Molecular Diagnostics: Ein studierendenzentrierter Ansatz beim Unterrichten von Laborübungen

Ziele/Motive/Ausgangslage

Ziel der Lehrveranstaltung Molecular Diagnostics ist die Auseinandersetzung mit, und das anwendungsbasierte Erlernen von verschiedener Labortechniken, die zur molekularbiologischen klinischen Diagnostik eingesetzt werden. Nach dem Besuch des Kurses sind die Studierenden in der Lage, eine Vielzahl von Labortechniken anzuwenden sowie deren jeweilige Anwendungsbereiche abzuschätzen als auch die Analyse-Ergebnisse inklusive der zulässigen Wertebereiche zu interpretieren. Über den praktischen Teil hinaus werden in diesem Kurs außerdem gesundheitsbezogene Aspekte thematisiert, die für die Studierenden von Interesse sind. Dadurch soll auch ein Bezug zum Alltag und zu gesundheitsrelevanten Entscheidungen der Studierenden hergestellt werden.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

In diesem Projekt wird ein Unterrichtskonzept für eine Laborübung in der Molekulardiagnostik vorgestellt, das sich auf die effektive Entwicklung beruflicher Fertigkeiten und interdisziplinärer Kompetenzen konzentriert. Um den Aufbau und Erwerb dieser Fertigkeiten und Kompetenzen zu ermöglichen, wurde ein studierendenzentrierter Lehransatz, der die Studierenden in den Mittelpunkt aller didaktischen Entscheidungen stellt und der auch die studentische Vielfalt als wertvolles Attribut für das Lernen berücksichtigt, gewählt.

Studentische Vielfalt wird hier als die Tatsache betrachtet, dass wir alle unterschiedlich sind in unseren Erfahrungen, kulturellem Hintergrund, Lernstilen, Interessen und Intelligenztypen. Basierend auf der Zentralität und Vielfalt der Studenten werden daher verschiedene Aktivitäten vorgeschlagen und Lernräume zur Verfügung gestellt. Um die Motivation bei möglichst vielen Teilnehmer*innen über die Veranstaltung hinweg zu erhalten und zu befördern werden verschiedene didaktische Ansätze mit einbezogen, einschließlich problemorientierter Lösungsdiskussionen, Nachverfolgung Prior-Ideas, Peer-Learnings/Instructions und eine breite Palette von Assessmentinstrumenten.

Die Laborübung ermöglicht, durch ihre didaktisch-methodische Konzeption und Durchführung, den Studierenden, ausgehend von zentralen fachlichen Wissensbeständen, Fertigkeiten und Kompetenzen zu erwerben, die für ihr zukünftiges akademisches, berufliches und persönliches Leben von größter Bedeutung sind.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

This project introduces a teaching concept for a molecular diagnostics laboratory exercise that focuses on effective professional skill development and interdisciplinary competencies. The main competencies and skills aimed to be developed throughout the course range from critical thinking, creativity and autonomy to collaborative work and execution of experiments. A student-centered approach of teaching, which put students at the heart of all didactical decisions, is introduced also considering student diversity as a valuable attribute for learning.

Student diversity is contemplated here as the fact that we are all diverse in our experiences, cultures, learning styles, interests and types of intelligence. Thus, based on the centrality and diversity of students, different activities are proposed to stimulate motivation and various didactic strategies are incorporated, including problem-based solving discussions, previous ideas tracing, peer-learning, peer-instruction and a wide range of assessments instruments.

By combining different aspects of modern didactics this laboratory exercise enables the students to acquire meaningful skills and competencies for their future academic, professional and personal life.

Nähere Beschreibung des Projekts

Didaktischer Ansatz

Das Hauptaugenmerk des in diesem Projekt vorgeschlagenen Lehrkonzepts liegt darin, sicherzustellen, dass die Studierenden die angestrebten Lernergebnisse erreichen, indem verschiedene Lehrstrategien und Lernaktivitäten eingesetzt werden, die eng mit dem Bewertungsmodus verknüpft sind. In diesem Kurs wird das Assessment als eine ständige Lernpraxis für die Studenten und das Lehrpersonal gehandhabt. Das Assessment ist daher sowohl formativ als auch summativ.

