รูปทรงเล็กๆ ที่ทำจากเจลาตินและเรซินอาจช่วยให้เด็กๆ ได้เรียนรู้วิทยาศาสตร์
หากคุณถือแบล็กเบอร์รี่ คุณอาจสัมผัสได้ถึงการกระแทกและร่องของแบล็กเบอร์รี่ด้วยปลายนิ้วของคุณ เมื่อคุณตักเข้าปาก คุณอาจใช้ลิ้นของคุณเพื่อสัมผัสถึงโครงสร้างกระเปาะของมัน และถ้าคุณเป็นเหมือนไบรอัน ชอว์ นักชีวเคมีและนักชีวฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเบย์เลอร์ คุณจะสังเกตเห็นว่าผลไม้นั้นชวนให้นึกถึงโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่มาก
สำหรับชอว์การใช้ปากเพื่อสำรวจผลไม้ชนิดหนึ่งในมื้อเช้าเป็นช่วงเวลาแห่งหลอดไฟ เขามองเห็นโอกาสในการสร้างวิธีใหม่สำหรับนักเรียนที่ตาบอดในการมองเห็นโครงสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อน ลูกชายของชอว์สูญเสียตาต่อเรติโนบลาสโตมาเมื่อตอนที่เขายังเด็ก ขณะใช้เวลาร่วมกับเขาและเพื่อนคนหนึ่งของเขาที่ตาบอดสนิท ชอว์สังเกตเห็นแนวโน้มที่จะสำรวจสภาพแวดล้อมโดยเอาสิ่งแปลกปลอมเข้าปาก สิ่งนี้กระตุ้นให้เขาสำรวจว่าทีมวิจัยของเขาสามารถส่งเสริมการศึกษา STEM สำหรับนักเรียนที่มีความบกพร่องทางสายตาได้อย่างไร วันนี้ Shaw และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา Katelyn Baumer ได้ตีพิมพ์บทความในScience Advancesซึ่งรายงานเกี่ยวกับความสำเร็จของการใช้แบบจำลองสามมิติเล็กๆ เพื่อช่วยนักเรียนที่ตาบอดและมองเห็นโครงสร้างโปรตีนด้วยปากของพวกเขา
“เมื่อคุณสูญเสียการมองเห็นอย่างสมบูรณ์… คุณต้องใช้ทุกสัมผัสที่คุณมี และลิ้นเป็นเซ็นเซอร์สัมผัสที่ดีที่สุดที่คุณมี” ชอว์กล่าว
ทีมงานได้สร้างแบบจำลองขนาดเล็กตั้งแต่ขนาดถั่วลิสงไปจนถึงเมล็ดข้าว พวกเขาทำแบบจำลองราคาไม่แพงจากเจลาตินที่กินได้ซึ่งสามารถปรุงแต่งเพื่อเพิ่มประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสและสามารถบรรจุได้เหมือนลูกอม และพวกเขาทำแบบจำลองอื่น ๆ ของเรซินผ่าตัดที่กินไม่ได้ ในการศึกษาพิสูจน์แนวคิดนี้ ผู้เขียนกล่าวว่าโมเดลเหล่านี้มีศักยภาพที่จะทำได้ในราคาถูก เคลื่อนย้ายสะดวก และปลอดภัยในการใช้งาน และในกรณีของเรซิน สามารถล้างและนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างปลอดภัย
องค์การอนามัยโลกระบุว่า ประมาณ 39 ล้านคนมีอาการตาบอด และ 285 ล้านคนมีความบกพร่องทางสายตาทั่วโลก นักเรียนที่มีความบกพร่องทางสายตามักถูกกีดกันไม่ให้เข้าร่วมในวิชาเคมีและวิทยาศาสตร์อื่น ๆ เพราะถือว่าอันตรายเกินไปหรือมองเห็นได้มากเกินไปสำหรับผู้ที่ไม่มีสายตา
“ตามประวัติศาสตร์แล้ว การกันเด็กตาบอดออกจากวิชาเคมีถือเป็นคุณธรรม คุณช่วยพวกเขาได้เพราะเคมีอันตรายมาก” ชอว์กล่าว “นี่เป็นปัญหาเพราะเคมีเป็นศาสตร์หลัก และถ้าคุณกันเด็ก ๆ ออกจากวิชาเคมี คุณก็จะทำให้พวกเขาไม่เข้าใจในหลายๆ สิ่งอย่างลึกซึ้ง”
Hoby Wedlerนักเคมีระดับปริญญาเอกและผู้ประกอบการที่ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ซึ่งเกิดมาตาบอดโดยสมบูรณ์ กล่าวว่าโมเดลใหม่กำลังเปลี่ยนเกม โปรตีนพับเป็นภาพ 3 มิติที่พบได้บ่อยและซับซ้อนที่สุดบางส่วนที่นำเสนอใน STEM
