คิดอย่างไรก่อนคิดทำโครงงาน

เรื่องโดย รศ. ดร.สุธีระ ประเสริฐสรรพ์

---

อดีตอาจารย์คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ ผู้บริหารสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) และหัวหน้าโครงการเพาะพันธุ์ปัญญา ผู้ผันตนเองมาขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงการสอนโครงงานวิทยาศาสตร์และสะเต็มด้วยมุมมองวิศวกรรมศาสตร์ในการศึกษาขั้นพื้นฐาน

---

ผมอ่านรายงานโครงงานนักเรียนมัธยมที่ทำสเปรย์เย็น (cooling spray) สำหรับฉีดเพื่อลดอุณหภูมิของร่างกายคนที่เป็นฮีตสโตรก (heat stroke) หรือโรคลมแดด จึงเกิดความคิดเอามาถามว่า ถ้าท่านเป็นครู ท่านจะสอนอย่างไร ?

โครงงานแบบนี้มักคิดทำไปตามที่ “คิดเอาเอง” คือ ผสมแอลกอฮอล์กับน้ำ ใส่ขวดสเปรย์ ลองฉีดใส่ผิวหนัง กรอกแบบสอบถามความพึงพอใจ เย็นไหม หอมไหม ชอบไหม… ซึ่งเป็นหลักการที่ใช้การ “ทำของ” นำทาง วิธีแบบนี้เหมาะกับเด็กประถม ที่ต้องการให้สนุกกับการได้ทำ ได้เจอของใหม่ ได้แก้ปัญหาแบบลองผิดลองถูก ค่อย ๆ พัฒนาระบบคิดว่า “ถ้าทำอย่างนี้ จะเกิดอย่างนั้น” ซึ่งเป็นพื้นฐานของความคิดเชิงเหตุและผล แต่สำหรับเด็กมัธยม การลุยทำไปเลยไม่ใช่หลักการทำโครงงานที่ดี บทความนี้จะอธิบายให้ครูโครงงานทราบว่าโครงงานที่ดีเป็นอย่างไร ? และลองเอาหลักการหรือหลักคิดไปประยุกต์ใช้ในโครงงานอื่น

นักเรียน “ทำของ” ตามที่ตาเห็นและใช้เป็นเข็มทิศนำทาง เริ่มจากเห็นผลิตภัณฑ์นี้ มองว่ามันมีอะไรบ้าง อ๋อ… มีขวด มีของเหลวในขวด มีหัวกดปั๊มของเหลว มีหัวฉีดทำให้เป็นละอองฝอย สัมผัสละอองแล้วเย็น (โดยเฉพาะที่มีของเหลวระเหยง่าย เช่น แอลกอฮอล์) ความคิดถัดมาคือ จับคู่กับความต้องการ เมื่อรู้ว่าคนเป็นฮีตสโตรกต้องระบายความร้อน อย่ากระนั้นเลย…เราเอาสเปรย์นี้แหละมาระบายความร้อน (เพราะฉีดแล้วรู้สึกเย็น) การคิดเชื่อมโยงเอามาใช้ในอีกหน้าที่หนึ่งเป็นเรื่องปกติ แต่ที่ครูต้องเน้นคือระบบคิดและการหาความรู้มาใช้งาน

เวลานักเรียนคิด “ทำของ” ครูต้องตั้งคำถาม 5 คำถามนี้ก่อนเสมอ

1. มันทำหน้าที่อะไรและต้องมีสมรรถนะอย่างไร ?
2. มันแข่งกับอะไร ?
3. นักเรียนใช้หลักการอะไรให้มันทำหน้าที่ ทำไมนักเรียนเชื่อว่าหลักการนี้จะทำให้มันแข่งได้ ?
4. นักเรียนเอาหลักการมาใช้ (ให้ทำงาน) ได้อย่างไร ?
5. นักเรียนจะพิสูจน์อย่างไรว่ามันแข่งได้ ?

