PRIMERJAVA UČNIH METOD PRI POUČEVANJU DIJAKOV O ELEKTROFOREZI DNA

(1)

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ŠTUDIJ BIOLOŠKEGA IZOBRAŽEVANJA

Tamara ŠIŠKO

PRIMERJAVA UČNIH METOD PRI POUČEVANJU DIJAKOV O ELEKTROFOREZI DNA

MAGISTRSKO DELO Magistrski študij - 2. stopnja

Ljubljana, 2022

(2)

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOLOŠKEGA IZOBRAŽEVANJA

Tamara ŠIŠKO

PRIMERJAVA UČNIH METOD PRI POUČEVANJU DIJAKOV O ELEKTROFOREZI DNA

MAGISTRSKO DELO Magistrski študij - 2. stopnja

COMPARISON OF TEACHING METHODS REGARDING DNA ELECTROPHORESIS

M. SC. THESIS Master Study Programme

Ljubljana, 2022

(3)

Magistrsko delo je zaključek Magistrskega študijskega programa 2. stopnje Biološko izobraževanje. Delo je bilo opravljeno na II. gimnaziji Maribor in v Skupini za biološko izobraževanje Biotehniške fakultete v Ljubljani.

Študijska komisija je za mentorja magistrskega dela imenovala prof. dr. Iztoka Tomažiča, za recenzentko doc. dr. Jerneja Ambrožič Avguštin.

Komisija za oceno in zagovor:

Predsednik: izr. prof. dr. Jelka Strgar

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo

Član: doc. dr. Iztok Tomažič

Član: doc. dr. Jerneja Ambrožič Avguštin

Datum zagovora:

Tamara Šiško

(4)

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

ŠD Du2

DK UDK 577(043.2)

KG genetika, elektroforeza, dijaki, stališča, znanje, metode poučevanja, frontalna oblika, metoda z demonstracijo, učinek

AV ŠIŠKO, Tamara, prof. biologije in uni. dipl. prev. tolm. ang. j.

SA TOMAŽIČ, Iztok (mentor), AMBROŽIČ AVGUŠTIN, Jerneja (recenzentka) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Magistrski študijski program druge stopnje Biološko izobraževanje

LI 2022

IN PRIMERJAVA UČNIH METOD PRI POUČEVANJU DIJAKOV O ELEKTROFOREZI DNA

TD Magistrsko delo (Magistrski študij - 2. stopnja) OP XI, 66 str., 25 pregl., 20 sl., 3 pril., 45 vir.

IJ sl JI sl/en

AI Na področju genetike in v razvoju posameznih molekularnih metod znanost zelo napreduje, zato je vedno bolj pomembno, da se nova spoznanja prenašajo tudi v gimnazijsko izobraževanje, kot osnova in navdih bodočim biologom−raziskovalcem za nadaljnjo izbiro študija v naravoslovju. V ospredje raziskave smo postavili pomembnost povezave napredne znanosti z osnovami znanosti in splošnim znanjem v programu gimnazije. Tematika, ki je predmet naše raziskave, se je v aktualnem času izkazala kot zelo pomembna za širšo javnost in razumevanje epidemije korona virusa. Z raziskavo smo želeli preveriti učinek dveh različnih metod poučevanja na stališča in znanje dijakov pri biologiji v splošnem programu gimnazije o uporabi ene izmed najbolj uporabljenih tehnik v molekularni biologiji−elektroforezi. Študija je bila opravljena z inštrumentom šifriranega anketnega vprašalnika s preizkusom znanja, ki so ga dijaki reševali pred in po izvedbi pouka s frontalno obliko in metodo demonstracije. Ugotovili smo, da ima večji učinek na znanje dijakov o elektroforezi pouk z demonstracijo, čeprav sta učinek izkazali obe uporabljeni metodi. Splošno predznanje dijakov o elektroforezi je pokazalo slabo informiranost o tej vsebini.

Rezultati so pokazali, da se znanje, naklonjenost praktičnemu delu in stališča do uporabe elektroforeze razlikujejo glede na spol, predvsem v prid dekletom. Več znanja in strinjanja z znanstvenimi stališči so pokazali dijaki, ki imajo znanstvenika- raziskovalca v družini in tisti z željo po študiju naravoslovja. Dijaki so v raziskavi pokazali ozaveščenost o tem, da je praktično delo in usvajanje spretnosti in veščin pri učenju tehnik molekularne biologije nujno za lažje razumevanje teh vsebin.

(5)

KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du2

DC UDC 577(043.2)

CX genetics, electrophoresis, high school students, attitudes, knowledge, teaching methods, frontal instruction, demonstration, effect

AU ŠIŠKO, Tamara, prof. biologije in uni. dipl. prev. tolm. ang. j.

AA TOMAŽIČ, Iztok (supervisor), AMBROŽIČ AVGUŠTIN, Jerneja (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Master Study Programme in Biology Education

PY 2022

TI COMPARISON OF TEACHING METHODS REGARDING DNA

ELECTROPHORESIS

DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes) NO XI, 66 p., 25 tab., 20 fig., 3 ann., 45 ref.

LA sl AL sl/en

AB Genetics and the development of molecular methods are making tremendous progress. Therefore, it is increasingly important that the new knowledge is incorporated unhindered into school curriculum as a basis and inspiration for the further study of future study biologist−researchers. The importance of linking advanced science to basic science and general knowledge in the high school has been established as the core of our research. The knowledge which is the subject of our research has proven to be very important for the general public and understanding of the coronavirus epidemic. The aim of the study was to investigate the effect of two different teaching methods on the attitude and knowledge of students in the biology subject of general high school in relation to the application of one of the most commonly used techniques in molecular biology - electrophoresis. The study was conducted using a coded questionnaire including a knowledge test which students solved before and after classes with frontal instruction and demonstration. We found that demonstration teaching had a greater effect on the students' knowledge of electrophoresis, although both methods had an effect. Students showed a low level of general prior knowledge about electrophoresis. The results showed a slight gender difference in knowledge, preference for hands-on work, and attitude toward electrophoresis, especially in favor of girls. More knowledge and greater agreement with scientific views were shown by students with a researcher-scientist in the family and those who were pursuing scientific studies. On examination, students showed an awareness of the need for practical work and the acquisition of skills and abilities in learning molecular biology techniques to facilitate the understanding of these contents.

(6)

KAZALO VSEBINE

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... III KEY WORDS DOCUMENTATION ... IV KAZALO VSEBINE ... V KAZALO SLIK ... VII KAZALO PREGLEDNIC ... VIII KAZALO PRILOG ... X OKRAJŠAVE IN SIMBOLI ... XI

1 UVOD ... 1

1.1 NAMEN IN CILJI MAGISTRSKEGA DELA ... 2

1.2DELOVNE HIPOTEZE ... 2

2 PREGLED OBJAV ... 3

2.1 ZNANSTVENE METODE V GENETIKI... 3

2.1.1 Verižna reakcija s polimerazo – PCR ... 3

2.1.2 Gelska elektroforeza ... 5

2.2 ZNANJE DIJAKOV O MOLEKULARNIH METODAH ... 8

2.2.1 Učni načrt biologije za gimnazije (2008) – program splošna gimnazija ... 8

2.2.2 Učni načrt biologije za gimnazije – mednarodni program IB (IB Biology Syllabus, High and Standard Level, 2016-2021) ... 13

2.2.3 Raziskave o znanju dijakov o elektroforezi po svetu ... 14

2.3 OBLIKE IN METODE POUČEVANJA GENETIKE ... 17

2.3.1 Frontalna oblika (tradicionalni pouk) ... 17

2.3.2 Metoda demonstracije (tradicionalni praktični pouk) ... 17

2.3.3 Praktični pouk (tradicionalni praktični pouk) ... 18

2.3.4 Ostale metode (učenje z raziskovanjem) ... 18

2.4 OBLIKOVANJE STALIŠČ DIJAKINJ IN DIJAKOV ... 20

2.4.1 Stališča ... 20

2.5 POMEN ZNANJA IN STALIŠČ O GENETIKI ZA IZOBRAŽEVANJE ... 22

3 MATERIAL IN METODE ... 23

3.1 POSTOPEK ZBIRANJA PODATKOV ... 23

3.2 OPIS VZORCA ... 23

3.3 OPIS INŠTRUMENTA ... 24

(7)

