การศึกษาเป็นการเตรียมนักเรียนเพื่อเข้าสู่โลกแห่งความจริงที่มีแต่ปัญหาคลุมเครือ (Ill-defined Problems) ยากที่จะแก้ไขหรือมีคำตอบที่ถูกต้องได้หลากหลาย แต่จำเป็นต้องเลือกทางที่คิดว่าดีที่สุด หากแต่ในการศึกษาแบบเดิมนั้นยังคงเน้นการแก้ปัญหาที่มีคำตอบที่ถูกต้องเพียงคำตอบเดียว และเป็นปัญหาที่มีแนวทางแก้ไขที่ชัดเจน (Well-defined Problems) ซึ่งไม่ตรงกับชีวิตจริงที่นักเรียนจะไปเจอในอนาคต (Fortus et al., 2004) การที่จะฝึกนักเรียนให้แก้ปัญหาที่คลุมเครือแล้วต้องตัดสินใจเลือกสิ่งที่เหมาะสมที่สุดได้นั้น ควรให้นักเรียนได้ทำกิจกรรมที่เปิดโอกาสให้คิดในขณะที่กำลังลงมือทำ (Minds-on/Hands-on Activities) ได้ฝึกการตัดสินใจและแก้ปัญหา (Wells, 2016a) อย่างไรก็ดี การเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันยังคงให้ความสำคัญกับการสอนแบบบรรยาย และคำถามที่ถามนักเรียนก็ยังเป็นคำถามที่เน้นความจำเนื้อหาที่เรียน เพื่อจะสร้างกำลังคนที่ตอบสนองต่อความต้องการของประเทศในการสร้างกำลังคนด้าน STEM นั้น รูปแบบการจัดการเรียนรู้จึงควรมีการเปลี่ยนแปลง

     เทคโนโลยี (Technology) และวิศวกรรม (Engineering) เป็นศาสตร์ที่กำลังเข้ามามีบทบาทในการจัดการเรียนรู้แบบใหม่นี้ โดยเทคโนโลยีหมายถึงการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงสิ่งที่มีอยู่ตามธรรมชาติผ่านกระบวนการออกแบบเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ ระบบ หรือกระบวนการต่าง ๆ ที่ตอบสนองความต้องการของมนุษย์ (ITEEA, 2020) ในขณะที่วิศวกรรมหมายถึงการใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์และการใช้เหตุผลทางคณิตศาสตร์เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีที่ตอบสนองความต้องการตามเกณฑ์ที่กำหนด (Engineering - The use of scientific principles and mathematical reasoning to develop and optimize technologies to meet needs that have been defined by criteria; simply put, the process of design under constraint.) (ITEEA, 2020) ด้วยเหตุนี้ การนำปัญหาทางเทคโนโลยีมาใช้ในการออกแบบเพื่อจัดการเรียนรู้สามารถช่วยส่งเสริมนักเรียนให้เรียนรู้จากการแก้ปัญหาที่เชื่อมโยงกับชีวิตจริง (Authentic tasks) ใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และเทคโนโลยีในลักษณะที่บูรณาการกันเพื่อแก้ปัญหา นอกจากนี้ นักเรียนยังมีโอกาสในการทำงานร่วมกับผู้อื่น สื่อสาร คิดเพื่อวางแผนแก้ปัญหาและตัดสินใจ โดยมีครูทำหน้าที่เป็นผู้อำนวยความสะดวกในการจัดการเรียนรู้โดยใช้คำถามกระตุ้นการเรียนรู้ของนักเรียนแทนที่จะบรรยายเนื้อหา ดังนั้น การจัดการเรียนรู้ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี (Technological and Engineering Design Based Learning) จึงเป็นการจัดการเรียนรู้ที่นำเอาปัญหาหรือความต้องการของมนุษย์ที่เกี่ยวกับเทคโนโลยีมาเป็นกิจกรรมในการออกแบบเพื่อให้นักเรียนใช้ความรู้ในลักษณะบูรณาการ รวมทั้งทักษะต่าง ๆ เพื่อให้ได้มาซึ่งระบบ กระบวนการ หรือผลิตภัณฑ์ที่สามารถแก้ไขปัญหาที่ต้องการได้ ซึ่งถ้าหากความรู้ที่ใช้ในการแก้ปัญหานั้นมาจากรายวิชาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี คณิตศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ ก็จะเรียกการศึกษารูปแบบนี้ว่าสะเต็มศึกษา (STEM Education)

