เรื่องโดย รศ. ดร.สุธีระ ประเสริฐสรรพ์
ผู้อำนวยการเพาะพันธุ์ปัญญาอะคาเดมี
นักเรียนทำโครงงานเป็นสิ่งดีในการสร้างการเรียนรู้ แต่มีเงื่อนไขว่าต้องเป็นโครงงานที่ถูกต้องตามหลักความรู้ด้วย ขอชวนครูทบทวนว่าการสอนโครงงานนั้นเราใช้ “ความรู้” หรือ “ความรู้สึก” กันแน่ วันนี้ขอนำตัวอย่างโครงงานเกี่ยวกับถ่านมาเล่าให้เห็นมุมมองใหม่
โครงงานถ่านที่นักเรียนเลือกทำส่วนมาก คือ การผลิตถ่านและการหาคุณภาพถ่าน มีตั้งแต่การผลิตถ่านจากชีวมวลต่าง ๆ เช่น แกลบ ซังข้าวโพด กะลามะพร้าว ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นเศษวัสดุทางการเกษตรที่พบมากในพื้นที่ แล้วจบที่นำถ่านไปดูดกลิ่นตู้เย็นหรืออัดแท่ง ส่วนการหา “คุณภาพถ่าน” มักใช้วิธีต้มน้ำดูเวลาน้ำเดือด ที่มีความเชื่อว่าถ่านคุณภาพสูง น้ำเดือดเร็วกว่า บางครั้งดูที่เวลาติดของถ่าน ติดนานเป็นถ่านดี ในความเป็นจริงการทำโครงงานที่เหมือนจะเรียบง่ายนี้กลับมีอะไรที่ซับซ้อนกว่านั้นมาก โดยเฉพาะการเรียนรู้ความเป็นวิทยาศาสตร์จากตัวแปรการทดลอง
เรื่องการเผาถ่านดูเหมือนจะเป็นเรื่องง่าย ๆ ไม่ซับซ้อน แต่หากให้นักเรียนหาความรู้จากเรื่องชีวมวลก็จะรู้ว่าชีวมวลประกอบด้วยธาตุต่าง ๆ โดยธาตุที่มีมากสุดคือคาร์บอน และจากความรู้เรื่องการสังเคราะห์ด้วยแสง นักเรียนจะรู้ว่าคาร์บอนมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ แล้วอาจขยายผลการเรียนรู้ไปสู่เรื่องการดักจับคาร์บอน (carbon capture) และโลกร้อน เพื่ออธิบายให้ได้ว่า ทำไมใช้เตาถ่านทำให้โลกร้อนน้อยกว่าเตาแก๊ส และเกิดภายใต้เงื่อนไขใด ?
การเผาถ่านเป็นกระบวนการเคมี-ความร้อน (thermo-chemical process) ที่เรียกว่า ไพโรไลซิส (pyrolysis) พูดง่าย ๆ คือ ใช้ความร้อนไล่สารประกอบอื่น ๆ ออกจากไม้ โดยจุดเตาผลิตถ่านให้ร้อนถึงระดับหนึ่งแล้วผนึกเตาไม่ให้อากาศเข้า (เพราะถ้ามีอากาศจะเป็นกระบวนการสันดาปและได้ขี้เถ้าแทน) ไม้สีน้ำตาลเปลี่ยนเป็นถ่านดำ ๆ ซึ่งก็คือ คาร์บอน ที่เกิดจากกระบวนการคาร์บอนไนเซชัน (carbonization)
แต่ถ่านสีดำที่เห็นไม่ได้มีแต่คาร์บอนล้วน ๆ เสมอไป มันมีสิ่งอื่นเจือปนด้วย ปริมาณคาร์บอนที่เหลืออยู่ในถ่านนี้เราเรียกว่า ปริมาณคาร์บอนคงตัว (fixed carbon) ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับคุณภาพ ตัวอย่างเช่น ชีวมวลหนึ่งมีปริมาณคาร์บอนคงตัวร้อยละ 20 (ฐานแห้ง) เมื่อเผาเป็นถ่านเกิดผลได้ (yield) ร้อยละ 25 (25 กิโลกรัมจากชีวมวลแห้ง 100 กิโลกรัม) ก็พอจะคาดได้ว่ามีสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่คาร์บอนประมาณร้อยละ 5 ถ่านที่มีสิ่งเจือปนมากย่อมมีคุณภาพต่ำ ดังนั้นค่าผลได้ก็พอจะบอกถึงคุณภาพได้บ้าง แต่เราจะหาค่าผลได้นี้ได้อย่างไร ในเมื่อไม้ที่ใส่ในเตาถ่านทั้งหมดจะมีส่วนหนึ่งถูกเผาไหม้ (combustion) ให้ความร้อนด้วย ตรงส่วนนี้แค่ให้นักเรียนหาผลได้จริงจากกระบวนการไพโรไลซิสเพื่อหาความสัมพันธ์กับคุณภาพถ่านก็น่าสนใจแล้ว
จะเห็นว่าแค่เพียงเผาถ่าน นักเรียนก็ได้เรียนรู้วิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ในชีวิตประจำวันมากมาย ต้องผสมผสานความรู้หลายสาระวิชามาก นอกจากศึกษาค้นคว้าเรื่องกระบวนการไพโรไลซิสเพื่อให้เข้าใจกระบวนการเคมี-ความร้อนแล้ว ควรต้องศึกษาอุปกรณ์และเทคนิคการเผาถ่าน หรืออาจขยายออกไปถึงศาสตร์อื่น ๆ ไม่ว่าจะสังคม เศรษฐศาสตร์ เกษตรศาสตร์ จุลชีววิทยา นิเวศวิทยา ฯลฯ เพิ่มก็ได้ การเผาถ่านจึงไม่ใช่เพียงเผาไม้ให้ติดไฟ เอาดินกลบ หรือเอาน้ำราดอย่างที่บางโครงงานทำกัน
เมื่อได้ถ่านมาแล้ว โจทย์ต่อไปของนักเรียนคือ จะหาคุณภาพเชื้อเพลิงอย่างไร ?
