Das Field Museum in Chicago hatte ein Problem: Seine zoologischen, geologischen, botanischen und anderen wissenschaftlichen Sammlungen enthielten etwa 40 Millionen Objekte, von denen die meisten nicht katalogisiert waren. Allein die botanische Pflanzensammlung enthielt mehr als 3,5 Millionen Exemplare und hatte laut Sammlungsleiter Matt Von Konrat das Potenzial, zum Verständnis des globalen Klimawandels beizutragen. Aber ohne Digitalisierung und Analyse wurde die Sammlung zu wenig für Forschungen genutzt, die Wissenschaft und Gesellschaft helfen könnten.
Auch die Roosevelt University in Chicago hatte ein Problem. Viele seiner brillanten Mathematikstudenten wollten unbedingt praktische Erfahrungen sammeln, die sie mit technologischen Werkzeugen vertraut machen und sie auf Karrieren in der Industrie vorbereiten könnten. Aber viele der Studenten hatten Jobs oder familiäre Verpflichtungen, was es schwierig machte, Praktika und Reisen zu finden, so Melanie Pivarski, Mathematikprofessorin an der Universität.
In einem Versuch, sein Problem zu lösen, rief von Konrat Pivarski an, um zu fragen, ob sein internes „Gehirn“ der statistischen und mathematischen Modellierung, wie er die Studenten nannte, ihm helfen könnte. Pivarski erwog die Möglichkeit, dass seine Hilfe auch zur Lösung seines Problems beitragen könnte, und sagte ja.
College- und Universitätsleiter preisen oft die Vorteile von Bachelor-Forschungsprogrammen an, und das aus gutem Grund. Viele dieser Führer sagen dass Studenten in diesen Programmen praktische Erfahrungen mit Datenerfassung, Technologiewerkzeugen, Forschungsmethoden und Analytik sammeln, während sie Mentoring-Beziehungen aufbauen, ihre Perspektive auf das Scheitern ändern und übertragbare Fähigkeiten entwickeln. Andere bemerken dass Undergraduate-Forscher Fähigkeiten in Kommunikation, Problemlösung, Projektmanagement, Budgetierung und Angebotserstellung erlernen. Diese Punkte sind gültig, erwähnen aber oft nicht die Begünstigten über die Studenten hinaus.
Ein neuer lernen über die Zusammenarbeit von Von Konrat und Pivarski, veröffentlicht im Juni in Forschungsideen und -ergebnisse betont, dass auch Wissenschaftler von der Bachelor-Forschung profitieren können. Die von den Studenten durch ihre Partnerschaft generierten Datensätze waren zuverlässig und für Museumsforscher sehr nützlich.
„Wir könnten niemals so viel erreichen wie einzelne Forscher“, sagte von Konrat über die Hilfe, die sein Team von Studenten und anderen Gemeindemitgliedern erhielt. „Damit konnten wir unseren gesamten Dokumentations- und Erkennungsprozess erheblich beschleunigen.“
„Obwohl die Schüler unsere wissenschaftlichen Interaktionen am Computer durchführten“, sagte Pivarski über die Zusammenarbeit, „war es wirklich klar [to them] Es handelt sich um reale Daten von einem realen Ort, und sie werden dazu beitragen, die Wissenschaft voranzubringen.
Hier ist der Hintergrund: Mit den heutigen technologischen Werkzeugen erfasste Von Konrat schnell digitalisierte Bilder der Leberblümchen-Exemplare des Museums. Leberblümchen sind kleine, kompakte, moosartige Pflanzen, die in warmen, feuchten Regionen der Welt wachsen. Laut Von Konrat waren sie die Nachkommen der ersten Pflanzen, die vor 100 Millionen Jahren den Übergang vom Wasser zum Land vollzogen. Weil sie winzig sind – etwa so groß wie eine Wimper – sind sie ökologisch empfindlich und helfen daher, Wissenschaftler über den Klimawandel zu informieren.
Aber von Konrats Bemühungen führten zu Zehntausenden von Bildern. (Wenn er fortgefahren wäre, hätte er Hunderttausende von Bildern haben können.) Die Analyse der Bilder würde jedoch viel mehr Zeit und Mühe kosten. Die riesige Anzahl von Bildern hatte einen Engpass geschaffen. Unerschrocken richtete er im Feldmuseum einen Kiosk ein, um Hilfe von Museumsbesuchern zu erhalten.