     บทความนี้ช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจกระบวนการจัดการเรียนรู้ในการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีเพื่อให้สามารถนำไปเป็นแนวคิดในการจัดการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษาในห้องเรียน โดยมีการอธิบายความหมายของสะเต็มศึกษา ข้อดีของการจัดการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษา และตัวอย่างของการจัดการเรียนรู้ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี ซึ่งเป็นการสอนที่เป็นเอกลักษณ์ (Signature Pedagogy) ของ Integrative STEM Education บทความนี้แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการนำเสนอความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับสะเต็มศึกษาและรูปแบบการจัดการเรียนรู้ ส่วนที่สองเป็นตัวอย่างการจัดการเรียนรู้ที่ใช้ในห้องเรียนจริง

ความหมายของ STEM และ STEM Education

     คำว่าสะเต็ม (STEM) เป็นตัวย่อของวิทยาศาสตร์ (Science) เทคโนโลยี (Technology) วิศวกรรมศาสตร์ (Engineering) และคณิตศาสตร์ (Mathematics) ซึ่งใช้สำหรับเรียกกลุ่มคนหรือสาขาที่เกี่ยวข้องกับวิชาเหล่านี้ เช่น อาจจะเรียกวิศวกร หมอ นักฟิสิกส์ หรือนักวิทยาการข้อมูลรวมกันว่ากลุ่มคนที่ทำงานสาย STEM ขณะที่สะเต็มศึกษา (STEM Education) หมายถึงการเรียนรู้แบบบูรณาการวิชาเหล่านี้เข้าด้วยกัน โดยอาจใช้รูปแบบการเรียนแบบการใช้ปัญหาเป็นฐาน (Problem-Based Learning) การใช้โครงงานเป็นฐาน (Project-Based Learning) หรือการออกแบบเป็นฐาน (Design-Based Learning)

     สะเต็มศึกษาเน้นไปที่การเรียนรู้แบบบูรณาการทักษะและความรู้ของรายวิชาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ ผ่านการทำกิจกรรมที่นักเรียนต้องประยุกต์องค์ความรู้ในการแก้ปัญหา ออกแบบแนวทางแก้ปัญหาโดยใช้ความคิดสร้างสรรค์ (Creativity) การคิดอย่างเป็นระบบ (System Thinking) รวมทั้งการคิดอย่างมีวิจารณญาณ (Critical Thinking) ตัวอย่างเช่น ในการเรียนรู้ผ่านการออกแบบเป็นฐานนั้น นักเรียนจะได้รับโจทย์การออกแบบ (Design Challenge) ให้แก้ไขปัญหาบางอย่างเพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์ ซึ่งในกิจกรรมนี้นักเรียนจะเริ่มด้วยการเข้าใจว่าปัญหาคืออะไร เงื่อนไขหรือข้อจำกัดในการแก้ปัญหา รวมทั้งปัจจัยในการวัดความสำเร็จ หลังจากนั้นนักเรียนอาจรวมกลุ่มกันเพื่อระดมสมองในการแก้ปัญหา หลังจากผ่านขั้นตอนนี้นักเรียนจะได้แนวคิดหลากหลายในการแก้ปัญหา จากนั้นนักเรียนจะใช้ความคิดและพูดคุยแลกเปลี่ยนกับเพื่อนในกลุ่มเพื่อเลือกแนวคิดที่มีความเป็นไปได้มากที่สุดมาหนึ่งแนวคิดเพื่อสร้างต้นแบบในการแก้ปัญหา (Prototype) ขึ้นมา ซึ่งโดยมากการสร้างในครั้งแรกจะไม่ประสบความสำเร็จตามที่ต้องการ นักเรียนจำเป็นต้องแก้ไข ออกแบบ สร้าง วนไปเรื่อย ๆ จนได้สิ่งที่แก้ปัญหาตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ ซึ่งในการออกแบบนี้นักเรียนต้องใช้องค์ความรู้ที่นักเรียนมีอยู่ รวมถึงการเรียนรู้เพิ่มเติมเพื่อคาดการณ์และตัดสินใจเลือกวิธีการที่ดีที่สุดในการแก้ปัญหา วิธีการแบบนี้ทำให้นักเรียนได้เรียนรู้และฝึกทักษะต่าง ๆ ที่จำเป็นในการทำงานในอนาคตด้วย

