Didaktisches Konzept zur Einführung ins Forschungsdatenmanagement (FDM) am Beispiel von Elektronischen Laborbüchern (ELNs) und OMERO für Bio-Bild-Verwaltung für Studierende der Lebenswissenschaften

CMCB – Center for Molecular and Cellular Bioengineering, TU Dresden Didaktisches Konzept ‘Management of research data with electronic lab books and bio-image databases for students in the life sciences’ Eingereicht als Teil eines Antrages für Funds for Student Research (FOSTER) am 30.8.2024 am Zentrum für Interdisziplinäres Lernen und Lehren der TUD Dresden Dr. Cornelia Wetzker (B CUBE, TU Dresden; NFDI4BIOIMAGE) Prof. Dr. Michael Schlierf (B CUBE, TU Dresden; NFDI4BIOIMAGE) Forschungsdatenmanagement Gutes Forschungsdatenmanagement, kurz FDM, gewinnt in Zeiten von steigendem Umfang und Komplexität wissenschaftlicher Daten zunehmend an Bedeutung. Die Forschung nahezu aller Wissenschaftler am Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) der TUD mit über 300 Wissenschaftlern beinhaltet umfassende experimentelle Arbeiten und viele Arbeitsgruppen wenden Mikroskopie als eine zentrale Technik an. Die FAIR-Prinzipien1, namentlich die Auffindbarkeit (F – findability), der Zugang (A - accessibility), die Verknüpfbarkeit (I - interoperability) und die Wiederverwertbarkeit (R - reusability) von Daten und Metadaten, also Daten, die Datensätze näher erläutern, werden in der Forschung zunehmend umgesetzt. Eine nachhaltige Arbeitsweise und Datennutzung sind vor allem vor dem Hintergrund des digitalen Datenmanagements Kompetenzen, welche die Studierenden im Rahmen des Studiums der Lebenswissenschaften an der TUD noch nicht umfassend in Theorie und Praxis erlernen. Aktuell ist die Verwendung von analogen Laborbüchern zur gesetzlich geforderten umfassenden Dokumentation wissenschaftlicher Experimente noch weit verbreitet. Alternativ erstellen Wissenschaftler digitale Dokumente, die jedoch häufig nicht Teil eines Gesamtkonzeptes der Dokumentation des einzelnen oder einer Arbeitsgruppe sind. Die Nutzung von analogen Laborbüchern ist extrem zeitaufwändig umzusetzen und mit dem Risiko der Unvollständigkeit und Nicht-Lesbarkeit verknüpft. Dies gefährdet die geforderte ausreichende Nachvollziehbarkeit von Experimenten für Wissenschaftler:innen selbst und Kolleg:innen. Des Weiteren ist das Auffinden einzelner Experimente oder Schlagwörter zeitaufwändig oder unmöglich und die Dokumentation liegt meist als einzelne Kopie vor. Kurzum, die Dokumentation von wissenschaftlicher Arbeit ist häufig schwer oder gar nicht maschinen-lesbar und verhindert damit die Nachnutzung durch den Urheber oder andere Wissenschaftler. Schlechte und unvollständige Dokumentation wissenschaftlicher Arbeit erschweren oder riskieren darüber hinaus das Publizieren wissenschaftlicher Arbeit. Dies ist zum Nachteil der Wissenschaftler:innen, des Institutes und der Universität bezüglich wissenschaftlicher Page 2 of 7 Produktivität und Sichtbarkeit, aber auch der Wissenschaftsgemeinschaft und Gesellschaft als Ganzem. Digitale Laborbücher sind eine mögliche Option der nachhaltigen, standardisierbaren und zeiteinsparenden Dokumentation experimenteller Arbeiten. eLabFTW (https://www.elabftw.net/) ist hierbei ein weit verbreitetes und breit anwendbares Beispiel eines Elektronischen Laborbuches mit frei zugänglichem Quellcode. Die Mikroskopie ist eine bildgebende Technik, die Phänotypen und Krankheitsbilder in sehr breitem Bereich von ganzen Organismen bis hin zu einzelnen Molekülen mit am Campus vorhandenen spezialisierten Mikroskopen visuell beschreibt und messbar macht. Das Mikroskopieren der meist selbst vorbereiteten Proben führen die Wissenschaftler:innen häufig nach initialer Einführung durch speziell geschultes Personal der sogenannten Licht-Mikroskopie-Serviceeinrichtung des Campus selbständig durch. Die häufig umfassenden Datensätze werden auf von ZIH und CMCB bereitgestellter Infrastruktur gespeichert. Die Analysen und das weitere Verarbeiten der mikroskopischen Bilder liegen hierbei häufig in der Hand der Wissenschaftler:innen. Hier sind die Abläufe häufig nicht standardisiert, um Qualitätskriterien z.B. der Teilbarkeit und Auffindbarkeit auch nach Abschluss von Arbeiten zu gewährleisten. Initiativen zur Unterstützung des FDM in der Mikroskopie, wie das seit 2023 aktive Konsortium NFDI4BIOIMAGE, erarbeiten Konzepte zur Unterstützung der Wissenschaftler:innen zur besseren Handhabung und Analyse von Bilddaten. Die Bild-Verwaltungs-Software OMERO (https://www.openmicroscopy.org/omero/) entwickelt sich hier zu einem wichtigen frei verfügbaren Werkzeug. Es ermöglicht vereinfachtes Teilen, Veranschaulichen, Organisieren und Zusammenfassen von Bilddaten in flexibel definierbaren Gruppen für Wissenschaftler:innen in der biomedizinischen Forschung. Abbildung 1: