Abstrak
Pendekatan inovatif untuk mengajar genetika sangat penting untuk meningkatkan keterlibatan dan pemahaman siswa dalam bidang yang menantang ini. Instruksi berbasis laboratorium meningkatkan keterlibatan dengan subjek sambil mendorong pengembangan kompetensi praktis dan memperdalam pemahaman konsep teoritis. Namun, keterbatasan waktu dan sumber daya keuangan membatasi kelayakan melakukan sesi laboratorium yang diperpanjang yang menggabungkan teknik genetika mutakhir. Studi ini mengevaluasi metode pengajaran hibrida yang menggabungkan sesi laboratorium tatap muka (F-2-F) dengan simulasi daring untuk menginstruksikan mahasiswa tingkat sarjana tentang penyuntingan gen dan pengurutan DNA. Simulasi berbasis Unity dikembangkan untuk melengkapi sesi laboratorium F-2-F tradisional, yang memungkinkan siswa untuk mempraktikkan teknik pengurutan DNA dalam lingkungan berisiko rendah. Simulasi tersebut diintegrasikan ke dalam pengalaman penelitian sarjana berbasis kursus (CURE) yang berfokus pada penyuntingan gen CRISPR/Cas9 dalam ragi. Kinerja, keterlibatan, dan persepsi siswa dinilai melalui tugas laboratorium, log akses, dan survei. Mahasiswa yang mengikuti simulasi sebelum sesi F-2-F dan mereka yang mengikuti simulasi selama beberapa hari memperoleh hasil yang jauh lebih baik dalam penilaian. Hasil survei menunjukkan bahwa sebagian besar mahasiswa merasa simulasi tersebut realistis dan relevan serta melaporkan peningkatan pembelajaran tentang prinsip-prinsip pengurutan DNA. Kepercayaan diri mahasiswa terhadap pengetahuan tentang pengurutan DNA meningkat secara signifikan setelah menggunakan simulasi. Umpan balik dari mahasiswa menyoroti manfaat seperti peningkatan pemahaman prosedural, pengurangan stres, dan peningkatan kesiapan untuk sesi F-2-F. Pendekatan ini mengatasi tantangan logistik pendidikan laboratorium tradisional sekaligus memberikan mahasiswa pengalaman yang autentik dan berulang dalam teknik-teknik yang kompleks. Temuan kami menunjukkan potensi mengintegrasikan simulasi dengan instruksi F-2-F untuk meningkatkan pendidikan sarjana dalam genetika dan biologi molekuler.
1. PENDAHULUAN
Genetika adalah studi tentang gen, pewarisan sifat, dan bagaimana variasi dalam urutan DNA memengaruhi ekspresi sifat-sifat ini. Genetika secara umum dianggap sebagai subjek yang sulit untuk mahasiswa tingkat sarjana, 1 sementara kelas berbasis laboratorium telah ditemukan untuk merangsang minat siswa pada subjek tersebut dan meningkatkan keterampilan ilmiah dan pemahaman konten teoritis. 2 , 3 Namun, banyak teknik laboratorium genetika yang rumit, memakan waktu, dan mahal, sehingga sulit untuk dimasukkan dalam waktu terbatas yang tersedia untuk pengajaran tingkat sarjana. 4 Untuk memperkenalkan teknik eksperimental baru dengan cara yang hemat waktu dan biaya di kelas laboratorium genetika untuk mahasiswa tahun ke-2 di University of South Australia (UniSA), kami menerapkan simulasi tatap muka (F-2-F) dan online hibrida sebagai bagian dari kursus laboratorium genetika selama satu semester.
Simulasi semakin banyak digunakan untuk meningkatkan hasil pembelajaran dalam disiplin STEM 5 , 6 serta mata pelajaran yang difokuskan pada perawatan pasien. 7 Simulasi melibatkan siswa melalui pengalaman multisensori yang interaktif dan menyediakan kesempatan belajar yang berharga yang mungkin tidak praktis dalam lingkungan dunia nyata karena kendala yang terkait dengan biaya, ruang, dan waktu. 8 Metode pengajaran hibrida daring dan F-2-F untuk kelas laboratorium sebelumnya telah digunakan untuk mengajarkan dasar-dasar laboratorium kinetika enzim, 9 produksi antibodi monoklonal, 8 dan dasar-dasar pengujian antibiotik 10 kepada mahasiswa sarjana dengan kesuksesan besar.
Dengan munculnya teknologi penyuntingan gen seperti teknologi CRISPR/Cas9 11 dalam literatur ilmiah dan populer, kami memilih topik ini untuk menguji kemanjuran pendekatan berbasis simulasi autentik dan F-2-F hibrida pada pembelajaran mahasiswa tentang pengurutan DNA. Kami memanfaatkan pengalaman penelitian sarjana berbasis mata kuliah (CURE), yang melibatkan mahasiswa dalam mata kuliah yang membahas pertanyaan penelitian yang menarik bagi komunitas ilmiah, 12 – 14 untuk mengembangkan serangkaian eksperimen terkait guna membantu dalam memahami penyuntingan gen. CURE terbukti dapat melibatkan mahasiswa secara efektif dalam penelitian di awal perjalanan akademis mereka dan memungkinkan partisipasi yang adil oleh semua mahasiswa. Partisipasi dalam CURE terbukti menghasilkan peningkatan keterampilan penelitian, efikasi diri, dan minat dalam karier di bidang sains. 15 , 16
CURE pendek kami menggunakan CRISPR/Cas9 untuk menghasilkan mutasi pada khamir berdasarkan protokol yang diterbitkan sebelumnya. 17 Mahasiswa menggunakan CRISPR/Cas9 untuk membuat pemutusan untai ganda pada gen CAN1 dari Saccharomyces cerevisiae , yang kemudian diperbaiki dengan penyambungan ujung non-homolog, yang menghasilkan penyisipan atau penghapusan yang menghasilkan mutasi frameshift. CAN1 mengkode untuk transporter arginin, yang biasanya memungkinkan pengangkutan arginin dari lingkungan ke dalam sel khamir. Seleksi untuk mutasi pada CAN1 dilakukan dengan menumbuhkan khamir pada media yang mengandung kanavanin. Kanavanin adalah asam amino non-proteinogenik, yang secara struktural terkait dengan L-arginin, dan bersifat toksik bagi sel khamir. Pada galur dengan CAN1 fungsional , kanavanin diimpor melalui transporter CAN1 dan menyebabkan kematian sel. Sel yang CAN1-nya telah diedit tidak akan mengimpor kanavanin dan karenanya akan tumbuh dan membentuk koloni. DNA genom khamir kemudian diisolasi, dan CAN1 diperkuat dengan PCR. Produk PCR kemudian diurutkan menggunakan pengurutan Sanger untuk menentukan sifat mutasi yang dihasilkan.