ผมจะขอไล่คำถาม-คำตอบเพื่อให้ครูเห็นแนวทาง

ข้อ 1 “มันทำหน้าที่อะไรและต้องมีสมรรถนะอย่างไร ?” หากนักเรียนตอบว่ามันทำหน้าที่ “ลดอุณหภูมิร่างกาย” คำตอบนี้ยังไม่ใช่แก่นการทำหน้าที่จริง ๆ ครูต้องทำให้เด็กคิดได้ว่า “เย็น” เป็นความรู้สึก ยังไม่ใช่ “ปริมาณความร้อน” ที่ต้องระบายออกจากคนเป็นฮีตสโตรก หน้าที่ครูคือต้องถามต่อจนกว่าได้คำตอบว่า มันทำหน้าที่ “เอาความร้อนออกจากร่างกาย” เด็กจะเห็นวิชาการถ่ายเทความร้อน (heat transfer) ซึ่งจะเป็นหลักการไปตอบคำถามข้อ 3

สมรรถนะ คือ ความสามารถทำงานได้สำเร็จ เด็กต้องหาเกณฑ์ความสำเร็จเพื่อกำหนดสมรรถนะ คนเป็นฮีตสโตรกจะต้องลดอุณหภูมิร่างกายจาก 40 องศาเซลเซียส ลงมาที่ 37 องศาเซลเซียส ในเวลา 15 นาที นักเรียนเริ่มใช้ความรู้มาหาว่า หากคนน้ำหนัก 70 กิโลกรัม ต้องการลดอุณหภูมิลง 3 องศาเซลเซียส ต้องเอาความร้อนออกกี่กิโลจูล และมีวิธีการอย่างไรให้ทำได้ในเวลา 15 นาที ข้อมูลนี้คือสมรรถนะที่เป็นเกณฑ์ความสำเร็จ (criteria) ซึ่งจะไปสนับสนุนคำตอบของคำถามข้อ 5

คำถามข้อ 1 จึงเป็นสติกำกับให้รู้ว่านักเรียนกำลังทำเพื่อเป้าหมายอะไร มีเงื่อนไขอะไร ไม่ใช่ทำเฉย ๆ แบบที่ “คิดเอาเอง” ถ้าเป็นการแข่งกีฬา ข้อนี้คือขั้นตอนสมัครและซ้อมเตรียมตัว

ข้อ 2 “มันแข่งกับอะไร ?” กรณีนี้นักเรียนมีคำอธิบายที่ทำให้ผมเข้าใจว่า สเปรย์เย็นที่ลดอาการบาดเจ็บของกล้ามเนื้อในการแข่งกีฬาเป็นคู่แข่ง นักเรียนอาจจะเห็นว่า สเปรย์เย็นเย็นเร็วดี จึงนึกว่ามีความสามารถเอาความร้อนออกจากคนเป็นฮีตสโตรกได้ โดยลืมความจริงที่ว่า สเปรย์เย็นเอาความร้อนออกจากพื้นที่เล็ก ๆ อาจจะเพียงร้อยละ 0.01 ของพื้นที่ร่างกายเท่านั้น ความร้อนที่เอาออกจึงน้อยมาก ๆ เมื่อเทียบกับปริมาณความร้อนที่ต้องเอาออกจากคนเป็นฮีตสโตรก

ถ้าเราเริ่มจากคู่แข่งผิด เราก็กำลังเดินทางผิด เหมือนเอาไม้แบดมินตันไปเล่นเทนนิส อย่างไรก็ไม่มีทางชนะ คู่แข่งจริงคือ สิ่งที่แพทย์ปฏิบัติ มีทั้งแช่น้ำเย็น เอาน้ำราด เอาพัดลมเป่า ประคบน้ำแข็งบริเวณคอ รักแร้ และขาหนีบต่างหาก นวัตกรรมจำนวนมากล้มเหลวเพราะเปรียบเทียบกับคู่แข่งผิด เช่น เปรียบเทียบกับของที่ด้อยกว่าแทนที่จะเปรียบเทียบกับวิธีที่ผู้ใช้ใช้อยู่จริง

คำถามข้อที่ 2 เป็นข้อบอกสนามแข่ง ไปให้ถูกสนามตามที่สมัครไว้ เอาอุปกรณ์แข่งที่ถูกติดตัวไป

ข้อ 3 “ใช้หลักการอะไรให้มันทำหน้าที่ ทำไมเชื่อว่าหลักการนี้จะทำให้แข่งได้ ?” การเอาความร้อนออกมีหลักการใหญ่ 3 ประการ คือ การนำความร้อน (heat conduction) การพาความร้อน (heat convection) และการแผ่รังสี (heat radiation) จากความรู้ที่มีอยู่ เราตัดการแผ่รังสีออกไปได้เลย ตัวอย่างการนำความร้อน คือ แผ่นประคบเย็น (cooling pad) ตัวอย่างการพาความร้อน คือ พัดลม

