Math meets Biology : an Interdisciplinary Project (Les mathématiques rencontrent la biologie : un projet interdisciplinaire)
Dans le monde des sciences naturelles et de l'ingénierie à l'ETH, l'importance des mathématiques ne doit pas être sous-estimée. Pourtant, les étudiants ne réalisent souvent que tardivement au cours de leurs études à quel point les modèles mathématiques sont essentiels pour les processus biologiques. L'enseignement en équipe et les projets de groupe, accompagnés par des enseignants des deux disciplines, permettent d'explorer des questions complexes liées à l'expression des gènes.
Les mathématiques, pilier de la formation à l'ETH
Les mathématiques sont un pilier de la formation à l'ETH et, en tant que partie intégrante de la première année des filières d'études de l'ETH, elles créent les conditions préalables aux études de sciences naturelles et d'ingénierie. Les mathématiques jouent un rôle important en particulier dans la biologie quantitative moderne : entre autres, la quantité croissante de données et l'interaction complexe des molécules impliquées dans les processus biologiques nécessitent le développement et l'application de modèles mathématiques et statistiques pour comprendre l'émergence de modèles temporels et spatiaux dans les systèmes biologiques. Dans le cursus des filières d'études scientifiques ou d'ingénierie, l'enseignement des contenus spécifiques à la modélisation mathématique se fait généralement de manière asynchrone par rapport à l'enseignement des mathématiques. Les étudiants et les enseignants sont ainsi confrontés au défi de surmonter la classification des mathématiques comme discipline isolée, détachée de la branche d'études proprement dite, et d'encourager la motivation pour une étude approfondie des mathématiques.
Une sensibilisation précoce aux mathématiques en biologie par la synchronisation des cours.
Souvent, les étudiants ne prennent conscience de l'importance des mathématiques pour la discipline qu'ils ont choisie que tard dans leurs études, c'est-à-dire lorsqu'ils sont confrontés à des problématiques dont la résolution nécessite des modèles mathématiques, des analyses statistiques ou des simulations informatiques. Les étudiants et les enseignants manquent ainsi l'occasion de comprendre et d'enseigner in situ la nécessité des applications mathématiques en biologie. C'est précisément là qu'intervient notre initiative, lancée en 2017. Afin de montrer aux étudiants, dès la première année d'études, l'importance des mathématiques pour les processus biologiques, nous avons développé un projet à l'interface entre les deux disciplines, qui démontre de manière synchrone l'importance de la modélisation mathématique à l'aide des équations différentielles pour la description des réseaux de contrôle biologiques dans les deux cours.
Pour ce faire, différentes activités sont menées dans les cours de biologie et de mathématiques qui se déroulent en parallèle (comparer avec la figure 1).
Application pratique des équations différentielles en biologie et en mathématiques
Les bases mathématiques permettant de comprendre, d'établir et de résoudre des équations différentielles sont d'abord appliquées et exercées sur un processus de régulation simple de l'expression génétique. Pour ce faire, des enseignants du D-BIOL et du D-MATH dispensent un enseignement en équipe, accompagné d'exercices de préparation et de suivi (en ligne et en présentiel). Dans les projets de groupe qui suivent, les étudiants travaillent sur la modélisation de questions plus complexes concernant la régulation de l'expression des gènes, chaque groupe pouvant choisir librement la question biologique. Pendant 2 à 3 mois, les étudiants développent des concepts pour présenter la solution de leur problème à leurs camarades de classe (sous forme d'exposé, de polybook, de vidéo, etc.). Les enseignants et les assistant(e)s auxiliaires du D-BIOL et du D-MATH soutiennent les groupes et clarifient les questions lors de rencontres régulières, donnent des impulsions ou mettent les groupes d'étudiant(e)s en réseau. Au deuxième semestre, les cours de biologie et de mathématiques permettent d'approfondir les bases mathématiques et biologiques pertinentes pour le projet. Lors des séances de travaux dirigés du cours de biologie 2, les groupes présentent leurs résultats et étendent ainsi l'application des équations différentielles à des réseaux de régulation génétique plus complexes. Les étudiants enseignent ainsi à leurs camarades dans un format d'enseignement peer-to-peer. Un quiz Moodle clôt le projet et montre dans quels cours futurs du curriculum de biologie les modèles mathématiques joueront un rôle important (par ex. la modélisation de réseaux métaboliques en biologie systémique ou l'intégration de jeux de données expérimentaux en bioinformatique). Les étudiants résument leurs résultats de manière à produire, après relecture par les enseignants, du matériel d'apprentissage et d'enseignement qui sera mis à la disposition des générations suivantes d'étudiants dans le cadre de leurs cours. L'utilisation des équations différentielles pour la modélisation des réseaux d'expression génique fait également partie de l'examen de base "Biologie 2" en tant qu'exercice bonus.