1.1 Tujuan Pembelajaran
1.1.1 Tujuan pembelajaran untuk rangkaian percobaan ini adalah sebagai berikut
Sesuai dengan taksonomi Bloom, 18 setelah menyelesaikan kelas laboratorium, siswa akan:
Memahami mekanisme kerja CRISPR/Cas9.
Memahami dasar-dasar pengurutan DNA.
Menganalisis dan menafsirkan penyelarasan urutan DNA untuk mengevaluasi mutasi yang diinduksi CRISPR.
Memahami bagaimana perubahan dalam urutan asam amino mengubah struktur dan fungsi protein berdasarkan mutasi yang diinduksi.
Mengidentifikasi kesalahan dalam proses eksperimen dan memprediksi bagaimana kesalahan dapat memengaruhi hasil eksperimen.
Pengurutan Sanger atau terminasi rantai merupakan teknik yang sudah mapan dan masih umum digunakan untuk menghasilkan sekuens pendek yang tertarget. Kami sebelumnya telah menggunakan pengurutan Sanger di kelas laboratorium; namun, beberapa masalah membuat kami ragu untuk memperkenalkannya ke dalam penyuntingan gen short-CURE. Pengurutan Sanger relatif mahal untuk kelas laboratorium sarjana dengan anggaran terbatas. 19 Bergantung pada bagaimana sampel disiapkan dan langkah-langkah yang dilakukan di laboratorium, biaya per reaksi dapat melebihi $10 USD. Penyelesaian reaksi pengurutan yang berhasil memerlukan ketepatan dalam menangani reagen dalam volume kecil, dan kami menemukan tingkat kegagalan reaksi mahasiswa hingga 70%. Lebih jauh, waktu yang diperlukan untuk menghasilkan hasil sekuens sering kali menjadi kendala bagi kelas laboratorium sarjana. Dalam banyak kasus, reaksi disiapkan di kelas dan kemudian perlu dikirim ke luar lokasi untuk elektroforesis kapiler.
Menentukan sifat mutasi yang diinduksi dalam percobaan sangat penting untuk memahami mekanisme penyuntingan gen CRISPR/Cas9. Untuk mengatasi kelemahan pengurutan Sanger di laboratorium sarjana, simulasi berbasis Unity yang autentik dikembangkan yang membahas tahap pengurutan dari rangkaian percobaan ini. Beberapa manfaat dari pendekatan ini meliputi pengurangan biaya percobaan, pengulangan teknik percobaan yang serupa yang tidak perlu, dan kemampuan untuk menghasilkan data pengguna akhir yang autentik berdasarkan tindakan yang dilakukan oleh mahasiswa, yaitu, pembuatan kesalahan yang terkait dengan kesalahan prosedural. Simulasi ini dirancang untuk memberikan pandangan yang realistis tentang data pengurutan yang biasanya dihasilkan oleh mahasiswa di kelas laboratorium F-2-F dan untuk memungkinkan mahasiswa menghasilkan urutan DNA yang berkualitas melalui pelaksanaan langkah-langkah percobaan yang cermat. Ketika kesalahan dilakukan oleh mahasiswa, hasil percobaan mencerminkan kesalahan ini, yang memungkinkan mahasiswa untuk mengalami konsekuensi dari teknik percobaan yang buruk dalam lingkungan yang ‘aman’, sekaligus memfasilitasi peluang yang tidak terbatas untuk mengulangi pembuatan dan analisis data.
Dampak pendekatan hibrida terhadap pembelajaran siswa dinilai melalui analisis persepsi siswa dan kinerja siswa dalam tugas laboratorium. Kinerja siswa meningkat dengan keterlibatan dalam simulasi sebelum kelas tatap muka dan dengan beberapa kali penggunaan simulasi. Kami menyarankan pendekatan ini dapat digunakan dengan semua siswa genetika atau biologi molekuler dan tersedia secara gratis untuk semua pendidik.
2 BAHAN DAN METODE
2.1 Kelompok mahasiswa
Pada tahun 2023, total 67 mahasiswa terdaftar di Genetika (BIOL 2016) di UniSA. Genetika merupakan mata kuliah inti tahun ke-2 yang sebagian besar diambil oleh mahasiswa Sarjana Kedokteran Laboratorium dan Sarjana Ilmu Biomedis. Informasi demografi utama dari kelompok mahasiswa gabungan ini disajikan dalam Tabel 1 .
TABEL 1. Demografi mahasiswa Genetika pada tahun 2023.