3.4 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV ... 25

4 REZULTATI ... 26

4.1 OSNOVNI PODATKI O DIJAKIH ... 26

4.2STALIŠČA DIJAKOV DO ELEKTROFOREZE ... 28

4.2.1 Stališča dijakov do elektroforeze pred poukom ... 28

4.2.2 Primerjava stališč pred in po pouku ... 33

4.3ZNANJE ... 35

4.3.1 Znanje pred poukom ... 35

4.3.1.1 Povprečno število točk... 35

4.3.1.2 Frekvenčna porazdelitev odgovorov na vprašanja izbirnega tipa ... 37

4.3.1.3 Analiza pravilnih odgovorov pred poukom - vprašanja izbirnega ... 44

4.3.1.4 Analiza pravilnih odgovorov pred poukom - vprašanja DRŽI/NE DRŽI ... 48

4.3.2 Primerjava znanja pred in po izvedbi obeh metod pouka ... 52

5 RAZPRAVA ... 53

5.1O raziskavi ... 53

5.2Stališča dijakov do elektroforeze ... 54

5.2.1 Stališča dijakov do elektroforeze pred poukom ... 54

5.2.2 Primerjava stališč dijakov do elektroforeze pred in po pouku... 55

5.3Znanje ... 57

5.3.1 Znanje pred poukom ... 57

5.3.2 Primerjava znanja pred in po pouku ... 60

6 SKLEPI ... 61

7 POVZETEK ... 62

8 VIRI ... 63 ZAHVALA

PRILOGA A PRILOGA B PRILOGA C

(8)

KAZALO SLIK

Slika 1: Poenostavljen prikaz delovanja PCR (Tomažič in sod., 2017) ... 4

Slika 2: Shema poenostavljenega postopka PCR (prirejeno po: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/35-genetic-modification- and/pcr.html, pridobljeno, 19. 3. 2021) ... 5

Slika 3: Slika gela z ločenimi fragmenti DNA. Stolpca označena z M sta standarda z znanimi velikostmi fragmentov DNA (prevedeno po: Griffith in sod., 2015). ... 6

Slika 4: Aparatura za gelsko elektroforezo (lasten vir). ... 7

Slika 5: Model stališč (Ule, 2000, str. 117) ... 21

Slika 6: Organigram postopka raziskave. ... 23

Slika 7: Porazdelitev dijakov glede na znanstvenika-raziskovalca v družini. ... 26

Slika 8: Porazdelitev dijakov glede na željo po študiju naravoslovja. ... 27

Slika 9: Povprečje doseženih točk pred poukom glede na raziskovane dejavnike. ... 35

Slika 10: Frekvenčna porazdelitev odgovorov (%) za vprašanje 1. ... 37

Slika 11: Frekvenčna porazdelitev odgovorov na vprašanje 2. ... 38

Slika 13: Frekvenčna distribucija odgovorov na vprašanje 4. ... 39

(9)

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 1: Tematski sklop Geni in dedovanje v učnem načrtu biologijo za gimnazije (Vilhar in sod., 2008). ... 8 Preglednica 2: Tematski sklop Biotehnologija in mikrobiologija ter izbrani cilji dijakov, ki se navezujejo na uporabo molekularnih metod (Vilhar in sod., 2008). ... 11 Preglednica 3: Tematski sklopa maturitetnega programa biologije v katerih se izbrani cilji

dijakov navezujejo na uporabo molekularnih metod (Vilhar in sod., 2008). ... 12 Preglednica 4: Učni načrt za biologijo v mednarodni maturi (IB) za osnovni del z

vsebinami in točkami razumevanja uporabnih molekularnih metod (Allot in Mindorff, 2014). ... 13 Preglednica 5: Porazdelitev dijakinj in dijakov glede na izvedbo pouka. ... 24 Preglednica 6: Število in delež dijakov glede na spol. ... 26 Preglednica 7: Statistično pomembne razlike v stališčih med skupinama dijakov pred

izvedbo pouka. ... 28 Preglednica 8: Stališča in razlike pri oblikovanju stališč glede na spol. ... 29 Preglednica 9: Statistično pomembna razlika v stališčih glede na prisotnost znanstvenika-

raziskovalca v družini. ... 30 Preglednica 10: Razlike v oblikovanju stališč dijakov glede na željo po študiju

naravoslovja (BI, FI, KE). ... 32 Preglednica 11: Primerjava stališč pred poukom in po pouku pri frontalni izvedbi pouka. 33 Preglednica 12: Primerjava stališč pred in po pouku demonstracije. ... 34 Preglednica 13: Statistično pomembne razlike pri primerjavi doseženih točk pri obeh tipih

vprašanj. ... 36 Preglednica 14: Deleži pravilnih odgovorov pred poukom glede na izvedbo pouka. ... 44 Preglednica 15: Deleži pravilnih odgovorov pri izbirnem tipu vprašanj pred poukom glede

na spol dijakov. ... 45 Preglednica 16: Deleži odgovorov dijakov glede na prisotnost znanstvenika-raziskovalca v družini. ... 46 Preglednica 17: Pravilni odgovori glede na željo po študiju naravoslovja (biologije, kemije ali fizike). ... 47 Preglednica 18: Deleži pravilnih odgovorov glede na izvedbo pouka pri tipu vprašanj

DRŽI/NE DRŽI. ... 48 Preglednica 19: Deleži pravilnih odgovorov pri vprašanjih DRŽI/NE DRŽI glede na spol.

... 49 Preglednica 20: Deleži pravilnih odgovorov pri vprašanjih tipa DRŽI/NE DRŽI glede na

prisotnost raziskovalca-znanstvenika v družini dijaka. ... 50 Preglednica 21: Pravilni odgovori v skupini vzorca glede na izbiro naravoslovnega študija.

... 51

(10)

Preglednica 22: Velikost učinka obeh oblik pouka na znanje in razlike v povprečjih

doseženih točk pred in po izvedbi pouka. ... 52 Preglednica 23: Razlike v povprečjih doseženih točk pred izvedbo pouka glede na metodo

izvedbe pouka (v prilogi).

Preglednica 24: Razlike v povprečjih doseženih točk pred izvedbo pouka glede na spol (v prilogi).

Preglednica 25: Razlike v povprečju doseženih točk pred poukom glede na željo po študiju naravoslovja (v prilogi).

(11)

KAZALO PRILOG

PRILOGA A: Vprašalnik PRILOGA B: Izročki prosojnic

PRILOGA C: Preglednice nekaterih rezultatov

(12)

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI

PCR Verižna reakcija s polimerazo

IB International Baccalaureate®; program mednarodne mature

SARS-Cov-2 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2; koronavirus, ki povzroča respiratorno okužbo in pljučnico

DNA Deoksiribonukleinska kislina

RNA Ribonukleinska kislina

GSO Gensko spremenjeni organizmi

Taq Polimeraza iz bakterije Thermus aquaticus

UV Ultravijolično

EDTA Etilendiamintetraocetna kislina

EtBr Etidijev bromid

LED Svetleča dioda

ORF Odprt bralni okvir

ELISA Encimsko-imunski test za dokazovanje specifičnih protiteles ali antigenov

EMBO European Molecular Biology Organization ZOTKS Zveza za tehnično kulturo Slovenije

M Aritmetična sredina

SN Standardna napaka

SO Standardni odklon

p Statistična pomembnost

Z Mann-Whitney test

χ² Pearsonov hi-kvadrat test

df Stopnja prostosti

N Število anketiranih dijakov

(13)

1 UVOD

Nova spoznanja na področju genetike zelo hitro napredujejo zato je pomembno, da se splošne znanstvene metode, ki se nenehno uporabljajo pri genetskih raziskavah in preiskavah v raziskovalnih in drugih laboratorijih ustrezno prevedejo na raven srednješolskega izobraževanja (Mattos in sod., 2004). S temi metodami lahko povežemo znanost s splošnim znanjem pridobljenim v programu gimnazije. Razumevanje molekularnih metod, kot sta na primer verižna reakcija s polimerazo (PCR) in gelska elektroforeza, postaja vse bolj nujno tudi za dijake gimnazijskega progama v Sloveniji, sploh zato, ker je zaradi uporabnosti postalo del vsakdanjega življenja. V programu izobraževanja za mednarodno maturo sta metodi, kot dve izmed mnogih ostalih raziskovalnih metod, že vrsto let vključeni v učni načrt (IB Biology Syllabus, 2021). Z izbruhom pandemije virusa SARS-Cov2, se je tudi med splošno populacijo pojavila želja po razumevanje tovrstnih metod.

Čeprav dijaki izkazujejo visok interes za učenje o tovrstnih metodah, zaradi nepovezanosti med usvajanjem vsebine in praktičnim delom, pogosto popolnoma ne razumejo in ne analizirajo pridobljenih podatkov (Phillips in sod., 2007). Molekularne metode se največkrat poučujejo z uporabo dolgih navodil o izvedbi delovanja metode brez neposredne povezave z biološkimi koncepti, ki so nujni za razumevanje uporabne vrednosti metode.

Nerazumevanje vsebin o uporabnih vrednostih metode lahko pri dijakih, ki šele razvijajo in iščejo svoj poklic, povzroči nelagodje, odpor ali celo napačno usmeritev glede izbire nadaljnjega izobraževanja. Pomembno je, da se raziskovalne metode dijakom predstavijo na ustrezen in preverjen način, ki bo njihovo teoretično znanje in dojemanje povezal in podkrepil z razumevanjem namena, celotnega poteka in rezultatov praktičnega eksperimenta. S spoznavanjem molekularnih metod na praktičen način lahko dijaki razvijajo naravoslovne spretnosti ter ob ustrezni povezavi z vsebinskimi cilji usvojijo znanje, ki je trajnejše in omogoča konceptualno razumevanje vsebin (Phillips in sod., 2007).