Neben den fachlichen Lernergebnissen ist dieser Kurs auf die Entwicklung verschiedener interdisziplinärer Kompetenzen ausgerichtet, wie z.B.

• kritisches Denken durch Beobachtung,

• Interpretation und Diskussion von Ergebnissen,

• kollaboratives Arbeiten in diversifizierten Teams an denen Studenten mit unterschiedlichen Fähigkeiten teilnehmen können,

• experimentelle Kompetenzen durch die Anwendung von Laborfertigkeiten,

• kommunikative und kreative Kompetenzen durch die Gestaltung von Ergebnispräsentationen.

Die Universitätslehre ist eng mit der Forschung verbunden. Die hier beschriebene Lehrveranstaltung wird durch verschiedenste Bezugnahmen sehr eng mit der Forschungstätigkeit des Instituts für Biochemie vernetzt und thematisiert wissenschaftliche Erkenntnisse im Sinne forschungsbegleiteter Lehre. Daher bietet dieses Projekt auch die einmalige Möglichkeit wissenschaftliche Erkenntnisse des Instituts für Biochemie didaktisch zu verbreiten.

 

Learning outcomes

Am Ende dieses Kurses sind die Studierenden in der Lage:

• die verschiedenen molekularbiologischen Techniken, die in der biomedizinischen Diagnostik verwendet werden, zu beschreiben,

• eine Vielzahl von molekularbiologischen Labortechniken, die in der biomedizinischen Diagnostik weit verbreitet sind, anzuwenden,

• die jeweiligen Anwendungsbereiche der jeweiligen Labortechniken abzuschätzen als auch die Laborergebnisse inklusive der zulässige Wertebereiche zu interpretieren,

• die Grenzen jeder diagnostischen Technik zu diskutieren,

• aktiv und verantwortungsbewusst Entscheidungen in Bezug auf die eigene Gesundheit zu treffen,

• wissenschaftliche Texte zum Thema kritisch zu lesen als auch zu verfassen.

 

Beschreibung der Lehrsituation

Erste Lerneinheit: Einführung in die Molekulare Diagnostik

Die erste Unterrichtseinheit hat einen Umfang von zwei Stunden und beginnt mit einer allgemeinen Einführung in das Studienfach der Molekularen Diagnostik, deren Anwendungen und Relevanz für Biomedizintechniker. Die Studierenden werden über die Learning Outcomes des Kurses, eingesetzte Lehr- und Lernmethoden, die Assessmentmethoden, die relevante Literatur, den Zeitplan, das Arbeitspensum sowie allgemeine Richtlinien und Sicherheitsfragen informiert und es werden vier bis fünf Arbeitsgruppen (bestehend auf jeweils zwei bis drei Studierenden) gebildet. Es werden alle durchzuführenden experimentellen Verfahren detailliert beschrieben, indem die theoretischen Grundlagen und Anwendungen jeder Technik erläutert werden. Zusätzlich werden die Previous-Ideas und Erfahrungen erhoben und es erfolgt eine mündliche Evaluierung des Kenntnisstands. Somit ist das Ziel dieser ersten Unterrichtseinheit nicht nur informativ, sondern auch nivellierend und evaluativ. Dies ermöglicht es, das weiterführende Laborprogramm an den Wissensstand der teilnehmenden Studierenden anzupassen.

Zweite Lerneinheit: Laborübungen

Die Laborübungen sind aufgeteilt auf drei Tage à sechs Stunden. Zu Beginn des ersten Tages der Laborübung erhalten die Studenten eine Einführung und Schulung in das Pipettieren. Danach folgt die Durchführung einer Auswahl von experimentellen Verfahren, die darauf abzielen, verschiedene Arten von Molekülen (Proteine, Lipide, DNA und Kohlenhydrate) in biologischen Proben nachzuweisen. Diese experimentellen Verfahren umfassen: Proteinisolierung aus Geweben, Proteinschätzung, Western Blot, Blutzuckermessungen, pH-Bestimmung einer Urinprobe, Triglyceridquantifizierung, DNA-Gelelektrophorese, grundlegende Klonierungsmethoden wie DNA-Isolierung und Restriktionsenzymverdau.

