Hoe breng je je studenten het best de fijne kneepjes van het labwerk bij? Virtuele practica als aanvulling op fysieke practica helpen daarbij.

Chemie- en life sciences-studenten brengen een groot deel van hun opleiding door in het lab. Je zou kunnen denken dat er een coronacrisis voor nodig was om onderwijsinstellingen te laten nadenken over de potentie van virtuele practica, maar niets blijkt minder waar. ‘Wij startten in september 2019 met een project om te toetsen of virtual reality kan bijdragen aan het leerproces van onze studenten’, vertelt Harry Bitter, hoogleraar biobased chemistry & technology aan Wageningen University & Research (WUR).

Samen met Moniek Tromp, hoogleraar materiaalchemie aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG), werkt Bitter aan een app waarmee je met VR-bril op en een controller in elke hand de experimentele opstelling voor een Grignard-reactie kunt opbouwen en de reactie kunt uitvoeren. De ontwikkeling doen ze via een stimuleringsregeling van ICT-coöperatie SURF rond open-source-onlineonderwijs. Tromp: ‘We hopen hiermee het gat te kunnen dichten tussen de theoretische uitleg in lesboeken of tijdens colleges en practica.’

Meerwaarde

Voor de niet-doe-het-zelvers zijn er ook commerciële tools beschikbaar, zoals de virtuele labsimulator Labster. Medio 2019 haalde onderwijsinstelling WisMon die naar de Benelux. ‘Het doel van dit softwarepakket is om al voorafgaand aan practica de nodige ervaring te kunnen opdoen met zowel het theorie- als het praktijkgedeelte’, vertelt Vera van Westerlaak, aanspreekpunt voor Labster binnen WisMon. Via 3D-simulaties kruip je in de huid van een onderzoeker en los je reallife-onderzoeksvragen op binnen bijvoorbeeld de biologie, geneeskunde en chemie. ‘De coronacrisis heeft de vraag naar een hybride vorm van onderwijs alleen nog maar urgenter gemaakt’, voegt Van Westerlaak toe.

Roeland Dirks, universitair hoofddocent cel- en chemische biologie aan het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC), ziet dat studenten door voorafgaand aan een practicum de bijbehorende module in Labster te volgen, andere vragen gaan stellen. ‘Je krijgt minder vragen over de te nemen stappen in het practicum en meer inhoudelijke of technische vragen.’

Dirks startte eind 2019 een kleinschalige pilot met modules moleculaire biologie voor zijn studenten biomedische wetenschappen. ‘Zij zien zelf ook de meerwaarde’, duidt Dirks. ‘Door de theorie aan een praktijkvoorbeeld te koppelen, maakt Labster de leerstof voor veel van hen inzichtelijker, daarnaast kun je je op een veel effectievere manier voorbereiden op het echte practicum. En sommige studenten vinden ook de gamebeleving van de simulatie een plus.’

Het visueler, tastbaarder maken van de theorie was voor Els Van Eyken, opleidingshoofd chemie van en lector bij AP Hogeschool in Antwerpen, precies de reden om begin 2020 te starten met een Labster-pilot onder de tweedejaarsstudenten chemie en biomedische laboratoriumtechnologie. ‘De simulaties geven leerlingen de kans om op een andere manier, interactiever, met de leerstof aan de slag te gaan. Ik zie dat studenten die anders traag op gang komen dat nu in de virtuele wereld van Labster veel sneller doen.’

Wat betreft de ‘zuivere’ chemie biedt Labster relatief weinig modules, aldus Van Eyken – los van wat titratiewerk, zuur-basereacties, atoombouw en veiligheid. Tijdens de pilot maakten meerdere lectoren gebruik van modules biochemie die wel ruim voorhanden zijn, en met succes. ‘Ik zie studenten andere studenten adviseren om Labster te gebruiken.’

Subtiele handelingen

Wat kun je nu precies in die zelfgebouwde of commercieel beschikbare virtuele labwereld? Met de VR-simulatie van Bitter en Tromp kun je buiten het lab experimentele opstellingen bouwen en daarin handigheid krijgen. Denk aan het plaatsen van houders, maatkolf, droogbuis, slangetjes et cetera onder de juiste hoek. Bitter: ‘Zulke subtiele handelingen vind je niet in Labster, dus vandaar dat wij onze eigen tool ontwikkelen. We zijn nu zover dat je in een zuurkast de opstelling kunt bouwen. De combinatie van VR-bril met twee controllers maakt het doen van de praktische handelingen veel echter dan in een 3D-simulatie.’