Srednje šole se velikokrat srečujejo s problemom omejenosti v opremi in prostorov v zvezi z izvedbo laboratorijskih vaj (Ter Ming Tan in sod., 2007). Uporaba metod PCR in elektroforeze v srednjih šolah bi zahtevala kar nekaj specifične opreme, kar je povezano z izdatnimi stroški. Poleg tega so nekateri reagenti, ki se jih uporablja pri izvedbi obeh metod škodljivi za zdravje (Ens in sod., 2011). Zato je ključno, da se v demonstracijske in praktične metode poučevanja, vpelje primerna različica tehnik, ki ponazori delovanje raziskovalnih metod, pridobivanje in analizo podatkov, interpretacijo rezultatov ter omogoča usvajanje in utrjevanje znanja dijakov s pomočjo praktičnega dela hkrati pa ne predstavlja tveganja za zdravje.

(14)

1.1 NAMEN IN CILJI MAGISTRSKEGA DELA

Z raziskavo smo preverili učinek različnih metod poučevanja (frontalnega in demonstracijskega) na znanje dijakov o uporabi elektroforeze pri pouku biologije v splošnem programu gimnazije. V sklopu naloge smo opredelili možnosti izvajanja dela z elektroforezo in na podlagi preizkusa znanja pred in po izvedbi pouka določili metodo poučevanja, ki bi bila najučinkovitejša za pridobivanje znanja o omenjeni temi.

1.2 DELOVNE HIPOTEZE

V raziskavi smo si postavili naslednje hipoteze:

1. Stališča dijakov do gelske elektroforeze bodo povezana z dejavnikoma prisotnosti znanstvenika−raziskovalca v družini in želje po študiju naravoslovja.

2. Pripravljenost dijakov za učenje o elektroforezi bo večja ob uporabi metode demonstracije in manjša ob uporabi metode frontalnega pouka.

3. Znanje dijakov o elektroforezi se bo pred in po pouku razlikovalo. Predpostavljamo, da bodo dijaki pri obeh oblikah poučevanja po pouku izkazali več znanja.

4. Večji učinek na znanje dijakov bo dosežen ob uporabi demonstracije elektroforeze, manjši pa pri frontalni metodi pouka.

(15)

2 PREGLED OBJAV

Po pregledu literature in člankov na temo elektroforeze kot raziskovalne metode in njene uporabe v srednjih šolah po svetu, so se zapisi pričeli vrstiti vse od leta 2004 dalje, kar nakazuje na napredovanje in aktualizacijo tovrstnih vsebin v srednjih šolah po svetu.

2.1 ZNANSTVENE METODE V GENETIKI

Za proučevanje genetike so potrebne metode na molekularnem nivoju, kar od izvajalca zahteva podrobno znanje iz molekularne biologije. Tako je v genetiki in biokemiji potekel razvoj mnogih orodij za karakterizacijo in manipulacijo DNA, RNA in proteinov. Izolacija, opredelitev in kasneje pridobivanje rekombinantnih encimov, ki sodelujejo pri podvojevanju DNA, prepisovanju v RNA ter cepitvi DNA in povezovanju fragmentov DNA in vitro je omogočilo delo oz. raziskave na področju molekularne biologije. Ključni encimi so:

- polimeraze DNA, ki omogočajo sintezo komplementarne verige DNA na enoverižno matrično verigo z dodajanjem komplementarnih nukleotidov,

- nukleaze, ki režejo molekulo DNA na specifičnih mestih ali pa jo popolnoma razgradijo na posamezne nukleotide in

- ligaze, ki povezujejo fragmente DNA s tvorbo fosfodiestrske vezi med 5' koncem enega fragmenta/molekule DNA s 3' koncem druge DNA.

Za opazovanje molekul DNA je bila opisana detekcija na osnovi fluorescence ali radioaktivnosti.

Metode, ki vključujejo predhodno navedene encime in postopke so med drugimi:

Ločevanje molekul DNA z elektroforezo in vnašanje molekul (tudi rekombinantnih) DNA v celice; obe metodi sta vključeni v:

- kloniranje molekul DNA,

- hibridizacijo DNA (npr. za ugotavljanje lokalizacije genov/regij na kromosomih), - sekvenciranje DNA, s katerim ugotovimo zaporedje nukleotidov v molekuli DNA,

in

- verižno reakcijo s polimerazo (PCR), kjer iz posameznega gena ali izbrane regije DNA s pomočjo polimeraze DNA dobimo večje količine pomnožkov (Griffiths in sod., 2015).

2.1.1 Verižna reakcija s polimerazo – PCR

PCR je in vitro metoda, ki pomnožuje posamezne gene ali izbrane regije DNA s pomočjo encima polimeraza DNA. Regijo ali gen, ki jo želimo pomnožiti definira vezava dveh kratkih sintetičnih molekul DNA-začetnih oligonukleotidov na začetku in koncu regije oz. gena na eno verižni matrični DNA. Po vezavi začetnih oligonukleotidov nadaljuje sintezo komplementarne DNA encim polimeraza DNA (običajno Taq-polimeraza) (slika 1). Vse to se dogaja v aparaturi za PCR, ki je v osnovi mikroprocesorsko vodeni termostat. PCR-

(16)

aparatura se segreva in ohlaja glede na program, ki ga določimo. Pri tem je predvsem pomemben izbor števila ciklov, saj iz ene izhodiščne molekule DNA dobimo 2ⁿ pomnožkov DNA izbrane regije, pri čemer je n število ciklov (Tomažič in sod., 2017).

Slika 1: Poenostavljen prikaz delovanja PCR (Tomažič in sod., 2017)

Postopek metode PCR se prične z pripravo PCR-reakcijske mešanice v mikrocentrifugirki.

Mešanica vsebuje matrično DNA, začetne oligonukleotide, vse štiri deoksiribonukleotid trifosfate (za sintezo DNA) in temperaturno tolerančni encim polimerazo DNA (slika 2). V postopku pomnoževanja se matrična DNA najprej denaturira s segrevanjem do 95°C, kar povzroči razpad vodikovih vezi med vijačnicama in zato iz dvojne vijačnice DNA dobimo dve enojni vijačnici DNA. Prva ali začetna denaturacija je običajno daljša, kot denaturacija med cikličnim ponavljanjem postopka, prav tako pa lahko poteka pri višji temperaturi. S tem zagotovimo, da prekinemo vse vodikove vezi v DNA. Uspešnost te začetne denaturacije je ključna za potek reakcije PCR. Začetni denaturaciji običajno sledi prva denaturacija, ki je del cikličnega ponavljanja. Druga reakcija, ki se ciklično ponavlja je vezava/hibridizacija začetnih oligonukleotidov. Ta vezava običajno poteka pri temperaturah med 50 do 65°C.

Tretja reakcija, ki se ponavlja v ciklih pomnoževanja, je izgradnja komplementarne verige DNA. Začne se, ko se reakcijska mešanica segreje na 72-74°C, ključen za izvedbo pa je encim termostabilna polimeraza DNA. Običajno se uporablja Taq-polimeraza. Sinteza komplementarnih verig je podobna procesu podvojevanja DNA v celici. Po izbranem številu ciklov je del običajnih protokolov za izvedbo reakcije PCR še t.i. zaključno pomnoževanje oziroma dodajanje nukleotidov, pri katerem se med drugim dogradijo morebitne nedokončane molekule DNA. Reakcija PCR poteka v grobem v treh sklopih: 1. začetna denaturacija, ciklično ponavljanje denaturacije, 2. vezave začetnih oligonukleotidov in 3.

zaključno pomnoževanje. V učbenikih se zaradi poenostavitve največkrat kot reakcijo PCR

(17)

prikaže samo sklop 2. – ciklično ponavljanje. V 2,5 ure lahko s PCR DNA pomnožimo za milijardo krat (Griffiths in sod., 2015).

Slika 2: Shema poenostavljenega postopka PCR (prirejeno po: https://ib.bioninja.com.au/standard- level/topic-3-genetics/35-genetic-modification-and/pcr.html, pridobljeno, 19. 3. 2021)

2.1.2 Gelska elektroforeza

Je metoda za ločevanje negativno nabitih molekul DNA, ki potujejo zaradi električne napetosti skozi gelsko sito od negativne proti pozitivni elektrodi. Izolirano ali v reakciji PCR pomnožene molekule DNA vnesemo v posebej za to oblikovane jamice v agaroznem gelu.