Le scénario didactique "Math Meets Biology" est développé et mis en œuvre depuis 2017, ce qui a permis d'identifier des thèmes biologiques appropriés pour les cours de mathématiques 1/2 et d'affiner le profil des activités et les objectifs d'apprentissage avec trois cohortes d'étudiants (y compris une interruption Covid).
Nous attendons de ce projet un effet durable sur l'enseignement de l'importance des équations différentielles pour la description des processus biologiques dans les cours suivants du cursus de biologie (par ex. formation de modèles dans le développement embryonnaire dans le cours "Biologie 3 : Multicellularité" ou production d'anticorps pour la défense contre les pathogènes dans "Molecular Mechanisms of Health & Disease").
Méthodes, outils et mesures pour stimuler explicitement l'engagement des étudiants en faveur de la réussite de l'apprentissage
Nommer les applications d'un concept mathématique a toujours fait partie intégrante du syllabus d'un cours de mathématiques de base. Il est toutefois décisif pour la réussite de l'apprentissage de les faire correspondre directement et de manière transparente à la situation actuelle des études. Le seul renvoi au cours spécialisé (ultérieur) ne suffit pas. Cela vaut dans la même mesure pour la discipline dans laquelle les applications mathématiques sont pertinentes. L'intégration du projet dans les deux disciplines ainsi que le développement et la réalisation communs des activités permettent de montrer aux étudiants l'importance de la mise en relation des contenus enseignés dans le contexte de leur situation d'études. Cela nécessite des adaptations et des accords en termes de contenu et d'organisation de part et d'autre de l'interface.
Le projet encourage en particulier l'autonomie et l'engagement des étudiants. En choisissant librement le thème du travail de groupe et son organisation, les étudiants peuvent adapter l'apprentissage à leurs propres intérêts et maximiser leur succès d'apprentissage. Les étudiants prennent ainsi la responsabilité de leur propre réussite d'apprentissage et contribuent en outre à la réussite d'apprentissage de leurs camarades ainsi que des cohortes suivantes en développant du matériel d'enseignement et d'apprentissage pour ces derniers et en réalisant des séquences d'apprentissage de manière autonome (peer-to-peer-teaching).
Afin de garantir le lien avec les connaissances préalables des étudiants, nous avons délibérément choisi les thèmes de telle sorte que les connaissances de base des deux disciplines soient suffisantes et que le soutien d'experts ne soit que peu nécessaire. Cela garantit une entrée à bas seuil dans le projet et encourage l'engagement des étudiants. En mathématiques, on commence par modéliser un processus de régulation simple par une équation différentielle élémentaire (linéaire du premier ordre à coefficients constants), qui évolue ensuite vers un système couplé 2×2 d'équations différentielles non linéaires au fur et à mesure que l'on développe la modélisation d'un réseau d'expression génétique (voir figure 1).
Éléments innovants du cours
D'une part, une meilleure coordination grâce à la compréhension du langage spécifique à la discipline : pour qu'un projet comme "Math meets Biology" puisse réussir dans l'enseignement en équipe, il faut aussi que "Math speaks Biology" et "Biology speaks Math" soient donnés. D'une part, les mathématiciens doivent comprendre les processus de la biologie, d'autre part, les biologistes doivent parler suffisamment le langage mathématique pour qu'un dialogue significatif puisse avoir lieu entre les deux sciences. Alors que les apprenants et les enseignants en biologie ont souvent des problèmes avec le formalisme abstrait des mathématiques, les mathématiciens doivent s'habituer au fait qu'en biologie, il y a pratiquement toujours des restrictions, des exceptions ou des contre-exemples que l'on ne peut souvent pas définir ou seulement de manière insuffisante. Notre projet s'attaque précisément à ce problème en exigeant une collaboration étroite entre les enseignants concernés afin de développer ensemble le matériel pédagogique et d'enseigner aux étudiants en équipe. Cela garantit une coordination idéale entre les départements preneur et prestataire pour les événements de service de l'année de base. De tels projets interdépartementaux ou des projets similaires ont un impact positif sur la qualité de la formation en première année.