หากใช้วิชาเคมี นักเรียนต้องเข้าแล็บเพื่อวิเคราะห์ธาตุที่เป็นองค์ประกอบของถ่าน จากนั้นหาค่าความร้อนจากองค์ประกอบของ C และ H จากปฏิกิริยาสันดาป
C + O2 → CO2 ปล่อยความร้อน 393.5 kJ/mol (32.8 kJ/gC)
2H2 + O2 → 2H2O ปล่อยความร้อน 286 kJ/mol (143 kJ/gH)
แม้นักเรียนหาค่าความร้อนต่อหน่วยน้ำหนักของถ่าน (kJ/kg) ได้จากการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี แต่เสน่ห์ของการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในแล็บเท่านั้น มีวิธีการทดลองง่าย ๆ ที่นักเรียนคุ้นเคยและสนุก คือ การต้มน้ำแข่งกัน
การแข่งต้มน้ำไม่ใช่ต้มไปแบบไร้ทิศทาง ไร้ตัวแปรควบคุม นักเรียนต้องออกแบบการทดลองก่อนลงมือทำ อยากให้พิจารณาผลการทดลองสองรูปต่อไปนี้ว่า นักเรียนควรทำการทดลองให้ได้ผลแบบใด
 |
ทั้งสองการทดลองเปรียบเทียบถ่าน 3 ชนิดเหมือนกัน โดยรูปที่ 1 ใช้ชนิดถ่านเป็นตัวแปรต้น ปริมาณน้ำเป็นตัวแปรควบคุม รูปที่ 2 กลับใช้ปริมาณน้ำเป็นตัวแปรต้น โดยมี 3 เส้นของชนิดถ่านเราเรียก “ตัวแปรเปรียบเทียบ”
โครงงานนักเรียนมักนำตัวแปรเปรียบเทียบไปเป็นตัวแปรต้นจึงได้ผลเป็นกราฟแบบรูปที่ 1 แล้วสรุปว่า ถ่าน B มีคุณภาพดีที่สุด เพราะน้ำเดือดเร็วสุด แต่หากออกแบบการทดลองเพื่อให้ได้ผลแบบรูปที่ 2 นักเรียนจะเกิดการเรียนรู้ได้ดีกว่า นอกจากแทนผลด้วยนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ได้แล้ว ยังอาจพบพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นตรงด้วย หมายความว่า เวลาเดือดไม่ได้แปรตามปริมาณน้ำโดยตรง หากน้ำมากขึ้นจะมีปรากฏการณ์ที่ใช้เวลาเพิ่มขึ้นเล็กน้อย อธิบายได้จากการสูญเสียความร้อนจากการพาและแผ่รังสีความร้อนออกจากภาชนะต้มที่แปรตามเวลา
ปัญหาใหญ่ของการสอนโครงงานคือ การไม่เห็นเหตุต่าง ๆ ครบถ้วน จึงไม่ใส่ใจตัวแปรควบคุมในการทดลอง ผลการทดลองรูปแรกที่สรุปว่า ถ่าน B เดือดเร็วสุด อาจเกิดจากสาเหตุอื่นที่เอื้อให้เป็นเช่นนั้นก็ได้ ลองคิดดูว่าน้ำเดือดเร็วเพราะอะไรได้อีกบ้าง เกิดบังเอิญตั้งเตาถ่าน B ในทิศทางที่ลมพัดเข้า ถ่านมีขนาดและการจัดวางที่เอื้อให้อากาศไหลเข้าได้มาก อย่างนี้ถ่าน B เดือดก่อนได้ ทั้งที่หากคุมเหตุอื่นให้เท่ากัน ถ่าน B อาจจะเดือดช้าที่สุดก็ได้
ดังนั้นครูต้องทำให้นักเรียนเห็นทุกเหตุที่มีผลต่อเวลาเดือดด้วยผังเหตุและผลดังรูปด้านล่างนี้