“การเข้าถึงโครงสร้างเหล่านี้และความสามารถในการสำรวจและทำความเข้าใจโครงสร้างเหล่านี้จะทำให้สารเคมีโปรตีนเข้าถึงได้ง่ายขึ้นมาก” Wedler กล่าว “เครื่องมือใด ๆ ที่เราสามารถใช้เพื่อเพิ่มขีดความสามารถของนักวิทยาศาสตร์และผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เราคิดว่าเป็นไปไม่ได้นั้นยอดเยี่ยม”
เคมีและชีวเคมีจำเป็นต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างและหน้าที่ของโปรตีนหลายพันชนิดและโมเลกุลที่ซับซ้อนอื่นๆ วิธีการทั่วไปที่สุดในการแนะนำนักเรียนตาบอดให้รู้จักกับรูปแบบจุลภาคเหล่านี้คือการสร้างแบบจำลองมือถือขนาดใหญ่
“ฉันสอนชีวเคมีและมีภาพประกอบ 1,100 ภาพในตำราเรียน นักเรียนจะไม่สามารถเข้าถึงภาพทั้งหมดได้หากคุณตาบอด คุณต้องการแบบจำลอง” ชอว์กล่าว “แต่คุณไม่สามารถพกพาแบบจำลองขนาดเท่าลูกเบสบอลสำหรับภาพ 3 มิติทุกภาพในหนังสือของคุณได้ คุณจะต้องมีรถกระบะที่ใหญ่กว่าที่พวกเขาขับในเท็กซัส”
นักวิจัยพยายามสร้างสิ่งที่สะดวกกว่ามาก พวกเขาดึงโครงสร้างผลึกของโปรตีนเก้าชนิดจากProtein Data Bankซึ่งเป็นที่เก็บข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่าง 3 มิติของโมเลกุลทางชีววิทยาที่ซับซ้อน สำหรับบางรุ่น พวกเขาหล่อหลอมเจลาตินที่กินได้ให้มีขนาดเท่ากับถั่วลิสง เพื่อสร้างแบบจำลองที่มีขนาดเล็กลง พวกเขาหันไปใช้เรซินปลอดสารพิษชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในการผ่าตัดทางทันตกรรม วัสดุที่ไม่สามารถบริโภคได้นี้สามารถพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างแบบจำลองที่มีความแม่นยำสูงซึ่งมีขนาดเล็กเท่าเมล็ดข้าว
นักวิจัยปิดตาผู้เข้าร่วมการศึกษาในวัยเรียนจำนวน 281 คน ซึ่งทุกคนมองเห็นได้ และมอบแบบจำลองโปรตีนให้แต่ละคนรู้สึกในปาก จากนั้นจึงเสนอแบบจำลองโปรตีนทั้งเก้าแบบให้ผู้เข้าร่วมแต่ละคน และขอให้ผู้เข้าร่วมสัมผัสถึงปากของพวกเขาและระบุแบบจำลองดั้งเดิม โดยเฉลี่ยแล้ว ผู้เข้าร่วมสามารถจำโมเดลโดยใช้ปากของพวกเขาได้อย่างแม่นยำถึง 85.6 เปอร์เซ็นต์ เมื่อขอให้ใช้มือระบุโปรตีน ผู้เข้าร่วมมีความแม่นยำ 84.8 เปอร์เซ็นต์ของเวลาทั้งหมด
จากนั้นนักวิจัยได้ขอให้ผู้เข้าร่วมกลุ่มอื่นที่มองเห็นได้ศึกษาแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของโปรตีนโดยใช้การมองเห็น และเลือกแบบจำลองนั้นจากภาพหมุนของแบบจำลองการมองเห็นของโปรตีนอื่นๆ พวกเขาสามารถจำโปรตีนได้อย่างถูกต้อง 87.5 เปอร์เซ็นต์ของเวลา
เมื่อพวกเขาทำแบบทดสอบขนาดเล็กกับนักเรียน 31 คนในโรงเรียนประถม พวกเขาบันทึกผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน ความคล้ายคลึงกันทางสถิติในการที่นักเรียนสัมผัสได้ด้วยปากเมื่อเปรียบเทียบกับมือและตา สอดคล้องกับความเข้าใจของนักประสาทวิทยาบางคนว่าการรับรู้ทางประสาทสัมผัสทางปากมีรากฐานอย่างลึกซึ้งในวิธีที่มนุษย์ได้สัมผัสกับสภาพแวดล้อม
“เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ง่าย” ชอว์กล่าว “เราไม่ต้องฝึกนักเรียนให้ทำเช่นนี้ พวกเขาเพิ่งทำมัน”
ลิ้นเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยกล้ามเนื้อที่อัดแน่นซึ่งสามารถเคลื่อนไหวได้อย่างคล่องตัวและเข้าถึงพื้นที่แคบ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสำรวจความสลับซับซ้อนของโมเดลขนาดเล็ก