Die Studierenden sind angehalten, selbstständig biologische Proben zu organisieren, Messungen durchzuführen, die Ergebnisse zu bewerten und Schlussfolgerungen zu ziehen. Die Laborpraxis in diesem Bereich beinhaltet zwangsläufig Wartezeiten aufgrund von Inkubationsschritten, Reaktionsdauer etc. In dieser Zeit arbeiten die Teilnehmer*innen entweder in einem Sozialraum an ihrem Abschlussbericht und diskutieren diesen gemeinsam mit den Tutor*innen und in der Gruppe oder es werden ihnen zusätzliche Angebote unterbreitet (siehe "Motivation und Zusatzangebote").

Abschluss des Kurses

Der Abschluss des Kurses wird für jede der Arbeitsgruppen in einem separaten einstündigen Termin durchgeführt. Bei diesem Abschlussmeeting mit der Lehrperson erhalten die Teilnehmer ein ausführliches Feedback zu ihrem Abschlussbericht und alle Inhalte des Kurses werden in einer lebhaften Diskussion zusammengefasst und erörtert. Anschließend können die Laborübungsteilnehmer das erhaltene Feedback in den Abschlussbericht einarbeiten. (siehe "Assessment").

Diese Diskussionen im Rahmen des Abschlussmeetings ermöglichen es den Studierenden, die erworbene Praxis zu festigen, alle Inhalte zu rekapitulieren und dienen auch als guter Indikator für das Lehrpersonal, um die Erreichung der Lernergebnisse durch die Studierenden zu bewerten. Im Sommersemester 2020 wurden diese Abschlussmeetings aufgrund der COVID-19-Maßnahmen der Regierung bzw. der daraus resultierenden universitären Vorgaben online durchgeführt.

 

Assessment

Die traditionelle Bewertung in der naturwissenschaftlichen Lehre konzentriert sich in erster Linie auf die "Messung" des von jedem Studenten erreichten Lernerfolgs durch einen Papier- und Bleistifttest. In diesem Kurs wird ein Bewertungsmodell vorgeschlagen, das über die traditionellen Methoden hinausgeht. Aus einer didaktischen Perspektive wird die Bewertung dieses Kurses als eine kontinuierliche pädagogische Praxis und nicht als eine Methode oder eine Technik gedacht und umgesetzt. Die Kohärenz zwischen dem, was gelehrt wird, und dem, was evaluiert wird, wird als äußerst wichtig angesehen. Die Beurteilungsinstrumente sind von der Heterogenität der Studierenden abgeleitet und umfassen:

• Überprüfung des Kenntnisstandes in Form einer anfänglichen Lernzielkontrolle zu Beginn jeder Laborübung, basierend auf Kurzantwortaufgaben. Sie zielen darauf ab, die Studenten zu aktivieren, die Verständnisfähigkeiten zu bewerten und die Studenten zu ermutigen, das Labor zu besuchen, indem sie mit den Mindestinhalten vertraut gemacht werden, die für ein fruchtbares Verständnis der für jeden Tag geplanten Experimente/Messungen erforderlich sind. Diese anfänglichen Lernzielkontrollen bestehen aus zwei Aufgaben, die die Studenten lösen müssen. Die erste Aufgabe muss von allen beantwortet werden. Die zweite Aufgabe muss von den Studierenden aus einem Pool von drei verschiedenen Aufgaben ausgewählt werden, welche auf verschiedene Kompetenzen der Studierenden abzielt. Die Ideen hinter diesem Ansatz sind: einerseits die Vielfalt der Teilnehmer*innen zu berücksichtigen und andererseits die Autonomie aller Studierenden zu fördern. Zusätzlich werden die Aufgaben, die in diesen Lernzielkontrollen enthalten sind, später wiederholt, um einerseits Diskussionen zwischen den Studierenden und den Unterrichtenden zu initiieren und andererseits den Teilnehmer*innen eine Einschätzung ihres bereits bestehenden Wissens zu ermöglichen.

