32
www.sciencemag.org/cgi/content/full/336/6084/993/DC1 Supplementary Materials for Learning Biology by Recreating and Extending Mathematical Models Hillel J. Chiel,* Jeffrey P. Gill, Jeffrey M. McManus, Kendrick M. Shaw *To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected] Published 25 May 2012, Science 336, 993 (2012) DOI: 10.1126/science.1214192 This PDF file includes: Materials and Methods References Appendix I

Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

www.sciencemag.org/cgi/content/full/336/6084/993/DC1

Supplementary Materials for

Learning Biology by Recreating and Extending Mathematical Models

Hillel J. Chiel,* Jeffrey P. Gill, Jeffrey M. McManus, Kendrick M. Shaw

*To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]

Published 25 May 2012, Science 336, 993 (2012)

DOI: 10.1126/science.1214192

This PDF file includes:

Materials and Methods References Appendix I

Page 2: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

Supplementary Materials  We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second 

half  of  the  module,  discuss  how  components  of  the  term  paper  are  submitted  by  the 

students,  including  the  content  of  the  rubrics  used  to  judge  paper  sections.  We  also 

describe  the  course  wiki  that  allows  students  to  comment  on  each  other’s  term  paper 

sections and the weekly team evaluations that they submit. We provide more details of the 

statistical analysis of the attitude questionnaire (Figure 2 of the main text) and describe the 

content and the statistical analysis of the conceptual exam. We describe how students are 

kept continuously informed of their progress in the course. Finally, we briefly discuss the 

instructional support required for the course. More details about the course are available in 

a peer‐reviewed paper published in 2010: http://www.lifescied.org/content/9/3/248.full . 

 

1. Material covered in the first half of the module: See Appendix I  for the weekly schedule 

for the Spring 2012 semester, which can serve as a guide to the rate at which material  is 

covered.  A  link  to  the  wiki  that  hosts  the  course  materials,  including  the  interactive 

textbook, is https://biol300.case.edu/wiki/index.php/Main_Page . If the link is temporarily 

not active, please contact the first author directly via email ([email protected]).  

In the first half of the module, students work in teams as we introduce students to 

key capabilities that they will need from Mathematica (Chapter 2 of the textbook): taking 

notes and formatting text; creating notebooks that can organize data, equations, and text; 

creating  data  lists  and  techniques  for manipulating  them;  exporting  and  importing  data; 

plotting data; defining functions; solving equations; numerical integration; programming a 

numerical  integrator  using Mathematica;  loading  supplementary  functions;  and  creating 

Page 3: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

dynamic  simulations.  Dynamic  simulations  are  one  of  the  most  powerful  capabilities  of 

Mathematica  that  allow  students  to  visualize  and manipulate  mathematical  models  [see 

http://demonstrations.wolfram.com/ ]. 

  Students are then introduced to the process of modeling by developing a sequence 

of  increasingly  complex models  of  bacterial  growth,  starting  from a  simple  discrete‐time 

recursive  model,  then  an  exponential  model,  and  finally  the  logistic  model  and,  at  each 

stage, comparing the model to actual biological data, which motivates the development of 

the next, more  complex model  (Chapter 3 of  the  textbook). We conclude by pointing out 

that  this  iterative modeling approach  is  the general process used by anyone who models 

biological systems. 

  Because the students have developed the exponential and logistic models of growth 

within a biological  context,  they understand  these models well.  In  the next section of  the 

module,  we  use  these  two  models  to  introduce  fundamental  concepts  from  one‐

dimensional  nonlinear  dynamical  systems  theory:  state  variables,  initial  conditions,  and 

parameters;  trajectories  of  individual  solutions  and  the  overall  flow  defined  by  the 

trajectories  from  all  initial  conditions;  long‐term  behavior  captured  by  limit  sets  (in 

particular,  equilibrium  points);  bifurcations  (qualitative  changes  in  model  behavior)  as 

parameters are varied; and a brief overview of the overall approach of nonlinear dynamical 

systems theory (Chapter 4 of the textbook). 

  To  introduce  students  to  mechanistic  biochemical  models,  we  focus  on  a  simple 

model of  the  cell  cycle  (1), whose equations  require  students  to understand zeroth,  first, 

and second order kinetics, and Michaelis–Menten enzyme kinetics. We then construct the 

model of the cell cycle and allow students to manipulate it (Chapter 5 of the textbook). 

Page 4: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

  The model of  the  cell  cycle  required  two state variables,  and so  students are now 

introduced  to  two‐dimensional  nonlinear  dynamical  systems  theory,  which  readily 

generalizes  to  higher  dimensions.  In  addition  to  the  concepts  introduced  above, 

generalized  to  two  dimensions,  students  learn  about  eigenvalues  and  eigenvectors,  the 

analysis of stability using a Jacobian matrix, bifurcations in two dimensions, and how to use 

these  tools  to  understand  the  switching  between different  equilibrium points  as  the  cell 

passes different checkpoints during the cell cycle (Chapter 6 of the textbook). 

