معلومة

أمثلة على تحليل مجموعة البيانات الكبيرة المدهش / التربوي في علم الأحياء


هذا السؤال ينتمي إلى "التحقق المتبادل" وكذلك "علم الأحياء"

أنا أبحث عن أمثلة لمجموعات البيانات التي يمكنني استخدامها للتدريس ولتدريب شخصي ، والتي ستكون أمثلة جيدة للتطبيقات الناجحة جدًا لـ في السيليكو أدوات تحليل البيانات.

أنا مهتم بأدوات مثل: k-mean أو hierachical clustering ، أو تحليل المكونات الرئيسية ، أو النماذج الخطية المعممة ، أو التعلم الآلي الأساسي مثل اكتشاف الفصل والتنبؤ.

بالطبع ، إذا كانت البيانات متاحة ، فسيكون ذلك أفضل ، لكن الشكل البسيط في الورقة سيعمل أيضًا.

ما أعنيه بالخير هو "واضح وغير غامض إلى حد ما" ، أي. يمكن أن تكون النتائج ، على سبيل المثال ، تقسيم مجموعة البيانات إلى مجموعتين أو ثلاث مجموعات تكون منطقية من وجهة نظر بيولوجية (على سبيل المثال ، أنسجة مختلفة لنفس العضو ، وأوقات مختلفة في تطور الخلية ...).

من الأمثلة الجيدة ، على سبيل المثال ، هذا الرقم:

(من هاندشوه وآخرون ، Int J Oncol (2017) حقوق النشر والتأليف والنشر Spandidos)

الصفوف عبارة عن جينات (تحليل تعبير ميكروأري) والأعمدة صحية (HV) أو مرضى السرطان (AML) ؛ يجعل التجميع مجموعتين كبيرتين تظهر.

إنه مثال جيد حقًا لأنه يمكننا بسهولة التحقق من أن المجموعتين تتطابقان مع نوعين من عينات المرضى ، مما يجعل هذا التجميع دراسة حالة تعليمية جيدة.

بعبارة أخرى ، أنا أبحث عن أمثلة مدهشة عن كيف تكون البيانات المرئية منطقية تمامًا ، إذا تم تحليلها بشكل صحيح.


الطرق الرياضية والحاسوبية في علم الأحياء

تعد الأساليب الحسابية والحاسوبية ضرورية لإجراء البحوث في العديد من مجالات علم الأحياء ، مثل علم الجينوم ، والبيولوجيا الجزيئية ، وبيولوجيا الخلية ، وعلم الأحياء التطوري ، وعلم الأعصاب ، وعلم البيئة ، والتطور. على العكس من ذلك ، يقدم علم الأحياء تحديات جديدة تدفع تطوير أساليب رياضية وحسابية جديدة. تجمع ورشة العمل هذه بين خبراء عالميين لتقديم ومناقشة التطورات الحديثة للطرق الرياضية التي تنشأ في العلوم البيولوجية. تشمل الموضوعات طرق النمذجة الحتمية ، العشوائية ، الهجينة ، متعددة النطاقات ، بالإضافة إلى الطرق التحليلية والحاسوبية.

سيعقد هذا الحدث افتراضيًا باستخدام Zoom. الرجاء التسجيل أدناه.

بعض البرامج التعليمية المفيدة لاستخدام Zoom:

الشروع في العمل على نظام التشغيل Windows أو Mac - https://go.osu.edu/BrDy
دروس فيديو Zoom - https://go.osu.edu/BrEE
مشاركة شاشتك (للمقدمين) - https://go.osu.edu/BrEC
خيارات تخطيط الفيديو (للمقدمين) - https://go.osu.edu/BrED

إرشادات المشاركة في Zoom ورشة MBI الافتراضية:

كيفية طرح الأسئلة أثناء المحادثات وجلسات المناقشة - https://go.osu.edu/BrWN

جلسات المحادثة المتوازية:

مجموعة 1 سيعقد في اجتماع Zoom الرئيسي. المجموعة 2 سيتم إجراء تكبير منفصل
لقاء.


خلفية

يمكن أن تحمل Messenger RNAs قدرًا كبيرًا من المعلومات بالإضافة إلى تسلسل البروتين الذي تقوم بتشفيره. تقوم المناطق غير المترجمة (UTRs) من mRNAs بتشفير الإشارات التنظيمية للترجمة والاستقرار والتوطين الخلوي [1]. اقتصرت الدراسات الجينومية السابقة لنصوص الحمض النووي الريبي على تسلسل (كدنا) واسع النطاق [2-4] والنمذجة الحسابية [5 ، 6]. على الرغم من أن الطرق الحسابية للتنبؤ بتسلسل الترميز من التسلسلات الجينية تؤدي بشكل عام أداءً جيدًا ، إلا أن قدرتنا على التعرف على حدود النصوص من تسلسل الجينوم والتنبؤ بها لا تزال غير موثوقة نسبيًا. يمكن أن يوفر قياس مقياس الجينوم لأطوال النصوص المقابلة لكل جين قيودًا مهمة لنمذجة الحدود وأنماط الربط من تسلسل الجينوم ، ويعطينا نظرة ثاقبة على خصائص التسلسلات غير المترجمة من الرنا المرسال.

لقد قمنا بتطوير طريقة قائمة على ميكروأري DNA لقياس طول النص على مقياس الجينوم. هذه الطريقة ، تسمى Virtual Northern ، هي نهج تكميلي لتسلسل cDNA. إنه أقل دقة ، ولكنه سريع ورخيص نسبيًا ، وأقل حساسية لوفرة الرسائل النادرة أو الصعوبات في الحصول على cDNAs كاملة الطول واستنساخها [7].

تم تلخيص المخطط الشمالي الافتراضي في الشكل 1. يتم فصل بولي (A) RNA بطول على هلام الاغاروز. يتم تقطيع الجل إلى عدد كبير من الشرائح الرفيعة ، يحتوي كل منها على RNAs من نطاق ضيق من الأطوال [8]. يتم بعد ذلك استرداد الحمض النووي الريبي من كل شريحة ، ووضع العلامات الفلورية ، وتهجينها إلى مصفوفة ميكروأري منفصلة للحمض النووي. يعطي التحليل المنهجي للتباين في إشارة التهجين - عبر سلسلة شرائح الهلام لكل تسلسل DNA ممثل على المصفوفات الدقيقة - ملف تعريف الطول لجميع النصوص التي تحتوي على هذا التسلسل (الشكل 2). يمكن بعد ذلك تحديد أطوال النسخ من القمم في تلك الملفات الشخصية. الطريقة هي في الأساس لطخة شمالية عكسية: بدلاً من مسبار الجينات المسمى والمهجّن إلى RNA مفصول بالحجم والمثبت على غشاء ، يتم تمييز الحمض النووي الريبي المفصول بالحجم وتهجينه إلى تحقيقات جينية مثبتة على شريحة زجاجية.

أمثلة لمحات الطول. كل ملف تعريف طول هو قطعة من النسبة المقيسة من جميع المصفوفات الدقيقة الثلاثين. المحور السيني هو المسافة بين نقطة المنتصف لكل شريحة هلامية من نقطة الأصل. يشير الخط الأسود إلى نسبة التألق العتبة للتعرف على الذروة عند 2.0 ، وتمثل الدوائر المغلقة النقاط الثلاث المستخدمة لحساب نقطة الوسط لكل قمة.

اخترنا اختبار طريقة Virtual Northern على جينوم الخميرة الناشئة خميرة الخميرة لعدة أسباب. كأول جينوم حقيقي النواة متسلسل بالكامل ، فإن S. cerevisiae الجينوم كامل ومدروس جيدًا ومشروح جيدًا [9]. علاوة على ذلك ، فإن الجينوم صغير ومضغوط بدرجة كافية للسماح بطباعة الجينوم بأكمله على مصفوفة ميكروأري واحدة [10]. أخيرًا ، لم يُعرف سوى القليل جدًا عن أطوال أو تنوع أطوال S. cerevisiae النصوص.


أحجام العينات ، والجمعيات التي تم العثور عليها ، والأمراض التي تمت دراستها ، وتنوع المجلات

يوضح الشكل 1 الانفجار في أبحاث GWAS منذ عام 2007. على الرغم من أن الإدخال الأول في كتالوج GWAS مؤرخ في 10 مارس 2005 ، فقد تم إدخال 10 إدخالات فقط في عامي 2005 و 2006. Wellcome Trust Case Control Consortium 12 ، الذي أطلق عليه لاحقًا اسمًا رائعًا من الدبلوماسية نظرًا لتجميع البيانات المعنية 6. اعتبارًا من 29 أكتوبر 2018 ، يسجل الكتالوج 3639 ورقة بحثية فردية ، والتي تغطي 5849 مدخلًا فريدًا للدراسة (معرفات فريدة تُعزى إلى دراسات سمات محددة في ورقة) عبر 3508 مرضًا / سمة فريدة ، والتي ترسم 2532 سمة فريدة من نوعها لعامل تجريبي معين في علم الوجود. . متوسط ​​عدد الارتباطات أو الزيارات لكل دراسة هو 15.3 ، بمتوسط ص بقيمة 1.3729 × 10 –6. فقط 49451 من 89588 (55.20٪) ذكرت أن الجمعيات تلبي المعايير المعلنة ص ≤ 5 × 10 –8 ، مع بقاء معظمها داخل أو أسفل مستوى الخط الحدودي ، مع العمل الأخير الذي يشير إلى إمكانية الاسترخاء في العتبة الحالية 13. علم الوراثة الطبيعي كان الناشر الأكثر شيوعًا بمرور الوقت ، على الرغم من أنه في عام 2017 ، تم نشر GWAS بشكل متكرر بواسطة اتصالات الطبيعة. في وقت كتابة هذا التقرير ، كانت أكبر دراسة في الكتالوج تحتوي حاليًا على 1030836 موضوعًا.

