Bioteknik som den röda tråden på det naturvetenskapliga biospetsprogrammet Hur kan man utveckla gymnasiets naturvetenskapliga program till något ännu bättre? Detta är en artikel om hur spetsutbildningen i bioteknik utvecklades på Katedralskolan i Uppsala, från den första tanken om vad vi tycker att en naturvetenskaplig utbildning skall innehålla, till att bli tilldelade Ingvar Lindkvistpriset av Kungliga Vetenskapsakademin i mars 2012. Vetenskapsakademins prismotivering var: ”Mats Hansson och Mia Pontoppidan, Katedralskolan i Uppsala, tilldelas Ingvar Lindqvistpriset i kemi/biologi för deras utveckling av en nationell spetsutbildning i bioteknik baserad på områdets tvärvetenskapliga natur. De visar att det genom att kombinera kunskaper inom kemi, biologi och matematik är möjligt att förstå den moderna molekylära biologin.” Tankarna innan – planeringen och arbetsformerna En av tankarna från skolverkets sida med spetsutbildningar i gymnasieskolan är att elever ska kunna läsa universitetskurser redan under gymnasieåren. För att detta ska vara möjligt krävs en genomtänkt timplan. Bra naturvetare får man inte bara genom kurser som ger faktakunskaper, utan också genom att förstärka det naturvetenskapliga arbetssättet i samband med laborationer och andra praktiska undersökningar. Vi önskade också att stor vikt skulle läggas vid kontakter med universitet och yrkesliv under hela gymnasietiden. I arbetet har vi modifierat timplanerna och innehållet i kurserna för att underlätta ämnesöverskridande samarbete och öka elevernas övergripande förståelse. Vetenskapligt arbetssätt har fått ett ökat utrymme och kontakter med universitet och näringsliv är återkommande inslag i utbildningen. Utvecklandet av biospetsutbildningen på Katedralskolan som beskrivs i den här artikeln gjordes innan Gy11-reformen trädde i kraft. Programmet har sedan anpassats för att passa till Gy11. Planering av programmets kurser Vad behöver en naturvetare kunna? Vilka kurser bör vara obligatoriska och vilka moment skall ingå för att de skall tränas till självständigt tänkande och problemlösande naturvetare? Matematik är viktigt inom all naturvetenskap och därför blev matematik A–E, samt Matematik breddning obligatoriska kurser. Breddningskursen med fokus på statistik och databearbetning passade utmärkt för samarbete med de andra naturvetenskapliga ämnena där eleLMNT-nytt 2012:1 Hanna och Mohammad utvärderar sina resultat under en biologilaboration. Foto: Anna B. Strömer verna kunde öva på statistisk bearbetning av sina egna laborationsdata. Inom de naturvetenskapliga ämnena ingick naturligtvis fysik A och B, kemi A och B, samt biologi A och B. Förutom dessa kurser lästes fyra obligatoriska breddningskurser i kemi och biologi på 50 p vardera. Dessa kurser var Kemi breddning/Biokemi och de tre biologibreddningskurserna Mikrobiologi, Genteknik samt Cellbiologi och Genomanalys. Eftersom det mesta av naturvetenskaplig fortsättningslitteratur förutsätter goda kunskaper i engelska gjordes även Engelska C obligatorisk. Även Etik och livsfrågor gjordes obligatorisk så att eleverna skulle få utökade möjligheter till reflektion och etiska ställningstaganden. Dessa kurser skulle ge eleverna bästa möjliga kunskaper och maximala meritpoäng. Övriga arbetsformer och moment Kurser och faktakunskaper är dock inte allt inom en utbildning. Under planeringsstadiet kändes det extra viktigt att få in ytterligare träning på naturvetenskapligt arbetssätt och att bedriva undervisningen kring verklighetsbaserade och problembaserade teman. På så sätt vet eleverna alltid varför de gör något och vad de skall ha kunskapen till. Vi har ofta en tät koppling mellan teori och laborationer. Vissa laborationer har genomförts i flera steg under längre tidsperioder med eleverna som medplanerare. 1 Hur kan man presentera allt som finns att välja på efter avslutad gymnasieutbildning? Detta kan vi naturligtvis inte ta på oss, men vi kan presentera ett så varierat utbud som möjligt. Kontakt med universiteten i Uppsala universitet och Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, får eleverna via studiebesök under kursernas gång, genom att vi bjuder in forskare till skolan och att vi genomför hela eller delar av kursmoment på universiteten. Projektarbetet genomförs som ett samarbete med SLU där deras doktorander går en doktorandkurs i handledning samtidigt som de fungerar som handledare för våra elever. Eleverna skriver projektrapporten på engelska och presenterar den muntligt som en del av kursen i Engelska C. Förutom kontakten med universiteten har vi ett utarbetat mentorsprogram i samarbete med bioteknikföretagen i regionen. Detta samarbete koordineras med hjälp av Uppsala Bio, som är bioteknikföretagens samarbetsorganisation. Eleverna får besöka bioteknikföretag under alla sina tre gymnasieår, både i små grupper och i större sammanhang, och får se företagens olika funktioner. Dessa besök görs i åk 1 i samarbete mellan biologi och samhällskunskap och i åk 2 och 3 i samarbete med de naturvetenskapliga breddningskurserna. Alla dessa kurser och samarbeten med universitet och företag gör att eleverna vet varför de behöver en viss kunskap, vilket