  To complete the introduction to the basic tools and concepts of nonlinear dynamical 

systems theory, students are then  introduced to a  two‐dimensional model of an excitable 

cell,  the  Morris–Lecar  model  (2,  3).  This  provides  the  basis  for  understanding  the 

relationship  between  complex  eigenvalues  and  oscillatory  behavior.  They  are  also 

introduced to bifurcations (such as the Hopf bifurcation) that allow changes in parameter 

values to induce switches between equilibrium points and stable oscillations (limit cycles; 

Chapter  7  of  the  textbook).  They  are  also  given  an  exercise  to  construct  the  three‐

dimensional  Lorenz  attractor,  and  are  thus  able  to  explore  some  of  the  properties  of  a 

chaotic attractor. 

  Finally, students are shown a case study of how to read a paper describing an agent‐

based model of schooling behavior in fish (4). They are shown how to analyze the paper’s 

equations, how to create a plan for reconstructing a model, and then many of the detailed 

steps necessary to reconstruct a working model (Chapter 11 of the textbook). 

  At  the  end of  each  chapter,  students  are  posed problems  that  not  only  help  them 

master  the material  of  each  chapter,  but  steadily  increase  their  ability  to  construct  and 

analyze complex models. Thus, by the end of the first half of the module, students are ready 

Page 5: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

to tackle their own models. An answer key to the end‐of‐chapter problems is available from 

the first author by request. 

 

2.  Term  paper  components  and  rubrics:  During  the  second  half  of  the  module,  students 

continue to work in teams, and now focus on selecting a recently published paper, and then 

using it as the basis for reconstructing a mathematical model of a biological system. (Please 

see Appendix  II, which provides  the  rubrics  for  selecting a published modeling paper  to 

reproduce,  and  the  rubrics  for  evaluating  components  of  the  term  paper,  as well  as  the 

criteria  for  assessing  the  final  term  paper).  During  the  second  half  of  the  module,  we 

require students to submit drafts of components of the term paper that each student writes 

individually. Each component of the term paper is accompanied by a rubric, that is, a set of 

criteria that helps students understand and evaluate the components they submit. Students 

must  fill out  the rubrics and submit  them at the time that each term paper component  is 

submitted, and the instructors return comments to the students based on the criteria in the 

rubric. If a component does not meet the criteria stated in the rubric, it is returned to the 

student for revision, and late penalties are applied. Students who previously took the class 

have  given  us  permission  to  post  exemplars  of  term  paper  sections  and  of  entire  term 

papers, so current students can consult previous excellent examples. 

Students  submit  a  potential  published  paper  whose  model  they  propose  to 

reproduce.  Criteria  for  the  selection  are whether  the  equations  necessary  to  reconstruct 

the  model  are  present,  whether  values  are  given  for  parameters  and  initial  conditions, 

whether the student understands the mathematical formalisms of the model, whether the 

Page 6: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

model  is  just a curve fit (which is not appropriate for the course), and whether there is a 

clear comparison between model predictions and actual biological data.  

Once the published paper is approved, the term paper proposal is submitted, and the 

criteria for its acceptance are that the students describe a clear, testable hypothesis about a 

biological  system  that  the  mathematical  model  can  be  used  to  test,  that  they  briefly 

describe  the model  that  they propose  to  reconstruct,  and  they also briefly describe  their 

plan for reconstructing it.  

After the middle of the module, students submit a draft of the Introduction, in which 

they  describe  the  significance  of  the  problem,  state  the  central  hypothesis  that  will  be 

tested  by  the  model,  and  provide  a  list  of  peer‐reviewed  references  in  appropriate 

bibliographic format.  

A week later, they submit a draft of the Model Description, in which they describe the 

state variables, parameters and inputs to the model, provide a term‐by‐term description of 

the  model  components,  discuss  the  assumptions  underlying  their  model,  and  provide  a 

description of how they have simulated the model. 

Two weeks later, they submit a draft of the Results,  in which they describe outputs 

from  their model,  compare  them  to  the  outputs  of  the  published model,  provide  figures 

with  clear  legends,  describe  how  the model  addresses  the  original  biological  hypothesis, 

and  describe  any  discrepancies  between  their  reproduction  and  the  original  published 

model. 

A week later, they submit a draft of the Discussion, in which they address how well 

the  model  supports  the  original  hypothesis,  compare  their  results  with  those  in  other 

Page 7: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

published papers on the topic, discuss the limitations of their results, discuss discrepancies, 

and place their results within the context of the larger scientific literature. 

Finally, they submit the final term paper. In addition to the criteria used for each of 

the individual sections, they must also describe the extensions to the model, including their 

rationale  for  the  extension,  the  details  of  how  they  altered  the  model,  the  results  they 

obtained, and a discussion of the implications of their results, and what they would do next. 

In  addition,  the  term paper  is  judged by how well  the model was  replicated,  the  level  of 

understanding  the  student  demonstrates,  the  quality  of  their  writing,  the  difficulty  of 

extension that was done, and how well it was done.  