نمو GWAS ، 2007-2017. تُظهر اللوحة العلوية عدد المُلحقين بالدراسة المنشورة كل ربع سنة بمرور الوقت ملونًا وفقًا لحجم العينة لإظهار نمو أكبر (100،001) ن) GWAS. تُظهر اللوحة اليسرى السفلية الارتباط الإيجابي القوي بين عدد الارتباطات التي تم العثور عليها وعدد المشاركين في GWAS بمرور الوقت. تُظهر اللوحة اليمنى السفلية النمو في عدد السمات الفريدة التي تم فحصها بالإضافة إلى عدد المجلات الفريدة التي تنشر GWAS بمرور الوقت. تم تحديد 2007–2017 نظرًا لحدوث 10 إدخالات فقط قبل عام 2007. تحتوي كل لوحة على سنوات تقويمية كاملة فقط. المصدر: NHGRI-EBI GWAS Catalog


شكر وتقدير

تارا المحيطات (والتي تشمل تارا المحيطات و تارا لم تكن حملات أوشنز بولار سيركل) موجودة بدون قيادة مؤسسة تارا أوشن والدعم المستمر من 23 معهدًا (https://oceans.taraexpeditions.org/). يشكر المؤلفون كذلك التزام الجهات الراعية التالية: CNRS الفرنسية (ولا سيما Groupement de Recherche GDR3280 واتحاد البحوث لدراسة بيئة أنظمة المحيطات العالمية وتطورها FR2022 /تارا GOSEE) ، والمرفق الفرنسي للبيئة العالمية (FFEM) ، ومختبر البيولوجيا الجزيئية الأوروبي ، و Genoscope / CEA ، ووزارة الأبحاث الفرنسية ، وبرامج الاستثمار الحكومية الفرنسية OCEANOMICS (ANR-11-BTBR-0008) ، فرنسا GENOMIQUE (ANR-10-INBS-09-08) و MEMO LIFE (ANR-10-LABX-54) ، جامعة أبحاث PSL (ANR-11-IDEX-0001-02) و EMBRC-France (ANR-10-INBS- 02). تمويل جمع ومعالجة تارا تم توفير مجموعة بيانات المحيطات من قبل برنامج ناسا لبيولوجيا المحيطات والكيمياء الحيوية بموجب منح NNX11AQ14G و NNX09AU43G و NNX13AE58G و NNX15AC08G (إلى جامعة ماين) ، وكرسي أبحاث التميز الكندي في الاستشعار عن بعد للحدود القطبية الجديدة الكندية ومؤسسة كندا للابتكار. يشكر المؤلفون أيضا أغنيس ب. وإي بورجوا ، ومؤسسة الأمير ألبرت الثاني دي موناكو ، ومؤسسة Veolia Foundation ، ومنطقة Bretagne ، و Lorient Agglomeration ، و Serge Ferrari ، و Worldcourier ، و KAUST للدعم والالتزام. تم إجراء جهود أخذ العينات العالمية من خلال عدد لا يحصى من العلماء وطاقم العمل الذين قاموا بأخذ العينات على متن تارا من عام 2009 إلى عام 2013 ، ويشكر المؤلفون MERCATOR-CORIOLIS و ACRI-ST لتوفير بيانات الأقمار الصناعية اليومية خلال الرحلات الاستكشافية. كما يعرب المؤلفون عن امتنانهم للبلدان التي تكرمت بمنحها الإذن بأخذ العينات. يشكر المؤلفون N. Le Bescot و N. Henry على مساعدتهم في تصميم الأشكال في هذه المقالة. سي. شكرًا لمنصة Roscoff Bioinformatics ABiMS (http://abims.sb-roscoff.fr). يشكر S. Sunagawa المختبر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية ومرافق الحوسبة عالية الأداء التابعة لـ ETH Zürich على الدعم الحسابي. يقر C.B. بالتمويل من مجلس البحوث الأوروبي في إطار برنامج Horizon 2020 للبحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي (اتفاقية المنحة 835067) وكذلك معهد Radcliffe للدراسات المتقدمة بجامعة هارفارد للحصول على زمالة الباحث خلال العام الدراسي 2016-2017. م. شكرًا لمؤسسة Gordon and Betty Moore (الجائزة 3790) ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (جوائز OCE # 1536989 و OCE # 1829831) بالإضافة إلى كمبيوتر أوهايو العملاق للدعم الحسابي. S.G.A. بفضل وزارة الاقتصاد والتنافسية الإسبانية (CTM2017-87736-R). ف. أشكر المعهد الجامعي الفرنسي وكذلك منصة EMBRC PIQv لتحليل الصور. S. Sunagawa مدعوم من ETH Zürich ومؤسسة Helmut Horten وبتمويل من المؤسسة الوطنية السويسرية (205321_184955). يعلن المؤلفون أن جميع البيانات الواردة هنا متاحة بالكامل ومجانية من تاريخ النشر ، دون قيود ، وأن جميع التحليلات والمنشورات وملكية البيانات خالية من التشابك القانوني أو التقييد من قبل الدول المختلفة التي يوجد في مياهها تارا أجريت بعثات المحيطات أخذ العينات. هذه المقالة هي مساهمة رقم 100 من تارا المحيطات.


لأحدث الأحداث ، تحقق من موجز تويتر أدناه.

نحن نبحث دائمًا عن طلاب جدد يمكنهم أن يجلبوا التنوع والحماس والتفاني في المختبر.

نحن نؤمن بشدة بأهمية خلق بيئة داعمة شاملة لجميع أعضاء المختبر. لتحقيق ذلك ، نطلب من جميع أعضاء المختبر التوقيع على وثيقة توضح توقعاتنا لجميع أعضاء المختبر. تتضمن هذه الوثيقة البيانات التالية:

  • سأشارك في اجتماعات المعمل الأسبوعية ونوادي المجلات.
  • سأحضر ندوات الإدارات و IDP.
  • سوف أستعد لاجتماعاتنا الدورية حول التقدم / المزالق
  • سوف أقوم بتدقيق قراءة المخطوطات من أعضاء المختبر الآخرين.
  • سأحتفظ بمجموعة من الملاحظات المعملية ، بما في ذلك أدلة البيانات ، والرموز المشروحة والإصدارات ، والأساليب التفصيلية. ستكون ملاحظات المختبر كافية لإعادة إنتاج النتائج بدون تعليمات إضافية.
  • سأشارك في مسؤوليات المختبر العامة (صيانة الخنفساء ، وصيانة المناطق المشتركة ، وفعاليات التوعية المجتمعية).
  • بصفتي طالب دراسات عليا ، سأكون متاحًا في المختبر / المكتب معظم الأيام من 9:00 إلى 17:00.
  • بصفتي باحثًا جامعيًا ، أخصص ما لا يقل عن 10 ساعات في الأسبوع للبحث وسألتزم بفصلين دراسيين للعمل في المختبر.
  • أنا أقدر التنوع في الخلفية الفكرية والعرق والجنس والهوية.
  • سأعامل كل الآخرين باحترام وكرامة.

هل تنبئ مهارات الرياضيات المتقدمة بالنجاح في درجات علم الأحياء والكيمياء؟

كان الاستعداد الرياضي لطلاب البكالوريوس موضوع نقاش لبعض الوقت. تبحث هذه الورقة في العلاقة بين التحصيل الدراسي للرياضيات ونتائج الدرجات العلمية في علم الأحياء والكيمياء عبر إنجلترا ، وهو نطاق تحليل أكبر بكثير مما تم الإبلاغ عنه حتى الآن في الأدبيات. تُستخدم مجموعة بيانات فريدة تربط قاعدة بيانات الطلاب الوطنية في إنجلترا (NPD) وبيانات وكالة إحصاءات التعليم العالي (HESA) لتتبع المسارات التعليمية لمجموعة وطنية من الأطفال في سن 16 عامًا من خلال برامجهم المدرسية والدرجات العلمية. تشير نماذج الانحدار متعدد المستويات إلى أن الطلاب الذين أكملوا مؤهلات الرياضيات المتقدمة قبل دراستهم الجامعية لعلم الأحياء والكيمياء لم يكن من المرجح أن يحصلوا على أفضل النتائج من أولئك الذين ليس لديهم رياضيات متقدمة. ومع ذلك ، تشير النماذج إلى أن النجاح في الكيمياء المتقدمة في المدرسة يتوقع نتائج في علم الأحياء الجامعي والعكس صحيح. هناك اختلافات مهمة في الخلفية الاجتماعية وتأثير الجامعة الملتحق بها كبير. نناقش مجموعة من التفسيرات المحتملة لهذه النتائج.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