Gel je v elektroforezni komori orientiran tako, da so jamice z vnesenimi vzorci DNA na katodni strani (negativno nabita). Hitrost potovanja molekul v gelu je obratno sorazmerna z velikostjo molekul, saj agaroza (polisaharid) deluje kot sito, skozi katero majhni fragmenti DNA potujejo lažje in hitreje kot večji. Ločene fragmente DNA lahko vizualiziramo tako, da v gel dodamo etidijev bromid. Molekule etidijevega bromida iz gela se vrinejo med organske baze v DNA. Ko po končani elektroforezi gel presvetlimo z UV svetlobo, etidijev bromid le-to absorbira pri 302 nm in jo oddaja kot fluorescenco pri 590 nm, kar zaznamo kot rdeče-vijolično obarvano liso (DNA). Zaradi učinka sita potujejo fragmenti DNA različnih velikosti različno hitro skozi gel, ti se po detekciji vidijo kot lise, ki so na različnih razdaljah od jamice. V kolikor so bile v vzorcu, ki smo ga vnesli v jamico molekule DNA

(18)

enake velikosti, bomo po detekciji videli samo eno liso (črto), če pa so bili v vzorcu fragmenti DNA različnih velikosti, pa po detekciji vidimo več lis. Absolutna velikost fragmentov iz mešanice se lahko določi s primerjavo prepotovane razdalje s standardom fragmentov znanih velikosti (slika 3) (Griffiths in sod., 2015).

Slika 3: Slika gela z ločenimi fragmenti DNA. Stolpca označena z M sta standarda z znanimi velikostmi fragmentov DNA (prevedeno po: Griffith in sod., 2015).

Za izvedbo elektroforeze potrebujemo naslednjo opremo (slika 4): horizontalna elektroforezna komora z nosilci za gel in glavnikom za pripravo jamic v gelu, električni napajalnik, set mikropipet, transiluminator z UV žarnicami (valovna dolžina 302 nm), digitalna kamera in primeren program za prenos in obdelavo posnetkov. Za pripravo gela ustrezno prečiščeno agarozo ter pufer. Enako razredčen pufer, kot ga uporabimo za pripravo gela uporabimo tudi za samo elektroforezo. V laboratorijih običajno uporabljajo pufra TBE ali TAE. Agarozo raztopimo s kuhanjem v ustrezno razredčenem pufru, jo ohladimo, dodamo ustrezno količino etidijevega bromida, počakamo, da se ohladi na približno 55°C ter jo vlijemo v pripravljen nosilec za gel. Glavničke lahko vpnemo v nosilec predno vlijemo agarozo, ali takoj po vlitju. Ko se agarozni gel strdi, previdno odstranimo glavniček, položimo gel vodoravno v elektroforezno komoro in dolijemo pufer za elektroforezo. Pufer mora prekrivati gel. V pripravljene jamice odpipetiramo vzorec, namestimo pokrov komore in ga povežemo z električnim napajalnikom. DNA običajno ločujemo pri napetosti 10V/cm gela.

Mattos in sod. (2004) navajajo, da se po končani elektroforezi gel obarva z etidijevim bromidom (EtBr, 0,5µg/ml). Slabost uporabe opisanega načina gelske elektroforeze v šolskih laboratorijih je potencialna nevarnost za zdravje. Etidijev bromid je namreč mutagen

(19)

(ker se vriva med bazne pare v DNA), prav tako je koži in očem škodljivo in mutageno sevanje UV (pri 302 nm). Pri rokovanju z etidijevim bromidom je obvezna uporaba nitrilnih zaščitnih rokavic za enkratno uporabo, upoštevati pa moramo tudi, da moramo odpadke kontaminirane z etidijevim bromidom odstraniti v skladu z okoljsko regulativo (Mattos in sod., 2004). Pri uporabi UV sevanja je obvezna uporaba očal ali maske, ki blokira UV žarke.

Alternativna barvila, ki naj ne bi predstavljala tveganja za zdravje, so bila razvita v namene širše in vsakodnevne uporabe (npr. GR Safe, SYBR Safe, Eva Green, Midori Green), saj fluorescirajo modro svetlobo in jih lahko odlivamo odtoke. Prav tako je pomembno, navaja Keller (2015), da tveganje za zdravje zmanjšamo z uporabo modro svetlobnega transiluminatorja z visoko intenzivno modro LED svetlobo ozkega spektra brez škodljivega UV sevanja. Z GR Safe ali SYBR Safe obarvana DNA se tako lahko varno opazuje skozi očala ali masko z rumenim filtrom (Keller, 2015).

Slika 4: Aparatura za gelsko elektroforezo (lasten vir).

(20)

2.2 ZNANJE DIJAKOV O MOLEKULARNIH METODAH

2.2.1 Učni načrt biologije za gimnazije (2008) – program splošna gimnazija

Po učnem načrtu za program splošne gimnazije v Sloveniji (Vilhar in sod., 2008) se vsebina o molekularnih tehnikah lahko obravnava znotraj tematskega sklopa Geni in dedovanje v 1.

letniku, ki obsega 26 ur (preglednica 1). Avtonomijo pri izbiri globine vsebin in aktualizacije znotraj tega ima učitelj.

Preglednica 1: Tematski sklop Geni in dedovanje v učnem načrtu biologijo za gimnazije (Vilhar in sod., 2008).

Obvezni program biologije v programu gimnazija (210 ur) Tematski sklop D: Geni in dedovanje (26 ur)

Koncept Vsebinski cilji

D1 »Pri vseh znanih organizmih so molekule DNA nosilec dednih informacij, ki določajo značilnosti organizma.

Beljakovine, ki nastajajo z izražanjem genske informacije, so nosilci lastnosti organizma. Mutacije so spremembe DNA. Mnoge mutacije ne vplivajo na zgradbo in delovanje beljakovin in s tem organizma, nekatere pa povzročijo spremembe beljakovin, celic in organizmov.«

»1. razumejo, da dedno lastnost lahko določa en gen ali več genov in da v povezavi z okoljem en gen lahko vpliva na več kot eno lastnost organizma (beljakovine kot nosilci celičnih funkcij, ki se odražajo v lastnostih organizma);

2. razumejo, da rastlinske in živalske celice vsebujejo več tisoč različnih genov, da imajo običajno po dve kopiji vsakega gena (dva alela) in da sta lahko alela enaka ali nekoliko različna (homozigotnost in heterozigotnost);

3. razumejo, da različni aleli nastajajo z mutacijami – spremembami v zaporedju nukleotidov v molekuli DNA;

4. razumejo, da so mutageni dejavniki sestavni del okolja in poznajo pogoste mutagene dejavnike (npr. UV- in radioaktivna sevanja, mutagene snovi);

5. spoznajo vrste mutacij (genske, kromosomske in genomske), in da obstajajo popravljalni mehanizmi;

6. razumejo, da so dedne lastnosti osebka odvisne od tega, katere alele osebek podeduje od staršev in kako ti aleli delujejo skupaj;

7. razumejo, da tudi okolje vpliva na izražanje v genih zapisanih lastnosti organizmov (zato se lahko isti genotip v različnih okoliščinah izrazi kot različen fenotip).«

se nadaljuje

(21)

nadaljevanje Preglednice 1

D2 »Pri spolnem razmnoževanju nastajajo nove genske kombinacije s kombiniranjem genov staršev. Spolno razmnoževanje povečuje raznolikost med organizmi znotraj vrste in s tem poveča verjetnost, da bodo vsaj nekateri osebki te vrste preživeli v spremenjenih okoljskih razmerah. Samo mutacije v spolnih celicah imajo za posledico spremembe, ki jih lahko dedujejo potomci.«

»1. spoznajo, da sta osnova za ustvarjanje novih genskih kombinacij mejoza in oploditev ter s tem povezano prehajanje med diploidnostjo in haploidnostjo;

2. spoznajo potek mejoze;

3. na podlagi primerjave poteka mitoze in mejoze razumejo, da pri mitozi nastajajo genetsko enake hčerinske celice, pri mejozi pa genetsko različne celice, in vedo, da se samo nekatere celice v večceličnem organizmu delijo z mejozo; 4. razumejo, da je mejoza del procesa spolnega razmnoževanja, pri katerem se pari homolognih kromosomov ločijo in naključno porazdelijo med novo nastale spolne celice, ki vsebujejo po en kromosom iz vsakega homolognega para (prehod iz diploidnega stanja celice v haploidno);

5. razumejo, da je verjetnost, da se določen alel nahaja v gameti (naključne kombinacije nehomolognih kromosomov v gameti), povezana z naključno porazdelitvijo kromosomov med mejozo (ločitev homolognih kromosomov);

6. spoznajo, da na začetku mejoze običajno pride do izmenjave delov homolognih kromosomov (prekrižanje ali crossing-over) in razumejo, da pri tem lahko nastajajo nove kombinacije alelov na kromosomu;