 

3.  Peer  comments  on  drafts  using  a  wiki:  In  the  current  offering  of  the  course,  all 

submissions must be made to the class wiki. The wiki is run under the open source Linux 

operating  system  Ubuntu  (11.10,  http://www.ubuntu.com/)  using  the  open  source 

MediaWiki  code  (http://www.mediawiki.org/wiki/MediaWiki),  and  the  surveys  are done 

using  the  open  source  Django  code  (https://www.djangoproject.com/).  Ubuntu  is  run 

within the open source virtualizer VirtualBox (https://www.virtualbox.org/) using bridge 

networking  so  that  it  generates  its  own  unique  Internet  address.  The  resulting  code  is 

readily exportable and could be run under Windows, Macintosh or Linux machines. More 

details about the technical requirements for setting up and running the wiki are available 

from one of the authors (Kendrick M. Shaw) on request. 

  At  the  time  each  submission  for  a  term  paper  component  is  due,  students  must 

create  a  page  on  the wiki  and  enter  their  submission  there.  Once  a  wiki  page  has  been 

created, other students can then use the Discussion page associated with the new wiki page 

Page 8: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

to  leave  comments  for  the  other  students.  Because  we  need  to  be  able  to  assess  each 

student’s writing individually, we do not allow students to directly edit one another’s text; 

but we strongly encourage students to use the comments that other students have made on 

their Discussion page as the basis for editing, correcting and clarifying their own text. The 

use of peer comments helps students see the extent to which they have been clear in their 

own writing, and how to edit other people’s writing, which are both invaluable skills. 

 

4. Weekly team evaluations: Because instructors circulate and talk to students throughout 

the  class period as  they work on problems or  reconstructing models,  the  instructors  can 

readily see if  the students are working alone or with one another, and how well  they are 

interacting. To provide an additional evaluation of team function, we provide credit to the 

students  for  filling  out  a  weekly  team  evaluation  survey  outside  of  class  (so  that  their 

teammate does not see their evaluation). They rate how well they worked during the past 

week,  how well  their  teammate worked,  and  the  overall  function  of  the  team on  a  scale 

from  0  to  10. We  emphasize  that  the  results  are  confidential,  but  we  carefully  examine 

them, and  if we see consistently  low ratings on any of  the questions, we set up meetings 

with individual team members, and then with the team as a whole, to see if we can help the 

students resolve their problems. These interventions are often sufficient, and we have only 

rarely had to reassign teammates. 

 

5. Attitude questionnaire and  statistical analysis:  At  the beginning, middle  and  end of  the 

module, students are asked to fill out an attitude questionnaire consisting of the following 

six questions:  

Page 9: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

 

(1) How much do you like biology? 

(2) How competent are you in biology? 

(3) How much do you like mathematics?  

(4) How competent are you in mathematics?  

(5) How much do you like programming?  

(6) How competent are you in programming? 

 

Students may rate themselves on a scale from 0 to 10. Data shown in the main essay 

were pooled from answers provided by students in the spring semesters of 2010 and 2011. 

The names of students who submitted the data were not revealed to the instructors until 

after grades were submitted for each term. 

  Since  the  rating  scale  is  ordinal,  nonparametric  statistics  were  used  to  evaluate 

differences between majors at the beginning of the semester. Comparing the initial answers 

for  biology  majors  to  engineering  majors  (i.e.,  majors  in  biomedical  or  chemical 

engineering) using a multivariate Mann Whitney test showed that the patterns of answers 

from  the  two  groups  were  very  significantly  different  (p  <  0.00001,  N  =  25  (biology 

majors), 29 (engineering majors)). Applying the nonparametric Kruskal Wallis test to each 

sub‐question,  and  then  applying  the  Bonferroni  criterion  (i.e.,  dividing  the  level  of 

significance, 0.05, by the 6 comparisons made) showed that biology majors provided very 

significantly  more  positive  answers  to  the  questions  about  biology  attitude  and 

competence  (p  <<  0.00001).  Engineers  showed  a  strong  trend  to  report  a more  positive 

attitude towards and sense of competence in computer programming than biology majors 

Page 10: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

at  the  beginning  of  the  semester.  These  data  support  the  hypothesis  that  the  two 

populations significantly differ from one another. 

  Using students as their own controls, it was possible to compare ratings before and 

after  the  semester  for  each question,  again  applying  the Kruskal Wallis  test  to  each  sub‐

question,  and  applying  the  Bonferroni  criterion  to  the  level  of  significance.  Engineers 

showed a statistically significant improvement in their sense of competence in biology and 

in  computer  programming  (p  <  0.005,  p  <  0.006  respectively,  N  =  29).  Biology  majors 

showed  a  strong  trend  towards  improvement  in  their  sense  of  competence  in 

programming.  It  is very  likely that the  lack of significant  improvement in the attitudes or 

sense  of  competence  in  biology  on  the  part  of  biology  majors  is  a  ceiling  effect,  since 

biology majors began the semester rating these both very highly. 