Nomor siswa 67
Jenis kelamin 26 Pria
41 Perempuan
Internasional 11 Ya
56 Tidak
IPK (Maksimal 7, ± SEM) 5,18 ± 1,08
2.2 Persiapan simulasi pengeditan gen dan sekuensing DNA
Modifikasi modul laboratorium yang menggunakan CRISPR/Cas9 untuk menghasilkan mutasi pada ragi 17 dikembangkan di UniSA. Rangkaian laboratorium dapat dianggap sebagai Pengalaman Penelitian Sarjana Kursus singkat saat para mahasiswa menyelesaikan proyek penelitian mini dari Minggu ke-2 hingga selesai pada Minggu ke-7. Para mahasiswa menggunakan CRISPR/Cas9 untuk membuat pemutusan untai ganda pada gen CAN1 dari Saccharomyces cerevisiae , yang kemudian diperbaiki dengan penyambungan ujung non-homolog, yang menghasilkan penyisipan atau penghapusan yang menghasilkan mutasi frameshift. Secara singkat, galur Saccharomyces cerevisiae BY4741 (MATa his3Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0) ditransformasi dengan dua plasmid seperti yang dijelaskan sebelumnya. Plasmid Cas9 (Addgene #43804) memiliki promotor yang dapat diinduksi galaktosa yang mengendalikan ekspresi gen Cas9 dan penanda yang dapat dipilih leusin. Plasmid gRNA CAN1 (Addgene #43803) mengandung gRNA untuk CAN1 dan penanda seleksi urasil, URA3.
Pada Minggu ke-2 dari semester 13 minggu, mahasiswa mengaktifkan ekspresi Cas9 yang telah diperkenalkan pada plasmid menggunakan promotor yang dapat diinduksi galaktosa (Gambar 1a ). Pada Minggu ke-3, sel-sel ditanam pada kanavanin untuk memilih sel-sel yang mengandung CAN1 yang telah diedit . Mahasiswa mengekstrak DNA dari koloni yang telah diedit pada Minggu ke-4 dan menggunakan PCR untuk mengamplifikasi sebagian CAN1 dari galur yang diedit dan galur kontrol. Pada Minggu ke-6, produk PCR dijalankan pada gel agarosa, dan produk dimurnikan dalam gel sebagai persiapan untuk pengurutan DNA.
Rencana eksperimen dan pengenalan simulasi sekuensing DNA. (a) Bagan alir yang menguraikan alur waktu dan langkah-langkah yang dilakukan oleh mahasiswa di kelas laboratorium penyuntingan gen. Simulasi DNA diperkenalkan pada Minggu ke-7 dan diperkirakan akan memakan waktu 15–20 menit untuk diselesaikan. (b) Bagan alir yang merinci alur waktu dan langkah-langkah yang dilakukan oleh mahasiswa (simulasi daring, kelas laboratorium tatap muka, penilaian lisan interaktif) dan staf pengajar (forum email/berita, demonstrasi kuliah, penilaian hasil, penilaian lisan interaktif) untuk simulasi sekuensing DNA.
Simulasi sekuensing DNA dikembangkan menggunakan Unity, sebuah mesin permainan lintas platform. Simulasi diimplementasikan pada Minggu ke-7 kursus, dengan fokus pada konsep sekuensing DNA. Mengacu pada variasi sekuens yang didokumentasikan oleh de Waal et al. 17 dalam eksperimen penyuntingan gen mereka, kami membuat basis data tentang potensi perubahan sekuens DNA. Untuk meningkatkan pengalaman belajar, kami mengimplementasikan algoritma pengacakan yang menghasilkan sekuens DNA unik untuk sampel yang berbeda, memastikan siswa bekerja dengan set data yang beragam. Antarmuka simulasi memungkinkan siswa untuk mengatur reaksi sekuensing, menjalankan PCR sekuensing, membersihkan reaksi, menjalankan sequencer, dan menganalisis kromatogram yang dihasilkan. Perangkat lunak ini awalnya dihosting pada sistem manajemen pembelajaran universitas untuk siswa terdaftar tetapi sejak itu telah tersedia secara gratis di https://labdatagen.com/DNAseq/ , tempat pendidik yang tertarik dapat mengakses simulasi.
2.3 Implementasi simulasi
Mahasiswa diberi tahu tentang simulasi pada Minggu ke-6 dalam kuliah tatap muka, komunikasi melalui email, dan forum kursus daring (Gambar 1b ). Video pendek bergaya ‘walkthrough’ diproduksi dan diberikan kepada mahasiswa, serta petunjuk tertulis langkah demi langkah. Semua mahasiswa didorong untuk menggunakan simulasi sebelum menghadiri kelas laboratorium pada Minggu ke-7. Karena data yang dihasilkan oleh simulasi diperlukan untuk penyelesaian seri mini-CURE yang berhasil, simulasi juga tersedia bagi mahasiswa saat berada di kelas laboratorium tatap muka pada Minggu ke-7. Mahasiswa yang mengikuti simulasi di kelas ditawarkan bantuan untuk menghasilkan data yang diperlukan.
2.4 Umpan balik siswa
Setelah simulasi selesai, mahasiswa diminta untuk mengisi kuesioner bergaya Likert. Pertanyaan terkait dengan pengalaman mereka menggunakan simulasi, kemudahan penggunaannya, dan keyakinan mereka dalam memahami sekuensing DNA. Dua pertanyaan respons terbuka terkait dengan apakah simulasi harus digunakan dalam mata kuliah lain dan aspek simulasi yang terbaik dan paling menantang. Analisis tematik dari pertanyaan respons terbuka dilakukan seperti yang dijelaskan sebelumnya. 20 Penulis terkait meninjau komentar, mengidentifikasi tema, dan kemudian menentukan berapa kali komentar serupa diterima. Komentar tersebut kemudian ditinjau oleh penulis ketiga.
2.5 Analisis Kinerja Siswa
Kinerja siswa dalam penilaian laboratorium Minggu ke-7 digunakan untuk mengevaluasi efektivitas simulasi. Setiap minggu, siswa dinilai berdasarkan keberhasilan eksperimen mereka (apakah eksperimen telah berjalan sesuai rancangan) dan interpretasi hasil eksperimen, pemahaman tentang landasan teori eksperimen, dan pemecahan masalah teknis. Penilaian dilakukan dalam bentuk penilaian lisan interaktif singkat (viva) yang memungkinkan penilaian individual siswa. Kinerja siswa juga dianalisis berdasarkan jumlah kali dan hari siswa mengakses simulasi.
2.6 Analisis statistik
Hasil laboratorium minggu ke-7 untuk setiap siswa dikumpulkan, dan statistik dihitung menggunakan GraphPad Prism (Versi 10.2.3). Hasil dari kuesioner siswa dianalisis dengan cara yang sama.
