Denne artikel giver et overblik over, hvordan synkron webbaseret virtuelt opsøgende arbejde kan bruges til at udsætte elever i 6.-12. klasse for avancerede billeddannelsesteknologier som ultralyd, computertomografi og elektroencefalografi. Papiret diskuterer de metoder og udstyr, der er nødvendige for at livestreame integrerede uddannelsessessioner for effektivt studerendes engagement i STEM.
At øge mangfoldigheden af studerende, der vælger karriere inden for videnskab, teknologi, teknik og matematik (STEM) felter er et område med intens fokus i hele USA, især i børnehave til 12. klasse (K-12) -fokuserede pipeline-programmer i medicinske skoler. En mangfoldig STEM-arbejdsstyrke bidrager til bedre problemløsning og lighed i sundhedsvæsenet. To af de mange store barrierer for studerende i landdistrikterne er manglen på tilstrækkelige STEM-rollemodeller og begrænset adgang til teknologi i klasseværelset. Medicinske skoler tjener ofte som en vigtig ressource for studerende i lokalsamfundet, der let kan få adgang til STEM-fagfolk og moderne teknologi gennem campus, sponsorerede begivenheder og STEM-opsøgende til de lokale klasseværelser. Imidlertid bor underrepræsenterede minoritetsstuderende (URM) ofte i socioøkonomisk nødlidende dele af landdistrikterne som Arkansas, hvor adgangen til STEM-rollemodeller og teknologi er begrænset. Virtuel læring i COVID-19-æraen har bevist, at billeddannelsesteknologiressourcerne på en medicinsk skole kan udnyttes til at nå et bredere publikum, især studerende, der bor i landdistrikter langt fra medicinsk skolecampus.
Medicinsk skole-sponsorerede K-12-rørledningsprogrammer til STEM eksisterer, fordi den lave repræsentation af underrepræsenterede minoriteter (URM’er) i lægefaget afspejler manglen på mangfoldighed inden for andre STEM-felter. Manglen på mangfoldighed blandt forskere og sundhedspersonale kan bidrage til sundhedsforskelle. Mange sundhedspersonale ligner ikke de patienter, de betjener, hvilket kan få patienterne til at føle sig udelukket1. Nationalt repræsenterer URM’er 37% af den amerikanske befolkning2, men tegner sig kun for 7% -10% af professionelle skolefakulteter 3,4,5. Behovet for et mangfoldigt, kulturelt kompetent sundhedspersonale er af primær betydning for at identificere, adressere og i sidste ende reducere sundhedsforskelle. Mangfoldighed i sundhedsprofessionerne kan løse sundhedsforskelle gennem forskning dedikeret til sygdomme med en uforholdsmæssig stor indvirkning på racemæssige og etniske minoriteter og ved at hjælpe med at øge antallet af læger, der er villige til at tjene i typisk underforsynede samfund6.
Der er en række faktorer, der forhindrer URM-studerende i at tilmelde sig og gennemføre STEM-grader. Disse barrierer omfatter en lille ansøgerpulje på grund af reducerede færdiggørelsesgrader for gymnasiet7, betydeligt lavere gennemførelsesrater for STEM-majors på college og opnåelse af avancerede kandidat- eller ph.d.-grader8, mindre vedholdenhed i skolen 9,10 og lavere samlede gradueringsrater 11, reduceret eksponering for læseplaner på højt niveau og mindre kvalificerede lærere i deres samfund 12 og endda forskelle i foretrukne læringsstile i skolen (f.eks. URM’er foretrækker små grupper, praktiske aktiviteter vs. forelæsninger)13,14. Det er velkendt, at tidlige uddannelsesmøder er ekstremt vigtige for at forme de langsigtede uddannelsesmæssige oplevelser hos URM-studerende, der typisk kommer fra uddannelsesmiljøer, der ikke støtter og endda er ligeglade med minoritetsstuderende. De fleste URM’er har ikke en STEM-rollemodel i deres udvidede familie eller endda deres lokalsamfund. Nylige undersøgelser har vist, at tidlig eksponering for STEM-opsøgende programmer er positivt forbundet med etablering af en STEM-identitet og synes at stimulere studerendes interesse for STEM15,16,17,18.
