Umfassende Forschungen zeigen, dass aktive Lernmethoden den Lernerfolg der Studenten erhöhen (3). Dies wurde für eine Reihe von Fächern, einschließlich Anatomie und Physiologie, nachgewiesen (6, 15). Trotz der überwältigenden Beweise für einen aktiveren und studierendenzentrierten Unterrichtsstil ist das Lehrbuch immer noch die am häufigsten genutzte Ressource in Hochschulkursen (22). Wenn ein Student den präsentierten Stoff nicht versteht, ist er oft gezwungen, über das Lehrbuch hinauszugehen und Online-Ressourcen in Form von Videos, Tutorien und Quizsystemen zu erkunden (7). Es gibt zwar sehr gut produzierte Online-Videos (10, 11), aber viele von ihnen können nicht mit einem Kommentar des Kursleiters versehen werden, ohne dass das Video extra bearbeitet wird. Das Fehlen eines Kommentars des Kursleiters macht das Material weniger persönlich und weniger auf den Kurs zugeschnitten (9). Darüber hinaus werden diese Videos oft nicht auf die gleiche Art und Weise gelehrt, entweder unter Verwendung einer anderen Terminologie oder eines anderen Wissensstandes als in der Vorlesung, was zur Bildung von Missverständnissen führt (18). Studierende haben oft statische Darstellungen verwendet, um zu versuchen, den in einer Vorlesung präsentierten Stoff besser zu verstehen, sei es durch Zeichnen oder durch eine andere Art von Diagramm (12). Während es jedoch nützlich ist, die grundlegende Funktionalität statischer oder linearer Prozesse zu veranschaulichen, kann es für Studenten schwierig sein, ein Verständnis für die manchmal komplexen Interaktionen innerhalb der Physiologie zu erlangen (20).

Eines der wichtigsten Themen, die in einem Einführungskurs in die Physiologie behandelt werden, ist die Physiologie der Schnittstelle zwischen einem Motoneuron und einer Muskelfaser: die neuromuskuläre Verbindung (NMJ). Dieser physiologische Prozess ermöglicht die Innervation von Muskelfasern im Anschluss an ein Aktionspotenzial und die synaptische Freisetzung von Neurotransmittern aus einem präsynaptischen Neuron (2). (Siehe Abb. 1 für eine allgemeine Darstellung der NMJ, die den Darstellungen in vielen Lehrbüchern ähnelt). Anhand der NMJ können die Schüler viele Kernkonzepte der Physiologie erforschen, darunter die Rolle der Zellmembran bei der Herstellung und Aufrechterhaltung von Konzentrationsgradienten, chemische und elektrische Konzentrationsgradienten und die Kommunikation von Zelle zu Zelle (16). Ein genaues und gründliches Verständnis der NMJ ermöglicht es den Schülern, auch die Komplexität anderer Themen der Physiologie zu verstehen, wie z. B. die Freisetzung von Neurotransmittern, die Depolarisation der Membran und die Aktivierung membrangebundener Kanäle (17). Bei der Einführung dieser wichtigen Konzepte im Zusammenhang mit der NMJ können die Schüler jedoch von deren Komplexität überwältigt werden (8, 13, 23). Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass Physiologiestudenten oft glauben, dass Aktionspotenziale selbst durch die Synapse wandern und die Muskelfaser innervieren, anstatt Neurotransmitter zur Weiterleitung dieses elektrischen Impulses zu verwenden (8). Wir hoffen, dass wir einige dieser Missverständnisse ausräumen können, indem wir eine bewegte visuelle Darstellung der NMJ verwenden.

Der Einführungskurs für Anatomie und Physiologie an der University of Minnesota Rochester (UMR) verwendet eine Vielzahl von hochwirksamen Lerntechniken, um physiologische Konzepte zu vermitteln. Im Rahmen dieses vielseitigen Unterrichts erhalten die Studierenden Informationen in einem teilweise umgedrehten Klassenzimmer, d. h. die Unterrichtszeit wird aufgeteilt zwischen der Bearbeitung von Aktivitäten, bei denen das Wissen aus früheren Kursen oder dem Lehrbuch verwendet wird, und traditionellen Vorlesungen. Diese Praxis ermöglicht die Erforschung von Konzepten durch Lernen in der Gruppe bei gleichzeitiger Wahrung der individuellen Verantwortlichkeit. Beim Lernen über die NMJ werden die Schüler zunächst durch eine Reihe von punktuellen Minivorträgen und gemeinsamen Gruppendiskussionen, die sich aus dem vorangegangenen Unterricht ergeben, direkt mit Informationen konfrontiert. Darauf folgt eine Fallstudie, die sich auf die Wirkung von Neurotoxinen auf die Funktionalität der NMJ konzentriert (19). Indem sie herausfinden, wo das Toxin wirkt, können die Schüler rückwärts arbeiten und ableiten, wie die Muskelkontraktion beeinflusst wird. Wenn es darum geht, diese Neurotoxin-Interaktionen zu interpretieren, fällt es den Schülern oft schwer, sich vorzustellen, wie sie den Standardmechanismus der NMJ beeinträchtigen.

Um den Schülern zu helfen, die am Prozess der NMJ beteiligten Schritte besser zu verstehen, haben wir ein LED-basiertes Modell entwickelt und gebaut (Abb. 2C). (Ein zusätzliches Video finden Sie unter https://doi.org/10.6084/m9.figshare.12379748.) Dieses Projekt wurde in einer Partnerschaft zwischen akademischen Assistenten (UAAs), die den Kurs zuvor absolviert hatten, und ihrem Mentor aus der Fakultät entwickelt. An der UMR arbeiten UAAs ähnlich wie Lernassistenten (LAs): Sie helfen im Klassenzimmer bei der Beantwortung von Fragen und der Benotung von Material. Da sie jedoch nicht selbst eine Klasse leiten, können sie nachweislich eine studentische Perspektive in den Unterricht einbringen und mehr Studierende in den Unterricht einbeziehen (14). Da die UAAs den Prozess vorantrieben und die gestellten experimentellen Fragen entwickelten, konnte dies als Lernmöglichkeit sowohl für die UAAs als auch für die Studierenden im Klassenzimmer genutzt werden. Insbesondere bot es den Studenten die Möglichkeit, ein Verständnis für die Entwicklung von Forschungsfragen/Hypothesen zu entwickeln, sich neue Fähigkeiten anzueignen und ein Instrument zu schaffen, das im Klassenzimmer und darüber hinaus verwendet werden kann. Die positiven Ergebnisse des LED-basierten Modells reichen weit über das Klassenzimmer hinaus, da es vielen interessierten Parteien, einschließlich Spendern, Universitätsverwaltern und zukünftigen Studenten als physisches Beispiel für das Lernen im Klassenzimmer gezeigt werden kann (Abb. 3C). Dieses LED-basierte NMJ-Modell ist ein nützliches und kreatives Werkzeug. Seine Fähigkeit, bewegliche Mechanismen bereitzustellen, ermöglicht die optionale Aufnahme und Nachvertonung durch die Studenten. Das breite Farbspektrum der LED-Leuchten bietet eine visuelle Komponente, die den Schülern beim aktiven Lernen der Physiologie zugute kommt, indem sie die verschiedenen Arten der beteiligten Moleküle kennzeichnet. Durch die Bereitstellung beweglicher Teile und einer visuell ansprechenden Farbpalette sollten die Schüler in der Lage sein, die Komplexität der NMJ besser zu interpretieren und zu verstehen.