Penelitian telah menunjukkan bahwa untuk item bergaya Likert lima poin, baik uji t parametrik maupun uji Mann–Whitney non-parametrik cocok untuk menilai perbedaan antar kelompok. Uji Mann–Whitney digunakan untuk membandingkan kelompok, dengan nilai p <0,05 dianggap signifikan. 21
2.7 Persetujuan etika
Izin etis untuk penelitian ini diperoleh oleh Komite Etika Penelitian Manusia UniSA (# 204123).
3 HASIL
3.1 Simulasi sekuensing DNA berbasis Unity
Simulasi ini dirancang untuk menghasilkan data asli yang akan diproduksi oleh penyuntingan gen CRISPR/Cas9 dari CAN1 di Saccharomyces cerevisiae . Kemungkinan mutasi didasarkan pada yang diidentifikasi oleh de Waal et al. 17 dan dihasilkan secara acak berdasarkan teknik eksperimen yang tepat. Antarmuka pengguna simulasi mereplikasi bangku laboratorium yang khas (Gambar 2a ). Siswa diharuskan untuk menghitung volume reagen yang benar berdasarkan protokol eksperimen yang diberikan. Siswa kemudian harus memilih mikropipet virtual yang benar dan mengaturnya dengan tepat untuk mengeluarkan volume yang diperlukan untuk reaksi. Setelah reaksi disiapkan, PCR terminasi rantai, pembersihan sekuensing, elektroforesis, dan analisis gel dilakukan dengan percepatan waktu. Kromatogram unik berdasarkan sekuens DNA kemudian dihasilkan oleh simulasi (Gambar 2b ).
Gambar layar sekuensing DNA dan hasilnya. (a) Gambar yang menunjukkan ruang kerja yang dihasilkan oleh simulasi. (b) Keluaran data yang menunjukkan data sekuensing berkualitas baik. (c) Data sekuensing berkualitas buruk karena penambahan dua primer alih-alih satu primer. (d) Data sekuensing berkualitas buruk karena penambahan DNA templat yang terlalu sedikit.
Simulasi ini dirancang untuk memungkinkan siswa menghasilkan sekuens DNA berkualitas melalui pelaksanaan langkah-langkah eksperimen yang cermat. Ketika kesalahan dibuat oleh siswa, hasil eksperimen mencerminkan kesalahan ini. Misalnya, reaksi sekuensing Sanger memerlukan penambahan primer oligonukleotida tunggal. Jika dua primer ditambahkan ke reaksi, beberapa produk sekuensing dihasilkan, dan kromatogram yang dihasilkan akan menampilkan puncak yang tumpang tindih dan bercampur serta hasil yang ambigu (Gambar 2c ). Kesalahan umum lainnya adalah salah perhitungan konsentrasi DNA cetakan. Jika jumlah DNA cetakan yang ditambahkan ke reaksi sekuensing tidak mencukupi, kekuatan sinyal yang lemah akan diamati pada kromatogram (Gambar 2d ). Kesalahan percobaan umum lainnya dan konsekuensinya dipertimbangkan dalam desain simulasi, termasuk penggunaan DNA cetakan dalam jumlah berlebih (menghasilkan kromatogram ‘berisik’ atau urutan terpotong), jumlah primer yang tidak tepat (menghasilkan kromatogram ‘berisik’), pemanfaatan beberapa sampel DNA cetakan (menghasilkan urutan ‘ganda’ pada kromatogram), dan kegagalan dalam pembersihan urutan (menghasilkan urutan yang terselesaikan dengan buruk).
Simulasi diselenggarakan di beranda pengajaran kursus dan tersedia di Minggu ke-6 semester tersebut, satu minggu sebelum kelas laboratorium berdasarkan pengurutan DNA. Hasil dari simulasi diharuskan untuk diselesaikan oleh kelas laboratorium di Minggu ke-7, jadi semua siswa terlibat dengan simulasi. Namun, kapan siswa pertama kali mengakses dan seberapa sering siswa mengakses simulasi bervariasi. Sekitar 65% siswa mengakses simulasi sebelum kelas laboratorium mereka di Minggu ke-7, sementara sisanya (35%) menunggu kelas laboratorium F-2-F untuk terlibat dengan simulasi. Lamanya waktu yang dihabiskan oleh siswa pada simulasi tidak dapat ditangkap secara akurat. Namun, berdasarkan percakapan dengan siswa dan staf pengajar, penyelesaian simulasi yang berhasil memakan waktu antara 15 dan 30 menit. Jumlah kesempatan di mana siswa mengakses simulasi dicatat. Sekitar 24% siswa mengakses simulasi satu kali, 56% mengakses simulasi dua kali, dan 20% mengakses simulasi tiga kali atau lebih.
Keberhasilan siswa di kelas laboratorium F-2-F dikaitkan dengan kapan dan seberapa sering siswa terlibat dengan simulasi. Siswa dikelompokkan menjadi mereka yang telah atau belum mengakses simulasi sebelum kelas laboratorium. Siswa dalam kedua kelompok juga dibandingkan berdasarkan IPK untuk memastikan mereka berada pada tingkat akademis yang sama. Siswa yang terlibat dengan simulasi sebelum kelas laboratorium F-2-F memiliki kinerja yang jauh lebih baik daripada siswa yang menunggu hingga kelas laboratorium F-2-F untuk mengakses simulasi ( p < 0,0001, uji Mann–Whitney) (Gambar 3a ). Tidak ada perbedaan signifikan dalam nilai untuk kelas laboratorium berdasarkan jumlah total kali siswa mengakses simulasi (data tidak ditampilkan). Namun, ada peningkatan kinerja siswa berdasarkan jumlah hari simulasi diakses. Siswa yang mengakses simulasi selama total tiga hari atau lebih memiliki performa yang lebih baik dalam penilaian dibandingkan siswa yang mengakses simulasi selama dua hari ( p = 0,001, uji Kruskal-Wallis) atau satu hari ( p = 0,0002, uji Kruskal-Wallis) (Gambar 3b ).