7. razumejo, da je prehod celic v haploidno stanje med mejozo povezan s ponovno vzpostavitvijo diploidnega stanja med združitvijo dveh spolnih celic – oploditvijo (ohranjanje količine DNA iz generacije v generacijo) in razumejo razširjenost in pomen diploidnosti;

8. razumejo pomen spolnega razmnoževanja za raznolikost organizmov in prednosti ter slabosti spolnega in nespolnega razmnoževanja;

9. razumejo osnovne principe kloniranja.«

se nadaljuje

(22)

nadaljevanje Preglednice 1

D3 »Celice vsebujejo gene, ki se lahko različno dedujejo in izražajo. Človek z biotehnologijo (z umetnim izborom in genskim inženirstvom) spreminja genome organizmov za zadovoljevanje svojih potreb.«

»1. razumejo osnovne vrste dedovanja in jih razložijo na primerih (pričakovani deleži genotipov in fenotipov potomcev);

2. iz genotipov organizmov predvidijo njihove fenotipe in iz fenotipov genotipe ter poznajo možne vplive okolja na fenotip;

3. razumejo in na preprostih modelih razložijo možne načine umetnega spreminjanja in prenosa genov;

4. analizirajo osnovne razlike med križanjem in umetnim spreminjanjem genotipa z genskim inženirstvom ter ovrednotijo možne prednosti in slabosti uporabe gensko spremenjenih organizmov;

5. na podlagi poznavanja genske tehnologije razumejo pomen biološkega znanja za aktivno državljanstvo.«

Podrobneje vsebine uporabe molekularnih tehnik obravnava učni načrt za gimnazije v izbirnem programu biologije Biotehnologija in mikrobiologija, kjer v obsegu 35 ur dijaki nadgradijo znanje o Zgradbi in delovanju celice, Genih in dedovanju in Zgradbi in delovanju organizmov iz obveznega programa predmeta biologije (preglednica 2). Za dijakinje in dijake, ki bodo opravljali maturo iz biologije je obveza v opravljanju tudi enega izmed sklopov izbirnega programa (Vilhar in sod., 2008).

(23)

Preglednica 2: Tematski sklop Biotehnologija in mikrobiologija ter izbrani cilji dijakov, ki se navezujejo na uporabo molekularnih metod (Vilhar in sod., 2008).

Izbirni program biologije v programu gimnazija (35 ur) Tematski sklop H: Biotehnologija in mikrobiologija (35 ur)

H1 »Dijakinje in dijaki nadgradijo razumevanje konceptov C1–C4, D1–D3 in F1–F4 (navezava na sklope Zgradba in delovanje celice, Geni in dedovanje in Zgradba in delovanje organizmov v obveznem programu).«

»14. spoznajo nekatere načine širjenja bolezni, ki jih povzročajo mikroorganizmi in virusi, ter razumejo razliko med epidemijo in pandemijo;

15. spoznajo, da malarija sodi med bolezni, ki povzročajo izjemno veliko število smrtnih primerov v določenih delih sveta, spoznajo povzročitelja malarije (plazmodij), način njegovega prenosa, posledice okužbe z njim za človeka, možnosti za zdravljenje in možnosti za omejevanje širjenja malarije;

22. poznajo, da je bakterijska DNA v krožnem kromosomu in krožnih plazmidih;

23. spoznajo, da sta glavna koraka genskega inženirstva izolacija in pomnožitev želenega gena ter njegov prenos v novo celico z uporaba vektorja – virusa ali plazmida;

24. spoznajo, da reverzna transkriptaza omogoča prepis informacije z RNA v DNA in da restrikcijski encimi režejo molekulo DNA na specifičnih mestih, ter razumejo, kako lahko te mehanizme uporabimo pri genskem inženiringu;

25. spoznajo možne prednosti uporabe gensko spremenjenih organizmov ter gospodarske, naravovarstvene, družbene in etične vidike njihovega sproščanja v naravo;

26. razumejo nekatere možnosti za gensko terapijo in možna tveganja pri njeni uporabi.«

(24)

Učni načrt za predmet biologija (2008) za maturitetni program, ki v celoti obsega 105 ur, v gimnazijah v določenih ciljih nakazuje pomembnost obravnave postopkov in molekularnih tehnik v tematskih sklopih Biologija celice in Fiziologija človeka (preglednica 3) (Vilhar in sod., 2008).

Preglednica 3: Tematski sklopa maturitetnega programa biologije v katerih se izbrani cilji dijakov navezujejo na uporabo molekularnih metod (Vilhar in sod., 2008).

Maturitetni program biologije v programu gimnazija (105 ur) Tematski sklop M: Biologija celice (25 ur)

M »Dijakinje in dijaki nadgradijo razumevanje konceptov C1, C2, C3, C4, D1, D2 in D3 (navezava na sklopa Zgradba in delovanje celice in Geni in dedovanje v obveznem programu).«

»23. razumejo, da je primarna struktura beljakovine posledica prevoda zaporedja kodonov v zaporedje aminokislin in da lahko mutacije spremenijo zgradbo in s tem delovanje beljakovine;

24. spoznajo, da je genetski kod univerzalen in degeneriran ter razumejo povezavo med DNA, različnimi tipi RNA (rRNA, tRNA, mRNA) in beljakovino (prepis in prevod DNA);

25. poznajo zgradbo in razumejo proces podvojevanja DNA (podvojevalne vilice);

26. primerjajo organiziranost dedne snovi pri virusih (DNA ali RNA), prokariontih (ena krožna molekula DNA) in evkariontih (DNA in histoni, več linearnih kromosomov);

27. razumejo mehanizem za uravnavanje izražanja genov pri prokariontih (operon) in poznajo osnove genske regulacije pri evkariontih (signal vpliva na povezan sistem regulatornih beljakovin v jedru, ki povzročijo spremembe v izražanju mnogih genov hkrati).«

Tematski sklop N: Fiziologija človeka (20 ur) N »Dijakinje in dijaki nadgradijo

razumevanje konceptov F1, F2, F3 in F4 (navezava na sklop Zgradba in delovanje organizmov v obveznem programu).«

»19. spoznajo nekatere primere genske diagnostike in razumejo osnovni princip razlikovanja posameznikov na podlagi zaporedij nukleotidov v DNA (DNA fingerprinting);

20. razumejo, da je zbiranje genetskih podatkov o posameznikih povezano z etičnimi problemi (npr. pravica tretjih oseb do teh podatkov – zavarovalnice, delodajalci).«

(25)

2.2.2 Učni načrt biologije za gimnazije – mednarodni program IB (IB Biology Syllabus, High and Standard Level, 2016-2021)

V programu mednarodne mature (International Baccalaureate), ki v Sloveniji poteka že od leta 1990 si dijaki na osnovnem in višjem nivoju predmeta biologija delijo skupni osnovni del učnega načrta, enak sistem pridobivanja interne ocene in nekatere dele izbirnih vsebin (preglednica 4). Razumevanje uporabe molekularnih metod je vpeljano v naslednjih vsebinah učnega načrta biologije v programu mednarodne mature (prevedeno po Diploma Programme Biology Guide, 2014):

Preglednica 4: Učni načrt za biologijo v mednarodni maturi (IB) za osnovni del z vsebinami in točkami razumevanja uporabnih molekularnih metod (Diploma Programme Biology Guide, 2014).

Osnovni del (95 ur)

Vsebina 3: Genetika (15 ur)

Podtema Vsebinski cilji

3.5 Genetske modifikacije in biotehnologija

(Genetic modification and biotechnology)

1. Gelska elektroforeza se uporablja za ločevanje proteinov ali fragmentov DNA glede na njihovo velikost.

2. PCR se uporablja za pomnoževanje majhnih količin DNA.

3. Prstni odtis DNA vključuje primerjanje DNA.

4. Prenos genov med vrstami povzroča genetske modifikacije.

5. Kloni so skupina genetsko identičnih organizmov in izvirajo iz ene izvorne materinske celice.

6. Veliko rastlinskih in nekaj živalskih vrst ima naravno prirojene mehanizme kloniranja.

7. Živali lahko kloniramo v embrionalnem stadiju, če ga razdelimo v več skupin celic.

8. Razvite so metode, ki uporabljajo diferencirane celice za kloniranje odraslih živali.

(26)

V izbirnem delu B (Biotehnologija in bioinformatika) se mednarodni program še bolj poglobi v posamezne uporabne molekularne metode, ki se vsakodnevno uporabljajo v industriji, biotehnologiji in kmetijstvu, pri varovanju okolja, medicini in biotehnologiji. Te so: uporaba plazmida kot vektorja, genetske modifikacije virusov in produkcija cepiv, industrijski in kmetijski genski inženiring, identifikacja odprtih bralnih okvirjev DNA (ORF), bioremediacije, uporaba biofilmov, uporaba ELISA diagnostičnega testa, uporaba PCR za detekcijo različnih sojev virusov, uporaba mikromrež, uporaba genske terapije za zdravljenje, uporaba »knock out« tehnologije, uporaba orodij za primerjanje DNA sekvenc različnih osebkov (BLAST) in uporaba orodij za lociranje genov na kromosomih (EST) (Allott in Mindorff, 2014).