 

6. Conceptual exam and statistical analysis: We wished to assess the “working knowledge” 

that  students  had  about  concepts  that  are  essential  for  success  in  constructing  and 

analyzing  mathematical  models  of  biological  systems.  Thus,  we  were  not  interested  in 

giving students a highly detailed and complex set of questions, but rather presented them 

with questions that could be answered essentially “by inspection” if they knew the relevant 

material, but which they would otherwise have little or no idea how to answer.  

For  example,  if  shown  a  plot  of  a  function,  could  students  identify  the  correct 

function from a list of possible functions (e.g., linear, quadratic, exponential, square root)? 

Shown a plot of a function, could students identify the correct differential equation whose 

solution  was  that  function  (e.g.,  a  constant  function,  a  linear  function,  a  growing 

exponential  function,  or  a  decaying  exponential  function)?  Shown  two  differential 

Page 11: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

10 

equations, could students correctly  identify the state variables and distinguish them from 

the  parameters  of  the  equations?  Shown  a  one‐dimensional  differential  equation,  could 

students  determine  the  values  of  the  equilibrium  points  of  the  equation?  Could  they 

determine the location and stability of equilibrium points of a one‐dimensional dynamical 

system  from  a  plot  of  the  state  variable  versus  the  right  hand  side  of  the  differential 

equation? Could they correctly identify the ions that primarily cross the membrane during 

the upswing of the action potential in the squid giant axon? For each question, one option 

was  “Don’t  Know”.  Students  received  +1  point  for  a  correct  answer,  ‐1  point  for  an 

incorrect  answer,  and  0  points  for  a  “Don’t  Know”  answer.  A  total  of  17  questions were 

asked, so that scores could have ranged from ‐17 (all incorrect answers) to +17 (all correct 

answers). 

  Students filled out the concept exam on the web at the beginning, middle and end of 

the  module.  They  were  given  credit  for  filling  it  out.  They  were  not  shown  the  correct 

answers. Instructors could examine the answers, and know the major of each student, but 

the names were blinded (i.e., answers were not associated with a specific name) until after 

grades had been assigned at  the end of  the semester, so that  the score on the conceptual 

exam had no influence on the students’ grade. Students were informed of this before taking 

the conceptual exam. 

  Using  students  as  their  own  controls,  it  was  possible  to  assess  changes  in  the 

number of correct answers from the beginning to the end of the semester. Data analyzed 

from the spring semester of 2011 (N = 27 students, which  included biology, engineering, 

and other majors) was normally distributed, so a paired t‐test was used to analyze the data. 

Page 12: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

11 

The change in scores was highly significant (+4.2 points ± 2.7, p << .00001), suggesting that 

the course greatly improved students “working knowledge”.  

  Appendix III provides the complete set of questions for the Concept Exam, and the 

educational objectives that are probed by the questions. Answers are available from the 

first author on request. 

 

7. Continuous update on class performance: Students earn points for attendance in class, for 

demonstrating understanding of the conceptual content of the benchmark problems based 

on their discussions with instructors, for filling out the teamwork, conceptual and attitude 

surveys, for submitting components of the term paper as well as the final term paper, and 

for commenting on other students’ drafts of term paper components. They may earn extra 

credit  points  by  suggesting  improvements  to  the  book  chapters,  by  giving  an  optional 

presentation to the whole class, and by providing thoughtful and substantive comments on 

other students’ term papers a day before the final term paper is due. Thus, after each class, 

it is possible for instructors to update the number of points each student has earned so far 

in the semester. To make this transparent to the students, we not only allow them to log in 

and see the number of points they have earned out of the total number possible up to that 

point, but we also visually convey their progress using a schematic “racetrack” [Figure S1]. 

The  three  “runners” shown above the student represent a student  in  the middle of  the A 

range (green runner), a student in the middle of the B range (yellow runner), and a student 

in  the  middle  of  the  C  range  (red  runner).  The  student  is  represented  below  the  three 

“model” runners as a black runner, and so it is immediately clear to the student how well he 

or she is currently doing relative to these idealized students. 

Page 13: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

12 

 

8.  Instructional  Support:  The  module  is  a  laboratory,  and  thus  requires  as  much 

instructional  support  as  any  other  laboratory.  To  be  effective,  laboratories  need  an 

instructor to student ratio of about 1 to 12 (1 to 10 or 8 is even better, but  is not always 

feasible  given  limitations  of  personnel).  In  addition  to  the  primary  instructors  for  the 

course who should have some expertise in both biology and modeling, teaching assistants 

for  the  course  may  be  graduate  students  who  have  some  skill  in  modeling,  or  senior 

undergraduate  students  (ideally,  those  who  have  previously  taken  the  course,  and  are 

eager to learn how to teach it). 