سباقات الخيول تزداد سرعة

خلصت الدراسات السابقة إلى أن سرعة حصان السباق الأصيل تتحسن ببطء شديد ، إن وجدت ، على الرغم من التباين الوراثي في ​​الأداء والتكاثر الانتقائي المكثف المفترض. وقد أدى ذلك إلى اقتراح أن أحصنة السباق قد وصلت إلى حد الاختيار. ومع ذلك ، كانت الدراسات السابقة محدودة ، حيث ركزت فقط على أوقات الفوز في عدد قليل من سباقات النخبة التي تمتد عبر مسافات متوسطة وطويلة ، وفشلت في حساب العوامل المربكة المحتملة. باستخدام مجموعة بيانات أكبر بكثير تغطي النطاق الكامل لمسافات السباق وتحسب التباين في عوامل مثل نعومة الأرض ، نظهر أن التحسين ، في الواقع ، مستمر للسكان ككل ، ولكن مدفوعًا إلى حد كبير بزيادة السرعة في سباقات العدو. في المقابل ، يبدو أن السرعة على مسافات متوسطة وطويلة ، على الأقل على مستوى النخبة ، قد وصلت إلى خط مقارب. لا يزال يتعين تحديد ما إذا كان هذا يعكس حدًا للاختيار للسرعة على مسافات متوسطة وطويلة أو تحولًا في ممارسات التكاثر لاستهداف أداء العدو.

1 المقدمة

تم تسجيل أوقات الفوز في بعض سباقات الخيول الأصيلة في بريطانيا العظمى (GB) منذ منتصف القرن التاسع عشر. في الوقت الحاضر ، يتم تسجيل أوقات الفوز لجميع السباقات ، ويمكن استنتاج أوقات فوز الخيول. والجدير بالذكر أن الدراسات القليلة لتحليل التغيرات الزمنية في الأداء قد أبلغت عن تحسن طفيف في الآونة الأخيرة في أوقات الفوز بسباقات النخبة في GB [1،2]. وبالمثل ، أفادت دراسة أجريت على أعظم ثلاثة سباقات في أمريكا بعدم وجود زيادة في سرعة الفوز منذ أوائل السبعينيات [3] ، وخلصت إلى أن خيول السباق ستصل إلى السرعة القصوى في القريب العاجل. تم التوصل إلى هذا الاستنتاج أيضًا في دراسة لأفضل العروض على مستوى العالم [4]. يعتبر نقص التحسن ملفتًا للنظر نظرًا للتكاثر الانتقائي المكثف المفترض [5] وتقديرات التوريث العالية لصفات الأداء [4-6] ، مما أدى إلى الاقتراح بأن السلالات الأصيلة قد وصلت إلى حد الاختيار [3،4،7-9]. ومع ذلك ، كانت الدراسات السابقة محدودة. أولاً ، قاموا بتحليل وقت الفوز (أو السرعة) فقط لعدد صغير من سباقات النخبة للمسافات المتوسطة والطويلة. ثانيًا ، لم يؤخذ في الاعتبار الاختلاف الزمني في العوامل المربكة المحتملة مثل نعومة الأرض [1-4]. هنا ، نتناول هذه القيود لاختبار وتوصيف التحسين ، سواء على مستوى النخبة أو في عدد خيول السباق ككل.

2. الطرق

تم الحصول على البيانات من دليل راف للعشب (1850–1951 الطبعات السنوية) ، و Raceform شقة سنوية (1949-1994) و Raceform Interactive (1996-2012 www.raceform.co.uk). قمنا فقط بتضمين سباقات GB المسطحة التي يتم تشغيلها على العشب. بمعدل 48 (نطاق 11-106) سباقات النخبة (يطلق عليها سباقات "المجموعة" منذ عام 1971) سنويًا في 47 عامًا بين 1850 و 1996 (إجمالي 2243 سباقًا) ، سجلنا: وقت الفوز ، طريقة التوقيت (توقيت يدوي أو آلي) ، مسافة السباق ، مضمار السباق ، الذهاب الرسمي (نعومة الأرض) ، عدد العدائين (عدد المتسابقين) واسم الفائز وعمره وجنسه. تم تحويل "Going" من وصفها الرسمي (القاطع) إلى مقياس رقمي باستخدام جداول التحويل المتوفرة على www.britishhorseracing.com/wp-content/uploads/2014/03/Going-Stick-Average-Readings.pdf. قمنا بجمع بيانات مماثلة لمجموعة أكبر من السباقات (& GT50000 النخبة وغيرها) التي تقام كل عام بين عامي 1997 و 2012. بالنسبة لهذه السباقات ، تم تقدير أوقات الخيول المهزومة بناءً على مسافات الضرب ومقاييس التحويل المنشورة على www.britishhorseracing.com/ wp-content / uploads / 2014/04 / Lengths-Per-Second-Scale-Tables.pdf. تضم مجموعة البيانات الكاملة 616084 وقت سباق يديرها 70388 حصانًا.

قمنا بنمذجة السرعة باستخدام نماذج ذات تأثير خطي مختلط تم تركيبها على مجموعات بيانات مختلفة فيما يتعلق بـ: السباقات منذ عام 1850 مقابل عام 1997 ، وإدراج بيانات الفائزين مقابل جميع الفائزين من جميع السباقات مقابل سباقات النخبة وبيانات من العدو (5-7 فيرلنغ) ، وسطي (8– 12 غلوة) وسباقات المسافات الطويلة (14-20 فرلنغ) (الجدول 1). لكل مجموعة بيانات ، قمنا أولاً بتركيب النموذج 1 كـ

الجدول 1. المعدلات الخطية لتحسين السرعة المقدرة من مجموعات البيانات من النموذج 1. تقديرات المعلمات مأخوذة من نماذج REML مع تركيب السنة كمتغير مشترك مستمر. يتم الاستدلال من خلال مقارنة الاحتمالية بين النماذج الكاملة والمختصرة التي يوفرها ML (انظر النص للحصول على التفاصيل).

يختبر النموذج 1 تحسينًا بسيطًا (خطيًا) في السرعة المتوسطة على اختلاف المسافة داخل كل مجموعة بيانات. لتحديد أنماط التغيير الزمني دون افتراض علاقة خطية (أو بارامترية أخرى) ، ولتمييز معدلات التحسين بشكل صريح كدالة لمسافة السباق ، قمنا بتركيب نموذج معدل (نموذج 2) مع تأثير السنة كعامل متعدد المستويات وإدراج من العام (مستمر) حسب المسافة والسنة بالتفاعلات المسافة 2. تم الإبلاغ سابقًا عن التحسن غير الخطي (2،3،4) وبما يتفق مع هذا ، إعادة صياغة النموذج 1 الذي يعامل السنة كعامل محسّن يناسب النموذج (على سبيل المثال ، AIC = 132.9 تحليل 1850 - 2012 لم يتم تقديم النتائج الكاملة للفائزين من النخبة). تم تركيب النموذج 2 على مجموعات بيانات مختلفة فيما يتعلق بما يلي: السباقات منذ عام 1850 مقابل 1997 إدراج الفائزين مقابل جميع بيانات الفائزين من جميع السباقات مقابل سباقات النخبة (الجدول 2) ، وتم استخدامه للتنبؤ بمتوسط ​​السرعة حسب السنة عند 6 و 10 و 17 فرلنغًا ( تمثل العدو ، والمسافات المتوسطة والطويلة). تم تقييم أهمية تأثير الحصان من خلال اختبار نسبة الاحتمالية وتم تقسيم التباين بين الخيول على التباين الظاهري (المشروط بالتأثيرات الثابتة) لتقدير قابلية تكرار السرعة (بين الخيول).

الجدول 2. المعدلات المتوقعة لتحسين السرعة عند 6 و 10 و 17 غلوة محددة من النموذج 2 المجهز بمجموعات البيانات. يتم التعبير عن متوسط ​​التحسن السنوي بالوحدات المطلقة (ياردات s 1 سنة −1) وكنسبة مئوية من السرعة في السنة الأولى من التحليل (1850 أو 1997).

3. النتائج

تحسن متوسط ​​سرعة حصان السباق تاريخيًا (منذ عام 1850) ويستمر في الزيادة (منذ عام 1997 الجدول 1). في إطار النموذج 1 ، كانت تأثيرات السنة إيجابية في جميع مجموعات البيانات الخمسة عشر التي تم فحصها وكانت مهمة في جميع مجموعات البيانات باستثناء واحدة (الفائزون في سباقات النخبة ، سباقات المسافات الطويلة ، 1997-2012). ومع ذلك ، تم الكشف عن صورة أكثر دقة في النموذج 2. أولاً ، لم يكن التحسين التاريخي خطيًا (الشكل 1). حدث تحسن سريع من أواخر القرن التاسع عشر إلى عام 1910 ، تلاه ركود مقارن حتى عام 1975 ، ثم معدلات أعلى نسبيًا منذ ذلك الحين. ثانيًا ، التفاعلات الهامة بين العام (المستمر) والمسافة / المسافة 2 (|ض| & GT 1.96 ، ص & lt 0.05 المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدول S1) تعني أنه بين عامي 1850 و 2012 ، تحسن الفائزون بسباق النخبة بسرعة أكبر على مسافات أقصر (الشكل 1) من حيث القيمة المطلقة والنسبة المئوية. على سبيل المثال ، كانت الزيادات المتوقعة في السرعة عند 6 و 10 و 17 فرلنغًا ، على التوالي ، 2.11 و 1.69 و 1.49 ياردة ثانية -1 ، مما يمثل زيادات قدرها 12.9٪ و 10.6٪ و 9.7٪ بالنسبة للسرعة في عام 1850 (أو متوسط ​​المكاسب السنوية لـ حوالي 0.080٪ ، 0.065٪ و 0.060٪ جدول 2).