Som det eneste allopatiske akademiske medicinske center i landstaten Arkansas, som har en af de højeste fattigdomsrater i USA19, har forfatterens universitet og dets division for mangfoldighed, lighed og inklusion gennem årene etableret en robust K-12-rørledning til støtte for rekruttering af URM’er til sine programmer. Mentoring af studerende i en tidlig alder har vist sig at være en effektiv strategi i rekruttering, fastholdelse og gradueringsindsats. Pipeline-programmer på grundskoler over hele landet har vist nogle succeser i denne henseende (f.eks. Øgede URM-populationer, der ansøger om medicinske skoler6). Pipeline-programmer rettet mod mellem- og gymnasieelever har også vist nogle tidlige tegn på succes20,21,22. Tidlig interventionsindsats for at stimulere studerendes interesse for STEM kan føre til mangfoldighed hos de studerende, der er interesseret i STEM-relaterede områder og karriere, hvilket kan føre til en stigning i antallet og mangfoldigheden af gymnasieelever, der går på college, vælger en STEM-major og forfølger en kandidatgrad i biomedicinsk videnskab og / eller en sundhedsfaglig grad.
COVID-19 har forårsaget mange forstyrrelser i K-12-uddannelse, herunder begrænsninger i adgangen til medicinske campusfaciliteter for mellem- og gymnasieelever og en afbrydelse af personlige opsøgende besøg på lokale skoler. Pandemien har tvunget mange STEM-opsøgende udbydere til at gentænke sig selv fra et paradigmedesign baseret på små grupper, praktiske, fokuserede tilgange til en, der involverer virtuel opsøgende23,24,25. De udfordringer, der fulgte med denne ændring, omfattede tabet af personlige interaktioner, tabet af praktisk interaktion med teknologi, manglen på studerendes evne til at opleve et besøg på en medicinsk skolecampus og dens faciliteter personligt og træthed med online læringsplatforme26. Disse udfordringer kan delvist opvejes af mulighederne for at levere virtuel opsøgende arbejde, som omfatter en chance for at udvide deltagelsen og bygge bro over den teknologiske kløft ved at udsætte studerende over hele staten for sofistikeret billeddannelsesteknologi, der ikke er tilgængelig i deres klasseværelser.
Medicinske skoler er en vigtig ressource for avancerede billeddannelsesteknologier og andre kommercielt tilgængelige uddannelsesteknologier, der ligger ud over det normale budget for mellem- og gymnasieklasser. Ultralyd er en fremragende billedbehandlingsmodalitet for mellem- og gymnasieelever, fordi det giver mulighed for at kigge inde i menneskekroppen i realtid. Dette kan være meget engagerende for studerende, selv når præsentationen er virtuel. I USA omfatter nationale videnskabsstandarder læring om bølgernes egenskaber i mellem- og gymnasieklasser26. Demonstration af ultralyd og dets anvendelse i medicinsk billeddannelse er en fantastisk måde at binde opsøgende session til klasseundervisning. Intet kan fange elevernes opmærksomhed mere end live scanning af en persons krop, især noget, der bevæger sig – hjertet, sammentrækningen af en muskel eller peristaltikken i mave-tarmkanalen. Adgang til røntgen- og computertomografi (CT) billeddannelsesteknologier til STEM-opsøgende begivenheder er ikke mulig på grund af de høje omkostninger ved udstyret, travle kliniske brugsplaner og sikkerhedsproblemer.
Heldigvis er der forskellige anatomivisualiseringsbilledtabeller, der bliver bredt tilgængelige som en ressource på medicinske campusser28. Disse tabeller har databaser med CT-billeder opnået fra rigtige menneskelige patienter, der kan vises til studerende, herunder med 3D-rekonstruktionskapacitet. Mellem- og gymnasieelever vil også være bekendt med det elektromagnetiske spektrum (f.eks. Røntgenstråler, lys, infrarød), som er inkluderet i de nationale videnskabsstandarder, så brugen af denne type billeddannelsesteknologi hænger igen ganske pænt ind i det, de lærer i klasseværelset. Adgang til elektroencefalografi (EEG) af medicinsk kvalitet (EEG) udstyr til brug i virtuelle STEM-opsøgende begivenheder er vanskelig selv i medicinsk skoleindstilling og ville kræve dygtigt personale til at forberede emnet til EEG-optagelse. Relativt billige, kommercielt tilgængelige headset er muligvis ikke tilgængelige for individuelle klasseværelser på mellem- eller gymnasiet, men er bestemt inden for rammerne af et STEM-opsøgende budget for medicinsk skole. Disse kommercielt tilgængelige trådløse headset kræver minimal tid til at konfigurere og tilbyde softwarepakker, der giver mulighed for visuel billeddannelse af EEG-aktiviteten i hjernen, hvilket er ideelt til mellem- og gymnasiemålgruppen, der ikke er bekendt med denne hjerneaktivitetsbilleddannelsesmodalitet.