ju är grunden till att motivera eleverna för sina studier. I större projekt är det viktigt att se till att eleverna hela tiden känner ett stöd från lärarna så att de kan utveckla sina förmågor under trygga förhållanden och få hjälp vid behov. Lärare kan också hjälpa och utmana eleverna till att utvecklas till högre nivåer än de kan på egen hand. Några undervisningsexempel I genomförandet av spetsutbildningen i bioteknik vid Katedralskolan finns en målsättning att ytterligare lyfta fram det naturvetenskapliga arbetssättet. Ett exempel på detta är att utforma och omarbeta laborationerna så att resultaten blir kvantitativa. Med upprepade mätvärden från undersökningar får man en bra utgångspunkt för matematisk behandling av resultaten. Matematiska illustrationer av sådant som spridningsmått ger en bra utgångspunkt för nyanserade diskussioner. Ibland är en laboration så tidskrävande att det inte går att göra upprepningar. Då kan man låta grupperna lämna in protokoll med sina resultat till läraren som sammanställer en gemensam tabell för hela klassen. Under kommande lektion kan alla grupper göra en matematisk bearbetning av samtliga resultat. Här presenteras tre undervisningsexempel, ett från varje årskurs. I årskurs 1 görs populationsbestämning av antalet individer av Scilla siberica i en park nära Katedralskolan. Grupper av elever räknar antalet individer i en provruta på 1,0 kvadratmeter. Provrutorna tilldelas eleverna genom en kombination av riktat och slumpmässigt urval. Resultat från räkningen samlas in från hela klassen vilket ger ca 40 räknade rutor i parken som är 3800 kvadratmeter stor. Vi gör frekvenshistogram, beräknar medelvärde och standardavvikelse för hela materialet. Det visar sig vara stor spridning i materialet så hypotesen ”det är olika populationstäthet i olika delar av parken” formulerar sig själv. Vi prövar hypotesen genom att dela in parken i olika områden för att se om spridningsmåttet minskar. Undersökningen av detta visar att spridningsmåttet är detsamma för parken som helhet som för de delar vi studerade. Vi kan alltså inte stödja hypotesen att populationstätheten är olika i olika delar av parken enligt vår indelning. Mohammad, Patrik och Anto diskuterar skogens ekosystem med sin lärare Mia Pontoppidan. Foto: Beatrice Lundborg/Scanpix I åk 1 görs populationsbestämning av antalet individer av Scilla sibirica i en park nära skolan. Foto: Mats Hansson 2 LMNT-nytt 2012:1 I årskurs 2 använder vi en motsvarande matematisk bearbetning då vi studerar hur aktiviteten hos enzymet succinatdehydrogenas påverkas av faktorerna enzymhalt, substrathalt och närvaro av inhibitor. Vi mäter den tid det tar tills metylenblått har avfärgats. Avfärgningstiderna jämförs och genom att studera spridningsmåttet för hela materialet och jämföra mot spridningsmåttet för grupper av materialet kan hypoteser prövas. I detta fall jämför vi spridningsmåttet för avfärgningstiden då enzymhalten är fördubblad mot spridningen i hela materialet, spridningen då substrathalten är fördubblad mot spridningen i hela materialet o.s.v. Genom att jämföra spridningsmåtten kan vi t.ex. avfärda hypotesen att substrathalten påverkar avfärgningstiden men kan däremot hitta stöd för hypotesen att inhibitorhalten påverkar avfärgningstiden. Genom att använda material från hela klassen och jämföra standardavvikelsen kan vi alltså göra en mer nyanserad tolkning av resultaten från undersökningen av enzymaktiviteten än om varje grupp hade gjort en egen tolkning. I årskurs 3 studerar vi aktiviteten hos enzymet lysozym som eleverna renar fram från hönsäggvita med hjälp av en katjonbytare i ett separationssystem. Genom att studera aktiviteten kan vi identifiera den aktivaste fraktionen av de som erhålls från reningen. Innehållet från en fraktion innehållande lysozym sätts till en kyvett med en uppslamning av Micrococcus-bakterier. Med spektrofotometern mäts den optiska densiteten som avspeglas av grumligheten i uppslamningen. Ju fortare den optiska densiteten minskar desto aktivare var den enzymblandning som tillsattes. Detta kan endast jämföras om vi utnyttjar elevernas kunskaper från Matematik C. Ändringshastigheten för ett visst tidsintervall jämförs och den mest aktiva lysozymfraktionen kan på så sätt identifieras. Slutord Med all denna erfarenhet har programmet sedan anpassats till Gy11 genom att exempelvis flytta moment till rätt kurs i Gy11. Vi har dock sett det som mycket viktigt att bibehålla den övergripande grundtanken som vi hade från början då vi ville forma duktiga, kreativa och självständigt tänkande naturvetare. Med eleven i centrum vill vi avsluta med ett citat från en elev då hon fick frågan vad hon tycker om biospetsutbildningen på Katedralskolan: LMNT-nytt 2012:1 ”Vem har inte suttit med sina läxor och undrat VARFÖR – varför skall jag behöva lära mig det här? Men så är det inte här! På den här utbildningen vet jag varför, för jag har sett vad man skall använda kunskapen till utanför skolan, på både universitet och företag.” Amanda, NV10S Mats Hansson Mia Pontoppidan Katedralskolan i Uppsala Ingvar Lindqvistpristagare 2012 Mia Pontoppidan Mats Hansson Foto: Bo Pontoppidan Foto: Expressbild 3