In het najaar moeten de eerste tests starten. Tromp: ‘Dan gaan we ook zien wat het doet met de kwaliteit van ons onderwijs.’ Dat een VR-bril niet voor iedereen ideaal is, geven Bitter en Tromp direct toe. ‘Som­-mige mensen worden er dizzy van’, vertelt Tromp. ‘We mikken erop dat studenten gedurende 15 à 20 minuten met onze VR-tool kunnen werken.’ Dat de hele onderneming de moeite waard is, blijkt volgens Bitter en Tromp uit de interesse die er nu al is voor hun open-source-tool vanuit onder meer Nijmegen en Amsterdam.

Wat Van Westerlaak sterk vindt aan de opzet van Labster is dat je ook fouten kunt maken als je de proef doorloopt; bijvoorbeeld in de formulering van je hypothese, de keuze van je antilichaam, en de verwisseling van pipetpuntjes, waardoor contaminatie kan ontstaan. ‘Tussendoor krijg je multiplechoicevragen om ervoor te zorgen dat je ook begrijpt wat je doet. Daarnaast zoomt Labster in op het mechanisme achter een techniek als PCR via 3D-animaties.’ Verder kunnen studenten op elk moment tijdens een simulatie de achterliggende theorie raadplegen. Van Westerlaak: ‘Zowel uit de feedback van onze klanten als uit twee papers die over Labster zijn gepubliceerd, blijkt dat die combinatie maakt dat studenten de stof veel beter begrijpen.’

Een Labster-licentie aanschaffen voor een student is geen goedkope onderneming, menen zowel Dirks als Van Eyken. Dirks: ‘Als onderwijsinstelling betaal je per student per jaar en daarmee krijgt een student onbeperkte toegang tot de aangeboden simulaties.’ Het uiteindelijke prijskaartje van een licentie hangt af van het aantal studenten dat deelneemt per onderwijsinstelling. Wellicht houdt WisMon het daarom zelf op de prijs van een gemiddeld leerboek per student.

Dat neemt niet weg dat fysieke practica ook geld kosten, aldus Dirks. ‘Kosten die niet altijd direct zichtbaar zijn. Ik wil komend jaar meer modules van Labster gaan gebruiken voor meer leerlingen om zo de investering rendabeler te maken.’ En met oog op de voortdurende coronamaat­regelen gaat Dirks bij het LUMC de cel­kweek­module benutten als vervanging van het feitelijke practicum. Volgens Van Eyken gaat de AP Hogeschool op zijn beurt Labster breder inzetten door modules microbiologie toe te voegen aan het leerpad.

Zelf een virtual-reality-app ontwikkelen gaat eveneens gepaard met een flinke tijdsinvestering van programmeurs en daarmee geld, weten Bitter en Tromp inmiddels. Het zijn toch vooral de grote softwarehuizen die volgens Tromp goed zijn in dit soort ontwikkelingen. ‘Binnen de universiteits­muren ontbreekt doorgaans de kennis en bovenal het geld om dit soort projecten te draaien.’ Voor hun app bouwt het team voort op de expertise die de RUG opdeed binnen soortgelijke projecten voor rechten en architectuur. Tromp: ‘Tegelijkertijd is de capaciteit met de ene programmeur die we tot onze beschikking hebben beperkt. Opschalen is er ook in coronatijd niet bij.’

(On)mogelijk

Virtuele practica maken ook dingen mogelijk die anders niet te realiseren zijn bij onderwijsinstellingen. Van Eyken: ‘Ik denk dan direct aan kunnen oefenen met de besturing van grote chemische installaties. Dat zou een welkome aanvulling voor ons zijn in Labster.’ En wat te denken van het goed fout kunnen laten lopen van een experiment met het oog op het oefenen van veiligheidsvoorschriften? ‘Zo heb ik in een simulatie iemand in brand kunnen steken’, zegt Van Eyken. ‘Voor studenten lijkt veiligheid vaak te evident om bewust mee om te gaan. Nu worden ze getriggerd om zelf na te denken.’