Performa siswa di kelas laboratorium Minggu ke-7 berdasarkan penggunaan simulasi. (a) Siswa yang mengikuti simulasi sebelum kelas laboratorium F-2-F (sebelum kelas) memiliki performa yang jauh lebih baik daripada siswa yang menunggu hingga kelas laboratorium F-2-F untuk mengakses simulasi (di kelas) ( p < 0,0001, uji Mann–Whitney). (b) Siswa yang mengakses simulasi selama total tiga hari atau lebih memiliki performa yang lebih baik dalam penilaian daripada siswa yang mengakses simulasi selama dua hari ( p = 0,001, uji Kruskal-Wallis) atau satu hari ( p = 0,0002, uji Kruskal-Wallis).
Setelah menyelesaikan simulasi, semua siswa diminta untuk menyelesaikan kuesioner singkat dan anonim. Saat ini diterapkan di kelas, 58 (85%) siswa menyelesaikan kuesioner. Sebagian besar siswa sangat setuju atau setuju (SA/A) bahwa simulasi tersebut realistis dan membuat pembelajaran lebih relevan (81% SA/A, rata-rata 3,982/5 ± 0,097), mudah digunakan (83% SA/A, rata-rata 4,035/5 ± 0,110), dan meningkatkan pembelajaran mereka tentang prinsip-prinsip (76% SA/A, rata-rata 3,912/5 ± 0,124) (Gambar 4 ). Ketika siswa diminta untuk mengevaluasi sendiri pengetahuan mereka tentang pengurutan DNA, 67% siswa mengatakan mereka percaya diri atau sangat percaya diri sebelum menggunakan simulasi. Setelah menggunakan simulasi, terdapat peningkatan signifikan pada kepercayaan diri siswa ( p < 0,0001, uji Mann–Whitney U), dengan 85% siswa melaporkan merasa percaya diri atau sangat percaya diri (Gambar 5 ).
Siswa diminta untuk menyelesaikan survei anonim setelah simulasi selesai. Skor numerik diberikan untuk setiap respons: 1-sangat tidak setuju; 2-tidak setuju; 3-netral; 4-setuju; dan 5-sangat setuju. Pernyataan survei meliputi Q1: Saya merasa simulasi sekuensing DNA mudah digunakan; Q2 – Grafik tampak realistis dan membuat pembelajaran lebih relevan; Q3: Simulasi meningkatkan pembelajaran saya tentang prinsip-prinsip sekuensing DNA dan membuat konsepnya jelas bagi saya.
Siswa diminta untuk menyelesaikan survei anonim setelah simulasi selesai, termasuk dua pernyataan berikut: 1 – SEBELUM simulasi, seberapa yakin Anda dalam memahami pengurutan DNA?; 2 – SETELAH simulasi, seberapa yakin Anda dalam memahami pengurutan DNA? Uji Mann–Whitney U , **** p < 0,0001.
Berdasarkan masukan siswa pada pertanyaan teks bebas, analisis tematik dilakukan. Tema-tema utama yang diidentifikasi ditunjukkan di bawah ini.
Membantu pemahaman dan pengetahuan prosedural.
Para mahasiswa menyatakan bahwa simulasi tersebut sangat meningkatkan pemahaman mereka tentang proses serta langkah-langkah prosedural yang terlibat. Misalnya, langkah-langkah yang diperlukan untuk memproses sampel sebelum dan sesudah pengurutan DNA. Dalam kasus ini, langkah-langkah yang sama yang digunakan dalam pengaturan F-2-F yang sebenarnya direplikasi dalam simulasi. Hasilnya, keterampilan yang dipelajari dalam simulasi dapat segera diterapkan pada sesi laboratorium.
Memungkinkan persiapan sebelumnya.
Manfaat utama simulasi adalah memungkinkan siswa untuk meninjau dan mempersiapkan langkah-langkah pasti yang akan dilakukan dalam sesi laboratorium F-2-F. Hal ini memungkinkan siswa untuk mengembangkan pemahaman tentang protokol eksperimen tanpa tekanan dan batasan waktu sesi F-2-F.
Persiapan awal mengurangi stres dan meningkatkan kepercayaan diri.
Kesempatan untuk mempersiapkan diri sebelum menghadiri kelas juga memiliki manfaat tambahan yaitu mengurangi stres yang dirasakan oleh siswa saat mengikuti sesi tatap muka. Stres ini dapat muncul karena tingkat kenyamanan siswa dalam bekerja di lingkungan laboratorium yang sebenarnya, dituntut untuk menyelesaikan tugas, biasanya untuk pertama kalinya, dituntut untuk menghasilkan data akurat yang berdampak langsung pada penilaian, dan tekanan waktu dari kelas yang dijadwalkan. Lebih jauh lagi, kemampuan untuk mempersiapkan diri terlebih dahulu dan meninjau langkah-langkah yang akan dilakukan telah meningkatkan kepercayaan diri siswa dalam melakukan langkah-langkah selanjutnya di kelas.
Hasil dihasilkan dengan cepat.
Dalam sesi tatap muka tradisional, prosedur biasanya memerlukan waktu yang lama. Akibatnya, kesalahan prosedur yang dibuat oleh siswa akan membatasi kemampuan untuk mengulang tugas yang menyita waktu, seperti amplifikasi PCR. Oleh karena itu, kesalahan yang dibuat akan memengaruhi data yang dihasilkan, yang dapat memengaruhi nilai yang terkait dengan tugas tersebut. Hal ini kemudian dikaitkan dengan stres yang dirasakan oleh siswa. Kemampuan untuk menghasilkan data juga memungkinkan siswa untuk mengulang pengujian sebagaimana diperlukan, tetapi juga untuk menguji berbagai parameter dalam suatu lingkungan untuk kemudian mempelajari potensi efeknya pada hasil, yang selanjutnya membantu pemahaman mereka dan merangsang rasa ingin tahu mereka.