Gennemførelse af effektive virtuelle STEM-opsøgende sessioner kræver mere end en bærbar computer, et kamera og en webbaseret videoplatform. Den grundlæggende stationære eller bærbare computer skal suppleres med en række andet udstyr for at forbedre oplevelsen og give en professionel udsendelse af høj kvalitet. Dette papir beskriver en integreret tre-station tilgang, der er blevet brugt til at levere synkrone, webbaserede, virtuelle opsøgende aktiviteter, der omfatter avanceret billeddannelse såsom ultralyd og CT-billeddannelse samt visualisering af EEG-aktivitetslokalisering i hjernen.
Føderale tilskudsfinansierede STEM-opsøgende aktiviteter ved hjælp af bærbare billedteknologiressourcer, der er tilgængelige på forfatterens universitet, blev brugt til at levere personlige, små grupper, praktiske STEM-sessioner til mellem- til gymnasieelever. Disse bestræbelser er i overensstemmelse med og styrker de allerede rige, universitetssponsorerede K-12 STEM-rørledningsaktiviteter, der er designet til at øge mangfoldigheden af studerende, der kommer ind i STEM-felter i Arkansas. Begrænsningerne for adgang til campus, der opstod som reaktion på COVID-19-pandemien, tvang alle til at nytænke praktiske STEM-aktiviteter som virtuelle opsøgende begivenheder. Selvom små grupper, praktisk interaktion med teknologi altid bør være målet for rekruttering af studerende til STEM-felter, kan brugen af virtuelle opsøgende sessioner bidrage til at udvide deltagelsen og bygge bro over kløften i adgangen til billedteknologi. Forskerholdet i denne undersøgelse rekrutterede simpelthen studerende og lærere gennem online-indlæg, eksisterende samfundskontakter og ved at arbejde med universitetets mangfoldighedskontor.
Udvidelse af deltagelsen er især vigtig i en landlig stat som Arkansas. Medicinske skoler er en vigtig ressource for moderne billeddannelsesteknologi, der kan bruges i virtuelle opsøgende indstillinger for at øge lærerens og elevernes viden om STEM-koncepter. STEM-opsøgende team i dette projekt nød godt af universitetsinvesteringer af betydelige midler til at opnå avanceret ultralyds- og CT-billeddannelsesudstyr (f.eks. Anatomivisualiseringstabellen) dedikeret til uddannelsesaktiviteter. Et føderalt finansieret tilskud supplerede disse teknologier med køb af trådløse EEG-headset og tilhørende softwarepakker, der giver mulighed for billeddannelse af lokalisering af EEG-aktivitet. Modeller og anatomiske prøver blev indarbejdet i hver session, da de anatomiske videnskaber danner grundlaget for at forstå de billeder, der er opnået ved hjælp af moderne billeddannelsesmetoder som ultralyd og CT-billeddannelse. Protokollen, der er skitseret i dette papir, giver detaljer om, hvordan en minimal investering i noget vigtigt, ekstra, udsendelsesrelateret udstyr vil muliggøre professionelt udseende livestreaming af disse billedteknologiressourcer i virtuelle, STEM-fokuserede opsøgende begivenheder, der vil fange og engagere studerende.
Købet af videokameraer af høj kvalitet, nogle switchere og tilbehørsartikler og tilgængeligheden af andre bærbare computere gjorde det muligt for teamet at levere videofeeds af høj kvalitet til virtuelle opsøgende sessioner. I protokollen beskrevet i dette papir blev seks separate kameraer brugt i opsøgende sessioner (tre til ultralydsscanning, to til den anatomiske prøve og modelstation og en til anatomivisualiseringen CT-billeddannelsesstation). En transmission af høj kvalitet er vigtig for at opretholde elevernes interesse, især da eleverne sandsynligvis vil se præsentationen på deres klasseværelses smartboard eller projektorskærm, som begge sandsynligvis vil resultere i en forringelse af den samlede billedkvalitet. Belysning er vigtig, men kameraer af høj kvalitet kan undgå behovet for yderligere fotografiske lys.
Videoskifteren og flere kameraer er de mest vigtige dele af systemet, da de giver mulighed for PIP-funktionen. Udskiftning af det indbyggede bærbare computervideokamera med videoomskifterindgangen giver den fordel, at en større del af skærmen bruges til livestreaming, end det ville ske, hvis videopræsentationssoftwaren simpelthen blev skærmdelt i et live input fra disse teknologier sammen med præsentantkameraet. Undersøgelser har vist, at live-sammensatte videoforelæsninger, hvor underviserens billede kombineres med dias eller andet indhold, resulterer i en bedre subjektiv oplevelse for de studerende31,32. En separat mobilmikrofon af høj kvalitet forbedrer den auditive oplevelse og vil være påkrævet, hvis præsentanten bevæger sig fra station til station under sessionen i afstande fjernt fra den faktiske bærbare computer, der bruges til at udsende den virtuelle session.