  The  course  is  also  similar  to  other  laboratory  courses  in  that  out‐of‐class  time  is 

necessary  for proper preparation. During  the both halves of  the module,  it  is valuable  to 

schedule office hours so that students who need more one‐on‐one instruction to master the 

material may be given extra time. It is very important that instructors not “tell the students 

what to do”, but give them immediately helpful suggestions that help get them unstuck, and 

more  general  suggestions  that  help  guide  their  progress  through  problems,  model 

reconstruction, and model extensions.  

When students begin to select potential published papers for model reconstruction, 

it is important that the instructors split the papers among them, and review them to see if 

they actually describe a model  that  can be  reconstructed  (following  the guidelines  in  the 

rubric  shown  in  Appendix  II).  The  instructors  should  spend  additional  time  before  the 

second half of the module begins reconstructing components of the models that have been 

selected  by  the  students.  This  often  reveals  errors  in  the  papers  that  could  completely 

frustrate student progress – errors in equations, missing or incorrect parameters, missing 

Page 14: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

13 

initial conditions, or errors in analysis – and students need to be guided to overcome these 

problems  (or,  in  some  cases,  students  need  to  be  advised  to  select  a  different  paper 

entirely). 

For  the  continuous  progress  model  to  be  effective,  it  is  also  important  for 

instructors to spend time after class discussing the progress of each team and each student, 

so  that  if  interventions  must  be  made,  they  can  be  made  early  and  effectively.  Finally, 

during the second half of the module, instructors also need to schedule time to read drafts 

of  the  different  components  of  the  term  paper,  as  well  as  student  comments  on  these 

components, and provide brief but helpful feedback on how they can be improved. We have 

found  it  very effective  to  rotate  the  reading of different  components of  the paper among 

instructors  and  teaching  assistants  to  ensure  that  students  in  the  course  are  assessed 

uniformly.  We  take  time  to  discuss  drafts  that  do  not  meet  the  criteria  of  the  relevant 

rubric, to ensure that assignment of points is equitable, and that we can provide feedback 

to students that will help them bring the section up to the necessary standards. 

A  rough  estimate  of  two  hours  of  preparation  time  for  each  hour  of  class  time  is 

reasonable, and is typical of the preparation time necessary for other laboratory courses. 

 

 

Figure  S1  – A  visual  representation  of  student  progress  during  the  semester.  The  green, 

yellow and red “runners” show the points earned in the middle of the A, B, and C ranges, 

respectively.  The  black  “runner”  shows  the  current  points  earned  by  the  student  at  this 

Page 15: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

14 

point in the semester. In the example shown, the student is currently in the high B range, 

but with additional effort might still be able to earn an A for his or her term grade.  

 

References 

1. Tyson, J. J. and Novak, B. “Regulation of the eukaryotic cell cycle: Molecular antagonism, 

hysteresis, and irreversible transitions”, Journal of Theoretical Biology 210:249 – 263, 

2001. 

2. Morris, C. and Lecar, H. “Voltage oscillations in the barnacle giant muscle fiber”, 

Biophysical Journal 35: 193 – 213, 1981.  

3. ] Rinzel, J. and Ermentrout, B. “Analysis of neural excitability and oscillations”, in 

Methods in Neuronal Modeling, 2nd edition, Koch, C. and Segev, I., eds., The MIT Press, 

Cambridge, MA, 1998. 

4. Inada, Y. and Kawachi, K., “Order and flexibility in the motion of fish schools”, Journal of 

Theoretical Biology 214:371‐387, 2002. 

Page 16: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

15 

Appendix I: Sample Course Syllabus (Spring 2012)  January 17, 2012:  

Introduction to the Course  January 19, 2012:  

Mathematica is installed and working on your computer. Hands‐on Start to Mathematica:  

http://www.wolfram.com/broadcast/screencasts/handsonstart/ Completely read Chapter 1 before class. Read Chapter 2 through section 2.6 before class. 

  Begin working through problems in Chapter 2 through section 2.6 Fill out Attitudes Questionnaire. Fill out Conceptual Test. 

 January 24, 2012:  

Read Chapter 2 through section 2.10 before class. Complete exercises through section 2.10, and end of chapter problem 1. 

 January 26, 2012: 

Finish reading all of Chapter 2 before class. Finish all exercises and end of chapter problems. Fill out Team Evaluation after class before 10PM. 

 January 31, 2012: 

Finish reading Chapter 3 through section 3.3 before class. Finish end of chapter problem 1. 

 February 2, 2012: 

Finish reading Chapter 3 through to the end before class. Finish end of chapter problems 2 and 3. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. 

 February 7, 2012: 

Finish reading Chapter 3 through to the end before class. Finish end of chapter problems 4 and 5. 

 February 9, 2012: 

Finish reading Chapter 4 through section 4.4 before class. Finish end of chapter problems 1 and 2. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. 

 February 14, 2012: 

Finish reading Chapter 4 through section 4.5 before class. Finish end of chapter problem 3. 

 

Page 17: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

16 

February 16, 2012: Finish reading Chapter 4 through end of chapter before class. Finish end of chapter problem 4. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. 

