапе в школы Новосибирской области было разослано письмо с информацией о проекте и приглашением принять участие. Для того чтобы войти в проект, требовалось собрать команду и придумать ей название (количество членов команды — не больше 10 человек, желательно учеников 7-10 класса). В команде обязательно должен быть наставник, который несет ответственность за соблюдение участниками техники безопасности и выполнения методических рекомендаций. Также необходимо было разработать план-проект поиска бактерий азотфиксаторов и дальнейших экспериментов с найденными штаммами.
План охоты должен включает следующие разделы:
Цель исследования. Необходимо уточнить, какие именно характеристики азотфиксирующих бактерий будут исследованы. Это могут быть уникальные места, почвы, экосистемы, которые имеются в регионе, можно собрать образцы азотфиксато-ров «с грядки» и далее изучать их стимулирующую активность, можно проанализировать пораженные грибковыми заболеваниями культуры и исследовать противогрибковую активность бактерий рода Azotobacter.
План сбора образцов. Описание участков, на которых будут отобраны образцы почвы, с указанием причины выбора этих мест (уникальность, особенность экосистем, обладание каким-то важным набором качеств).
План эксперимента. Количественное сравнение содержания азотфиксирующих бактерий в различных образцах почв, возможно, какие-то другие качества.
Полученные проекты оценивались экспертами по критериям: актуальность и оригинальность места сбора, план исследования, обоснованность экспериментальной гипотезы. Команды, которые предложили наиболее интересные проекты, получили набор реактивов и расходных материалов для реализации собственного проекта. Все участники получили инструкции с описанием методов,необходимых для исследования азотфиксирующих бактерий.
Изучение почвенных азотфиксирующих бактерий состоит из нескольких этапов: сбор образца почвы и описание почвенного разреза, определение механического и химического состава почвы, посев образца почвы в чашку Петри, наблюдение за ростом колоний, микроскопическое исследование образцов. Обязательные этапы научной работы должны были быть сделаны всеми участниками, а вот в месте отбора проб и в сравнении разных мест сбора команды могли проявить свою фантазию.
В процессе работы возникало большое количество обращений наставников по реализации некоторых методик — как готовить питательную среду, сколько растить бактерии, как приготовить микропрепарат. Для консультации был проведен мастер-класс по микроскопии для учителей Новосибирской области.
На последнем этапе команды по результатам работы подготовили тезисы для участия в конференции и оформили по-стерный доклад по предложенному шаблону. Тезисы прошли научную экспертизу, для участия в конференции были приглашены участники, которые представили результаты практической работы (а не только анализ литературных данных).
Конференция проходила в Региональном центре «Альта-ир». Были представлены лекции о современных направлениях микробиологии и биотехнологии от ведущих ученых и руководителей биотехнологических компаний. На постерной сессии команды представляли экспертам свои находки и открытия, отвечали на вопросы, слушали рекомендации по развитию проекта. Многие команды получили рекомендации принять участие с результатами работы на школьных научно-практических конференциях. Полученные от участников образцы азотобактерий депонируются в коллекции микроорганизмов, проводится их генетический и биохимический анализ.
Благодарности
Авторы статьи благодарят партнеров проекта «Охотники за микробами»: АО «Вектор Бест», АО «Вектор Би-Альгам», ПО «Сиббиофарм» за финансовую поддержку; Фонд «Образование» и РЦ «Альтаир» за организационную поддержку; д. б. н. Альбину Афанасьевну Данилову за неоценимую методическую поддержку, к. б. н. Наталью Валентиновну Смирнову за работу с командами и наставниками и Дарью Витальевну Петрову за вклад в отработку методики. щ
Литература
Власов, Седых 2018 — Власов В. В., Седых С. Е. Им светят звезды: «Большие вызовы» 2018 на «Сириусе» // Наука из первых рук. 2018. № 4. С. 6-15.
Воронина, Карташов 2018 — ВоронинаЕ. Н, Карташов М. Ю. ПЦР-диагностика для персика и сливы // Наука из первых рук. 2018. № 4. С. 33-39.
Результаты по запросу — Результаты поиска в базе данных PUBMED по запросу «SEA-PHAGES». URL https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=sea-phages
Федорова 2019 — Федорова М. «Охотники за микробами» собрали для сибирских ученых более двухсот образцов азотфиксирующих бактерий // Наука в Сибири. 2019. № 50. С. 4. URL: http://www.sbras.info/articles/education/ okhotniki-za-mikrobami-sobrali-dlya-sibirskikh-uchenykh-bolee-dvukhsot-obraztsov-
Центр HealthNet — Инфраструктурный центр HealthNet НТИ. Анализ российского и международного рынка медицинской генетики: технологические и рыночные тренды. URL: http:// healthnet.academpark.com/upload/iblock/8d0/genetic_medicine.pdf
Jordan, Burnett, Carson et al. 2014 — Jordan T. C, Burnett S. H., Carson S. et al. A Broadly Implementable Research Course in Phage Discovery and Genomics for First-Year Undergraduate Students // mBio. 2014. V. 5. P. e01051-13.
Report to the President 2012 — President's Council of Advisors on Science and Technology. Report to the President. Engage to excel: producing one million additional college graduates with degrees in science, technology, engineering, and mathematics. February 2012. URL: https://obamawhitehouse. archives.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast-engage-to-excel-final_2-25-12.pdf
Schoolchildren's bacteria hunt results — Schoolchildren's bacteria hunt results in the discovery of 10 new species. URL: https://www.novozymes.com/en/news/news-archive/2019/02/ schoolchildrens-bacteria-hunt-results-in-the-discovery-of-10-new-species