En medicinsk ultralydsbærbar computer med HDMI-udgang er påkrævet for at give et billede i høj kvalitet til den virtuelle videoplatformsudsendelse. Kommercielt tilgængelige 3D-anatomibilleddannelsestabeller som den, der anvendes i den nuværende protokol, er en stor ressource, der er tilgængelig på mange medicinske skoler, men er uden for rækkevidde af de fleste mellemskoler og gymnasier. Tabellen, der bruges i denne protokol, har et virtuelt VH-dissektorprogram (ikke beskrevet i dette papir), der giver mulighed for 3D- og tværsnitsbilleder af anatomi, som er nyttige til at give eleverne et referencepunkt til forståelse af anatomien, der vil blive vist gennem ultralyd og CT-billeddannelse. Anatomivisualiseringstabellen er forbundet til en uddannelsesportal, der indeholder hundredvis af tilfælde af CT- og MR-scanninger fra rigtige patienter, hvilket giver et perfekt klinisk fokus for studerende. Dette gør det muligt for præsentanterne at binde CT-billeddannelsen af kroppens organer med de amerikanske billeddannelser og anatomiske prøvedemonstrationer af de samme organer. For eksempel vil brug af CT-visninger af hjertet i forskellige planer hjælpe eleverne mentalt med at konstruere et 3D-billede af hjertet og dets forhold til andre organer som lungerne. At give eleverne adgang til en kommenteret liste over gratis, online CT-billeddannelsesressourcer vil give dem en måde at engagere sig igen på egen hånd med teknologien efter sessionen.
En af de vigtigere ressourcer på en medicinsk skole er dets fakultet og studerende, som kan fungere som professionelle STEM-rollemodeller. Tilgængeligheden af fakultetet til STEM-opsøgende begivenheder er altid et problem i betragtning af de igangværende konkurrerende behov på en medicinsk skole campus. En kadre af kernefakultetet danner grundlaget for STEM-opsøgende team, men dette team inkluderer undertiden også nær-peer-præsentanter, når det er muligt (f.eks. Figur 3). Selvom en person potentielt kan håndtere hele den virtuelle udsendelse med intermitterende afbrydelser for at ændre kameravinklerne og videoomskifterindstillingerne, foretrækkes det at have en dedikeret medarbejder til at håndtere videoskifteren og videoplatformens udsendelsesprogram, som gør det muligt for præsentanten at fokusere på det virtuelle opsøgende indhold. Rolleskiftet er let at udføre bag kulisserne, når de sammenfattende dias udsendes til deltagerne. Det anbefales stærkt, at en tredje person overvåger chatlinjen, hvis eleverne individuelt logger ind på den opsøgende session. At have en person, hvis rolle simpelthen er at overvåge chatlinjen og besvare individuelle spørgsmål eller afbryde udsendelsen for at stille anonyme spørgsmål, er meget nyttigt at engagere stille studerende. Især mellem- og gymnasieelever ønsker måske ikke at stille spørgsmål i store gruppeindstillinger, især i hvad der kan være et upersonligt virtuelt miljø. En venlig besked sendt til alle deltagere i begyndelsen af sessionen af chatbarmonitoren etablerer et sikkert sted for studerende at stille spørgsmål. Chatbarskærmen kan endda logge på eksternt for at reducere overbelastning i udsendelsesrummet.
En af de største udfordringer for at gennemføre en virtuel opsøgende session er manglen på personlige interaktioner og evnen til at måle elevernes interesse ved at se deres ansigter. Det tager tid for præsentanten at vænne sig til ikke at se deltagerne, da skærmene er der for at give præsentanten udsendelsesbilledet og ikke gruppen af deltagende seere. Præsentanten skal stole på, at personalet bag kulisserne overvåger sessionen for at få en fornemmelse af niveauet af studerendes engagement, og hvad der muligvis skal ændres til næste gang. Succes med at fange elevernes opmærksomhed er tydelig, når de læner sig frem i deres stole for tilsyneladende at få et bedre udsyn. Med mellemrum at stille spørgsmål fra publikum (f.eks. lige efter stationsoversigtsbillederne) giver eleverne tid til at behandle og reflektere over det, de lige har lært. De studerendes kommentarer og lærerevalueringsdata i dette papir understøtter konklusionen om, at disse typer virtuelle opsøgende sessioner er effektive til at udsætte eleverne for nyt STEM- og billedteknologiindhold og give eleverne et positivt læringsmiljø. Disse resultater er i overensstemmelse med resultaterne af andre undersøgelser, der rapporterer, at virtuelle opsøgende programmer, der udføres under pandemien, kan engagere studerende lige så meget som personlige aktiviteter, give mulighed for større deltagelse af studerende i STEM-berigelsesprogrammer og give en mulighed for at opbygge relationer mellem STEM-fagfolk og studerende33,34,35.