 February 21, 2012: 

Finish reading Chapter 5 through section 5.5 before class. Finish end of chapter problem 1. 

 February 23, 2012: 

Finish reading Chapter 5 through end of chapter before class. Finish end of chapter problem 2. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. 

 February 28, 2012: 

Finish reading Chapter 6 through section 6.4 before class. Finish end of chapter problem 1 through section b. 

 March 1, 2012:  

Finish reading Chapter 6 through end of chapter before class. Finish end of chapter problems 1 and 2. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. Select a published model to reproduce by 1 PM before class. Fill out Selected Published Paper Rubric. 

 March 6, 2012: 

Finish reading Chapter 7 through section 7.8 before class. Finish end of chapter problem 1 through section e. Correctly answer all questions in the hypothesis quiz by 1 PM before class. Submit Term paper proposal by 1 PM before class. Fill out Term Paper Proposal Rubric. 

 March 8, 2012: 

Finish reading Chapter 7 through end of chapter before class. Finish end of chapter problems 1 and 2. Fill out Attitudes Questionnaire. Fill out Conceptual Test. Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. Provide comments on other students' Term Paper Proposals by 1 PM before class. 

 March 13, 2012: Spring Break  March 15, 2012: Spring Break  March 20, 2012: 

Finish reading Chapter 11 through end of chapter before class. 

Page 18: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

17 

Final deadline for providing helpful extra credit comments on chapters of the textbook. 

Clear verbal descriptions of equations and model. Plan and time table for model reconstruction. Fill out Model Plan Rubric by 1 PM before class. 

 March 22, 2012: 

Replicate simple components of model (e.g., single uncoupled equations). Fill out Team Evaluation after class before 10 PM. 

 March 27, 2012: 

Replicate simple components of model. Fill out Term Paper Introduction Rubric. Submit Benchmark I: Introduction by 1 PM before class. 

 March 29, 2012: 

Construction of full model. Fill out Team Evaluation after class by 10 PM. 

 April 3, 2012: 

Construction of full model. Fill out Term Paper Model Description Rubric. Submit Benchmark II: Model Description by 1 PM before class. Comments on other students' Introduction section due by 1 PM before class. 

 April 5, 2012: 

Construction of full model. Fill out Team Evaluation after class by 10 PM. 

 April 10, 2012: 

Model validation: replicate figures or other results from original paper.  April 12, 2012: 

Model validation: replicate figures or other results from original paper. Fill out Team Evaluation after class by 10 PM. 

 April 17, 2012: 

Model extensions: modify model to test additional hypotheses. Fill out Term Paper Results Rubric. Submit Benchmark III: Results by 1 PM before class. Comments on other students' Model Description section due by 1 PM before class. 

 April 19, 2012: 

Model extensions. Fill out Team Evaluation after class by 10 PM. 

 

Page 19: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

18 

April 24, 2012: Model extensions. Fill out Term Paper Discussion Rubric. Submit Benchmark IV: Discussion by 1 PM before class. Comments on other students' Results sections due by 1 PM before class. 

 April 26, 2012: 

Student Presentations Fill out Final Attitudes Questionnaire. Fill out Conceptual Test. Fill out Team Evaluation. Comments on other students' Discussion sections due by 1 PM (extra credit). Certification that course evaluation form has been filled out (extra credit). 

 April 29, 2012 

Comments on other students' term papers due by 5 PM (extra credit).  April 30, 2012: 

Submit final Term paper by 5 PM. Submit Final Term Paper Rubric. 

 

Page 20: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

19 

Appendix II: Term Paper Rubrics  For all rubrics, choices are radio buttons labeled from 0 (worst) to 10 (best).  Selecting a Published Model to Reproduce  Equations present?     None present          (0) 

     All present          (10)  Parameters given?     None given          (0) 

     All given          (10)  Initial conditions specified?          Not specified or deducible       (0)             All are specified or deducible    (10)  Model size?       State variable are too many       (0)             State variables are manageable    (10)  Math complexity?     Do not understand         (0)             Do understand        (10)  Only a model fit?     Closed form equation fits data     (0)             Must run simulation        (10)  Experimentally testable biological predictions?      

No testable predictions       (0)     Testable predictions       (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Term paper proposal rubric  Hypothesis proposed?      

Missing or vague         (0)     Specific and falsifiable      (10) 

 Hypothesis verbally highlighted (e.g., "We hypothesize that...")?  

   Not verbally highlighted       (0)         Verbally highlighted        (10) 

 Hypothesis highlighted in yellow? 

     Not highlighted         (0)           Highlighted          (10) 

 Described number of state variables? 

Page 21: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

20 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

 Described number of parameters? 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

 Described key assumptions? 

     Insufficient detail         (0)            Sufficient detail        (10) 

 Key steps to recreate model components? 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

 Tests of model components? 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

 Results from paper that will be reproduced? 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

 Proposed model extensions? 

