バーチャル生物実験室：解剖、顕微鏡観察など

生物の教師は、物理や化学の同僚が単純に遭遇しない独自の課題に直面しています。循環系について教えるとき、黒板に図を描いてそれで終わりにはできません。生徒たちは構造を見て、空間的な関係を理解し、理想的には実際の組織に触れる必要があります。しかし、そこで事態が複雑になります。

注文したカエルは腐敗した状態で届きました。クラスの半分はとにかく触るのが気持ち悪くてできません。顕微鏡のスライドは傷だらけ、電球はすぐに切れ、チャイムが鳴る前に30人の生徒に腎臓の構造を理解させる時間はちょうど45分しかありません。聞き覚えがありますか？

バーチャル生物実験室はこれらの問題をすべて解決するわけではありません。しかし、あなたが予想するよりも多くの問題に対処します。

生物実習の本当の課題

生物を他と異なるものにしているものについて正直になりましょう。倫理的な側面だけでも、他の教科が直面しない複雑さを生み出します。

動物の解剖は教育的に価値がありますが、ますます議論の的になっています。研究によると、解剖に倫理的な反対意見を持つ生徒は実技評価で成績が悪いことが多いですが、それは能力が低いからではなく、不快感が学習を妨げるからです（Oakley, 2020）。生徒が気分が悪くならないことに集中しているとき、腎皮質を識別することには集中していません。

次にコストがあります。解剖用の豚の腎臓1つは、サプライヤーから約400-700円かかります。それを学年ごとに150人の生徒で掛け算すると、1つのトピックだけでかなりの予算配分を見ていることになります。心臓はもっと高価です。眼球は驚くほど高価です。そして化学試薬とは異なり、生物標本は一度しか使用できません。

時間がこれらの問題を複雑にします。実際の解剖は準備に時間がかかり、標本を配布する時間、生徒が手順を進める時間、そして片付けにかなりの時間がかかります。50分の授業では実際の学習時間は20分しか得られないかもしれません。生徒が解剖の早い段階で間違いを犯すと、もう一度試す機会が得られないかもしれません。

顕微鏡観察には独自のフラストレーションがあります。よく整備された機器でも調整が必要であり、焦点合わせの技術に慣れていない生徒は、明らかであるべき標本を探すのに授業の大部分を費やすことがあります。顕微鏡教育に関する研究は、初心者ユーザーが肉眼で見えるものと拡大下で現れるものとの間の移行に苦労することを示唆しています（Hug & McNeill, 2008）。

バーチャル生物実験室が実際に提供するもの

バーチャル解剖はギミックではありません。適切に実装されると、従来の環境での学習を制限するいくつかの本当の制約に対処します。

最初の利点は繰り返しです。物理的な解剖では、一度切ったら切り戻すことはできません。間違った場所に切り込みを入れると、学習の機会は失われます。バーチャル解剖は、生徒が必要なだけ手順を繰り返すことを可能にします。運動技能の習得に関する研究は、フィードバックを伴う繰り返しの練習が手続き的能力を発達させるために不可欠であることを示しています（Gallagher et al., 2012）。

バーチャル実験室は倫理的な懸念も完全に排除します。動物標本の使用に反対する生徒でも、同じ解剖学的内容を学ぶことができます。これは難しい会話を避けることではありません。生徒の個人的な倫理が科学教育の障壁にならないようにすることです。

一時停止して検査する機能は、あなたが思う以上に重要です。実際の解剖では、構造を露出させたら、組織が劣化したり乾燥したりする前に素早く動く必要があります。バーチャル標本はそのままの状態を維持し、生徒が構造を詳細に調べ、教科書の図と比較し、プレッシャーなしに質問することを可能にします。

アクセシビリティはおそらく最も過小評価されている利点です。特定の身体障害を持つ生徒は、解剖に必要な細かい運動制御に苦労するかもしれません。特定の感覚過敏を持つ生徒は、質感や匂いを圧倒的に感じるかもしれません。バーチャルの代替手段は、これらの障壁なしに同じ教育内容へのアクセスを提供します。