• Kontinuierliches (formatives) Assessment in Form von punktuellen Mitschriften, die von den Tutor*innen während der Laborübungen verfasst und später vom gesamten Lehrkörper gelesen werden. Mit diesen Aufzeichnungen verfolgen die Tutoren u.a. Einstellungen, Veranlagung, Verständnisfähigkeiten, Diskussions- und Argumentationsfähigkeit. Dies ermöglicht es, die Studierenden in Situationen zu bewerten, die unterschiedliche Grade der beruflichen Vertiefung beinhalten und somit ein umfassenderes Bild zu erhalten.

• Abschließendes (summative) Assessment in Form eines Abschlussberichts, der mehrere Formate zulässt. Dies fördert die Kreativität und erlaubt es den Studenten zu wählen, in welchem Format sie am besten über das Gelernte berichten können. Dieser Abschlussbericht basiert auf der Zusammenstellung, Bewertung und Diskussion der eigenen Ergebnisse im Kontext fachspezifischer Literatur. Die Korrektur des Abschlussberichts erfolgt mittels einer Vorabgabe und einer Endabgabe. Nach der Vorabgabe erhalten die Studierenden größere und kleinere Kommentare, die auf Stärken und Schwächen des Berichts hinweisen und die für die Endabgabe bearbeitet werden müssen. Während dieser Korrekturrunden wird die Aufmerksamkeit auf den wissenschaftlichen Schreibprozess in seiner Gesamtheit gerichtet, wobei Folgendes bewertet wird: das Verständnis der konzeptionellen und methodologischen Aspekte jeder der durchgeführten Techniken, die Verwendung eines angemessenen Vokabulars, die Präsentation der Ergebnisse in einer klaren Art und Weise und in einer logischen Reihenfolge, die Argumentation und die Fähigkeit zur Diskussion sowie die Konsistenz und Reproduzierbarkeit des Dokuments als Hauptmerkmale der wissenschaftlichen Kommunikation. An diesem Punkt wird den Studierenden bewusst gemacht, wie wichtig der Erwerb dieser Fähigkeiten ist und dass es über die Assessmentstrategie dieses Kurses hinausgeht. Dies ist für den zukünftigen akademischen und beruflichen Werdegang eines jeden Studenten äußerst nützlich.

• Anonyme Online-Evaluierung der Laborübung (über TUGraz online). Die Beurteilung aller, die Teil des Lehr-Lern-Prozesses waren, ist sowohl für die Studierenden als auch für die Lehrenden sehr wichtig. Für die Lehrveranstaltungsverantwortlichen ist die von den Studierenden ausgefüllte Lehrveranstaltungsevaluation eine sehr nützliche Information über zu verbessernde oder zu überdenkende Punkte. Außerdem ist es für die Lehrveranstaltungsverantwortlichen eine sehr große Motivation, wenn sie positive Rückmeldungen erhalten. Für die Studierenden ist das Evaluieren der Lehrveranstaltung ebenfalls eine gute Praxis, um Evaluierungen in Zukunft im beruflichen Alltag selbstständig durchzuführen. Die Studierenden werden am Ende der Laborübung und vor Beginn des Zeitfensters zur Online-Evaluierung der Laborübung darauf aufmerksam gemacht und ermutigt diese auch auszufüllen.

Auf diese Weise gewährleistet die Vielfalt der in diesem Konzept verwendeten Instrumente eine zuverlässige Evaluationsstrategie mit hoher Validität, die der Heterogenität der Studierenden Rechnung trägt. Somit ist gewährleistet, dass alle Studierenden nachweisen können, was sie in Bezug auf die Lernergebnisse gelernt haben.