     Insufficient detail         (0)           Sufficient detail        (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Model Plan Rubric  Quality of Hypothesis 

     Vague             (0)           Clear and readily testable      (10) 

 State variables and parameters 

     None described         (0)           All described in detail      (10) 

 What needs to be calculated? 

     Vague             (0)           Clearly specified        (10) 

 Realistic intermediate goals  

   None specified         (0)         Fully Specified        (10) 

 

Page 22: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

21 

Timetable      None             (0)     

      Detailed and specific       (10) _________________________________________________________________________________________________  Benchmark I: Introduction  Significance of problem? 

     Not explained          (0)           Well explained        (10) 

 Statement of hypothesis? 

     No hypothesis         (0)           Clear and testable hypothesis    (10) 

 List of references? 

     No references          (0)           Excellent list of references      (10) 

 Properly formatted references? 

     No references          (0)           Fully and correctly formatted    (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Benchmark II: Model Description  State variables, parameters and inputs to the model clearly distinguished? 

     Vague, unclear or incorrect       (0)           Clear and correct        (10) 

 Term‐by‐term description of model components? 

     Vague, unclear or incorrect       (0)           Clear and correct        (10) 

 Have you described model assumptions? 

     None described         (0)           All carefully described      (10) 

 Description of equation simulation? 

     No description         (0)           Clear and complete description    (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Benchmark III: Results  Results described and compared to original paper? 

Page 23: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

22 

     No results described        (0)           Clear and complete description    (10) 

 Have you addressed the original biological hypothesis? 

     No reference to hypothesis       (0)           Clear connection to hypothesis    (10) 

 Figures and legends to show results? 

     No figures or legends       (0)           Complete figures and legends    (10) 

 Discrepancies relative to original model? 

     No discussion of discrepancies     (0)           Clear discussion        (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Benchmark IV: Discussion  How well does the model support the original hypothesis? 

     No discussion          (0)           Clear and complete discussion    (10) 

 Support for hypothesis and assumptions from other data in the literature?            No discussion          (0)             Clear and complete discussion    (10)  Limitations of results? 

     No discussion          (0)           Clear and complete discussion    (10) 

 Discrepancies and how they affect conclusions? 

     No discussion          (0)           Clear and complete discussion    (10) 

 Relationship to other work in the field? 

     No discussion          (0)           Clear and complete discussion    (10) 

_________________________________________________________________________________________________  Final Term Paper Rubric  How well was the model replicated? 

No replication        (0) Full replication        (10) 

 Based on the term paper, how well did you understand the material? 

Page 24: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

23 

Poor understanding      (0) Excellent understanding    (10)  

How well written is the term paper? Poor writing        (0) Excellent writing      (10)    

How hard was the model extension that you did?          No extension        (0)         Difficult extension      (10)  How good was the extension?         Poor          (0)         Excellent        (10) _________________________________________________________________________________________________  Examples of easier extensions:         Changing inputs to a model         Exploring some changes in parameters  Examples of harder extensions:         A detailed bifurcation analysis of the model         Mathematical analysis of the model         Changing the model form (e.g., adding new terms)  In general, an A quality term paper is well‐written, shows an excellent understanding of the material, has a scholarly introduction, clear exposition of the model, excellent results that replicate key figures from the original model and successfully undertakes and describes a challenging  extension  to  the  model,  and  concludes  with  a  scholarly  discussion  of  the strengths and  limitations of  the model,  the results,  the extension, and  its  implications  for further study of the biological system.  Students are informed at the beginning of the course that if they do not create an extension to  the model,  they are unlikely  to receive a grade of A either  in  the  term paper or  in  the course.  

Page 25: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

24 

Appendix III: Concept Exam  Conceptual Exam  Question 1  

  Choose the function that will generate this graph over the range shown:  a. f(x) = x2  b. f(x) = x c. f(x) = ex  d. f(x) =  x  e. Don't know ____________________________________________________________________________________ Question 2  

  Choose the function that will generate this graph over the range shown:  

Page 26: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

25 

a. f(x) = x2  b. f(x) = x c. f(x) = ex  d. f(x) =  x  e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 3   

  Choose the function that will generate this graph over the range shown:  a. f(x) = x2  b. f(x) = x c. f(x) = ex  d. f(x) =  x  e. Don't know __________________________________________________________________________________ Question 4   

 

Page 27: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

26 

 Choose the function that will generate this graph over the range shown:  a. f(x) = x2  b. f(x) = x c. f(x) = ex  d. f(x) =  x  e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 5  

 Choose the differential equation whose solution is shown by the graph above: a. f ' [t] = 0; initial condition f[0] = 1. b. f ' [t] = 3; initial condition f[0] = 1. c. f ' [t] = -f[t]; initial condition f[0] = 1. d. f ' [t] = f[t]; initial condition f[0] = 1. e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 6  

 Choose the differential equation whose solution is shown by the graph above: a. f ' [t] = 0; initial condition f[0] = 1.