Dette papir har givet en oversigt over det udstyr, der er nødvendigt for at bruge billeddannelsesressourceteknologier, der kan være tilgængelige i en medicinsk skoleindstilling for at levere virtuelle teknologifokuserede opsøgende aktiviteter for at stimulere studerendes interesse for STEM-felter. En lille investering i udstyr, såsom et par 4K-kameraer af høj kvalitet og andre tilbehørsgenstande, såsom videoudsendelsesomskifteren, kan effektivt øge præsentationernes interaktive følelse og føre til visuelt tiltalende virtuelle præsentationer, der fremmer studerendes engagement. Demonstration af live ultralydsscanning af en person, roterende 3D CT-rekonstruktioner af kroppen og levering af EEG-optagelse i realtid af hjerneaktivitet hjælper med at stimulere STEM-interesserne hos mellem- og gymnasieelever. De giver også måder at modvirke forskelle i adgang, som studerende i landdistrikterne kan have til ressourcer på en regional medicinsk skole og for tab af adgang for alle studerende under COVID-19-pandemirelaterede begrænsninger.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af et Science Education Partnership Award (SEPA) tilskud fra National Institute for General Medical Sciences (NIGMS) ved National Institute of Health (NIH) under pris # R25GM129617. Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter fra National Institutes of Health. UAMS College of Medicine-midler blev brugt til at købe noget af det udstyr, der blev brugt i denne undersøgelse (f.eks. Anatomivisualiseringstabellen og den kliniske ultralydsbærbare enhed).
4-port HDMI switcher | Iogear | IOGHDSW4K4 | https://www.bhphotovideo.com |
4K video camera | Canon VIXIA HDG50 | CAHFG50 | High quality 4K resolution video camera |
Accessory microphone | Samson Meteor Mic | ||
ATEM Mini Pro video switcher | Black Magic | BLSWATEMMP | https://www.blackmagicdesign.com |
Ball head camera mount | Glide Gear | GG-33 | https://www.bhphotovideo.com |
Brain Viz software | Emotiv | https://www.emotiv.com | |
Dell laptop computer | Dell | 13” Dell XPS laptop | |
Emotiv Pro software | Emotiv | https://www.emotiv.com | |
Excel (for MAC) | Microsoft | v. 16.16.27 | Data analysis |
High Speed HDMI cable with ethernet-15 foot | Pearstone | PEHDA-15 | https://www.bhphotovideo.com |
MacBook Air | Apple | 13", 1.8 GHz Intel Core i5, 8 GB 1600 MHz DDR3 | https://www.apple.com/macbook-air/ |
Mini UpDownCross converter | BlackMagicDesign | BLMCUDCHD | https://www.blackmagicdesign.com |
mini HDMI to HDMI converter | Liberty AV Solutions | AR-MCHM-HDF | https://www.bhphotovideo.com |
Overhead camera/light studio rig | Proaim | P-OHLR-01 | https://www.bhphotovideo.com |
PC laptop | Dell | https://www.dell.com | |
ProTeam massage table | Hausmann | 7650 | |
R Studio | R Studio PBC | 2021.09.0 | Data analysis |
Remote slide advancer | Logitech | Spotlight presentation remote | |
SECTRA table | Touch of Life Technologies | https://www.toltech.net; Cases [S003, 2099, U010) | |
sheep, pig, and cow hearts | Carolina Biological | Perfect Solution Preserved | https://www.carolina.com |
TVN Viewer Software | GlavSoft LLC | Part of TightVNC | |
Ultrasound laptop device | GE | NextGen LOGIQe laptop/cart | https://logiq.gehealthcare.com |
Universal adjustable tripod | Magnus | MAVT300 | |
USB3.0 to Gigabit Ethernet adapter | Insignia | ||
wireless controller | Canon | WL-D89 | |
Wireless EEG headset | Emotiv | EPOC X | https://www.emotiv.com |
ECG package | GE | 3 lead USB-ECG unit | |
ZOOM software | Zoom | version 5.10.1 | Zoom.us |