D'autre part, le peer-to-peer-teaching : l'introduction de nouvelles méthodes d'enseignement représente un grand défi, en particulier au cours de l'année de base avec 400+ étudiants, et le modèle d'enseignement traditionnel (enseignement frontal) domine dans la plupart des cours, dans lesquels les étudiants interagissent peu entre eux ou avec les enseignants. L'ajout de l'enseignement par les pairs nous a semblé non seulement attrayant en tant que méthode innovante, mais aussi particulièrement bien adapté pour montrer aux étudiants, dès le début de leurs études, les avantages de l'apprentissage avec et par les pairs. Pour une mise en œuvre réussie, il est essentiel de choisir des thèmes appropriés avec lesquels les étudiants peuvent travailler sans être surmenés, d'adapter le programme d'études et surtout de créer des espaces de liberté dans les deux unités d'enseignement.
Question :
Quel a été l'effet des éléments innovants sur l'apprentissage des étudiants ?
Réponse :
- Motivation accrue des étudiants pour l'apprentissage des mathématiques grâce à l'intégration concrète dans des applications biologiques et à l'enseignement en équipe de D-BIOL et D-MATH.
- Premières expériences d'enseignement (Peer-to-Peer-Teaching)
- Les étudiants reconnaissent et expérimentent le degré de complexité mathématique et biologique qu'ils peuvent traiter avec des outils mathématiques.
- Mise en réseau des étudiants de l'année de base grâce au travail de groupe et à l'enseignement entre pairs et sur plusieurs années.
Question :
Comment avez-vous assuré un feedback (continu) sur l'apprentissage des étudiants ?
Réponse :
- Des quiz et des exercices Moodle réguliers servent à préparer et à suivre les activités du cours.
- Accompagnement des travaux de groupe par des enseignants et des assistants
- Contrôle des acquis lors de tests sommatifs (examen de base)
- Discussion des résultats des projets de groupe dans les exercices du cours de biologie 2.
Question :
Quels éléments de votre projet recommanderiez-vous à d'autres ?
Réponse :
- Transférabilité :En raison de l'utilisation polyvalente des équations différentielles pour la modélisation des processus, le projet peut être facilement transposé à d'autres domaines des sciences de la vie (p. ex. modèles épidémiologiques de la propagation des virus, dynamique des systèmes neuronaux, modélisation de processus physiologiques tels que la fonction cardiaque ou la circulation sanguine, dynamique des populations dans les systèmes environnementaux, cinétique des réactions (bio)chimiques, etc.) Pour ce faire, le matériel pédagogique et les exercices développés peuvent être facilement adaptés à de nouveaux sujets et réutilisés.
- Durabilité & impact sur le développement du curriculum : Grâce au projet, le dialogue entre les deux départements concernés s'est intensifié et la réflexion sur la manière de montrer l'importance des mathématiques pour la biologie a motivé d'autres enseignants à aborder davantage cet aspect dans leurs cours. Ainsi, de nombreuses idées d'autres scénarios d'utilisation de "Math meets Biology" ont déjà vu le jour et devraient être mises en œuvre dans les semestres supérieurs du curriculum de biologie.
- Enseignement en équipe : L'étroite collaboration entre les enseignants impliqués dans le développement de matériel pédagogique et de séquences d'apprentissage a fortement favorisé la compréhension des besoins et des difficultés de l'enseignement de l'autre discipline. Les enseignants apprennent ainsi à mieux comprendre le mode de pensée mathématique ou biologique et peuvent donc mieux l'enseigner dans leur propre contexte.
- Enseignement de pair à pair : Dans ce setting d'apprentissage, tant les étudiants qui présentent que ceux qui participent en tirent profit. D'une part, les premiers contribuent à la réussite de l'apprentissage de leurs camarades de classe et des cohortes suivantes. D'autre part, ils augmentent également leur propre succès d'apprentissage grâce à la préparation didactique de la matière et à la transmission active aux autres étudiants (apprentissage par l'enseignement). Dans le cadre de l'enseignement entre pairs, les étudiants profitent également des connaissances similaires de leurs pairs enseignants et apprenants. De plus, les étudiants sont motivés à participer eux-mêmes à un tel projet grâce à des supports pédagogiques attrayants. Les étudiants ont également accueilli très positivement le fait que les enseignants aient créé un espace dans le cours pour de telles leçons d'enseignement par les pairs.
Équipe de projet
Inst. f. Biologie systémique moléculaire
Otto-Stern-Weg 3
8093 Zurich
Suisse
Dep. mathématiques
101, rue de la Rämi
8092 Zurich
Suisse
D-BIOL Center for Active Learning
Otto-Stern-Weg 3
8093 Zurich
Suisse