الشكل 1. أنماط التغيير الزمني في سرعات الفائزين بسباق النخبة منذ عام 1850. تمثل الدوائر والمربعات والمثلثات متوسط ​​السرعة المتوقعة من النموذج 2 عند 6 و 10 و 17 فرلنغًا على التوالي (تشير الأعمدة إلى ± 1 ثانية).

يُظهر فحص تنبؤات النموذج لبيانات 1997-2012 بمزيد من التفصيل أنه بينما يستمر الفائزون بسباقات النخبة في التحسن ، فإن هذا مدفوع بالكامل تقريبًا بسباقات العدو مع زيادة سرعة الفوز بمتوسط ​​0.110٪ سنويًا منذ عام 1997 (الجدول 2). تم تقدير متوسط ​​التغييرات المقابلة في سرعة فوز النخبة على المسافات المتوسطة والطويلة بـ 0.020٪ و 0.009٪ سنويًا ، على التوالي (الجدول 2 والشكل 2أ). تتشابه الأنماط النوعية إلى حد كبير باستخدام البيانات من جميع الفائزين في سباقات النخبة (الشكل 2ب) ، الفائزين من جميع الأجناس (الشكل 2ج) وجميع الفائزين في جميع السباقات (الشكل 2د). في جميع الحالات ، يكون التحسين أسرع في سباقات السرعة. على سبيل المثال ، زادت سرعة الفوز لجميع السباقات بمتوسط ​​تقديري قدره 0.062٪ و 0.037٪ و 0.022٪ سنويًا (من قيم 1997) بمعدل 6 و 10 و 17 فيرلونجًا على التوالي (الجدول 2). المعدلات المقدرة أعلى قليلاً عند 0.090٪ و 0.065٪ و 0.034٪ سنويًا عند النظر في جميع السباقات في جميع السباقات من 1997 إلى 2012 (الجدول 2). انظر المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدول S1 لتقديرات المعلمات الكاملة (الثابتة) تحت النموذج 2 والمواد التكميلية الإلكترونية ، الجدول S2 للسرعة المتوقعة حسب السنة عند 6 و 10 و 17 فيرلونغ. يتم توفير تقديرات التكرار بين الخيول في المواد التكميلية الإلكترونية ، الجدول S3.

الشكل 2. أنماط التغيير الزمني في سرعات (أ) الفائزون بسباق النخبة منذ عام 1997 ، (ب) الفائزون بسباق النخبة منذ عام 1997 ، (ج) جميع الفائزين بالسباق منذ عام 1997 ، (د) جميع المتسابقين الذين أنهوا السباق منذ عام 1997. تمثل الدوائر والمربعات والمثلثات متوسط ​​السرعة (بالنسبة لمتوسط ​​1997) المتوقعة من النموذج 2 عند 6 و 10 و 17 فورلنغ ، على التوالي (تشير الأعمدة إلى ± 1 ثانية).

4. مناقشة

تظهر تحليلاتنا أن سرعات الفوز بسباق النخبة قد تحسنت بشكل كبير منذ عام 1850. علاوة على ذلك ، تكشف بيانات 1997-2012 أن هذا التحسن مستمر ، ولكن الأهم من ذلك أن المعدلات تختلف عبر المسافات. التحسين المعاصر منخفض للمسافات المتوسطة والطويلة ، لكن سرعة الفوز في سباقات العدو السريع تتجاوز في الواقع المعدلات التاريخية المقدرة. يظهر نمط مماثل عندما يتم تضمين جميع النخبة ، وإذا تم النظر في عدد أكبر من فناني الأداء من غير النخبة.

خلصت ثلاث دراسات حديثة إلى أن خيول السباق (أو قريبة جدًا من) السرعة القصوى [2-4] ، مع تقرير رابع عن تحسن مستمر متواضع (على الرغم من أن التغيير الهام كان مقتصرًا على 4 من أصل 11 سلالة تم تحليلها [1]). بالنظر إلى أن هذه الدراسات اقتصرت على سباقات النخبة التي تجري على مسافات متوسطة وطويلة ، فإن نتائجنا متسقة على نطاق واسع (من حيث معدلات التحسين) حتى لو كان استنتاجنا النوعي - أن الخيول نكون لا تزال تزداد سرعة - أمر مختلف. من المحتمل أن يعكس التناقض النوعي قوتنا الإحصائية الأكبر جنبًا إلى جنب مع النمذجة الصريحة للعوامل البيئية المعروفة [10] أو التي يُفترض أنها تؤثر على السرعة. التحسن المستمر في أداء العدو السريع ، الذي لم يتم تحليله مسبقًا ، أسرع بكثير. بين عامي 1997 و 2012 ، زادت سرعة الفوز في سباقات 6-فيرلونج النخبة بنحو 0.110٪ سنويًا ، وهو ما يقابل تحسنًا في وقت الفوز المتوقع من 72.92 إلى 71.74 ثانية. على أرض جيدة ، فإن اختلاف 1.18 ثانية يتوافق مع أكثر من سبعة أطوال للخيول (www.britishhorseracing.com/wp-content/uploads/2014/04/Lengths-Per-Second-Scale-tables.pdf) ، وهو هامش مميز بالنظر إلى ذلك حسبنا متوسط ​​مسافة الفوز بست سباقات فورلونج بين عامي 1997 و 2012 ليكون 1.28 طولًا فقط.

هناك العديد من التفسيرات المحتملة لسرعة سباق العدو المستمر في التحسن بسرعة بالنسبة لسباقات المسافات المتوسطة والطويلة. قد يصل أداء حصان السباق على مسافات أطول إلى حد الاختيار كما تم اقتراحه سابقًا [3،4،7-9] ، لكننا نلاحظ أيضًا أن تركيز التكاثر في GB ربما تحول أيضًا نحو إنتاج خيول العدو. بشكل عام ، يجب الحرص على عدم عزو التغييرات في السرعة إلى التكاثر وحده. على سبيل المثال ، عزا Pfau التحسن السريع للغاية في أوائل القرن العشرين (الشكل 1) وآخرون. [11] إلى مقدمة (في عام 1897) والتبني العالمي (بحلول عام 1910) لأسلوب ركوب متغير. قد تكون التغييرات الإضافية في أسلوب الركوب قد سهلت تحسنًا سريعًا نسبيًا بين منتصف السبعينيات ومنتصف التسعينيات حيث تم تبني الموقف الذي ابتكره الفارس ليستر بيجوت [12]. ومع ذلك ، فقد حدث أيضًا تسويق تربية خيول السباق خلال هذه الفترة ، مع زيادة استيراد الخيول الأمريكية المرباة جيدًا [13]. نلاحظ أيضًا أن تكتيكات الفارس تؤثر بلا شك على سرعة السباق ونقر بأنه لا يمكننا التحكم في جميع المتغيرات المربكة المحتملة. على سبيل المثال ، اخترنا عدم تضمين أوزان الإعاقة في نموذجنا لأنه كان مرتبكًا بهوية الحصان ، حيث يميل المتسابقون الأفضل إلى تحمل المزيد من الوزن. ومع ذلك ، زاد متوسط ​​الوزن المحمول فعليًا بين عامي 1997 و 2012 في كلا سباقي النخبة (يقدر بـ 0.194 ± 0.006 رطل في السنة -1 ، F1,19193 = 1183, ص & lt 0.001) وعبر جميع الأجناس (عند 0.255 ± 0.002 رطل في السنة -1 ، F1,613839 = 14956, ص & lt 0.001 مادة تكميلية إلكترونية ، الشكل S1). نظرًا لأن زيادة الوزن يجب أن تقلل السرعة ، فمن المحتمل أن يخفي هذا التحسن الجيني الأساسي.


مناقشة

لقد طورنا أجهزة وبرامج ذات صلة تسمح بالتجميع السريع والتجزئة لكمية غير مسبوقة من أغاني التودد من D. melanogaster. لقد أوضحنا قوة هذا النظام من خلال تحليل عينة كبيرة من الأغاني من خمس سلالات من النوع البري. تعرض جميع معلمات الأغنية التي قمنا بفحصها تباينًا بين الأفراد ، وبين الأفراد ، وبين السلالات. تُظهر جميع جوانب الأغنية تقريبًا عدم التجانس بين السلالات. نظرًا لأن هذه السلالات الخمس تمثل عزلات مستقلة من الطبيعة ، ولأن جميع السلالات عولجت بشكل متماثل في المختبر ، فإن الاختلاف بين السلالات على الأرجح ناتج عن الاختلافات الجينية بين السلالات [30]. بالإضافة إلى ذلك ، كانت ميزات الأغنية المنفصلة إما مرتبطة بشكل ضعيف أو غير مرتبطة (الجدول S1 في ملف إضافي 3) ، مما يشير إلى أن هذه السلالات تفصل بين المتغيرات الجينية المتعددة التي يمكن أن تؤثر على كل ميزة أغنية بشكل مستقل. تتوافق هذه الملاحظة مع الدراسات الأخرى التي كشفت أن العديد من المواقع تساهم في تنوع الأغنية [13 ، 31 ، 32]. تتوافق هذه الملاحظات أيضًا مع التنوع الشديد لأغاني التودد الموجودة بين الأنواع من الجنس ذبابة الفاكهة [3, 4, 10].