 

Motivation und Zusatzangebote:

Über die formalen Aktivitäten der Laborübung hinaus werden den Studierenden während ihrer Zeit im Labor eine Reihe von zusätzlichen und optionalen Angeboten gemacht, die von den Studierenden sehr geschätzt wurden. Einerseits haben sie eine motivierende Komponente, andererseits haben sie Raum für interessante Fragen und Diskussionen geschaffen:

• Die Besichtigung des Forschungslabors: Die Tatsache, dass der Kurs im Forschungslabor des Instituts stattfindet, ermöglicht eine Führung durch die verschiedenen Räume desselben. Die Studierenden haben die Möglichkeit, eine Zellkultureinheit, ein DNA-Labor und ein Proteinlabor sowie eine Vielzahl von Geräten, die in diesen Räumen vorhanden sind, kennenzulernen. Wir nutzen diese Möglichkeit, um die Teilnehmer*innen über unsere Forschungsthemen, Hypothesen, Hauptergebnisse und verschiedene Fragen zu unserer täglichen Arbeit im Labor zu informieren. Für uns als Forscher*innen ist dies auch eine sehr gute Gelegenheit, die Türen unseres Labors zu öffnen und unsere Erkenntnisse über die wissenschaftliche Gemeinschaft hinaus zu verbreiten.

• Besichtigung der Tieranlage: Die Studierenden werden zu einer Führung durch das Forschungstierhaus des Instituts eingeladen. Während dieser Tour können sie verschiedene Tiermodelle sehen, die für die diagnostische Forschung verwendet werden, wie Forschungstiere untergebracht sind, Operationsräume, spezielle Geräte und am Ende des Besuchs lernen sie, wie man eine Labormaus seziert. Zusätzlich werden die Teilnehmer*innen über wichtige ethische Fragen bezüglich des Einsatzes von Tieren in der klinischen Forschung und über die behördlichen Richtlinien informiert, die für einen erfolgreichen Tierversuchsantrag erfüllt werden müssen.

• Besuch des Diagnostik- und Forschungsinstituts für Pathologie der Medizinischen Universität Graz: Im Rahmen der diagnostischen Aufgaben werden am Institut für Pathologie der Medizinischen Universität Graz jährlich ca. 100.000 histologische Präparate, 20.000 zytologische Präparate, 4.000 molekulare Analysen und 800 Obduktionen durchgeführt.

• Im Rahmen eines Besuchs am Institut für Pathologieerhalten die Studierenden die Möglichkeit, zu sehen, wie verschiedene molekulardiagnostische Techniken patientenorientiert angewendet werden.

Mehrwert

Aus den Ergebnissen der online Evaluierung der Lehrveranstaltung geht hervor, dass diese Laborübung einen sehr großen Mehrwert für die Studierenden hat, da sie das Erlernen neuer Fähigkeiten in einer integrativen Art und Weise ermöglicht. Den Studierenden wird die Möglichkeit geboten, theoretisches Wissen mit praktischen Fertigkeiten mit konkreten (und relevanten) Anwendungsszenarien zu verbinden, bei denen sie z. B. auch ethische Fragen berücksichtigen müssen. Es werden mehrere Gelegenheiten angeboten, bei denen die Studierenden die Möglichkeit haben praktische Laborverfahren als auch theoretisches Hintergrundwissen zu erlernen, zu üben und zu festigen. Zusätzlich wird die Einbeziehung der zuvor erwähnten verschiedenen motivierenden Aktivitäten von den Teilnehmer*innen sehr geschätzt.

Didaktisch gesehen basieren viele Laborpraktiken auf der Ausführung von Protokollen, was üblicherweise dem behavioristischen und traditionellen Ausbildungsmodells entspricht. In diesem Projekt wurden mehrere Konzepte aus dem studierendenzentrierten modernen pädagogisch-didaktischen Modellen in eine Laborübung zur Molekularen Diagnostik integriert. Indem die Diversität der Studenten und die Entwicklung von Kompetenzen ins Zentrum gestellt werden und diese durch die oben genannten vielfältigen Momente der formativen und summativen Leistungsüberprüfung begleitet wird, soll Kreativität in einem ansonsten stark strukturierten Umfeld gefördert werden. Daneben wird durch die Integration der Zusatzangebote der fachliche und überfachliche ganzheitliche Kompetenzaufbau befördert Somit könnten einige der in diesem Vorschlag enthaltenen Ideen auch für andere naturwissenschaftliche Laborübungen genutzt werden.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Wie im Kapitel "Mehrwert" dieser Einreichung beschrieben, könnten einige der in dieser Laborübung entwickelten Lehransätze auch für andere Laborübungen im naturwissenschaftlichen Bereich übernommen werden. Diese Laborübung ist für Studierende der Biomedizinischen Technik verpflichtend, dadurch wird die entwickelte Lehrpraxis weiter angewandt und weiter verbessert.

