Development and evaluation of an augmented reality (AR) application for teaching and learning of metabolism

Orientador: Eduardo GalembeckTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: O metabolismo e as vias metabólicas constituem um dos conceitos centrais fundamentais de bioquímica. Estima-se que as células humanas têm cerca de 3000 tipos diferentes de reações metabólicas. Muitos estudantes as aprendem como um exercício de memorização e pior ainda, muitos professores ensinam o metabolismo desta maneira. Repetir de memória os passos das vias metabólicas não faz muito sentido na compreensão de suas implicações biológicas. A aprendizagem das vias metabólicas deve centrar-se na compreensão de alguns conceitos gerais e princípios básicos. Os alunos devem aprender que uma via metabólica é essencialmente um modelo conceptual de reações químicas concatenadas e catalisadas por enzimas, que regulam/levam o fluxo e troca de compostos e energia dentro de uma célula. Com o objetivo de ajudar no desenvolvimento de habilidades de literacia visual desejáveis para entender e representar conceitos bioquímicos relacionados com a aprendizagem de vias metabólicas, criamos um aplicativo de realidade aumentada chamado Augmented Reality Metabolic Pathways (ARMET). O Aplicativo é projetado para oferecer aos alunos uma ferramenta de aprendizagem inovadora usando o poder da tecnologia móvel em um ambiente onde os alunos sejam menos dependentes da orientação do professor. O ARMET pode funcionar como uma excelente ferramenta de feedback para professores e estudantes. Sua plataforma online oferece uma grande variedade de informações sobre o desempenho dos alunos. O ARMET permite aos alunos visualizar em 3D a estrutura molecular de substratos e produtos e perceber as mudanças de cada molécula através de uma via metabólica. As modificações estruturais das moléculas permitem entender os princípios básicos sobre o fluxo e troca de compostos e energia através do metabolismo. Durante a aula usando ARMET têm sido observadas várias habilidades desejáveis nos alunos, tais como debate acadêmico, avaliação por colegas, aprendizagem colaborativa e significativa e o desenvolvimento de habilidades de literacia visual, características essenciais para interpretar modelos moleculares e mapas metabólicos. Essas habilidades facilitam criar modelos mentais para entender conceitos bioquímicos. ARMET fornece para os professores métricas mais transparentes e consistentes para sistematizar critérios e indicadores que reduzem a subjetividade do processo de avaliação. Com esta tecnologia, o professor pode verificar em tempo real o desempenho de cada aluno e determinar seu progresso, identificar onde ocorrem erros e até mesmo realizar uma investigação exaustiva das suas possíveis causas, proporcionando uma melhor ferramenta educacional para estabelecer uma avaliação formativa eficaz para o ensino do metabolismo. O metabolismo e as vias metabólicas constituem um dos conceitos centrais fundamentais de bioquímica. Estima-se que as células humanas têm cerca de 3000 tipos diferentes de reações metabólicas. Muitos estudantes as aprendem como um exercício de memorização e pior ainda, muitos professores ensinam o metabolismo desta maneira. Repetir de memória os passos das vias metabólicas não faz muito sentido na compreensão de suas implicações biológicas. A aprendizagem das vias metabólicas deve centrar-se na compreensão de alguns conceitos gerais e princípios básicos. Os alunos devem aprender que uma via metabólica é essencialmente um modelo conceptual de reações químicas concatenadas e catalisadas por enzimas, que regulam/levam o fluxo e troca de compostos e energia dentro de uma célula. Com o objetivo de ajudar no desenvolvimento de habilidades de literacia visual desejáveis para entender e representar conceitos bioquímicos relacionados com a aprendizagem de vias metabólicas, criamos um aplicativo de realidade aumentada chamado Augmented Reality Metabolic Pathways (ARMET). O Aplicativo é projetado para oferecer aos alunos uma ferramenta de aprendizagem inovadora usando o poder da tecnologia móvel em um ambiente onde os alunos sejam menos dependentes da orientação do professor. O ARMET pode funcionar como uma excelente ferramenta de feedback para professores e estudantes. Sua plataforma online oferece uma grande variedade de informações sobre o desempenho dos alunos. O ARMET permite aos alunos visualizar em 3D a estrutura molecular de substratos e produtos e perceber as mudanças de cada molécula através de uma via metabólica. As modificações estruturais das moléculas permitem entender os princípios básicos sobre o fluxo e troca de compostos e energia através do metabolismo. Durante a aula usando ARMET têm sido observadas várias habilidades desejáveis nos alunos, tais como debate acadêmico, avaliação por colegas, aprendizagem colaborativa e significativa e o desenvolvimento de habilidades de literacia visual, características essenciais para interpretar modelos moleculares e mapas metabólicos. Essas habilidades facilitam criar modelos mentais para entender conceitos bioquímicos. ARMET fornece para os professores métricas mais transparentes e consistentes para sistematizar critérios e indicadores que reduzem a subjetividade do processo de avaliação. Com esta tecnologia, o professor pode verificar em tempo real o desempenho de cada aluno e determinar seu progresso, identificar onde ocorrem erros e até mesmo realizar uma investigação exaustiva das suas possíveis causas, proporcionando uma melhor ferramenta educacional para estabelecer uma avaliação formativa eficaz para o ensino do metabolismoAbstract: Metabolism and metabolic pathways constitute one of the central aims of foundational biochemistry concepts. It is estimated that human cells have about 3000 different types of metabolic reactions. Many students learn the metabolic pathways as an exercise of memorization and many professors teach the metabolism in this manner. The mere repetition of metabolic pathways steps does not make much sense in the understanding of their biological implications. Learning metabolic pathways must be focused on the understanding of few general concepts and basic principles. Students should learn that a metabolic pathway is essentially a conceptual model of concatenated chemical reactions catalyzed by enzymes, that regulates/drives the flow and exchange of compounds and energy within a cell. To improve motivation and to promote student interactivity with the development of desirable skills of visual literacy and regarding the learning of metabolic pathways, we designed an application named Augmented Reality Metabolic Pathways (ARMET). This App is designed to offer the students an innovative learning tool using the power of mobile technology. Our objective is to promote an environment where students are less dependent on the professor's guidance. It is possible to assemble an entire metabolic pathway through the feedbacks and hints given by ARMET. ARMET can work as a great feedback tool for professors and teachers. Its unique online platform provides a great variety of information about the students' performance. Interaction with virtual 3D molecules allowed students to visualize the molecular structure of substrates and products, and perceive changes in each molecule through the metabolic pathway. The structural modifications of molecules allow learning the basic principles about the flow exchange of compounds and energy through metabolism. During the class, activity using ARMET it has been observed several desirable skills in students, such as academic debate, peer review, collaborative learning, meaningful learning and development of visual literacy skills essential characteristics for interpreting molecular models and metabolic maps. These skills empower the ability to create mental models to understand biochemical concepts. ARMET for teachers provides both transparent consistent evaluation allowing them to systematize criteria and indicators to reduce the subjectivity of assessments¿ process. With this technology, it is possible to verify in real time the performance of each student and determine student progress, identify where errors occur and also conduct a thorough investigation of possible causes providing a better pedagogical tool to establish an effective formative assessment for metabolism teachingDoutoradoBioquimicaDoutor em Biologia Funcional e Molecula