أفادت الدراسات السابقة لأغنية التودد بوجود دورة دورية للفاصل بين النبضات وأن تكرار هذه الدورة يتأثر بالطفرات في فترة موضع [9 ، 23]. علاوة على ذلك ، تم الإبلاغ عن اختلاف هذا الإيقاع بين الأنواع وثيقة الصلة ، على الأقل جزئيًا نتيجة للاختلاف الطبيعي في فترة موضع [21 ، 22]. أثبت وجود هذه الإيقاعات أنه مثير للجدل وأفادت عدة مجموعات أنها غير قادرة على اكتشاف الإيقاع [33 ، 34]. إحدى السمات المميزة لهذه الدراسات السابقة هي أنها اشتملت جميعها على مجموعات بيانات ذات حجم متواضع ، ولا شيء مناسب لتقدير الإيقاعات بفترات بترتيب عشرات الثواني [24]. علاوة على ذلك ، استخدمت معظم الدراسات تقنيات التحليل الطيفي غير المناسبة لبيانات السلاسل الزمنية التي تم أخذ عينات منها على فترات غير منتظمة. تم التغلب على هذا القيد للتحليل الطيفي الكلاسيكي من خلال تطوير مناهج جديدة بواسطة Lomb و Scargle والتي تسمح بالكشف الفعال عن الإيقاعات في بيانات السلاسل الزمنية غير المنتظمة. بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بإنشاء مجموعات بيانات حيث أنتج معظم الأفراد أكثر من 300 نقطة عينة ، والتي تم اقتراحها هي الحد الأدنى المطلق لحجم العينة المطلوب لتقدير قوة كبيرة ضمن نطاق طيفي معين [35]. لم نكتشف أي دليل على وجود دورات دورية للفاصل الزمني بين النبضات بأي تردد (الشكل 5). أكدت عمليات المحاكاة التي أجريناها أن مجموعة البيانات الخاصة بنا كانت ذات حجم كافٍ للعثور على هذه الإيقاعات إذا كانت موجودة. لذلك يجب أن نستنتج أن الذباب الذي يغني في أجهزتنا لا ينتج دورات دورية للفاصل بين النبضات وأن هذه الظاهرة ليست متاحة لنا لمزيد من الدراسة.

نظرًا لصعوبة اكتشاف الاتجاهات طويلة المدى في الفاصل الزمني بين النبضات ، فقد فوجئنا بالعثور على العديد من التعديلات الزمنية في تردد ناقل القطار الجيبي. أولاً ، يميل ذكور الذباب إلى زيادة تردد ناقل الجيب على القطارات القليلة الأولى من نوبة الأغنية ، وهذا التأثير خاص بالقطارات الجيبية. نظرًا لعدم وجود اتجاه مشابه للتغيرات في تردد النبض ، يبدو أن ذكور الذباب يعدل تردد ناقل الجيب بشكل مستقل عن القيود المادية على اهتزاز الجناح. بالإضافة إلى ذلك ، يشير التعديل المستقل لتردد قطار الجيب وتردد النبض إلى أن هذين الأسلوبين من الأغنية يتم إنتاجهما بواسطة آليات مختلفة. تتناقض هذه النتائج مع اقتراح إيوينج ، الذي اقترح أن البقول تتولد عن ترطيب أغنية جيبية [36 ، 37].

اكتشفنا أيضًا أن ذكور الذباب يعدل تردد حامل الجيب على نطاقات زمنية أطول. على مدار جلسة التسجيل بأكملها البالغة 14 دقيقة ، مال متوسط ​​التردد الأساسي الجيبي إلى الزيادة في معظم التسجيلات (الشكل 6 د ، هـ). بالإضافة إلى ذلك ، عرضت مدة نوبة الأغنية ومدة القطار الجيبي أيضًا اتجاهات خطية خلال هذا النطاق الزمني (الشكل 6 هـ). تشير نتائجنا إلى أن أغنية الطيران ، والأغنية الجيبية على وجه الخصوص ، تحتوي على أنماط على نطاقات زمنية متعددة. يبقى أن نرى مقدار هذا التباين الذي تم اكتشافه واستخدامه من قبل الإناث للتمييز بين الزوجين.

لاحظنا تباينًا كبيرًا في العديد من الديناميكيات الزمنية للأغنية ، مثل فترات التوقف بين النوبات وأطوال النوبات والقطارات. هذا التباين الزمني في هيكل أغنية التودد يتناقض بشكل حاد مع الأغاني النمطيّة للغاية للحشرات الأخرى ، مثل الصراصير والجنادب [38]. حاليًا ، ليس من الواضح كيفية التباين في ذبابة الفاكهة يتم إنشاء أغنية الخطوبة على المستوى العصبي. قد ينتقل ذكور الذباب بين مولدين للنمط المركزي لإنتاج قطارات جيبية ونبضية ، وهي آلية اقترحها الاختلاف الجيني المستقل ظاهريًا لمعلمات الجيب والنبض ، لكننا لا نعرف ما الذي يحدد طول الوقت الذي يقضيه في كل وضع. نشك في أن أنماط القطارات الجيبية والنبضية قد تكون مرتبطة بديناميكيات سلوك التودد ، وعلى وجه الخصوص بالتفاعل بين الذكر والأنثى ، كما تم اقتراحه مؤخرًا [39].

الأدوات المعدلة وراثيا الجديدة المتاحة في D. melanogaster provide the opportunity to manipulate sparse subsets of neurons to interrogate neural networks [40]. Our platform provides the opportunity to perform a systematic analysis of the neural basis for courtship song, even for neurons that contribute only subtle, quantitative aspects to song. In preliminary studies, we have found that our hardware and software can be employed, with minor modifications, to record and analyze song from several other species of ذبابة الفاكهة. We expect, therefore, that our platform will accelerate research on the genetic and neural basis for song within D. melanogaster and also will aid studies on song evolution.


Developing Pedagogical Content Knowledge: Lessons Learned from Intervention Studies

Pedagogical content knowledge (PCK) is generally accepted as positively impacting teaching quality and student learning. Therefore, research on PCK development in (prospective) teachers is highly relevant. Based on a search in three databases (ERIC, PsycInfo, and Web of Science), a systematic review is conducted on intervention studies aiming at PCK development. The research questions are threefold: (1) How are the studies designed? (2) How are the interventions designed? and (3) What elements of interventions contribute to PCK development? The results show that most intervention studies are conducted in math and science education and use a qualitative methodology. Reflection, PCK courses, contact with other teachers, and experiences in educational practice are typically part of effective interventions. The review enables the identification of clear guidelines that may strengthen future research on stimulating PCK.

1 المقدمة

Shulman [1] introduced the concept “pedagogical content knowledge” (PCK) as a possible answer to the so-called “missing paradigm” in research and practice on teaching. Teaching was either approached by only focusing on content or by exclusively focusing on pedagogy. Shulman believed that neither approach grasped every aspect of teachers’ knowledge base. Hence, he defined PCK as “that special amalgam of content and pedagogy that is uniquely the province of teachers, their own special form of professional understanding”, p. 8 [2]. The two main components that Shulman [1] distinguished in PCK were, on the one hand, the most useful forms of representing the topics in one’s subject area and, on the other hand, an understanding of what makes the learning of these topics easy or difficult for students. Besides PCK, he considered other categories in teachers’ knowledge base, that is, content knowledge (CK), general pedagogical knowledge (PK), curriculum knowledge, knowledge of learners and their characteristics, knowledge of educational contexts, and knowledge of educational ends, purposes, and values [2].

Since Shulman’s introduction of PCK, the concept has been adopted by various researchers, resulting in both theoretical developments and empirical research. Several authors elaborated Shulman’s initial framework of PCK. Grossman [3], who studied PCK in the context of language, added two other components to Shulman’s original PCK components, that is, knowledge of curriculum and knowledge of purposes for teaching. Another elaboration that has been very influential in the context of science education is the model of Magnusson et al. [4]. This model added three components to the original ones of Shulman, that is, orientation to teaching science (i.e., knowledge and beliefs about purposes and goals for teaching), knowledge of science curricula, and knowledge of assessment of scientific literacy. Within the context of mathematics, the model of Ball et al. [5], focusing on the concept “content knowledge for teaching mathematics” (CKTM), has been very influential. This model includes both PCK and CK, with each of these two parts being divided into three components. Concerning PCK, the model includes (1) knowledge of content and students, which is similar to Shulman’s knowledge of students’ (mis)conceptions, (2) knowledge of content and teaching, which is similar to Shulman’s knowledge of educational representations, and (3) knowledge of curriculum. Regarding CK, the CKTM model includes (1) common content knowledge, which is mathematical knowledge that is used in other than educational contexts, (2) specialized content knowledge, which is mathematical knowledge that is unique to teaching contexts, and (3) knowledge at the mathematical horizon, meaning being aware of how separate mathematical topics relate to each other.