Učni načrt za biologijo se v mednarodni maturi posodablja na 5 let.

2.2.3 Raziskave o znanju dijakov o elektroforezi po svetu

»Najmanj, kar lahko naredimo, je, da mladim predstavimo, kaj se novega dogaja v znanosti, da bi lahko cenili njen pomen (Moore, 2007).«

Andrew Moore (2007) izpostavlja, da izkušnje Evropske organizacije za molekularno biologijo (EMBO) z biološkim izobraževanjem v Evropi kažejo na resne težave. Težave, ki jih izpostavljajo predvsem srednješolski učitelji večine evropskih držav so: preobsežen in zastarel učni načrt, zastareli učbeniki, premalo časa za obdelavo učne snovi, nezadostno praktično delo, omejeno znanje biologije, dojemanje biologije kot neznanstvenega predmeta, neprimerne pedagoške metode, premalo ustvarjalnosti in neodvisnosti učiteljev, nezainteresiranost učiteljev, pomanjkanje stalnega izobraževanja učiteljev in posledično pomanjkanje zainteresiranosti učencev za predmet. Slednje, navaja, izvira iz mnogih prej naštetih problemov.

Po številu objav je v Evropi produktivnost bioloških znanosti največja. Razvoj tehnologije novih področij biologije je povzročil poplavo novih informacij, katerih posledice je mogoče zaznati tudi v izobraževanju. Tako se v ospredje postavlja vprašanje, kako poučevati biologijo v šolah, za bodoče študente bioloških ved kot tudi za bodoče uporabnike novih bioloških tehnologij. V Veliki Britaniji so že razdelili učni program na dva tipa, in sicer, na znanost za nadaljnji študij in na znanost za državljane (Moore, 2007).

Costa (2007) je v srednji šoli in v okviru dodiplomskega programa na Portugalskem implementiral »suho« laboratorijsko vajo imenovano Elektroforeza na tabli (Blackboard Electrophoresis), ki jo je zastavil za do 25 učečih se udeležencev na izvedbo. Vajo je osredotočil na aktivno učenje dijakov o zaporedjih DNA in osnovah restrikcije/cepitve DNA. Dijaki so prevajali kratke nize nukleotidov na analogno tabelsko sliko elektroforeze

(27)

restrikcijskih vzorcev. Delali so v skupinah, da so: 1) ustvarili kratke nize črk, ki predstavljajo fragmente DNA; 2) identificirali in prešteli število specifičnih restrikcijskih zaporedij v vsakem nizu; 3) prelomili zaporedja nukleotidov v restrikcijske fragmente in ugotavljali velikost nastalih fragmentov; in 4) napovedali elektroforezne vzorce za fragmente znanih velikosti na tabli. Costa meni, da je vaja cenovno ugodna, saj ne zahteva uporabe laboratorijske opreme in materiala in, da zmanjša obilico uvodne teorije za dosego bistva pri dijakih. Po izvedbi so bili izpostavljeni koristni in pozitivni učinki na motivacijo dijakov in študentov.

Na Kitajskem, Sha in sod. (2018) ugotavljajo, da so se bodoči študenti medicine in biologije z vnemo pripravljeni sistematično naučiti »-omik« tehnik v srednji šoli. Z njimi so opravili raziskavo s preverjanjem znanja, kjer so v eni skupini dijaki prisostvovali uram z integriranim praktičnim delom, ki je vsebovalo molekularne tehnike kot so izolacija RNA, PCR in SDS-PAGE, v drugi pa ne. Rezultati so pokazali, da je skupina dijakov z integriranim praktičnim delom bolje razumela večino principov in postopkov molekularnih tehnik, kot pa skupina, ki praktičnega dela ni opravila. Povprečen rezultat je bil signifikantno višji pri skupini z opravljenim praktičnim poukom (p ˂ 0,05).

Brenner in sod. (2015) poročajo o eksperimentalnem delu z dijaki višjih letnikov v ZDA.

Ugotovili so, da je eksperiment dijakom omogočil osnovno razumevanje delovanja gelske elektroforeze. Po izvedbi, so dijaki razumeli elektroforezo in vpliv posameznih parametrov na razločevanje molekul, npr. voltaža in pH. Dijaki so dobili uvid v kislinsko-bazično ravnovesje in povezavo med maso, obliko in nabitostjo molekul.

Ens in sod. (2012) so v Kansasu na srednji šoli, pripravili praktično delo za pripravo delujoče aparature, ki omogoča izvajanje elektroforeze doma s cenovno ugodnimi in domačimi pripomočki. Testirali so uporabo različnih materialov in pristopov. Na koncu, so priporočili testiran postopek priprave doma narejene elektroforeze in število ur za izvedbo pri pouku.

Raziskava je pokazala, da so dijaki aktivnost sprejeli dobro, aktivno so v njej sodelovali, naučili so se novih pristopov in izrazili željo po novem raziskovanju. Največ točk so dodelili trditvi, da je bila aktivnost zabavna in predvsem dobro organizirana. Delo s cenovno ugodnimi materiali jih ni motilo. Ens in sodelavci (2012) predlagajo, da se ta preprost, cenovno ugoden postopek integrira v osnovni pouk srednješolske biologije, znotraj vsebin o genetiki ali diverziteti, z namenom, da si dijaki pridobijo neposredne izkušnje s praktičnim delom, ki jih sicer spoznajo šele v univerzitetnem izobraževanju. Omenjajo tudi, da je aktivnost pri biologiji možno izvesti v višjih razredih osnovne šole. Prav tako želijo, da bi se aktivnost povezala s poučevanjem fizike v srednji šoli. Tudi Ter Ming Tan in sod. (2007) iz Singapurja so vzpostavili preprost sistem za poučevanje in demonstracijo gelske elektroforeze DNA, ki ne potrebuje posebnih aparatur, toksičnih reagentov, dragega agaroznega gela, vzorcev DNA in znatne količine dragocenega časa v razredu. Predstavili so več preprostih, poceni, zanesljivih in ponovljivih možnosti za uporabo pri neposrednem

(28)

praktičnem pouku, z uporabo običajnih bioloških barvil namesto vzorcev DNA, agaroznih gelov, in šibkih elektrolitnih raztopinah. Prepričani so, da migracije večbarvnih trakov med postopkom elektroforeze zagotavljajo intuitivno in prepričljivo demonstracijo koncepta elektroforeze v šoli.

Rouziere in Redman (2011) iz Velike Britanije predstavljata poldnevne obšolske delavnice na temo uporabe gelske elektroforeze in prstnih odtisov DNA rastlin, ki sta jih oblikovala in izvedla kot predstavitvene aktivnosti za dijake z željo po nadaljnjem izobraževanju v smeri biologije in kemije. Dijaki, ki so se delavnice udeležili, so ob koncu izpolnili vprašalnik.

Rezultati so pokazali, da je praktični del tisti, v katerem dijaki najbolj uživali, v primerjavi s predavanjem o teoretičnem ozadju iz kemije in poznavanju metod. Večina je pritrdila, da je tovrstno praktično delo za njih nova izkušnja. Dijaki so izrazili mnenje, da je delavnica pomembna za njihove »A-level-studies«, ki jim omogočajo lažji vpis v univerzitetno izobraževanje. Zaključujeta, da se jih je nekaj zaradi delavnice odločilo, da bodo izbrali študij naravoslovnih ved ali medicine.

Na Univerzi v Wisconsin-Madisonu so raziskali pristop k poučevanju o metodi reakcije PCR in gelske elektroforeze, na podlagi katerega so izdali poročilo o razvoju pristopa in implementaciji novih nalog. Naloge in vaje so bile razvite z namenom spodbujanja kritičnega mišljenja in izgradnjo konceptov o PCR, oblikovanju začetnih oligonukleotidov, analize gela in zaznave možnih napak pri laboratorijski vaji z učno temo o odkrivanju GSO.

Posamezne naloge so uskladili z učnimi cilji. Ocene rešenih nalog so uporabili za merjenje učnih dosežkov dijakov. Analiza je pokazala, da so bile naloge učinkovite in so izboljšale razumevanje, ki so ga dijaki pokazali v usvajanju vseh zastavljenih učnih ciljev (Phillips in sod., 2008).

