Development of a serious game to stimulate the learning of genome-scale metabolic modeling concepts

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Main Author: Leiras, Mónica Rafaela Machado
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/92794
Summary: Dissertação de mestrado em Bioinformatics
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spelling Development of a serious game to stimulate the learning of genome-scale metabolic modeling conceptsJogos sériosModelos metabólicos à escala genómicaModelação metabólicaGenome-scale metabolic modelsMetabolic modelingSerious gamesEngenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasDissertação de mestrado em BioinformaticsO estudo de modelos metabólicos à escala genómica (GEM) e a simulação destes modelos utilizando ferramentas como o MEWpy permitem a previsão de alterações no comportamento metabólico. Isto po tencia o desenvolvimento de novos tratamentos para doenças, a criação de bioprodutos e a compreensão de processos biológicos fundamentais—todos estes fatores que moldam o futuro da sociedade. No en tanto, embora os conceitos de biologia, como os microrganismos, sejam introduzidos no plano curricular do sexto ano de escolaridade, estudos recentes apontam para uma tendência decrescente do interesse e postura dos alunos relativamente à biologia e à ciência em geral como carreira profissional. Têm surgido recentemente diversas propostas para inverter esta tendência, incluindo a utilização de jogos sérios. Aliando dinâmicas de jogo estimulantes a conceitos científicos, os jogos sérios têm-se revelado efi cazes na melhoria da transferência de conhecimentos nas crianças, em linha com literatura que evidencia que as crianças respondem particularmente bem a conteúdos digitais como vídeos e videojogos. Esta dissertação discute o desenvolvimento de LabHero, um jogo sério que visa estimular a aprendiza gem de conceitos de GEM por parte de não-bioinformáticos. O jogo foi desenvolvido com Pygame, uma biblioteca de jogos em Python, e o pacote MEWpy foi utilizado para transformar e transportar dados de simulações de modelos metabólicos para o jogo. No decurso do jogo, o jogador é incentivado com uma história cativante, que o coloca na pele de um personagem principal bioinformático, a quem são atribuídas três missões para ajudar colegas de laboratório a efetuar simulações simples de modelos metabólicos de Escherichia coli em diversos cenários. Os dados recolhidos nos testes beta do jogo revelam que o LabHero melhorou os conhecimentos dos jogadores sobre a utilização de GEM, concretizando com êxito os vários objectivos baseados nos critérios de diversão, educação e usabilidade empregues para avaliar a eficácia dos jogos sérios. São propostos desenvolvimentos futuros que resolvam algumas das lacunas do LabHero, de modo a torná-lo acessível como ferramenta de aprendizagem na sala de aula, potencialmente melhorando as motivações dos alunos em relação à biologia e reacendendo o interesse dos mesmos em carreiras científicas.The study of genome-scale metabolic models (GEMs) and the simulation of these models using tools such as MEWpy enable the prediction of changes in metabolic behavior. This enhances the development of new treatments for diseases, the design of bioproducts, and the understanding of fundamental biological processes, all of which are shaping the future of society. However, while children are educated on Biology concepts like microorganisms as early as the sixth grade, recent studies pinpoint a declining trend in students’ interest and attitudes toward Biology and science in general as a career path. A number of proposals to reverse this tendency have emerged recently, including the use of serious games. By combining stimulating gaming dynamics with scientific concepts, serious games have been shown to improve the transfer of knowledge in children, in line with literature that shows that children respond particularly well to engaging forms of digital media, such as videos and video games. This dissertation discusses the development of LabHero, a serious game aimed at empowering non bioinformaticians to learn how to use GEM. LabHero was developed with Pygame, a Python game library, and the MEWpy package was used to transform and port data from metabolic model simulations into the game. During the gameplay, the player goes through an engaging storyline as a bioinformatician main character challenged with three missions to help laboratory colleagues by running simple metabolic model simulations for Escherichia coli in diverse scenarios. Quantitative and qualitative data collected during beta testing of the game show that LabHero improved players’ knowledge of using GEM, successfully meeting several goals based on the fun, educational, and usability criteria used to assess the effectiveness of serious games. Further development addressing some of LabHero’s shortcomings is suggested to make it accessible as a learning tool to be used in the classroom, potentially improving schoolchildren’s motivations toward biology and rekindling their interest in scientific careers.Dias, OscarPereira, VítorUniversidade do MinhoLeiras, Mónica Rafaela Machado2023-12-142023-12-14T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/92794eng203617550info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-09-07T01:34:22Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/92794Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T18:47:52.954305Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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