Recently, test instruments to measure teacher cognition have been developed and used in several studies, leading to empirical confirmation of Shulman’s claim that PCK makes a difference for instructional quality and student learning. For instance, Baumert et al. [6] found a significant positive effect of teachers’ CK and PCK on instructional quality (assessed by means of student ratings, teacher self-reports, and analyses of tasks) and on student progress in mathematics education (measured through an achievement test). Results even showed that PCK had greater predictive power for student progress and instructional quality than CK. In another study, Kunter et al. [7] confirmed these results. Moreover, they showed that teachers’ PCK had a positive effect on student motivation (measured through an enjoyment questionnaire). Hence, to improve the quality of education, investing in (prospective) teachers’ PCK seems to be a good strategy.

In an attempt to describe how PCK develops, several scholars have distinguished sources that contribute to PCK development [3, 8–10]. The first source is teaching experience [3, 9, 10]. Empirical studies have shown that significant improvements in PCK are made in the early months of one’s teaching career [11]. PCK courses, which aim at improving teachers’ knowledge on how to teach a subject, are the second source for PCK development [3, 8]. The third PCK source is disciplinary knowledge, that is, CK [3, 9]. Possession of CK is necessary for the presence of PCK [9, 12]. CK positively influences teachers’ decisions about the relative importance of particular subject matter and their selection and use of curriculum materials, that is, their PCK [3]. Brownlee et al. [13] showed that a course on CK had a positive influence on teachers’ content knowledge for teaching mathematics, which is related to PCK. Fourthly, “apprenticeship of observation” [14] has been distinguished as another source for PCK development [3, 8]. Apprenticeship of observation refers to the influence of teachers’ past experiences as a student on their current teaching models [3]. Unfortunately, these memories may also limit teachers to rely only on familiar curricular materials and approaches [3]. Haston and Leon-Guerrero [8] empirically showed that teachers consider their memories of past education as an important PCK source. Fifthly, teachers’ cooperation with colleagues has been described as a possible source for PCK development [8, 9]. According to Kind [9], provision of a supportive working environment that encourages collaboration may benefit teachers’ PCK development. Haston and Leon-Guerrero [8] empirically showed the importance of cooperation with colleagues for PCK development. Finally, the sixth possible source for PCK development is the importance of reflection on educational practice [10]. Kenney et al. [15] showed that reflection on writing assignments improved teachers’ PCK.

Although several scholars have mentioned PCK sources, there is still little empirical evidence on how education can contribute to PCK development. Until now, it is unclear whether the PCK sources described above have been considered in intervention research. Furthermore, it is unclear how intervention research on PCK is mainly conducted. The significance of the present study is twofold. First, it provides an overview of intervention research on PCK without being restricted to a particular disciplinary domain. Second, as it is not very clear what elements should be incorporated in interventions in order to make them effective for PCK development, the study seeks to find out these effective elements by comparing several intervention studies. In contrast to earlier studies on PCK sources, the present study makes a systematic analysis of studies that aim to develop PCK through educational interventions. Three research questions (RQs) are addressed: (RQ 1) How are intervention studies on PCK development designed? (the disciplinary context, the participants, and the research methods). (RQ 2) How are interventions that aim at PCK development designed? (the PCK sources that are addressed, the location, the main actors, and whether background characteristics are taken into account). (RQ 3) What elements of interventions that aim at PCK development are effective?

2. الطرق

A systematic review was conducted [16] using three databases (ERIC, Web of Science, and PsycInfo) because these databases include the most high-quality and relevant educational research. The databases were browsed, based on five combinations of search terms, namely, “pedagogical content knowledge AND experiment” (

), “pedagogical content knowledge AND experimental” (

), “pedagogical content knowledge AND intervention” (

), “pedagogical content knowledge AND development” (

), and “pedagogical content knowledge AND course” ( ), leading to a total of 2358 search hits. These search terms were chosen because we noticed that many different synonyms of the word “intervention” are used in educational research. Therefore, we included search terms that are often used when interventions are described. The dataset was reduced based on three criteria that are implied by the RQs. Firstly, all selected articles had to be peer-reviewed and written in English and report at least one empirical study, resulting in an exclusion of, for example, purely conceptual manuscripts. Secondly, the articles had to study the effects of an educational intervention. To define an intervention, we build on the framework of Hattie, Biggs, and Purdie [17]. We claim that interventions are educational interference that (a) differ from the educational activities that the instructor(s) involved in the study would normally organize, (b) require an outsider (e.g., the researcher) to design the intervention and study its effects, and (c) focus on the increase of a certain variable. Hattie et al. [17] included the use of an experimental design as the fourth prerequisite. This prerequisite is not included because it would limit the search results too strongly as there were only three experimental studies in the dataset. Thirdly, all selected articles had to focus on PCK. For all abstracts (and if necessary the full texts), one rater checked whether they met the criteria. In case of doubt, the papers in question were discussed with two other raters until consensus was reached. After application of the three criteria, 85 articles remained in the comprehensive dataset. Articles from this dataset are marked with one asterisk in the reference list.

The comprehensive dataset was used to answer RQ 1 (the design of the intervention studies). RQs 2 and 3 were based on a limited dataset of studies containing both pre- and posttests. This choice is made because studies of this kind allow for studying the effect of an intervention on PCK development instead of PCK at one particular moment. Therefore, the chances are higher that the effects that are found can be attributed to the intervention instead of extraneous factors. Since the aim of RQs 2 and 3 is to specifically focus on the effects of interventions, we decided to limit the dataset for these research questions to studies using both pre- and posttests. The 37 articles that are part of the limited dataset are marked with two asterisks in the reference list.

The analyses were similar for the three RQs. Firstly, in a within-case analysis, each article was analyzed separately [18]. The articles were summarized in a table, relating to (1) disciplinary domain, (2) participants (educational level, teaching experience, and number of participants), (3) research methods, (4) intervention (including PCK sources, location, and main actors), (5) background characteristics, and (6) main results. The first three categories pertain to RQ 1. The last three categories cover RQs 2 and 3. A table summarizing the articles in the limited dataset can be found in Appendix. Secondly, the within-case analyses were compared with each other in a cross-case analysis [18].

When describing PCK sources addressed in the studies, we build on the literature on sources for PCK development. When designing interventions for PCK development, it is however impossible to address PCK sources in their original meaning because interventions usually cover a shorter, delineated period of time. Therefore, in the analyses of the present study, a translation of the sources is made. “Disciplinary knowledge” is understood as all activities and courses that focus on CK. The term “PCK courses” is used to describe activities and courses focusing on PCK. Interventions addressing teaching experience include teaching and trying out new insights in a real classroom. “Contact with cooperating teachers” is understood as any contact with other people, for instance, other participants and colleagues. Interventions including reflection ask participants to systematically question past events. “Observation,” finally, is used to describe interventions in which attention is given to participants’ prior experiences as students.

3. النتائج

3.1. Design of the Studies

In Table 1, an overview is provided of the contexts of the intervention studies (the educational levels and the disciplinary domains) of the comprehensive dataset. Most studies pertained to primary or secondary education. Almost three-fourths of the studies focused on natural sciences, one-fourth on mathematics, and a few on other domains.

Table 2 describes the participants and whether quantitative, qualitative, or mixed methods were used. The studies in the dataset used both preservice (

) and in-service ( ) teachers. Within the latter group, most studies used teachers with more than five years of experience or a combination of experienced and novice teachers. A distinction is made between studies using quantitative (test or survey instruments), qualitative (interviews, document review, and observations), or mixed methodology (combining quantitative and qualitative methods). The majority used qualitative research methods, mostly combining several instruments. Particularly, interviews were often used. Qualitative methods were mostly used on smaller datasets, while quantitative methods were applied to larger datasets. All studies measured the effects of the intervention immediately after the intervention none of the studies used retention tests to measure the effects of the intervention in the long run.

3.2 Design of the Interventions

The following paragraphs focus on the limited dataset, including only studies using both pre- and posttests, because these designs allow for grasping the effects caused by the interventions instead of extraneous factors. Three aspects are described, that is, the PCK sources that are addressed, the location of the interventions, and the main actors in the interventions.

3.2.1. مصادر

The classification of PCK sources described above is used (teaching experience, PCK courses, disciplinary knowledge, observation, cooperation with colleagues, and reflection). An overview of the PCK sources in the interventions is provided in Table 3. Observation, despite being described as a PCK source by Grossman [3] and Haston and Leon-Guerrero [8], is not included in the table as no study addressed this source. Most studies covered a variety of PCK sources. PCK courses are the most common PCK source among the different interventions ( ). The contents of these courses vary across the studies, for instance, sorting tasks according to difficulty [19], an online professional development program including PCK exercises [20], or designing of a lesson plan [21]. Most interventions addressing PCK courses focused on Shulman’s [1] two components: knowledge of students’ (mis)conceptions and knowledge of educational representations. Particularly, teachers’ knowledge of student understanding was very often addressed in interventions (e.g., [22, 23]), for instance, in tasks in which student work had to be analyzed (e.g., [20, 24]). The second most used PCK source across the dataset is contact with cooperating teachers ( ). Activities addressing this source vary from online interaction with other participants [25], getting feedback from an experienced teacher [19], to group discussions [26–29]. Examples of the third most used source, teaching experience ( ), are a research project that teachers tried out in their classroom [30] or a video-based task in which lesson that was taught by the participant had to be analyzed [27]. Reflection is addressed in 17 studies. Participants reflected on learning activities (e.g., [21, 31–33]) or on feedback from peers [24]. Reflection was mostly organized through written reports (e.g., [24, 31]). Reflective group discussions [34] were part of a few interventions. The least addressed source is disciplinary knowledge (CK) ( ). An example can be found in Buchholtz and Kaiser [35], who included a phase of content exploration in their professional development program.