Vorgeschlagene Idee für die Weiterentwicklung und Verbesserung des Kurses: Hinzufügung einer dritten Laborübungslerneinheit mit dem Titel „In silico-Simulationen“

Durch Integration der Software "PhysioEx 10.0: Laborsimulationen in der Physiologie" in die Laborübung werden die Studenten computergestützte Simulationsaktivitäten durchführen. Einige Aufgaben der zweiten Laborübungslerneinheit werden damit a posteriori simuliert. Diese Software gibt den Teilnehmer*innen die Möglichkeit, diverse Experimente mehrfach in der Simulation zu wiederholen und die mit in vitro- und in silico-Methoden gewonnenen Ergebnisse miteinander zu vergleichen. Zusätzlich erlauben diese Simulationen den Studierenden auch, andere Tests durchzuführen, die aus Zeit-, Kosten- oder Sicherheitsgründen in der Praxis nicht durchgeführt werden können. Didaktisch betrachtet würde diese letzte Lerneinheit die Laborübung durch die Kombination von Laborarbeit mit computergestützter Technologie zur Simulation der Laborexperimente stark bereichern und den Studierenden neue Möglichkeiten zur Vertiefung des Gelernten eröffnen als auch zusätzliche IT-Skills vermitteln.

Aufwand

Zeit: Jedes Jahr wird ein zusätzlicher Tag vor Laborbeginn benötigt, um das Labor vorzubereiten.

Personelle Ressourcen: Der Kurs wird mit maximal zehn Studenten zur gleichen Zeit durchgeführt. Aus diesem Grund wird neben dem bzw. der Kursverantwortlichen die Unterstützung von zusätzlichem Personal benötigt. Hierfür stellt die Hochschule drei studentische Hilfskräfte zur Verfügung.

Kosten: Alle Verbrauchsmaterialien, die in diesem Kurs verwendet werden, sind normalerweise in jedem Lehrlabor für Biochemie oder Molekularbiologie erhältlich. Die einzigen zusätzlichen Kosten, die durch den oben skizzierten Vorschlag zur Weiterentwicklung entstehen, sind der notwendigen Softwarelizenz "PhysioEx 10" geschuldet. Wie oben beschrieben, liegt der Vorteil dieses Programms darin, dass damit Experimente in der Simulation durchgeführt werden können, die aus Kosten- oder anderen Gründen nicht praktikabel im Labor durchgeführt werden können. Die Kosten für diese Lizenz betragen einmalig € 40 pro Laborübungsteilnehmer.

Positionierung des Lehrangebots

Die Studierenden an der Technischen Universität Graz erlernen im Bachelor-Studiengang Biomedical Engineering grundlegende theoretische molekularbiologische und biochemische Zusammenhänge in den Pflichtlehrveranstaltungen Einführung in die Biochemie (648.006) und Grundlagen der Molekular- und Zellbiologie (648.001). Die hier vorgestellte Lehrveranstaltung Laborübung Molecular Diagnostics (648.005) ist eine Pflichtveranstaltung für Studierende des Master-Studienganges Biomedizinische Technik und stellt den ersten praktischen Zugang mit der komplexen Materie der Molekularbiologie gemäß dem Studienplan dar. Die Lehrveranstaltung wird vom Institut für Biochemie angeboten.

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Qualitätsverbesserung von Lehre und Studierbarkeit
Hochschullehrpreis 2020
Kategorie: Preis für junge Lehrende
Link zum Hochschulpreis
Ansprechperson
Melina Amor, Dr
Institut für Materialphysik
+436606712264
Nominierte Person(en)
Melina Amor, Dr
Institut für Materialphysik
Themenfelder
  • Didaktische Methode
  • Erfahrungslernen
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften
  • Medizin und Gesundheitswissenschaften