Sumber daya tak terbatas dan tidak ada batas waktu.
Biasanya, sejumlah reagen yang ditentukan diberikan kepada siswa, dalam banyak kasus karena biayanya, tetapi juga untuk mengajarkan siswa keterampilan membatasi pemborosan bahan. Dalam pengaturan daring, batasan ini dihapus, tetapi juga dapat diberlakukan dengan menyediakan volume terbatas di lingkungan untuk mengajarkan siswa kemampuan beroperasi dalam batasan yang ditentukan ini.
Hubungan yang baik antara keterampilan daring dan F-2-F dalam praktik.
Seperti yang disebutkan di atas, simulasi daring memungkinkan persiapan dan penilaian awal dari proses yang diperlukan. Namun, simulasi juga dilihat sebagai bantuan yang berguna untuk sesi tatap muka, tempat keterampilan praktik dikembangkan. Keterampilan kinestetik ini hanya dapat disampaikan secara efektif dalam konteks ini, seperti kemampuan untuk menyampaikan volume yang sangat kecil saat menyiapkan campuran induk PCR. Memang, ini adalah prinsip dasar utama dari pendekatan ini, menggunakan simulasi daring untuk menyampaikan konten laboratorium dan pembuatan data yang terkait dengan pengaturan tatap muka, tempat keterampilan praktik ini dapat dikembangkan lebih lanjut. Dalam kasus ini, simulasi daring tidak dirancang untuk menggantikan pembelajaran keterampilan praktik, tetapi untuk melengkapi pengembangannya dan mengurangi beban kognitif dalam mempelajari teknik baru.
Memungkinkan eksplorasi dampak kesalahan.
Seperti yang disebutkan di atas mengenai reagen terbatas, mahasiswa juga harus bekerja dalam jangka waktu terbatas. Di UniSA, sebagian besar kelas laboratorium berdurasi 4 jam. Namun, mengingat reaksi dapat memakan waktu berjam-jam untuk diselesaikan, kesalahan yang dihasilkan akan memengaruhi waktu yang tersisa, dan persyaratan untuk menyelesaikan beberapa aspek dalam laboratorium eksperimen yang sama akan mengurangi ketersediaan waktu. Hasilnya, simulasi dirancang dengan kemampuan untuk mempercepat waktu secara artifisial, sehingga menghilangkan batasan di dunia nyata ini. Selain itu, mahasiswa dapat menyelesaikan simulasi kapan saja sesuai dengan jadwal mereka dan kendala belajar mengajar lainnya. Mahasiswa memanfaatkan fleksibilitas ini, dengan 74% mahasiswa mengikuti simulasi dua kali atau lebih dan memilih untuk mengikuti simulasi pada larut malam dan dini hari.
Beberapa tantangan dan area untuk perbaikan juga diidentifikasi.
Masalah Teknis dan Performa: Beberapa pengguna melaporkan adanya kelambatan, macet, dan crash, yang menunjukkan perlunya pengoptimalan performa. Ada beberapa pernyataan bahwa simulasi tersebut membosankan dan rumit, dengan kebutuhan khusus untuk mekanisme klik yang lebih mudah dan peningkatan grafis/visibilitas. Kompatibilitas tablet juga disorot; namun, siswa diberi tahu bahwa versi simulasi saat ini tidak dirancang untuk digunakan pada tablet.
Pembelajaran, Pemahaman, dan Panduan: Tantangan dalam memahami hasil dan mengidentifikasi kesalahan dicatat, bersama dengan kurva pembelajaran saat pertama kali menggunakan simulasi. Meskipun sebagian besar siswa setuju bahwa instruksi yang diberikan membuat simulasi mudah digunakan, beberapa siswa menyebutkan perlunya instruksi yang lebih baik dan lebih jelas serta panduan langkah demi langkah, termasuk tutorial bawaan. Video pendek dan instruksi tertulis dasar diberikan kepada siswa; namun, untuk penggunaan di masa mendatang, buku petunjuk yang lebih terperinci akan diberikan.
Fungsionalitas dan Fitur: Disarankan adanya peningkatan dalam representasi jumlah pipet, kemampuan untuk menyimpan kemajuan, dan opsi untuk menyegarkan simulasi. Namun, simulasi dirancang dengan mempertimbangkan hal-hal ini untuk meningkatkan keaslian. Misalnya, saat mempersiapkan reaksi sekuensing DNA di laboratorium, tidak ada peluang untuk ‘menyimpan’ eksperimen dan kembali lagi nanti. Komentar-komentar ini menunjukkan adanya kesenjangan antara pengaturan daring dan dunia nyata.
4 DISKUSI
Temuan studi ini selaras dengan dan memperluas literatur yang ada tentang efektivitas simulasi dalam pendidikan sains. Dalam sains, simulasi telah terbukti meningkatkan pemahaman konseptual dan menjelaskan interkoneksi antara ide-ide kompleks sambil secara bersamaan mendorong pengembangan keterampilan penyelidikan, kemampuan memecahkan masalah, dan kemahiran pengambilan keputusan pada pelajar. 22 , 23 Penelitian ekstensif juga telah dilakukan dalam domain pendidikan kedokteran di mana simulasi telah digunakan untuk meningkatkan kompetensi diagnostik dan keterampilan psikomotorik calon dokter, perawat, dan personel tanggap darurat. 24 , 25 Hasil kami menguatkan temuan ini, khususnya dalam konteks pendidikan genetika dan biologi molekuler. Peningkatan yang diamati dalam kinerja dan kepercayaan diri siswa konsisten dengan penelitian yang telah menunjukkan manfaat simulasi dalam mengurangi beban kognitif dan memungkinkan praktik berulang dalam lingkungan berisiko rendah. 8 , 9 Lebih jauh lagi, pendekatan hibrida kami, yang menggabungkan simulasi dengan sesi laboratorium F-2-F, mengatasi kesenjangan dalam literatur yang dicatat oleh Diwakar et al., 4 yang menekankan perlunya mengintegrasikan laboratorium virtual dengan instruksi tradisional. Umpan balik positif siswa tentang pengurangan stres dan peningkatan kesiapan sejalan dengan penelitian oleh Lasater, 7 yang menemukan bahwa simulasi dapat meningkatkan kepercayaan diri siswa dan penilaian klinis dalam pendidikan keperawatan. Studi kami memperluas temuan ini ke bidang genetika, menunjukkan bahwa simulasi dapat secara efektif menjembatani kesenjangan antara pengetahuan teoritis dan aplikasi praktis dalam teknik biologi molekuler yang kompleks. Penelitian ini berkontribusi pada semakin banyaknya bukti yang mendukung integrasi simulasi dalam pendidikan sains, khususnya di bidang-bidang di mana pengalaman langsung dengan teknik-teknik canggih mungkin dibatasi oleh kendala praktis.