3.2.2. موقع

Table 4 contains the locations of the interventions and the main actors in the interventions. Concerning the locations, a distinction is made between on-site (inside a school), off-site (e.g., in a public meeting room, or at home behind a computer), or combined interventions. Most interventions were off-site (

) or combined interventions ( ).

3.2.3. Main Actors

Only the person(s) that played the most important role (the persons from whom the participant mainly learned) in the intervention is/are mentioned in Table 4. We made a distinction between experts, more experienced teachers, less experienced teachers, or the participants themselves. A person is classified as an expert when he/she has broad knowledge about the contents of the intervention due to experience in research. More and equally experienced teachers can be colleagues of the participant or teachers from other schools. When only the participants played a role in the intervention, the study was classified in “participants themselves.” Firstly, in most studies, participants mainly learned from an expert ( ). The experts were mostly authors of the study (e.g., [19, 29, 36]). In a smaller amount of interventions, the experts were other individuals, who were trained in advance for course facilitation [20, 37, 38]. In Harr et al. [39], a computer-based learning environment was used in which the computer was the expert. Secondly, six studies included learning from equally experienced teachers. In most of these studies, participants learned from whole- or small-group discussions with other (equally experienced) teachers [19, 25, 40]. Furthermore, this category includes studies consisting of a course with peer review [24], a community of practice providing constant feedback and support [38], and collaborative inquiry, in which the participants answered a question through reflection and action [33]. Thirdly, in four studies, a more experienced teacher played the main role: mentors gave feedback on participants’ educational practice [41, 42], tutors acted as professional coaches during group activities [29], and participants met with experienced teachers to share teaching and evaluation strategies [43]. Finally, in two studies, the participants themselves played the main role, by completing a portfolio assignment on their own [44] and by using different textbooks [45].

When looking simultaneously at the main actors and the locations of the interventions, the most frequent combinations are those with an expert facilitator and an off-site location, and those with an expert facilitator and both an on-site and an off-site location.

3.2.4. Background Characteristics

Only three studies in the dataset took participants’ background characteristics into account when analyzing the effects of the intervention on PCK. Davis [45] studied the impact of using two different textbooks on teachers’ PCK. He concluded that teachers’ beliefs about mathematics and their perceptions about textbooks (based on previous work with textbooks) had an influence on how teachers understood the lessons in the textbooks and what they learned from reading and planning from the textbooks. Harr et al. [39] expected a positive effect of participants’ prior knowledge on PCK and PK and their working memory on the PCK growth caused by the intervention. However, they did not find an influence of these background characteristics on PCK development. Wahbeh and Abd-El-Khalick [23] found a mediating effect of several background variables on PCK (i.e., CK, PK, attention to students’ prior knowledge, abilities to locate, adapt, and design content-related instructional resources, and nature and attributes of science understanding).

3.3 Effective Elements in the Interventions

Comparing the results of the studies in the limited dataset, it can be concluded that the majority of the studies reported a positive effect on PCK development of the intervention. 13 out of 16 quantitative studies found a significant positive effect of their intervention on PCK development [20, 25, 27, 34, 36, 37, 39–42, 46–48]. Tirosh [49] found an improvement in PCK but did not report the significance of the effect. Two quantitative studies were noneffective their intervention did not lead to a significant effect on PCK [35, 50]. All qualitative studies in the dataset reported a growth in PCK at the end of the intervention. For instance, Arbaugh and Brown [19] reported better performances of their participants on a PCK-related task that was executed during a postinterview in comparison with a preinterview. De Jong and van Driel [21] found that their participants mentioned more student difficulties in the postinterviews than in the preinterviews. McNeill and Knight [51] only found a growth on one particular aspect of PCK, measured by means of a test on teachers’ knowledge of students’ conceptions that was analyzed qualitatively using a coding scheme (i.e., on student writing, whereas no effect was found on classroom discussion), while all other qualitative studies found an improvement of PCK in general. 11 out of 13 studies spoke in terms of an increase in PCK [19, 21, 23, 26, 29, 30, 33, 44, 45, 51–53] while three studies found a change in the nature of their participants’ PCK [31, 32, 54]. Aydin et al. [31, 32] concluded that their participants moved from fragmented PCK to more integrated PCK, measured through content representations (CoRes) prepared by the participants, interviews, and reflection papers. The participants in Kinach’s study [54] shifted their rather instrumental PCK into more relational PCK, which was measured by means of several documents (i.e., written journals, written homework assignments, and transcribed video-recordings of classroom discussions). All seven studies using mixed methods found an increase in PCK on their qualitative instruments. The results based on the quantitative methods differed. Two studies reported significant PCK improvement after the intervention [28, 46]. Three studies found an increase in PCK but did not report the significance of their results [22, 38, 55]. Two studies only found a significant increase on certain subscales [24, 43]. Burton [24] found a growth in four out of five subscales, of which one was significant. Jang [43] found an increase in PCK on all four subscales, of which two were significant. These differences on the quantitative instruments show that using mixed methods leads to richer results than just focusing on one kind of methodology. The results on the qualitative measurements of these studies are nuanced by the quantitative results.

Because most studies found a positive effect of their intervention on participants’ PCK and only a small contrast in research designs between effective and noneffective studies exists, identifying effective characteristics of interventions is difficult. Nevertheless, we will summarize the results for the PCK sources, the locations, and the main actors of the interventions.

3.3.1. مصادر

The PCK sources mainly addressed in effective studies are reflection, PCK courses, teaching experience, and contact with cooperating teachers. Firstly, particularly reflection stands out as an effective PCK source. In Michalsky’s [37] intervention, the best performing condition was the one that most strongly induced reflection. Similarly, reflection was part of 16 other effective interventions. It did not play a role in the noneffective interventions. Secondly, PCK courses were part of most effective interventions and of the noneffective interventions [35, 50]. Several studies concluded that including PCK courses in interventions and explicitly introducing the concept PCK to the participants were beneficial for PCK development [31–33, 43, 53]. Thirdly, contact with cooperating teachers was included in 22 effective studies. Aydin et al. [31, 32] included several aspects in their intervention (such as design of content representations, microteaching, and educative mentoring) but concluded that the mentoring part was the most effective way to promote PCK. Fourthly, teaching experience was part of 20 effective studies and of the noneffective study of Santagata et al. [50]. In Strawhecker [48], the most effective conditions where those including a field experience. Similarly, De Jong and van Driel [21] and De Jong et al. [52] used an intervention that focused on “learning from teaching” instead of “learning of teaching,” meaning that participants learned in a way that involved real situations from practice that made learning more meaningful. Teaching practice seems to play an important role in the development of prospective teachers’ practical knowledge base. These authors argued that preservice teachers get the opportunity in teacher education to link authentic teaching experiences to educational literature on student conceptions. Finally, disciplinary knowledge was not very often addressed in effective studies ( ) and it was part of the two noneffective studies [35, 50]. Studies that did address disciplinary knowledge, or CK, mostly combined it with courses or assignments on PCK (i.e., both effective and noneffective studies). For instance, the interventions of Dash et al. [20] included information related to CK and exercises related to student understanding. In Roth et al. [40], the experimental group that followed a course on CK and a program on learning to analyze educational practice through a PCK framework outperformed the control group that only took part in the content-related course.

3.3.2. موقع

Almost all effective interventions took place off-site or combined off-site with on-site parts. However, noneffective interventions also mostly took place off-site or both off- and on-site.

3.3.3. Main Actors

Most effective interventions as well as most noneffective interventions were facilitated by an expert. In six effective studies, equally experienced teachers played a role. More experienced teachers were less prominent in effective interventions.

4. Discussion and Conclusions

This study reviewed intervention studies aiming to promote PCK development. Searching three databases (ERIC, Web of Science, and PsycInfo), a comprehensive dataset of 85 articles was used to address RQ 1: How are intervention studies on PCK development designed? A limited dataset (37 articles) was used to answer RQs 2 and 3: How are interventions that aim at PCK development designed? What elements of interventions that aim at PCK development are effective? The limited dataset only included studies with a pretest-posttest design, given the aim to examine effects of interventions.

RQ 1 aimed at giving a general overview of research on PCK interventions. Most intervention studies took place in primary and secondary natural sciences or math education, focusing on pre- and in-service teachers. The research methodology is diverse, as are sample sizes. Systematic design principles are hardly applied in designing interventions. The predominant emphasis on natural sciences and math in intervention research on PCK could be caused by the high status that society awards to these domains in comparison with other scientific domains, such as social sciences, as illustrated by the inclusion of natural sciences and math in national assessments [56]. Furthermore, there is a larger amount of general educational research on exact sciences [10]. A possible cause for this phenomenon might be that these domains follow a strong linear sequentiality, which makes them more delineated and thus easier to measure and to study [56].