สเปรย์เย็นมีกลไกซับซ้อนเพิ่มอีกนิดเพราะเกิดจากการเปลี่ยนเฟสของของเหลวที่เรียกว่า กระบวนการทำความเย็นแบบระเหย (evaporative cooling) โดยสารที่พ่นออกมาเป็นของเหลวแล้วระเหยเป็นไอจากการดึงความร้อนออกจากร่างกายเรา (และจากสิ่งแวดล้อม) ถ้าคู่แข่ง (จากข้อ 2) คือ สเปรย์เย็นซึ่งใช้สารกลุ่มไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส เมื่อกระทบผิวหนังจึงดึงความร้อนออกได้รวดเร็วมาก (รู้สึกชา ลดความปวด) สารพวกนี้ต้องเก็บที่ความดันสูงและเป็นเชื้อเพลิง ไม่เหมาะกับโครงงานนักเรียน ถ้ายังยึดติดกับสเปรย์ หลักการทำความเย็นแบบระเหยจะสู้กับการนำและการพาความร้อนไม่ได้

คำถามข้อที่ 3 เป็นเหมือนกฎกติกาการแข่ง เช่น เราเป็นแชมป์มวยไทย ผ่านการคัดตัวไปโอลิมปิก ขึ้นไปใช้แม่ไม้มวยไทยในการแข่งขันมวยสากล คู่ชกถูกเตะก้านคอสลบ เราก็แพ้อยู่ดี ดังนั้นถ้าเลือกคำตอบข้อ 1 และ 2 ผิด หลักการข้อ 3 จะผิดตาม และจะผิดไปถึงข้อ 4

ข้อ 4 “เอาหลักการมาใช้ (ให้ทำงาน) ได้อย่างไร ?” ถ้าหลักการถูก คำถามข้อนี้คือการประยุกต์ใช้หลักการ ถ้ามีสารที่หลักการทำความเย็นแบบระเหยใช้ได้ ก็เพียงเอามาใส่ขวดหรือกระป๋องสเปรย์ แต่ถ้าหลักการคือการนำความร้อน เราทำแผ่นประคบเย็น ถ้าหลักการคือการพาความร้อน เราก็ใช้พัดลม ถ้าต้องการอัตราการลดอุณหภูมิมาก (เย็นเร็ว) เราก็ใช้ทั้งการนำและการพาความร้อนไปพร้อมกัน เช็ดตัวในห้องแอร์และเป่าพัดลม คำตอบข้อนี้เป็นการออกแบบให้ของทำหน้าที่ตามกระบวนการของหลักการ

คำถามข้อ 4 คือการลงสนามแข่ง

ข้อ 5 “จะพิสูจน์อย่างไรว่ามันแข่งได้ ?” เป็นการออกแบบการทำงานเพื่อหาหลักฐานเชิงประจักษ์มาพิสูจน์ ส่วนนี้บอกความสำเร็จของโครงงานซึ่งจะสำเร็จเมื่อมีหลักการที่ถูกต้อง (ข้อ 3) และนำมาใช้ถูกต้อง (ข้อ 4)

คำถามข้อที่ 5 คือการนับคะแนนการแข่งตัดสินแพ้-ชนะ

ไม่ว่านักเรียนจะทำโครงงานเครื่องให้อาหารปลาอัตโนมัติ เครื่องดักยุง หรือเครื่องแยกขยะ คำถาม 5 ข้อนี้ยังใช้ได้เสมอ ครูต้องสอนนักเรียนให้เอาหน้าที่และสมรรถนะมากำหนดการทำโครงงาน ลบความเชื่อการทำของที่คิดเอาเองตามที่ตาเห็นออกให้หมด

กระบวนการคิดในการสอนโครงงานเอาความร้อนออกจากคนเป็นฮีตสโตรกควรใช้หลักการสมดุลระหว่างอุปสงค์ (demand) กับอุปทาน (supply) สอนให้เอาอุปสงค์มากำหนดอุปทาน (demand-driven innovation)