เมื่อลิ้นสัมผัสถึงองค์ประกอบของวัตถุ มันจะส่งสัญญาณไปยังเปลือกนอกรับความรู้สึกทางกายในสมองเพื่อสร้างภาพที่มองเห็นได้ ผู้เขียนกล่าวว่าความละเอียดของลิ้นอยู่ที่ประมาณครึ่งมิลลิเมตร ในขณะที่ปลายนิ้วจะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าในหนึ่งมิลลิเมตร เมื่อนำเสนอแบบจำลองขนาดที่เล็กที่สุด—ซึ่งมีขนาดประมาณเมล็ดข้าว—ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของนักเรียนจำการใช้ปากได้ดีกว่า เมื่อเทียบกับ 30 เปอร์เซ็นต์ที่ใช้นิ้วได้แม่นยำกว่า
Wedler กล่าวว่า “สำหรับฉันแล้ว มันค่อนข้างจะดั้งเดิมกว่าเล็กน้อยและแม่นยำกว่าการใช้มือสัมผัสสิ่งต่างๆ เล็กน้อย” “เมื่อฉันรู้สึกด้วยมือของฉัน ฉันจะรับมันเข้าไป แต่มันไม่ได้ฝังอยู่ในจิตใจและตัวตนของฉัน เมื่อฉันรู้สึกได้ถึงสิ่งบนเพดานด้วยลิ้นของฉัน ฉันกำลังทำให้พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของฉันจริงๆ”
Wedler บริหารบริษัทที่ช่วยแต่ละคนสร้างสิ่งที่เขาเรียกว่า “การรู้หนังสือทางประสาทสัมผัส” หรือใช้รสชาติ สัมผัส และกลิ่นอย่างเต็มที่เพื่อเสริมการมองเห็น เขาบอกว่าเขารู้สึกว่าเขาไม่ต้องทำงานหนักเพื่อสร้างภาพจิตของวัตถุเมื่อสัมผัสด้วยปากของเขา
Mona Minkaraนักชีววิศวกรรมจากมหาวิทยาลัย Northeastern กล่าวว่า “ในฐานะนักเคมีที่ตาบอด ฉันต้องดิ้นรนกับการทำความเข้าใจโครงสร้างโปรตีน
ในฐานะนักเรียน เธอได้สร้างแบบจำลองของโปรตีนโดยใช้อุปกรณ์งานฝีมือ เช่น PlayDoh และน้ำยาทำความสะอาดท่อ ในงานปัจจุบันของเธอในฐานะนักเคมีเชิงคำนวณที่กำลังศึกษาสารลดแรงตึงผิวในปอด เธอกล่าวว่าการมองเห็นโครงสร้างของสารประกอบที่เธอทำงานด้วยนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดเพื่อทำความเข้าใจหน้าที่ของสารเหล่านี้ เครื่องมือต่างๆ เช่น อักษรเบรลล์และตัวแบบสัมผัสมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจแนวคิดบางอย่าง แต่โมเดลทางประสาทสัมผัสขนาดเล็กเหล่านี้นำเสนอโซลูชันที่เทคโนโลยีอำนวยความสะดวกอื่นๆ ไม่สามารถเปรียบเทียบได้
Minkara กล่าวว่า “วิทยาศาสตร์สามารถสังเกตได้จากประสาทสัมผัสใดๆ ของเราจริงๆ “ถ้าสิ่งนี้ใช้ได้ผลเช่นเดียวกับที่ฉันคิดไว้ มันจะเป็นการทำลายอุปสรรคขนาดใหญ่ คุณไม่จำเป็นต้องมีตาอีกต่อไปเพื่อโต้ตอบกับข้อมูล ยอดเยี่ยมมาก”
ชอว์กล่าวว่าเขาหวังว่าผลิตภัณฑ์เช่นโมเดลเหล่านี้จะส่งเสริมให้เด็กที่มีความบกพร่องทางสายตารู้สึกมั่นใจที่จะมีส่วนร่วมกับ STEM ตั้งแต่อายุยังน้อย ผู้เขียนกล่าวว่าเมื่อใช้เรซิน โมเดลแต่ละแบบมีราคาประมาณ 10 เซ็นต์ ชอว์ลองนึกภาพว่าถ้าวันหนึ่งพวกเขาได้รับการอนุมัติให้ขาย พวกมันจะถูกและง่ายพอที่จะผลิตให้นักเรียน—ตั้งแต่ชั้นประถมศึกษาปีที่ 3—สามารถเล่นกับอ่างของพวกเขาได้ เช่นเดียวกับที่พวกเขาทำกับเลโก้
“ฉันหวังว่าบทความนี้จะช่วยปลุกจิตสำนึกสาธารณะเกี่ยวกับปัญหาเหล่านี้ ไม่ใช่ว่านักการศึกษาเป็นคนใจร้าย พวกเขาแค่ไม่รู้ว่าต้องทำอะไร—พวกเขาไม่มีเครื่องมือหรือทรัพยากร” ชอว์กล่าว “การกีดกันเด็กตาบอดในวิชาเคมีและ STEM กำลังจะสิ้นสุดลง”