Hasil penelitian kami menunjukkan peningkatan kinerja yang signifikan secara statistik di antara siswa yang menggunakan simulasi sebelum sesi laboratorium F-2-F dibandingkan dengan mereka yang tidak melakukannya. Peningkatan kinerja ini menunjukkan bahwa simulasi berfungsi sebagai alat persiapan yang efektif untuk pekerjaan laboratorium langsung, yang memungkinkan siswa untuk membiasakan diri dengan prosedur eksperimental dan konsep yang mendasarinya. Meskipun tidak ada korelasi yang diamati antara frekuensi akses simulasi dan kinerja penilaian laboratorium, siswa yang terlibat dengan simulasi pada beberapa kesempatan di hari yang berbeda menunjukkan peningkatan kinerja. Kemampuan untuk berlatih berulang kali dan membuat kesalahan dalam lingkungan yang bebas risiko kemungkinan berkontribusi pada peningkatan pembelajaran ini, karena siswa dapat menyempurnakan teknik mereka dan memecahkan masalah tanpa kendala waktu dan materi yang biasanya terkait dengan pekerjaan laboratorium di dunia nyata.
Keuntungan lain dari berbagai penggunaan simulasi adalah bahwa simulasi ini secara khusus dirancang untuk memanfaatkan kesalahan siswa sebagai sarana untuk menunjukkan konsekuensi dan dengan demikian meningkatkan pemahaman tentang mekanisme pengurutan DNA. Kesalahan eksperimen umum dan dampaknya diintegrasikan ke dalam simulasi, termasuk penggunaan jumlah DNA templat yang tidak tepat (mengakibatkan amplifikasi yang buruk, kromatogram yang ‘berisik’, atau urutan yang terpotong), jumlah primer yang tidak tepat (mengakibatkan kromatogram yang ‘berisik’), penggunaan beberapa primer atau sampel DNA templat (menghasilkan urutan ‘ganda’ pada kromatogram), dan kegagalan dalam pembersihan urutan (mengakibatkan urutan yang tidak terselesaikan dengan baik). Melalui analisis urutan yang dihasilkan oleh simulasi, siswa diberi kesempatan untuk memecahkan masalah teknik eksperimen mereka dan segera mengulangi eksperimen tersebut, dengan demikian memperkuat pembelajaran dan pemahaman mereka tentang pokok bahasan.
Salah satu kekuatan pedagogis utama dari simulasi ini terletak pada reproduksi autentik kesalahan teknis umum dalam sekuensing Sanger dan efek hilirnya pada kualitas data. Daripada sekadar mencegah kesalahan, simulasi ini secara khusus dirancang untuk memungkinkan siswa membuat kesalahan dan mengamati konsekuensinya dalam lingkungan yang bebas risiko. Misalnya, ketika siswa menambahkan DNA templat yang tidak mencukupi ke reaksi sekuensing, kromatogram yang dihasilkan menunjukkan kekuatan sinyal yang secara khas lemah, seperti yang akan terjadi dalam proses sekuensing yang sebenarnya. Demikian pula, penambahan DNA templat yang berlebihan menyebabkan kromatogram yang bising atau sekuens yang terpotong, sementara penggunaan konsentrasi primer yang tidak tepat menghasilkan data sekuens berkualitas buruk dengan beberapa puncak yang tumpang tindih. Simulasi ini bahkan mereplikasi skenario kesalahan yang lebih kompleks, seperti ketika beberapa primer atau sampel DNA templat tercampur secara tidak sengaja, menghasilkan sekuens ganda yang mencerminkan pola kromatogram membingungkan yang terlihat dalam proses sekuensing yang gagal sebenarnya. Keadaan kesalahan bawaan ini memiliki beberapa tujuan pedagogis: membantu siswa mengembangkan keterampilan pemecahan masalah dengan menghubungkan kesalahan prosedural tertentu dengan tanda tangan data karakteristiknya; mereka memperkuat teknik laboratorium yang tepat dengan menunjukkan konsekuensi konkret dari kesalahan prosedural; dan mungkin yang paling penting, mereka memungkinkan siswa untuk belajar dari kesalahan mereka tanpa pemborosan materi, penundaan waktu, atau penalti penilaian yang akan menyertai kesalahan serupa dalam pengaturan laboratorium fisik. Lingkungan “kegagalan yang aman” ini mendorong eksperimen dan keterlibatan yang lebih dalam dengan aspek teknis pengurutan, karena siswa dapat dengan bebas menguji hipotesis tentang bagaimana variabel yang berbeda memengaruhi hasil pengurutan. 26
Respons positif siswa terhadap simulasi memperkuat kemanjurannya sebagai instrumen pembelajaran. Umpan balik siswa menyoroti beberapa keuntungan menonjol dari simulasi. Sebagian besar siswa menganggap simulasi realistis, mudah digunakan, dan bermanfaat bagi pembelajaran mereka. Temuan ini penting, karena realisme dalam simulasi berkorelasi positif dengan keterlibatan siswa, 27 sementara persepsi kemudahan penggunaan berkorelasi positif dengan kegunaan simulasi. 28
Lebih jauh lagi, simulasi tersebut secara signifikan meningkatkan rasa percaya diri siswa terhadap pengetahuan mereka tentang pengurutan DNA, yang menunjukkan bahwa simulasi tersebut tidak hanya memberikan pengetahuan teoritis tetapi juga membangun rasa percaya diri siswa terhadap keterampilan praktis mereka. Peningkatan rasa percaya diri ini sangat penting, karena dapat mengarah pada keterlibatan dan ketekunan yang lebih besar dalam materi pelajaran, yang berpotensi menumbuhkan minat yang lebih dalam terhadap genetika dan bidang terkait. 29
