Granty inovace a excelence slaví své úspěchy v praxi - díl sedmý

Zavedení simulačních her a badatelské výuky do seminářů Strukturní biochemie

projekt inovace ve výuce MUNI/IVV/1451/2024

V akademickém roce 2025/2026 jsme se rozhodli inovovat předmět C9531 Seminář strukturní biochemie zavedením prvků badatelsky orientované výuky a simulačních her. Inovaci připravil tým čtyř PhD studentů (Viktor Bartošík, Michaela Mikysková, Róbert Šándor, Dávid Tužinčin) koordinovaný prof. Lukášem Žídkem a využívající cenných rad a podnětů Dr. Jaromíra Literáka. Naše úsilí bylo finančně podpořeno projektem v rámci "Inovace ve výuce klíčových předmětů na Masarykově univerzitě", jehož nedílnou součástí je sdílení dobré praxe. Tomuto sdílení má posloužit nejen následující text, ale i neformální výměna zkušeností a výukových materiálů se zájemci z řad ostatních vyučujících. Zájemcům také rádi umožníme návštěvu výuky v příštích letech (vždy podzimní semestr, postačí kontaktovat řešitele projektu (Lukáš Žídek, učo 38990).

Seminář Strukturní biochemie (C9531) je na Přírodovědecké fakultě MU vyučován od roku 2003. Navazuje na přednášku Strukturní biochemie (C9530) a v akademickém roce 2025/26 jej navštěvovalo 63 studentů (z toho 48 studentů bakalářského programu Biochemie, 7 studentů magisterského programu Mikroskopie, 4 magisterského programu Chemie). Přednáška a seminář poskytují základní přehled o struktuře biologicky důležitých makromolekul (biomolekul), zásadní pro studenty biochemie a příbuzných chemických specializací, a navazuje na ně celá řada pokročilejších předmětů nabízených studentům navazujícího magisterského studia.

Cílem semináře je prakticky procvičit znalosti získané v přednášce Strukturní biochemie a připravit studenty na zkoušku. Součástí semináře jsou od samého počátku praktické úkoly vyžívající fyzické modely molekul a grafy připomínající reálné výstupy měření. Často jsme ale pozorovali tendenci studentů osvojit si pouze mechanicky postup vedoucí k získání řešení, bez hlubšího pochopení principů a souvislostí. To bylo hlavní motivací zavedení prvků simulačních her a badatelsky orientované výuky, které posouvají těžiště předmětu od skládání testů k zážitku.

Seminář je rozdělen do čtyř tematických bloků. V 1. bloku se studenti seznamují s tím, "jak molekuly vypadají" (zaměření na předmět poznání), v dalších třech blocích s tím "odkud to víme" (zaměření na zdroj poznání).

1. blok (4 dvouhodinové lekce) je zaměřen na popis a zobrazení biomolekul. Simulace v tomto bloku má přiblížit studentům našimi smysly nepostihnutelný svět molekul. Tuto roli hrají ve výuce modely molekul (větší kalotové modely Molymod, dávající studentům realistickou představu o velikostech atomů, a menší tyčkové modely firmy Maruzen, poskytující lepší představu o geometrii molekul). Cílem inovace bylo zavést aktivní přístup a týmové řešení badatelsky orientovaných úkolů. Studenti sami vytváří úkoly pro sebe (jedna skupina bude modely sestavuje a druhá analyzuje) a řeší je způsobem napodobujícím výzkumnou práci (rozdělení rolí v týmu, kooperace, diskuse řešení ve skupině). Kromě fyzických modelů, které jsou k dispozici během semináře, jsou využívány počítačové vizualizace přístupné na webových stránkách, které umožňují studentům procvičovat dovednosti doma a seznamují je s formou znázornění molekul, která se v praxi používá především. Paletu znázornění molekul doplňují stereoobrazy, poskytující prostorovou představu i v případech, kdy je k dispozici pouze 2D znázornění (v knihách, bakalářských pracích apod.). Technické dovednosti (hard skills), které si studenti v 1. bloku osvojují, jsou schopnost identifikace různých strukturních motivů a jejich kvantitativní geometrický popis. Přenositelné dovednosti (soft skills) zahrnují seznámení s tím, že

molekuly lze zobrazit různými způsoby, uvědomění si důležitosti prostorového vidění pro poznávání světa (v rozměrech běžného života i molekul, což je dokumentováno srovnáním stereoobrazů krajin, postav a molekulových struktur) a schopnost kooperovat v rámci řešení skupinových úkolů.