バーチャル顕微鏡観察：隠れた利点

バーチャル解剖が最も注目を集めていますが、バーチャル顕微鏡観察は実際にはより一貫した教育的価値を提供するかもしれません。

物理的な顕微鏡観察は機器に大きく依存します。クラス用の顕微鏡セットは定期的なメンテナンス、電球の交換、慎重な保管が必要です。よく整備された顕微鏡でも可変的な結果を生み出し、生徒は標本を観察するよりも焦点を調整するのにかなりの時間を費やします。

バーチャル顕微鏡観察は毎回完璧な標本を提供します。生徒は学習目標に適した倍率で、見るべきものを正確に見ます。スライドを壊したり、焦点を失ったり、標本が落ちるまでステージを調整したりすることはできません。これはズルのように聞こえるかもしれませんが、考えてみてください：学習目標は通常、構造を識別することであり、機器の習熟を示すことではありません。

大学の生物学コースでバーチャルと物理的な顕微鏡観察を比較した研究では、バーチャル顕微鏡を使用した生徒は識別タスクで同等かそれ以上のパフォーマンスを示し、技術的なトラブルシューティングに費やす時間が少なかったことがわかりました（Heidger et al., 2002）。技術がメカニクスを処理し、生徒が生物学に集中することを可能にします。

効果的な具体的なユースケース

すべての生物学のトピックがバーチャル処理から等しく恩恵を受けるわけではありません。学校との仕事に基づいて、特定のアプリケーションが際立っています。

腎臓の解剖はバーチャル形式に非常によく翻訳されます。バーチャル腎臓解剖がSEND生徒をどのようにサポートするかについて以前書きましたが、その利点はすべての学習者に及びます。腎臓の内部構造、特にネフロンと集合管は、顕微鏡的であるため物理的な標本では視覚化が困難です。バーチャル解剖は臓器全体から細胞レベルまでシームレスにズームでき、実際の腎臓と生徒用顕微鏡では不可能なことです。

心臓の解剖は同様の利点を示します。豚や羊からの物理的な心臓標本は人間の解剖学の良いアナロジーを提供しますが、硬い心筋を切るには生徒がしばしば欠いている道具と技術が必要です。バーチャルバージョンは、生徒がきれいな断面を作り、複数の角度から心室構造を調べ、標本を理解する前に破壊するリスクなしに臓器を通る血流を追跡することを可能にします。

植物細胞の観察はバーチャル顕微鏡観察の一貫性から恩恵を受けます。タマネギの表皮スライドを準備することは有用なスキルですが、細かく時間がかかります。学習目標が「顕微鏡スライドを準備する」ではなく「植物細胞の構造を識別する」である場合、バーチャル標本は生徒を教育内容により速く導きます。

細菌培養はバーチャルの代替手段が実際に好ましい場合を表します。実際の細菌培養にはバイオセキュリティの考慮、培養時間、汚染が結果を台無しにする可能性が含まれます。バーチャル培養シミュレーションは、これらの合併症なしに時間の経過に伴う成長パターンを示すことができ、生徒は学校の実験室では実用的でない方法で変数（温度、栄養素、抗生物質）を実験できます。

バーチャルは物理的なものに取って代わりますか？いいえ。それが間違った質問である理由がここにあります。

バーチャル対物理的な実習についての議論は、これらが競合するオプションであることをしばしば仮定します。一方が勝ち、もう一方は消えます。この枠組みは完全にポイントを逃しています。

物理的な解剖はバーチャルが再現できないものを提供します。組織の質感、筋肉を切る際の抵抗、防腐剤の匂い：これらは生物学的材料で作業することの意味の一部です。医学、獣医学、または実験室での仕事のキャリアを検討している生徒にとって、実際の標本での経験は重要です。

しかし、バーチャル実習は異なる目的に役立ちます。物理的な実習の前に概念を導入し、生徒がやる前に見るものと行うことを理解できるようにします。実験室前の準備に関する研究は、実験室に入る前に手順を予習した生徒がより良いパフォーマンスを発揮し、タスクをより効率的に完了することを示しています（Johnstone & Al-Shuaili, 2001）。

バーチャル実習は、物理的なセッションの後に可能なことを拡張することもできます。生徒が中学3年生で腎臓を解剖する機会が1回しかない場合、バーチャルバージョンにより、復習のためにそのコンテンツを再訪することができます。物理的な経験が学習を固定し、バーチャルバージョンがそれを強化します。