„Ich hätte nicht gedacht, dass sich die Leute für Leberblümchen begeistern würden“, sagte von Konrat und räumte ein, dass ihr Name „nicht der ansprechendste“ sei. „Aber die Leute wollen wirklich etwas zur Wissenschaft beitragen.“
Ein Besucher des Museumskiosks würde das Bild eines botanischen Exemplars auf einem Bildschirm sehen und aufgefordert werden, es zu messen. Jedes Bild wurde mehreren Besuchern präsentiert, was zu zahlreichen Messungen führte. Beispielsweise kann ein einzelnes Leberblümchenbild 80 verschiedene Messungen von 80 verschiedenen Gästen enthalten. Von Konrat war sich darüber im Klaren, dass die Gäste unterschiedlich erfolgreich darin sein würden, die Messanweisungen zu verstehen oder sogar zu befolgen. Dies bedeutete, dass einige, aber nicht alle Messungen genau waren. Er musste herausfinden, wie er ungenaue Messungen aus seinem Datensatz eliminieren konnte.
Er wandte sich an Pivarski. Könnten sie und die Studenten in Mathematik, Versicherungsmathematik, Datenanalyse und Informatik in ihrem Kurs „Industrielle Anwendungen der Mathematik“ schlechte Einträge aus ihrem Crowdsourcing-Datensatz herausfiltern? Die Forscher des Feldmuseums könnten den Datensatz nur dann für ihre Forschung verwenden, wenn er von hoher Qualität ist. Pivarski begrüßte die Herausforderung, insbesondere während der Pandemie-Isolation.
„Alle waren auf Zoom, und … auf seltsame Weise hat es uns wirklich näher gebracht“, sagte Pivarski. „Wir wollten, dass es sich in einem publikationsfähigen Zustand befindet und nicht nur in einem Bachelor-Forschungsstadium, wie es in den Vorjahren der Fall war.“ Pivarski wusste nicht sofort, wie er auf von Konrats Frage antworten sollte, was seine Studenten zu motivieren schien.
„Es gibt eine gewisse Notwendigkeit in ihrer Arbeit“, sagt sie, wenn die Lehrerin die Antwort nicht im Voraus weiß. „Es ist eine nette Sache, die man in einem Calc I-Kurs nicht wirklich haben kann.“
Pivarskis Studenten schrieben ihre eigenen Programme in Powershell (ein Programm zur Aufgabenautomatisierung und Konfigurationsverwaltung), Python (eine Programmiersprache) und Excel (eine Tabellenkalkulation), um Daten zu filtern und zu bereinigen. Ihr automatisierter Prozess umfasste mehrere Phasen der Ausreißerentfernung, wie von Konrat beabsichtigt. Am Ende stellten sie fest, dass 40 % der gesammelten Daten gelöscht werden mussten. Damit waren 60 % der Daten valide und nutzbar.
„Sie können sich vorstellen, dass das 60 % weniger ist, als wir tun müssen“, sagte von Konrat. „Wir können es für unsere Forschung nutzen.“
Die Studenten, berichtete Pivarski, leisteten nicht nur echte Forschungsarbeit, sondern machten sich auch Gedanken über die Natur und Karrieremöglichkeiten.
„Es ist eine Sache, wenn sie den Namen einer Pflanze online googeln“, sagte Pivarski. „Sie würden sagen: ‚Nun, das sieht ganz anders aus als diese [images of actual samples provided by Field Museum researchers].‘ Ihr aufkeimendes Bewusstsein dafür, dass Pflanzen in der Natur in verschiedenen Varianten vorkommen, war spürbar.
„Sie waren auch sehr neugierig darauf, wie die Proben gesammelt wurden, und auf die Aufregung internationaler Reisen, um biologische Proben zu erhalten“, sagte Pivarski.
In regelmäßigen Zoom-Calls mit den Forschern fragten sie nach der Arbeit und dem Leben der Wissenschaftler.
„Es ist wirklich eine Erfahrung, ein Praktikum zu absolvieren, ohne den ganzen Sommer mit einem Praktikum verbringen oder reisen zu müssen“, sagte Pivarski über die Gelegenheit, die der Kurs Studenten bietet, deren Arbeitszeiten und Familien normalerweise nicht an diese Erfahrungen angepasst wären. „Es gibt eine Gerechtigkeitsdimension. Jeder kann es tun.