อุปสงค์ หมายถึง ปริมาณและความเร็วของความร้อนที่ต้องเอาออก ตัวอย่างเช่น คนหนัก 70 กิโลกรัม ลดอุณหภูมิลง 3 องศาเซลเซียส (จาก 40 องศาเซลเซียส ลงมาเป็น 37 องศาเซลเซียส) อาจต้องระบายความร้อนออก 700 กิโลจูล ในเวลา 15 นาที (ถ้าเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าก็ประมาณ 800 วัตต์ ขนาดพอ ๆ กับเตารีด) การระบายความร้อนปริมาณนี้คิดคร่าว ๆ คือ ความร้อนที่ละลายน้ำแข็ง 2 กิโลกรัมหมดในเวลา 15 นาที (ความร้อนแฝง 334 กิโลจูลต่อกิโลกรัม)

อุปทาน หมายถึง การหาวิธีเอาความร้อนออกให้ได้ตามอุปสงค์ วิธีอะไรก็ได้ อย่ายึดติดกับสเปรย์

การสอนแบบนี้ทำให้ต่างจากโครงงานทั่วไป (ที่เห็นมา) คือ ใช้คณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์มาหาคำตอบและความเหมาะสมหรือความเป็นไปได้ก่อนลงมือสร้างนวัตกรรม เป็นวิธีคิดแบบเดียวกับที่ใช้ในการวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์จริง หากนักเรียนทำได้ถึงระดับนี้ โครงงานจะเปลี่ยนจากทำของ (สเปรย์เย็นสำหรับคนเป็นฮีตสโตรก) เป็นการศึกษาเชิงวิจัย “การออกแบบอุปกรณ์ระบายความร้อนฉุกเฉินสำหรับคนเป็นฮีตสโตรก โดยใช้หลักการสมดุลพลังงานและการถ่ายเทความร้อน” ซึ่งเป็นโจทย์ที่เหมาะกับนักเรียนมัธยม ที่สุดท้ายแล้วเป็นอะไรก็ได้ ขอให้ทำหน้าที่ได้

อย่างไรก็ตามการแข่งของนวัตกรรมยังมีประเด็นสำคัญ เช่น ราคา ความสะดวกในการใช้งาน ความง่ายในการเก็บรักษา ความสวยงาม ฯลฯ ครูและนักเรียน (รวมทั้งผู้ประเมิน) มักจะใส่ใจกับความสวยงาม จึงตั้งใจประดิษฐ์ประดอยตกแต่ง ผู้เกี่ยวข้องกับการสอนโครงงานจำนวนมากตกหลุมพรางนี้ โดยลืมไปว่าของที่สวยจนตะลึงอดใจซื้อไม่ได้นั้น หากไม่มีสมรรถนะที่ต้องการ มักถูกมองว่าหลอกลวง (ซื้อรถเฟอร์รารีแต่ใส่เครื่องรถตุ๊ก ๆ) คำถามข้อ 3 จึงสำคัญที่สุดในการ “ทำของ” เพื่อแข่งขันได้ในเชิงสมรรถนะ

คำถามทั้ง 5 ข้อข้างต้นช่วยให้เราเกาะติดกระบวนการทำโครงงานที่ดีได้โดยรู้จักกำหนดหน้าที่ กำหนดสมรรถนะ ใช้ความรู้วิทยาศาสตร์ ออกแบบ และพิสูจน์ ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับการสร้างนวัตกรรมที่ประกอบด้วย ความต้องการ (need), ข้อกำหนดเชิงหน้าที่ (function requirement), หลักการทางกายภาพ (physical principle), ตัวแปรในการออกแบบ (design parameter) ก่อนไปสู่การสร้างต้นแบบ (prototype) และการทดสอบ (test) และหากพิจารณาให้ดี มันคือหลักการเดียวกับกระบวนการคิดเชิงออกแบบ (design thinking) ที่ประกอบด้วย การเข้าใจความต้องการของผู้ใช้ (empathize), การกำหนดโจทย์ปัญหาให้ชัดเจน (define), การระดมแนวคิด (ideate) การสร้างต้นแบบ (prototype) และการทดสอบ (test)

แนวคิดของกระบวนการทำโครงงานที่ดีสอดคล้องกับหลักการสร้างนวัตกรรมและกระบวนการคิดเชิงออกแบบ (design thinking)