(29)

2.3 OBLIKE IN METODE POUČEVANJA GENETIKE

Na to, da je pouk v šolah učinkovit vpliva mnogo dejavnikov, eden izmed pomembnejših je učiteljeva didaktična zasnova in organiziranost znotraj učnih oblik pouka. Različni avtorji opredeljujejo učne oblike kot organizacijo dela pri pouku (Gasparič in Zuljan, 2019; Poljak, 1974), regulacijo razmerja med položaji in vlogami učitelja in učencev (Gasparič in Zuljan, 2019; Kramar, 2009; Blažič in sod., 2003), definirajo komunikacijo in sodelovanje med njimi (Gasparič in Zuljan, 2019; Bognar in Matijević, 1993) in določajo medsebojni odnos med učiteljem in učenci ter upodabljajo porazdeljenost aktivnosti med njimi med poukom (Gasparič in Zuljan, 2019; Pranjić, 2005). Učne oblike so didaktični elementi, ki tvorijo notranjo organizacijsko strukturo učnega procesa. Opredeljene so s številom udeleženih in razmerjem med dejavniki pouka. So osnova didaktično-metodične diferenciacije in z učnimi metodami, izvedbo pouka in didaktičnimi principi ključno vplivajo na uresničevanje vzgojno−izobraževalnih ciljev pouka (Gasparič in Zuljan, 2019).

Učne oblike v grobem delimo na: frontalno, skupinsko, individualno učno obliko in delo v paru. Nekateri didaktiki, kot npr. Lavrnja (1996), učne oblike opisujejo kot frontalno delo, individualno delo in kooperativno delo, kamor spadata tudi delo v paru, skupinsko in timsko delo (Gasparič in Zuljan, 2019).

Kljub pospešeni vpeljavi razvoja naravoslovnih kompetenc v slovenskih šolah, se pouk še vedno v veliki meri izvaja tradicionalno in usmerjeno v učitelja, a s postopnim vpeljevanjem ustreznih metod in smernic se ga le počasi nadomešča z učnim procesom usmerjenim v učenca, ki lahko ima signifikantno višje učinke kot prvi (Tomažič, 2009).

2.3.1 Frontalna oblika (tradicionalni pouk)

Metoda tradicionalnega ali klasičnega pouka se pogosto uporablja kot edini način pri poučevanju. V tem primeru dijaki poslušajo snov, učitelj pa jo predaja kot informacijo pred tablo. Dijaki lahko sedijo v klopeh razvrščenih v vrstah ali v obliki črke U. Učitelj kot pripomočke uporablja avdiovizualne in IKT pripomočke. Dijaki snov usvajajo faktografsko ob pomoči učbenikov in knjig (Tomažič, 2009).

2.3.2 Metoda demonstracije (tradicionalni praktični pouk)

Metoda demonstracije je metoda tradicionalnega praktičnega pouka, ki pri biologiji omogoča praktičen prikaz neke učne vsebine, laboratorijske metode ali tehnike, pri čemer so dijaki aktivni opazovalci učitelja in njegovega izvajanja. Dijaki preko čutil zaznajo in pridobijo izkušnjo prikaza. Kramar (2009) opisuje metodo prikazovanja kot statično in dinamično. Pri prikazovanju učitelj uporablja različna sredstva in pripomočke ter procese.

Uporablja lahko naravne, resnične pojave in nadomestne naravne pojave in predmete.

(30)

Demonstracijo opiše kot drugo vrsto prikazovanj, ki lahko obsega: gibalno prikazovanje, dramatizacijo, uprizarjanje, izvajanje različnih delovnih procesov, dogajanja in prikazovanje fizikalnih, kemijskih, bioloških ter tehnoloških delovnih procesov.

2.3.3 Praktični pouk (tradicionalni praktični pouk)

S praktičnim delom si pridobimo prvovrstne izkušnje, razumemo in povežemo teoretične osnove vsebin z izvedbo v praksi in oblikujemo odnos in stališča do dela in njegovega rezultata. Praktično delo je aktivno delo učencev v obliki dejavnosti, ki jo opravljajo med poukom. Pogosto je to pri naravoslovju delo v šolskem laboratoriju, kjer učenci z uporabo laboratorijske opreme prihajajo do zaključkov o naravnih pojavih (Tomažič, 2014; Toplis, 2012).

Tomažič (2014) izpostavlja, da učenci pogosto pri laboratorijskem delu le manipulirajo z orodji in se držijo točno določenih navodil za izvedbo vaje, ki jim jih je pripravil učitelj.

Tako je, zaradi majhne miselne aktivnosti pri tovrstnem delu, učinek učenja lahko nizek.

Pri biologiji se praktični pouk predvsem navezuje na laboratorijsko in terensko delo. V učnem načrtu za biologijo za gimnazije (Vilhar in sod., 2008) je laboratorijsko in terensko delo »izhodišče za uresničevanje ciljev in razvijanje naravoslovno-matematične kompetence in je zato obvezni del programa«.

V obveznem delu je vsaj 14 laboratorijskih del (vsaj 28 ur laboratorijskega dela in vsaj 14 ur terenskega dela), dijaki pa morajo oddati vsaj štiri poročila o laboratorijskem ali terenskem delu. Znotraj vsakega vsebinskega sklopa izbirnega programa laboratorijsko in terensko delo obsega vsaj 9 ur (vsaj 25 odstotkov ur). Odločitev glede poročanja dijakov ostaja v avtonomiji učitelja. Maturitetni program predvideva vsaj 21 ur oziroma 20 odstotkov programa za laboratorijsko in terensko delo. Dijaki so dolžni oddati poročila glede na izvedene praktične dejavnosti kot npr. poročila o izvedenih posameznih laboratorijskih in terenskih vajah ali poročilo o opravljeni raziskovalni nalogi (Vilhar in sod., 2008).

Laboratorijsko delo je po učnem načrtu za biologijo v gimnazijah (Vilhar in sod., 2008) delo v katerega so »vključene vse faze raziskovanja in izvajanja eksperimentalnega dela, ki vodijo v razumevanje bioloških konceptov in razvijanje procesnih ciljev ter v razumevanje znanstvene metode dela«.

2.3.4 Ostale metode (učenje z raziskovanjem)

Tomažič (2014) opredeljuje, da se učenje z raziskovanjem v primerjavi s tradicionalnim praktičnim delom bistveno razlikuje. Del ali celotna zastavljena dejavnost se prenese na

(31)

učenca, učitelj pa glede na potrebe ponudi oblike in metode dela, ki dosegajo vsebinske cilje, razvijajo spretnosti in oblikujejo stališča.

V Sloveniji tovrstno učenje običajno ni vkomponirano v pouk, ampak se izvaja kot obšolska dejavnost v obliki raziskovalnega dela dijakov. Tako je veliko odvisno vedoželjnih in raziskovalno naravnanih dijakov, angažiranosti učiteljev in naklonjenosti vodstva šole.

Raziskovanje dijakov na državni ravni zlasti spodbuja Zveza za tehnično kulturo Slovenije (ZOTKS) z vsakoletnimi razpisi za Mlade raziskovalce Slovenije (https://www.zotks.si/raziskovalci).

(32)

2.4 OBLIKOVANJE STALIŠČ DIJAKINJ IN DIJAKOV

Tomažič (2009) v svojem didaktičnem modelu navaja, da pri poučevanju biologije ne smemo izpustiti dela, ki je vezan na čustva in preučevanja stališč učečih do predmeta, stroke in še posebej do narave, saj bo le tak dijak, ki bo opremljen z znanjem in pozitivnimi stališči imel možnost delovati pravilno.

2.4.1 Stališča

V socialni psihologiji so stališča opisana kot pojmi, ki so zasidrani v duševnosti ljudi in imajo vpliv na vedenje. Stališča je že v začetku 20. stoletja opisal William Thomas in z njimi postavil temelje socialne psihologije (Ule, 2009). Stališča so bila vpeljana v začetkih empirične socialne psihologije v ZDA ob pojmih »instinkti« in »spreminjanje načinov vedenja ljudi«, predvsem kot praktično orodje za pomoč pri reševanju rasnih, slojnih, razrednih in etničnih konfliktov v času po prvi in drugi svetovni vojni. Natančneje, Thomas in Znaniecki sta jih vpeljala zaradi reševanja problemov poljskih imigrantov pri vključevanju v ameriško družbo (v Ule, 2000).

Z definicijo stališč se je oblikoval teoretični koncept povezovanja duševnih in socialnih vidikov človeškega obnašanja. Stališča so osrednjega pomena pri socialni gradnji sveta, saj pri raziskovanju zajemajo ključne informacije o predvidevanju (Ule, 2009). Stabilnost stališč je odraz stabilnosti obnašanja, njihova sprememba pa vodi v labilnost obnašanja. V stališčih se kaže in zaznava tudi zapletena soodvisnost duševnosti in obnašanja ljudi, kajti le ta so najbolj pod vplivom socialnih dejavnikov in dogajanjem med ljudmi kot katerekoli druge lastnosti človeka. Prav razlike v stališčih so razlog za razna medsebojna sumničenja, konflikte, razhajanja zaradi inteligentnosti, spomina in podobnih psihičnih lastnosti (Ule, 2000).