Analisis tematik dari respons teks bebas menggarisbawahi peran simulasi dalam meningkatkan pemahaman prosedural, memungkinkan persiapan yang lebih baik, mengurangi stres, dan meningkatkan kepercayaan diri. Siswa menghargai kesempatan untuk berlatih dan membuat kesalahan dalam lingkungan berisiko rendah, yang sangat penting untuk menguasai teknik laboratorium yang kompleks. 30 Fleksibilitas yang disediakan oleh simulasi ini berfungsi sebagai faktor penting dalam melayani beragam jadwal dan tempo belajar siswa, dengan demikian mempromosikan pemahaman yang lebih dalam tentang materi tersebut. Salah satu manfaat utama yang dilaporkan oleh siswa adalah pengurangan stres yang terkait dengan sesi laboratorium. Kesempatan untuk terlibat dengan simulasi sebelum menghadiri kelas F-2-F memungkinkan siswa untuk mempersiapkan dan menjadi terbiasa dengan prosedur eksperimental, mengurangi kecemasan yang sering dikaitkan dengan melakukan tugas-tugas baru dan kompleks di bawah batasan waktu. Persiapan sebelumnya ini tidak hanya membantu dalam mengurangi stres tetapi juga dalam mengurangi beban kognitif selama sesi laboratorium yang sebenarnya, memungkinkan siswa untuk lebih fokus pada aspek-aspek langsung dari eksperimen.
Pendekatan hibrida juga mengatasi tantangan logistik yang terkait dengan pengajaran laboratorium tradisional. Pengurutan Sanger, meskipun merupakan teknik mendasar, mahal dan memakan waktu, sehingga tidak praktis untuk sering digunakan di kelas sarjana dengan anggaran terbatas. Dengan menggabungkan simulasi autentik, kami dapat menghilangkan hambatan ini, memberikan siswa kesempatan untuk belajar dan mempraktikkan pengurutan DNA tanpa biaya terkait dan penundaan waktu. Kemampuan simulasi untuk mempercepat proses eksperimen lebih memaksimalkan penggunaan waktu laboratorium yang terbatas, memungkinkan pengalaman pendidikan yang lebih efisien dan komprehensif. Penggunaan pendekatan hibrida ini memungkinkan kami untuk memampatkan eksperimen yang diusulkan oleh de Waal dan rekan 17 agar sesuai dengan jadwal dan anggaran kursus. Sementara penggunaan kelas laboratorium virtual atau daring telah meningkat sejak pandemi, 31 , 32 pendekatan hibrida yang kami jelaskan di sini belum terdokumentasi dengan baik dalam literatur.
Integrasi simulasi untuk melengkapi sesi laboratorium F-2-F juga menawarkan fleksibilitas yang signifikan bagi staf pengajar. Dengan menyesuaikan parameter simulasi, simulasi yang kami rancang dapat diadaptasi untuk berbagai eksperimen sekuensing DNA dalam suasana laboratorium pengajaran. Selain itu, simulasi serupa dapat dikembangkan untuk mereplikasi protokol eksperimen lain yang membutuhkan banyak waktu dan sumber daya, seperti PCR, PCR kuantitatif (qPCR), dan teknik molekuler lainnya.
Meskipun hasilnya positif, masih ada beberapa hal yang perlu ditingkatkan. Beberapa mahasiswa melaporkan masalah teknis seperti kelambatan, macet, dan crash, yang mengindikasikan perlunya pengoptimalan lebih lanjut pada perangkat lunak simulasi. Perlu dicatat bahwa sebagian besar masalah ini dilaporkan oleh mahasiswa yang menunggu hingga sesi laboratorium F-2-F untuk mengikuti simulasi. Tekanan waktu di lingkungan kelas mungkin berkontribusi pada persepsi masalah teknis atau rasa frustrasi dengan antarmuka pengguna. Selain itu, meskipun simulasi secara efektif melengkapi sesi laboratorium langsung, penting untuk memastikan bahwa simulasi tidak menggantikan pengalaman taktil dan kinestetik penting yang sangat penting untuk mengembangkan keterampilan laboratorium praktis. Studi mendatang dapat mengeksplorasi dampak jangka panjang metode pengajaran hibrida terhadap retensi dan keberhasilan mahasiswa dalam mata kuliah genetika tingkat lanjut dan karier penelitian.
Studi ini menunjukkan bahwa menggabungkan sesi laboratorium F-2-F dengan simulasi komputer dapat secara efektif meningkatkan pengajaran dan pembelajaran teknik ilmiah yang kompleks, seperti penyuntingan gen dan pengurutan DNA. Pendekatan hibrida tidak hanya meningkatkan kinerja dan kepercayaan diri siswa, tetapi juga mengatasi tantangan logistik pendidikan laboratorium tradisional. Dengan menyediakan model pengajaran yang dapat diskalakan dan efisien, metode ini menjanjikan aplikasi yang lebih luas dalam pendidikan sains, yang pada akhirnya berkontribusi pada pengembangan ilmuwan masa depan yang kompeten dan siap.
PENGAKUAN
Penerbitan akses terbuka difasilitasi oleh University of South Australia, sebagai bagian dari perjanjian Wiley – University of South Australia melalui Dewan Pustakawan Universitas Australia.
PERNYATAAN KONFLIK KEPENTINGAN
Penulis menyatakan tidak ada konflik kepentingan.