V 2. až 4. bloku se studenti seznamují s instrumentálními metodami strukturní analýzy (IMSA), které jsou zdrojem informací o biomolekulách. V 2. bloku (2 lekce a závěrečný test) se seznámují s IMSA, se kterými s velkou pravděpodobností budou sami pracovat, neboť jde o techniky běžné v klinické a biotechnologické praxi. Příkladem je polymerázová řetězová reakce (PCR) a z ní vycházející sekvenace jako základní technika moderní biochemie a jedna z metod diagnózy virových infekcí. 3. blok (rentgenová strukturní analýza a kryo-elektronová mikroskopie, 2 lekce a závěrečný test) a 4. blok (nukleární magnetická rezonance, 2 lekce a závěrečný test) představují studentům náročné a nákladné techniky, se kterými většina z nich sama pracovat nebude, ale jejichž výsledky budou s velkou pravděpodobností využívat (při zavádění biotechnologií, vývoji léčiv, diagnostice onemocnění).

Inovace v 2. až 4. bloku spočívala zejména v zavedení simulačních her s prvky badatelsky orientované výuky jako základního prostředku seznámení se s principy probíraných IMSA. Je třeba zdůraznit, že biochemik se s výstupy IMSA probíraných ve 3. a 4. bloku zpravidla setkává v podobě "absolutně přesných" molekulových modelů (probíraných v prvním bloku). Tyto modely jsou ale jen interpretací a idealizací samotných výsledků měření, které jsou získány s určitou nejistotou (experimentální chybou). Je proto nutné, aby studenti v rámci simulační hry prožili roli vědce interpretujícího data, uvědomili si úskalí tohoto procesu, zdroje možných chyb a osvojili si tak kritický pohled na kvalitu modelů, z nichž budou jednou ve své práci vycházet.

Kromě simulačních her jsou v hodině využity fyzické simulace principů probírané IMSA. Pro 2. blok byly pomocí 3D tiskárny vyrobeny stavebnice ilustrující molekulární podstatu sekvenačních technik v rozměrech přístupných našim smyslům. Stavebnice jsou přitom využity nikoli formou pasivní demonstrace, ale simulačních her.

Ve 3. bloku je v různých variantách využíváno viditelné světlo a objekty srovnatelné s jeho vlnovou délkou jako simulace neviditelného světa molekul a vln (elektronových, Röntgenových) používaných k jeho analýze. Byla pořízena optická soustava, která názorně předvádí souvislosti i rozdíly mikroskopických a difrakčních metod. S informací o struktuře zakódované v difrakci se studenti seznamují formou badatelsky orientované výuky, kdy sami realizují a analyzují difrakční experiment. Hlubší vhled poskytují simulace difrakce na jednoduchých vzorech.

Ve 4. bloku byly využity kalotové modely částí molekul proteinů, které umožnili studentům pomocí běžného měřítka určit vzdálenosti mezi atomy a simulovat spektrum nukleární magnetické rezonance. Spektra simulovaná jednou skupinou pak použila jiná skupina k identifikaci modelu odpovídajícího spektru.

Technickými dovednostmi, k jejichž osvojení má 2.-4. blok sloužit, jsou schopnost interpretace výsledků jednotlivých IMSA (vyhodnocení grafických výstupů, výpočty). Přenositelnými dovednostmi je osvojení si vědeckého přístupu k interpretaci dat a týmové práce, schopnost zhodnotit výhody (rychlost) ale i nevýhody (tendence k nekritickému přijímání výsledků) automatizace, pochopení významu základního výzkumu a schopnost odhalit zkreslené prezentování vědeckých výsledků v mediích (zjednodušující zkratky i záměrné dezinformace šířené např. na sociálních sítích).

Evaluace efektivity zavedených metod je založena na zpětné vazbě, která je získávána na dvou úrovních. První úrovní bodovaný test zařazený po všech blocích jako součást splnění podmínek k

zápočtu. Výsledky bodovaného testu a úspěšnost u zkoušky C9530 jsou mírou efektivity z pohledu dosažení cílů předmětu. Druhou úrovní jsou anonymní dotazníky, ve kterých studenti hodnotí, nakolik jim seminář pomohl porozumět probíraným tématům. Odpovědi odrážejí míru efektivity z osobního pohledu studenta.

prof. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D.