Socialni psihologi so iz definicij opredelili značilnosti stališč:

1. Dispozicijski karakter stališč (stališča so trajna duševna pripravljenost za reakcije) 2. Pridobljenost stališč (oblikujemo jih v teku življenja, v času socializacije)

3. Delovanje na obnašanje (imajo direktni in dinamični vpliv na obnašanje in vplivajo na stabilnost obnašanja)

4. Sestavljenost stališča (so integracija kognitivnih, emotivnih in aktivnostnih funkcij)

(33)

Slika 5: Model stališč (Ule, 2000, str. 117)

Komponente so tesno povezane, saj jih v realnosti z začrtanimi linijami ne moremo ločiti (Ule, 2000). Lahko so specifična, ekstremna, lahko se razlikujejo po sestavi in razlikovanju (slika 5).

(34)

2.5 POMEN ZNANJA IN STALIŠČ O GENETIKI ZA IZOBRAŽEVANJE

Že Vilhar (2008) je v svojem članku »Pomen biološkega izobraževanja za splošno izobrazbo« argumentirala, da je biološko znanje, pri čemer se je oprla predvsem na področja genetskega inženiringa in varstva narave in okolja, v zadnjih desetletjih zelo napredovalo in postalo pomembno za sprejemanje odločitev, tako na osebni kot na družbeni ravni. Šorgo in Ambrožič-Dolinškova (2009) sta ugotovila, da imajo učitelji v šolah v povprečju več znanja o klasični genetiki in manj oziroma slabše znanje o modernih temah v biotehnologiji, njihova stališča pa niso niti zelo negativna, niti zelo pozitivna (Šorgo in Ambrožič-Dolinšek, 2009).

Spremembo stališč dijakov je preverjala Arwoodova (2004) v svoji raziskavi. Z zasnovo drugačnega, s forenzično znanostjo povezanega laboratorijskega dela pri uri biologije je ugotovila, da so se stališča dijakov do tovrstne tematike pomembno izboljšala (Arwood, 2004).

Aktualno dogajanje pandemije korona virusa je postavilo ves svet pred ozaveščanje človeškega znanja, razumevanja in oblikovanja stališč glede molekularne znanosti, vse od nivoja posameznika do razsežnosti celotne populacije. Kako pomembna so znanja in opredeljena stališča posameznika o tej temi, predvsem za delovanje države v kriznih trenutkih, se kaže v odzivih državljanov na vse nepredvidene spremembe.

(35)

3 MATERIAL IN METODE

3.1 POSTOPEK ZBIRANJA PODATKOV

Raziskovalno delo je bilo izvedeno na eni izmed mariborskih gimnazij in na Biotehniški fakulteti UL v okviru Skupine za Biološko izobraževanje. Izvedene so bile metode dela neposrednega frontalnega pouka in demonstracijskega pouka na temo uporabe elektroforeze pri biologiji v 6 oddelkih 3. letnikov iste generacije dijakinj in dijakov. Ob tem smo njihova stališča in znanje spremljali z anketnim vprašalnikom s preizkusom znanja pred in po izvedbi pouka (slika 6).

Slika 6: Organigram postopka raziskave.

3.2 OPIS VZORCA

Anketirali smo skupno 124 dijakov. V raziskavo smo vključili 95 popolnih anket, neuporabne smo izločili (nepopolno reševanje, manjkajoči pri pouku). Znotraj paralelk 3.

letnikov je bilo v anketiranje pri frontalni obliki pouka vključenih skupno 53 (55,8%) dijakinj in dijakov, pri pouku z demonstracijo pa 42 (44,2%) dijakinj in dijakov (preglednica 5), starostne populacije od 16 do 18 let. Anketiranje in preverjanje znanja je potekalo od aprila do junija 2019.

fff

Anketni vprašalnik s preizkusom znanja (N=95)

Frontalni pouk

Pouk z demonstracijo

Obdelava podatkov MS Excel

Obdelava podatkov SPSS (Mann-Whitney,

Wilcoxon, χ²)

PRED POUKOM

IZVEDBA POUKA

PO POUKU ANALIZA

Končni grafični prikaz MS Excel

(36)

Preglednica 5: Porazdelitev dijakinj in dijakov glede na izvedbo pouka.

Izvedba pouka Število dijakov (N) Delež (%)

frontalno 53 55,8

demonstracija 42 44,2

Skupaj 95 100

3.3 OPIS INŠTRUMENTA

Dijaki so pred in po izvedbi pouka izpolnili šifriran anketni vprašalnik s preizkusom znanja, ki je zajemal 3 sklope. Uvodni del je bil namenjen zbiranju osnovnih podatkov o anketirancih kot so, spol, ali ima dijak doma znanstvenika-raziskovalca in ali ima željo po študiju naravoslovja (biologija, fizika, kemija).

S prvim delom anketnega vprašalnika smo po Likertovi 5 stopenjski lestvici zbirali podatke o njihovih stališčih na temo elektroforeze. Svoja stališča so ocenili v danih 12 trditvah, znotraj stopenj od 1 do 5, pri čemer je veljalo, da je 1 = se nikakor ne strinjam; 2 = se ne strinjam; 3 = nimam posebnega mnenja; 4 = se strinjam; 5 = se popolnoma strinjam.

Drugi del je predstavljal preizkus znanja o elektroforezi in je imel namen ovrednotenja njihovega znanja o omenjeni tematiki. Ta del je bil razdeljen na 11 vprašanj izbirnega tipa (a, b, c, d, e), pri katerih je bil možen le en pravilen odgovor in možnost opredelitve »NE VEM«. Drugi del vprašanj so predstavljala vprašanja »DRŽI« ali »NE DRŽI«, kjer so dijaki ob ne poznavanju odgovora imeli možnost opredelitve »NE VEM«. Slednji je vseboval 10 trditev. Vprašalnik so dijaki izpolnili eno uro pred izvedbo pouka. Pouk pa je potekal 3 – 5 dni po prvem anketiranju.

Frontalni pouk je zajemal faktografsko in grafično predstavitev vsebine o elektroforezi.

Sodelovali so trije oddelki tretjega letnika. Pouk z metodo demonstracije je vseboval manj vsebinskih dejstev in manj grafičnih ponazoritev, a več prikazovanja s pomočjo dejanske opreme za elektroforezo. Tudi ta je bil izveden v treh oddelkih tretjega letnika. Obe obliki pouka sta bili izvedeni v okviru ene šolske ure.

V zadnjem delu učne ure so pri obeh oblikah pouka dijaki ponovno izpolnili anketni vprašalnik s preizkusom znanja.

(37)

3.4 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV

Grobe podatke smo najprej prenesli v tabelo programa Microsoft Excel. Nadaljnjo analizo pa smo opravili s pomočjo statističnega programa SPSS (Statisical Package for Social Sciences), kjer smo z osnovno opisno statistiko izračunali frekvenčne porazdelitve, aritmetične sredine, standardne odklone in standardne napake. Glede na neenakomerno porazdelitev podatkov, smo v nadaljnji analizi uporabili neparametrične statistične teste, s pomočjo katerih smo ugotavljali statistično pomembnost razlike v stališčih in znanju glede na izbrane neodvisne spremenljivke. Za ugotavljanje statistično pomembnih razlik v stališčih glede na spol, izvedbo pouka, znanstvenika v družini ter izbiro naravoslovnega študija, smo uporabili Mann-Whitneyev test. Vpliv posameznih spremenljivk na znanje dijakov smo ugotavljali s pomočjo hi-kvadrat testa (χ²). Z Wilcoxonovim testom pa smo ugotavljali razlike v stališčih in znanju za posamezno skupino dijakov pred in po pouku ter izračunali velikost učinka za spremembe v stališča in znanju dijakov.

Velikost učinka je bil izračunan po formuli (Tomažič in sod, 2020):

r = Wilcoxon Z/√N

(38)

4 REZULTATI

4.1 OSNOVNI PODATKI O DIJAKIH

Dijaki, vključeni v raziskavo, so bili glede na spol neenakomerno porazdeljeni (preglednica 6), pričakovano so prevladovale dijakinje.

Preglednica 6: Število in delež dijakov glede na spol.

Spol Število dijakov (N) Delež (%)

moški 31 32,6

ženski 64 67,4

Skupaj 95 100

V povprečju in v večini dijaki doma nimajo osebe, ki je znanstveno-raziskovalno aktivna (slika 7), le nekaj jih je opredelilo sobivanje z znanstvenikom-raziskovalcem znotraj družine (16%).

Slika 7: Porazdelitev dijakov glede na znanstvenika-raziskovalca v družini.

16%

83%

1%

Raziskovalec v družini

da ne Neopredeljeno

(39)

Željo po študiju naravoslovja je izrazilo približno 1/3 dijakov (38%), medtem ko je preostali delež pripadal tistim, ki zagotovo ne bodo izbrali naravoslovnega univerzitetnega izobraževanja (slika 8).

Slika 8: Porazdelitev dijakov glede na željo po študiju naravoslovja.

38%

61%

1%

Študij naravoslovja (BI, FI, KE)

da ne Neopredeljeno