研究使用类似糖果的模型使视障学生可以使用STEM

大约有 3600 万人失明，其中包括 100 万儿童。此外，还有 2.16 亿人有中度至重度视力障碍。然而，STEM(科学、技术、工程和数学)教育仍然依赖于 3D 图像进行教育。大多数这些图像对于失明的学生来说是无法访问的。贝勒大学化学和生物化学教授 Bryan Shaw 博士的一项突破性研究旨在通过类似糖果的小模型让盲人或视力受损的人更容易接触科学。

Baylor 领导的这项研究于 5 月 28 日发表在《科学进展》杂志上，它使用毫米级明胶模型(类似于小熊软糖)，通过口腔立体视觉或通过舌头和嘴唇对 3D 形状进行可视化来改善蛋白质分子的可视化。该研究的目标是创建更小、更实用的描绘蛋白质分子的 3D 图像的触觉模型。选择蛋白质分子是因为它们的结构是整个 STEM 教育中呈现的数量最多、最复杂和高分辨率的 3D 图像之一。

“你的舌头是你最好的触觉传感器——大约是指尖的两倍——但它也是一个静水器，类似于章鱼的手臂。它可以摆动到你的手指无法触及的凹槽中，但没有人真正使用舌头或触觉学习中的嘴唇。我们想制作非常小的高分辨率 3D 模型，并通过嘴巴将它们可视化，”Shaw 说。

该研究共包括 396 名参与者——31 名四年级和五年级学生以及 365 名大学生。在识别特定结构时测试了嘴巴、手和视力。在口头和手动触觉模型测试期间，所有学生都被蒙上眼睛。

每个参与者都有三分钟的时间用指尖评估或可视化研究蛋白质的结构，然后用一分钟的时间用测试蛋白质。四分钟后，他们被问及测试蛋白质与初始研究蛋白质是相同还是不同的模型。使用嘴而不是手指来辨别形状重复整个过程。

学生通过嘴巴识别结构的准确率为 85.59%，类似于使用计算机动画通过视力识别。测试涉及相同的食用明胶模型和非食用 3D 打印模型。以与不可食用模型相当的比率正确识别明胶模型。

与小糖果块相比，复杂蛋白质分子的毫米级明胶模型。图片来源：贝勒大学

“你可以通过嘴巴和视力一样准确地想象这些微小物体的形状。这实际上令人惊讶，”肖说。

这些模型可用于有或没有视力障碍的学生，提供了一种低成本、便携和方便的方式，使 3D 图像更易于访问。Shaw 说，这项研究的方法不仅限于蛋白质结构的分子模型——任何 3D 模型都可以进行口腔可视化。

此外，虽然明胶模型是唯一经过测试的可食用模型，但 Shaw 的团队使用其他可食用材料(包括太妃糖和巧克力)创建了高分辨率模型。模型的某些表面特征，如正负表面电荷的蛋白质模式，可以在模型上使用不同的风味模式来表示。

“这种方法可以应用于任何事物的图像和模型，例如细胞、细胞器、数学中的 3D 表面或 3D 艺术作品——任何 3D 渲染。它不仅限于 STEM，而且对人文学科也很有用，”博士 Katelyn Baumer 说该研究的候选人和主要作者。

Shaw 的实验室将通过微型模型进行的口头可视化视为对学生可用的多感官学习工具的有益补充，尤其是那些具有非凡视觉需求的学生。本研究中的模型可以使盲人或视力障碍学生更容易获得 STEM。

“失明的学生被系统地排除在化学和 STEM 的大部分之外。只要环顾我们的实验室，你就会明白为什么——通往实验室的电梯按钮上有盲文，实验室门上有盲文。这就是无障碍的终点“贝勒是开始让 STEM 更容易获得的理想场所。贝勒可以成为残疾人学习 STEM 的绿洲，”Shaw 说。

对于与视力障碍相关的高调研究，Shaw 并不陌生。他在 White Eye Detector 应用程序上的工作获得了认可。Shaw 和 Baylor 计算机科学副教授 Greg Hamerly 博士开发了这款移动应用程序，该应用程序可用作父母筛查小儿眼病的工具。Shaw 开发这款应用程序的灵感来自于他的儿子 Noah 在四个月大时被诊断出患有视网膜母细胞瘤。