初心者ドライバー向けの運転シミュレーションのように考えてください。シミュレーターが実際の運転練習に取って代わるべきだと主張する人はいません。しかし、シミュレーションが準備、スキル構築、および実際の道路には危険すぎるシナリオの練習において役割を持つことは誰もが認めています。

研究は実際に何と言っていますか？

バーチャル解剖に関するエビデンスは、過去10年間でかなり成熟しています。初期の研究は、洗練されていないバーチャルツールを使用した結果と確立された物理的実践を比較することが多く、驚くことではなく馴染みのあるアプローチを支持していました。最新のシミュレーションを使用したより最近の研究は、異なる話を伝えています。

バーチャル対物理的解剖の包括的なメタ分析では、解剖学的知識を測定する際に学習結果に有意な差は見られませんでした（Lombardi et al., 2014）。生徒はどちらの方法でもコンテンツを同様によく学びました。差が出た場合、それは生徒の態度に関連していました：一部の生徒はバーチャルを好み（しばしば解剖に対する倫理的反対意見を持つ人々）、他の人は物理的を好みました（しばしば科学系キャリアを計画している人々）。

さらに重要なことに、研究はアプローチを組み合わせることで、どちらか一方だけよりも良い結果が得られることを示唆しています。医学生の研究では、物理的な死体作業の準備としてバーチャル解剖を使用した人々が、物理的な解剖のみを行った学生よりも良いパフォーマンスを示しました（Saltarelli et al., 2014）。バーチャルプレビューは、実際の標本で見つける前に何を探しているかを理解するのに役立ちました。

WhimsyLabsが生物学にどのようにアプローチするか

私たちの生物学シミュレーションは、化学や物理学に使用するのと同じ物理ベースのアプローチで構築されています。生物学は明らかに物理学とは関係が薄いため、奇妙に聞こえるかもしれません。しかし、臓器は物理的な構造です。組織には機械的特性があります。血液は流体力学に従って流れます。

生徒が私たちのバーチャル腎臓に切り込みを入れると、その物理的特性をモデル化したため、組織がリアルに分離します。心臓を通る血液の経路をたどると、流れは実際の循環を駆動する圧力勾配に従います。これは単なる視覚的リアリズムではありません。本物の理解をサポートする行動的な正確さです。

私たちのバーチャル顕微鏡観察は解剖シミュレーションと統合されているため、生徒は臓器レベルで同じ腎臓を調べてから、ネフロン構造を調べるためにズームインできます。マクロとミクロの間の移行は、細胞機能が臓器レベルの効果をどのように生み出すかを生徒が理解するのに役立ちます。

WhimsyCat、私たちのAIチューターは、生物学のコンテキストに適応したガイダンスを提供します。生徒が皮質と髄質を識別するのに苦労しているとき、AIは視覚的な手がかり、学んだ他の構造とのアナロジー、または答えに導く質問に基づいてヒントを提供できます。フィードバックは即座です。これは、メスを持った30人の生徒の間を回っているときには達成が難しいことです。

始め方

バーチャル実習に興味のある生物学の教師であれば、最良のアプローチは生徒と使用する前に自分で試してみることです。バーチャルな切り込みを入れる感覚を確かめてください。解剖学的な詳細がカリキュラムに必要なものと一致するかどうかを確認してください。自問してください：これは私の生徒がコンテンツをよりよく理解するのに役立つでしょうか、それとも単なる目新しさでしょうか？

教師が適切に評価できるように、生物学シミュレーションへのデモアクセスを特別に提供しています。コミットメントなし、セールスプレッシャーなし。あなたと、バーチャル腎臓と、これがあなたの生徒に役立つかどうかを決める機会だけです。

デモをリクエストすれば、生物学シミュレーションライブラリ全体へのアクセスを設定します。バーチャル解剖があなたの教育ツールキットに場所を得る価値があるかどうか、自分の目で確かめてください。

関連記事

• バーチャル腎臓解剖がSENDエンゲージメントを向上
• バーチャル実験室と物理実験室：費用対効果分析
• WhimsyCatに会う：置き換えではなくサポートするAI
• 教師は専門家です。私たちはツールを作るだけ。