จะเห็นว่าหากเราเอาหน้าที่ (เอาความร้อนออกจากร่างกาย) มาเป็นหลักในการทำโครงงาน สเปรย์เย็นเป็นของที่อาจจะสู้แผ่นประคบเย็นไม่ได้ด้วยซ้ำ ดังนั้นการสอนโครงงานมัธยมศึกษา ต้องอย่าเอาการ “ทำของ” มาเป็นตัวกำหนดโครงงาน แต่ให้เอา “หน้าที่และสมรรถนะ” มากำหนด มันจะเป็นสติกำกับไปถึงข้ออื่น ๆ

การใช้คำถาม 5 ข้อจึงเป็นวิธีที่จะช่วยให้นักเรียนไม่ติดอยู่กับความคิด “ทำของที่ตั้งเป้าตั้งแต่ต้น” ทั้งนี้ก็เพื่อไม่ให้ผลงานกลายเป็นขนมขึ้นราอยู่ในแพ็กเกจสวยงาม…แบบเสียของนั่นเอง

ทำอย่างไรไม่ให้ Project เป็น Proเจ็บ บทความนี้สะท้อนปัญหาการสอนโครงงานสิ่งประดิษฐ์ที่ปฏิบัติกันอยู่ว่า ให้ความสำคัญกับการสร้างชิ้นงานมากกว่าการใช้ความรู้เพื่อออกแบบวิธีแก้ปัญหา กล่าวคือ มีกระบวนทัศน์ “ปัญหา-การทำของ-การทดลอง-การประเมิน” แทนที่จะเป็นขั้นตอนของ “ปัญหา-หน้าที่-สมรรถนะ-หลักการ-การออกแบบ-การพิสูจน์” หากต้องการหลุดพ้นจากปัญหาดังกล่าว ครูต้องมีความสามารถต่อไปนี้ การมองให้เห็นปัญหาแล้วจึงกำหนดหน้าที่ อย่าเริ่มจากจะประดิษฐ์อะไร อย่างหน้าที่ของสิ่งประดิษฐ์นี้คือ “เอาความร้อนออกจากร่างกายโดยเร็ว” ครูต้องให้นักเรียนเอามากำหนดเป็นเกณฑ์ (criteria) และเงื่อนไขบังคับ (constraint) เช่น ปริมาณความร้อนเท่าใด เอาออกภายในกี่นาที ควรเอาออกจากจุดใดในร่างกายมนุษย์ ฯลฯ การเข้าใจหลักการ หลักการเป็นกรอบใหญ่ของการทำสิ่งประดิษฐ์หรือแก้ปัญหา ตัวอย่างเช่น หลักการสร้างนวัตกรรมหรือแก้ปัญหาจากคำถาม 5 ข้อ หลักการสมดุลระหว่างอุปสงค์กับอุปทาน หลักการทำงานที่แท้จริงของสเปรย์เย็น การใช้ความรู้แทนการลองผิดลองถูก การทำงานแบบลองผิดลองถูกเป็นการใช้สัญชาตญาณ ไม่ใช่ความรู้ ดังนั้นครูต้องโคชนักเรียนให้หาคำตอบก่อนว่า “เราต้องมีความรู้อะไร ความรู้นั้นหาได้อย่างไร” บางความรู้หาได้จากข้อมูลอินเทอร์เน็ต เช่น ควรเอาความร้อนออกที่จุดใด ในเวลาไม่เกินกี่นาที่ แต่บางความรู้ต้องหาเอง เช่น ต้องเอาความร้อนออกเท่าใด ประการหลังนี้คือ การทำวิจัย (research-based project) การเปลี่ยนนามธรรมเป็นรูปธรรม การสอนด้วยกระบวนการคิดเชิงออกแบบมักจะติดอยู่กับศัพท์เฉพาะอย่าง empathy, define, ideate, prototype, test ซึ่งมีความเป็นนามธรรมมาก ทำให้นักเรียนพยายามจำนิยาม แต่หากครูเข้าใจการแก้ปัญหาจริง ๆ ศัพท์เหล่านี้จะเปลี่ยนเป็นคำถามโคชที่ชัดเจน เข้าใจง่ายแทน

About Author

• Facebook
• X
• Line