ลูกศร คือ เหตุ หัวลูกศร คือ ผล ตัวแปรตาม คือ เวลาเดือด ที่ขึ้นกับตัวแปรต้น คือ ปริมาณน้ำ และเหตุอื่น ๆ คือ อุณหภูมิน้ำเริ่มต้น, ความดันอากาศ, ความจุความร้อนของหม้อ, การสูญเสียความร้อนออกจากหม้อ และความแรงของไฟ โดยเหตุเหล่านี้ยังเกิดจากเหตุชั้นที่ 2 อีกหลายอย่าง ดังปรากฏในพื้นที่แรเงาของรูป หากเราให้ปริมาณน้ำเป็นตัวแปรต้น เราก็ต้องควบคุมเหตุอื่นที่อยู่ในพื้นที่แรเงาให้คงที่ นี่เป็นวิธีสอนให้เรียนรู้ตัวแปรอย่างง่าย ๆ ไล่จากผลไปถึงเหตุที่เราจัดการได้ ควบคุมได้
การสอนให้จัดการตัวแปรฝั่งเหตุให้ถูกต้อง เป็นจุดเริ่มต้นของการสร้างจิตวิทยาศาสตร์ ทำงานด้วยความระมัดระวัง มีเงื่อนไขเปิดเผยให้ผู้อื่นทดลองซ้ำได้ ข้อมูลเปรียบเทียบกันได้ วิพากษ์ได้อย่างมีคุณค่า
ปัญหาใหญ่อีกประการคือ นักเรียนไม่ทราบว่าคุณภาพถ่านคืออะไร การต้มน้ำเดือดเร็วเป็นตัวแทนคุณภาพอย่างหนึ่งเท่านั้น ทำให้บางโครงงานวัดคุณภาพด้วยเวลาถ่านไฟติดนาน แต่ทั้งสองค่านี้ไม่ใช่คุณภาพถ่านที่สากลรู้จัก คุณภาพถ่านในความหมายตามสากล คือ ความสามารถให้ความร้อนต่อหน่วยน้ำหนัก (kJ/kg) ดังนั้นในการทดลองต้มน้ำ นักเรียนก็ต้องหา “ปริมาณความร้อนที่น้ำได้รับ” กับ “น้ำหนักถ่านที่หายไป” การทดลองจึงต้องมีกระบวนการทำงานตามแผนภูมินี้
นักเรียนใช้เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิน้ำเพื่อหาความร้อนที่น้ำได้รับ ใช้ตาชั่งวัดน้ำหนักถ่านที่หายไป แล้วนำผลทั้งสองไปหาค่าความร้อน (heating value) ก็จะได้ออกมาเป็นคุณภาพถ่าน
นอกจากนี้นักเรียนที่ทำโครงงานต้องรู้จัก “ข้อสมมติของการทดลอง” (assumption) ซึ่งเป็นสิ่งที่เราไม่นำมาคิด เพราะถือว่ากระทบผลการทดลองน้อยมาก ตัวอย่างเช่น ไม่คิดความร้อนแฝงที่ระเหยน้ำออกไป (เพราะเราต้มไม่ถึงจุดเดือด โดยในความเป็นจริงน้ำระเหยออกได้ทุกอุณหภูมิ และความร้อนแฝงต่างกันตามอุณหภูมิ) หรือข้อสมมติว่าการสูญเสียความร้อนออกจากผิวหม้อมีค่าเท่ากันทุกการทดลอง (ซึ่งไม่เป็นจริง เพราะหากปริมาณน้ำเป็นตัวแปรต้น จะใช้เวลาต่างกัน)
การเข้าใจสมมติฐาน การจำแนกตัวแปรชนิดต่าง ๆ และการกำหนดข้อสมมติอย่างรอบคอบ นอกจากเป็นการผสมผสานและประยุกต์ความรู้แล้ว ยังปลูกฝังจิตวิทยาศาสตร์ให้แก่นักเรียน แต่กลับเป็นสิ่งที่ถูกมองข้ามมากที่สุดในการสอนโครงงาน
โครงงานเกี่ยวกับถ่านที่ทำมานาน ซ้ำ ๆ กันจนดูเหมือนว่าเป็นที่ยอมรับว่าถูกต้องนั้น แท้ที่จริงแล้วหากใช้ความรู้ที่ถูกต้อง โครงงานนั้นจะมีคุณค่าและประโยชน์มากยิ่งขึ้น เรื่องนี้เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ต้องการให้ครูโครงงานทบทวนว่า การสอนโครงงานที่ผ่านมานั้นอยู่บนฐาน “ความรู้ที่ถูกต้อง” หรือเป็นไปตาม “ความรู้สึกว่าถูกต้อง” มากกว่ากัน
About Author