RQ 2 compared the designs of the interventions. The most addressed PCK sources are PCK courses, contact with cooperating teachers, teaching experience, and reflection. The least addressed sources are disciplinary knowledge and observation. Most interventions took place off-site or combined off-site with on-site parts and were facilitated by an expert. Only three studies considered participants’ background characteristics.

Regarding RQ 3, it was difficult to isolate effective characteristics of interventions because the dataset only included two studies that did not find a positive development. Furthermore, reported designs of effective and noneffective interventions were very similar. Nevertheless, a number of general tendencies stand out. Firstly, several PCK sources were part of effective interventions. A large number of studies showed the effectiveness of reflection for PCK development. This is interesting as in the literature on PCK sources, only van Driel and Verloop [10] identified reflection as a possible source for PCK. As Monet and Etkina [46] indicated, not all kinds of reflection are beneficial for knowledge development. Writing a lot not necessarily mirrors ample learning. Only reflection that induces higher order thinking seems beneficial. This makes teachers understand their own learning process, allowing them to apply adequate techniques in their teaching practices [46]. The importance of reflection for PCK development is also mentioned by van Driel and Berry [57]. These authors claim that, in order to promote PCK development, teacher education should be closely aligned to teaching practice and hence should include the possibility for preservice teachers to try out what they have learned and to reflect on their experiences both individually and collectively. Reflection is also considered important for teacher education in general by many scholars. For instance, McIntyre [58] claimed that reflection is important in teacher education for two main reasons: (1) it promotes preservice teachers’ understanding of their own problems and needs and guides their search for solutions for these problems, and (2) it helps to develop reflection skills and habits that will be extremely useful once preservice teachers become more experienced in teaching. Furthermore, the importance of reflection has been shown empirically (e.g., [13, 59]). Brownlee et al. [13], for instance, found that students taking part in a teacher education program focusing on reflection showed more growth in sophisticated epistemological beliefs than a control group taking part in a more traditional, subject-oriented program.

PCK courses were also part of several effective interventions. Most of these interventions included courses or assignments on both student understanding and representations of subject matter. Roth et al. [40] stressed the importance of these two aspects of PCK, thereby avoiding to superficially address everything a teacher should know. Not only have PCK courses been shown to be effective in interventions but also explicitly introduced the concept PCK to the participants. This illustrates that the possibility to understand PCK as knowledge to be learned makes preservice teachers more aware of the learning process they are going through, which helps them in developing as teachers [9]. Teaching experience was part of several effective interventions. Experiences in teaching practice and contact with cooperating teachers also seem to be beneficial for PCK development.

By contrast, disciplinary knowledge was addressed less frequently in effective interventions, while it was part of both noneffective interventions. In effective interventions, it was mostly combined with PCK courses, exercises, or assignments. Hence, CK seems necessary, despite being not sufficient for PCK [12]. This does not necessarily mean that disciplinary knowledge cannot be considered as an effective PCK source. The same applies for the source “observation.” Even though none of the interventions in the dataset addressed this source, observation cannot be concluded to be an ineffective PCK source.

Secondly, most effective studies took place off-site or combined off-site with on-site parts, all guided by an expert. The importance of course facilitation by experts has been shown in several studies. Chae et al. [60] found that expert tutors elicited higher learning gains on algebra problems from students than novice tutors. In Couto et al. [61], medical students considered expert course facilitators as more effective than nonexpert facilitators regarding building knowledge, guiding the learning process, achieving cognitive learning, generating learning goals, and motivating self-study. Furthermore, Hattie et al. [17] and Dignath et al. [62] drew similar conclusions in their meta-analyses of intervention studies on general learning skills and self-regulation. Effect sizes of intervention studies were significantly higher if the intervention was organized by researchers than if it was organized by regular teachers [62]. They claimed that researchers are more concerned with the importance of self-regulated learning. For the present study, this would mean that researchers are more aware than (either more or equally experienced) teachers about the importance of PCK and therefore better succeed in promoting it. However, not all studies in the dataset allowed for drawing this conclusion.

Thirdly, two quantitative studies in the dataset did not find positive results of their intervention, which provides a warning for future intervention research [35, 50]. Particularly, problems in the design of the studies are pushed forward by the authors. Buchholtz and Kaiser [35] gave two possible explanations for the lack of differences in PCK between their intervention conditions and their control conditions (one consisting of preservice teachers not taking part in an intervention and one consisting of students in a nonteaching higher education program). First, the authors indicated some problems with their PCK instrument. It correlated highly with their CK test and the sample of nonteaching students (who also studied mathematics and hence had high CK scores) reached the highest results on the PCK pretest, which is problematic since PCK is considered as a kind of knowledge that is specific to the teaching profession [1, 2]. This illustrates the need for conceptual clarity and valid operationalization of concepts. Second, the groups that were compared were not randomly selected. Each condition represented one higher education institution. The entry requirements of the students differed, in disadvantage of the students taking part in the interventions. This problem did not occur in the experimental studies [20, 39, 50]. However, the experimental study of Santagata et al. [50] also did not find positive effects of the intervention on PCK. These authors described several possible reasons. They drew attention to their sample population, which came from a minority environment and had considerably less knowledge than the national average. As there was a lack of support from the school administrators, the participating teachers might not have tried their best when completing the measurement, which may have rendered doubtful results. It seems indicated to be careful in sampling and to look for a representative if one wants to draw conclusions that are generalizable to a large population. As a solution, the authors suggested to assess teachers’ knowledge before finalizing the design of the intervention and adapt the intervention to the participants’ knowledge level. Furthermore, the authors stressed the importance of sharing the professional development goals with the participants prior to the intervention. This conclusion corresponds to the finding in several effective studies that making the concept PCK explicit to the participants in the beginning of the intervention is beneficial for the effectivity of the intervention.

However, these conclusions should be interpreted cautiously because of several reasons. Firstly, the original meanings of the PCK sources were adapted to the context of the present study. Therefore, the conclusions that are drawn are only related to the adapted meanings of the sources. The authors of the intervention studies did not mention the sources themselves. Secondly, of the 37 studies in the dataset, 35 showed a (partially) positive development in PCK after the intervention. This might mean that most authors who designed interventions did this in a very effective way. However, this result might also be caused by publication bias. “A publication bias exists if the probability that a study reaches the literature and is thus available for combined analysis depends on the results of the study”, p. 6 [63]. Studies that did not find a positive effect of an intervention might not have been published. Thirdly, the conclusions of the present study are based on a small dataset. Furthermore, of the 37 articles that are included in the dataset, only three followed an experimental design [20, 39, 50], and four followed a quasiexperimental design [35, 37, 40, 48]. (Quasi)experimental designs limit the chance of effects to be attributed to extraneous factors. As the majority of the studies in the dataset do not meet the conditions of (quasi)experimental design, it is not sure whether the results that are found in these studies are caused by the interventions or by other variables. Fourthly, researchers mostly stayed rather implicit about their interventions. In most cases, it is not very clear what the interventions exactly comprised. It may be possible that certain sources are addressed in the interventions without being reported. For instance, Monet and Etkina [46] explained that their intervention included teacher-centered and student-centered activities, but they did not further elaborate on these activities.

It would be interesting for further intervention research on PCK to incorporate the following guidelines. Firstly, this review has particularly shown the importance of reflection for PCK development. Further intervention studies are encouraged to include reflection in their interventions. Furthermore, the present study has shown that interventions including courses or exercises on student understanding and educational representations, contact with other teachers, and experiences in educational practice are effective PCK sources. Further interventions could incorporate these elements. Secondly, making PCK explicit to participants in interventions might help them in developing as teachers. Thirdly, course facilitation by experts in the field has been shown to be effective for PCK development. Fourthly, interventions would benefit from a clear conceptualization of PCK. The way in which PCK is operationalized by the different research instruments in the dataset reveals that PCK is understood in different ways. A clear conceptualization, on which PCK instruments are based, might be a sound basis for the systematic design of an intervention. Fifthly, the use of intervention studies that apply experimental designs, compare at least two groups, and use pre- and posttesting [17] to increase the chance that effects are caused by the intervention is advocated. Sixthly, systematic instructional design principles might guide the design of the intervention to be able to exactly find out what parts of the interventions are effective. In any case, additional information is needed on how interventions are designed and what parts they comprise. Seventhly, systematically studying the impact of the different PCK sources would be interesting. Eighthly, since the majority of intervention research on PCK is conducted within the context of the exact sciences, we think it would be interesting for further research to broaden its scope to other disciplinary domains, such as languages or social sciences. Ninthly, we recommend using mixed methodology while studying the effects of educational interventions as this methodology leads to richer, more nuanced results than the use of only quantitative or qualitative methods. Finally, the studies in the dataset did not study the effects of their interventions in the long run. Therefore, it is not sure whether the effects that were found are permanent. Further research is recommended to include retention tests.


شاهد الفيديو: Explore FWD. What is Data Analysis? ايه هو مجال تحليل البيانات (كانون الثاني 2022).