Auszüge der Umfrage zum Forschungsdatenmanagement am CMCB/PoL Campus 2023 mit 95 Teilnehmenden. Page 3 of 7 Die Nutzung beider Werkzeuge, eLabFTW und OMERO, würde die Standards, Effektivität und Reproduzierbarkeit im Umgang mit Forschungsdaten erheblich steigern. Eine von der Antragstellerin 2023 am Campus des CMCB und EXC PoL durchgeführte Umfrage ergab großes Interesse an der Nutzung derartiger Werkzeuge, sowie zugehörigen Angeboten an Trainings und Unterstützung in der Nutzung (Abbildung 1). Es ist unerlässlich, den wissenschaftlichen Nachwuchs hinsichtlich der Bedeutung, disziplinspezifischen Anwendung und Potenziale von eLabFTW und OMERO zu schulen. Umfassende und korrekte Eingabe von Metadaten von Materialien und Experimenten verbessern die Möglichkeit der Zusammenarbeit innerhalb von Arbeitsgruppen, darüber hinaus innerhalb der TUD und weltweit, sowie die Analyse, das spätere Teilen und Veröffentlichen der Forschungsdaten zum Nutzen aller. Daher braucht es Trainingsund Schulungskonzepte, die generelle Standards des „FAIRen“ Forschungsdatenmanagements am konkreten Beispiel des jeweiligen wissenschaftlichen Institutes lehren. Lernziele und Kompetenzerwerb Studierende erwerben im Rahmen dieses entworfenen Seminars ein breites Spektrum an Kompetenzen. Diese beinhalten Fachkompetenz der Verbindung des Konzeptes des FDM mit ihrer wissenschaftlichen Arbeit, Methodenkompetenz im Zuge der Anwendung von eLabFTW und OMERO aber auch im Verständnis der Relevanz anderer Werkzeuge des FDM. Darüber hinaus stärken sie ihre Sozialkompetenz durch das kooperative gruppenübergreifende Konzept der Nutzung der Werkzeuge und das Kennenlernen von Werkzeugen basierenden auf frei verfügbarem Quellcode (open-source software). Gleichzeitig wird ihre Selbstkompetenz im Erlernen und Verbessern des Strukturierens von Daten und Prozessabläufen, d.h. Projektmanagements, in eigenen Forschungsprojekten geschult. Studierende in der Phase des Erlernens wissenschaftlichen Arbeitens sind hier eine zentrale Zielgruppe. Die Förderung diverser Kompetenzen der Studierenden unterstützt sowohl den Campus als auch die TUD generell in der breiteren Implementierung guter FDM-Standards. Die Schulung vor allem von Studierenden in der frühen Phase wissenschaftlichen Arbeitens trägt erheblich zur nachhaltigen Implementierung guter wissenschaftlicher Praxis bei. Die Lernziele einschließlich ihrer Komplexität und Phasen, Unterteilung in Lerneinheiten, Inhalte, Methoden, Materialien für die Studierenden und die Prüfungsmethoden zur Überprüfung der Erreichung der Lernziele sind in Tabelle 1 aufgeführt. Page 4 of 7 Tabelle 1a: Übersicht über Lernziele, -inhalte, und -methoden (Teil 1) Page 5 of 7 Tabelle 1b: Übersicht über Lernziele, -inhalte, und -methoden (Teil2) Page 6 of 7 Bezug Forschung in der Lehre Kompetenzen des guten Forschungsdatenmanagements sind zentrale Voraussetzung für erfolgreiches wissenschaftliches Arbeiten. Sie dienen als Basis für die Dokumentation experimenteller Arbeit und ermöglichen die eigene und kollegiale vielfältige Weiternutzung von Daten. Die Strukturierung der Daten erfolgt mittels Annotation mit disziplinspezifischen Begriffen und erfordert bei der Übertragung in den jeweiligen Projektkontext die Berücksichtigung wissenschaftlicher Zusammenhänge. Die Studierenden erarbeiten sich hier spielerisch die Nutzung der gemeinschaftlich und transparent entwickelten digitalen Werkzeuge (open-source software) eLabFTW und OMERO. Durch Nutzung in ihrer täglichen Forschungsarbeit verbessern sie ihr eigenes Datenmanagement und wissenschaftlichen Erfolg und tragen zur Verbreitung und Weiterentwicklung des FDM, der Digitalisierung und nachhaltigeren Forschung an der TUD bei. Durch die Vorarbeit der Tutor:innen in den Forschungsgruppen wird die Anwendung der Werkzeuge im Seminar gezielt auf Anwendungsbeispiele von Forschungsgruppen der TUD angepasst. Medien Verschiedene Medien werden, wie in der Tabelle bereits den Lernzielen zugeordnet, in vor-Ort-Veranstaltungen und/oder im Selbststudium eingesetzt. Tabelle 2: Medien Medium Inhalte/ Ziele Vor-Ort/ Selbststudium Pdfs, Skripte, Lehrvideos, Webseiten zur Dokumentation Konzepte, Beschreibung von/ Anleitung zu Werkzeugen beides Präsentation Konzepte, Beschreibung von/ Anleitung zu Werkzeugen Vor-Ort Interaktives Whiteboard, Lernplattform-Tools Gemeinsame Erarbeitung genutzter Prinzipien und Werkzeuge (ggf. anonym), Sammlung und Sortierung von Begriffen beides Online-Umfrage-Tool Gemeinsame Erarbeitung genutzter Prinzipien und Werkzeuge (ggf. anonym) beides Open-source Software Umsetzung der Konzepte beides Page 7 of 7 Referenz: 1 - Wilkinson, M.D. et al. (2016) ‘The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship’, Scientific data, 3(1), p. 160018. https://doi.org/10.1038/sdata.2016.18