Page 28: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

27 

b. f ' [t] = 3; initial condition f[0] = 1. c. f ' [t] = -f[t]; initial condition f[0] = 1. d. f ' [t] = f[t]; initial condition f[0] = 1. e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 7 

Choose the differential equation whose solution is shown by the graph above: a. f ' [t] = 0; initial condition f[0] = 1. b. f ' [t] = 3; initial condition f[0] = 1. c. f ' [t] = -f[t]; initial condition f[0] = 1. d. f ' [t] = f[t]; initial condition f[0] = 1. e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 8 

Choose the differential equation whose solution is shown by the graph above: a. f ' [t] = 0; initial condition f[0] = 1. b. f ' [t] = 3; initial condition f[0] = 1. c. f ' [t] = -f[t]; initial condition f[0] = 1. d. f ' [t] = f[t]; initial condition f[0] = 1.

Page 29: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

28 

e. Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 9 Consider the following two differential equations:�� (1) x''[t] - α x'[t] + β x[t] y[t] - γ = 0�� (2) y''[t] - δ y'[t] + ε x[t] - η = 0�� The state variables for these two equations are (a) y� (b) x� (c) α and β� (d) γ, δ, ε, and η (e) Answers (a) and (b)� (f) Answers (c) and (d)� (g) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 10  Again consider the same two differential equations: (1) x''[t] - α x'[t] + β x[t] y[t] - γ = 0�� (2) y''[t] - δ y'[t] + ε x[t] - η = 0�� The parameters for these two equations are (a) y� (b) x� (c) α and β� (d) γ, δ, ε, and η (e) Answers (a) and (b)� (f) Answers (c) and (d)� (g) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 11  Consider the following differential equation: x'[t] = x[t]2 – 4 The equilibrium points for this equation are (a) 2

Page 30: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

29 

(b) -2 (c) 0 (d) -1 (e) 1 (f) Answers (a) and (b) (g) Answers (d) and (e) (h) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 12  The right hand side of a differential equation is x[t]3 - 7x[t]2 + 2x[t] + 7. Consider the plot below of the state variable versus the right hand side:

From the graph, as one goes from -2 to +8 along the x-axis, it is clear that there are (a) No equilibrium points (b) Two equilibrium points, one stable and the second unstable (c) Two equilibrium points, one unstable and the second stable (d) Three equilibrium points, one stable, the second unstable, and the third unstable (e) Three equilibrium points, one unstable, one stable, and one unstable (f) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 13  As you vary a model parameter, you note that two equilibrium points approach one another and then disappear. You have just witnessed a (a) Hopf bifurcation (b) Transcritical bifurcation (c) Saddle-node bifurcation (d) Pitchfork bifurcation (e) Don't know ___________________________________________________________________________________ 

Page 31: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

30 

Question 14  You have analyzed the eigenvalues of an equilibrium point, and have found that they are {-3.2, +7.1, -4.1}. You are looking at (a) A one-dimensional equilibrium point that is stable (b) A two-dimensional equilibrium point that is unstable (c) A two-dimensional equilibrium point that is a saddle (d) A three-dimensional equilibrium point that is a saddle (e) A three-dimensional equilibrium point that is unstable (f) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 15  You have analyzed the eigenvalues of an equilibrium point, and have found that they are {0.5 + 0.3 I, 0.5 - 0.3 I}, where I = −1 . You are looking at (a) A one-dimensional equilibrium point that is half stable (b) A two-dimensional equilibrium point that is an unstable spiral (c) A two-dimensional equilibrium point that is a stable node (d) A three-dimensional equilibrium point that is an unstable spiral (e) A three-dimensional equilibrium point that is a stable node (f) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 16  You have inoculated a flask with bacteria, and find after several hours that the number is far greater than the initial number you started with, but that the population size is no longer changing. You are looking at (a) The lag phase (b) The log phase (c) The stationary phase (d) The death phase (e) Don't know ___________________________________________________________________________________ Question 17  You are studying the squid giant axon, and using radioactive isotopes to trace the movement of ions across the membrane. During the upswing of the action potential, you primarily observe (a) Influx of calcium ions (b) Influx of potassium ions (c) Efflux of sodium ions (d) Influx of sodium ions

Page 32: Supplementary Materials for · 1 Supplementary Materials We describe briefly the material covered in the first half of the module, and, for the second half of the module, discuss

31 

(e) Efflux of potassium ions (f) Don't know ___________________________________________________________________________________  Educational objectives: (1) Recognition of mathematical functions (Questions 1 – 4) (2) Recognition of simple solutions of differential equations (Questions 5 – 8) (3) Distinguishing state variables and parameters (Questions 9 – 10) (4) Ability to apply basic concepts from nonlinear dynamics systems theory – equilibrium, stability, bifurcations  (Questions 11 – 15) (5) Recall of basic concepts from microbiology, which were presented in Chapter 3 (Question 16) (6) Recall of basic concepts from neurophysiology, which were presented in Chapter 7 (Question 17)