     นอกจากนี้ ยังมีประเด็นที่น่าสนใจเกี่ยวกับ STEM Education คือความแตกต่างระหว่าง Integrated STEM Education และ Integrative STEM Education

     Integrated STEM Education เป็นการบูรณาการรายวิชาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ หรือที่เรียกว่า STEM แบบที่เตรียมไว้ล่วงหน้า กล่าวคือ ถ้าครูจัดกิจกรรมการเรียนรู้แบบ Integrated STEM Education โดยปกติครูจะมีเอกสารประกอบการเรียนรู้เกี่ยวกับกิจกรรมนั้น เช่น หากต้องการให้นักเรียนประดิษฐ์รถยนต์ไฟฟ้า หน้าแรกของเอกสารจะเป็นชื่อกิจกรรม ตามด้วยวัสดุอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องใช้ และตามด้วยขั้นตอนในการประดิษฐ์ ซึ่งหากนักเรียนทำตามกิจกรรมนี้แล้วนักเรียนจะได้รถไฟฟ้ามาคันหนึ่ง นักเรียนจะเขียนอธิบายว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์รถคันนี้มีอะไรบ้าง

     สำหรับ Integrative STEM Education เป็นคำที่ใช้เรียกการเรียนรู้ของสะเต็มศึกษาผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี มีการใช้เป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทค (Virginia Tech) ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยศาสตราจารย์แซนเดอร์ และศาสตราจารย์เวล (Wells, 2013) การออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีนั้นจะเปิดโอกาสให้นักเรียนได้ใช้ความคิดในการออกแบบด้วยตนเองให้มากที่สุด เช่น กิจกรรมออกแบบรถยนต์ไฟฟ้า หากใช้การเรียนรู้ด้วยการออกแบบ จะเริ่มด้วยการดึงดูดความสนใจนักเรียนเข้าสู่บทเรียนด้วยการให้นักเรียนเกิดความตระหนักถึงปัญหาของการใช้รถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงในการเผาไหม้ เช่น ทำให้เกิดฝุ่นควัน หรือปัญหาของเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ใกล้หมดไปจากโลก เพื่อดึงความสนใจนักเรียนให้หาวิธีในการเดินทางในอนาคตด้วยพลังงานสะอาด หลังจากนั้นจึงนำนักเรียนเข้าสู่โจทย์การออกแบบ หรือ Design Challenge ซึ่งเป็นข้อท้าทายให้นักเรียนออกแบบรถยนต์ที่ช่วยลดปัญหาที่เกิดจากรถยนต์เชื้อเพลิงฟอสซิล โดยมีการกำหนดเกณฑ์เพื่อวัดความสำเร็จในการออกแบบ เช่น รถยนต์สามารถวิ่งได้ในระยะทางกี่กิโลเมตร รถยนต์ต้องไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล โดยนักเรียนอาจได้รับเอกสารที่ชี้แนะแนวทางเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย อาทิ เอกสารความรู้ที่จำเป็นต่อการออกแบบ ขึ้นอยู่กับครูประเมินนักเรียนของตนเองว่าต้องการการชี้แนะมากน้อยเพียงใด จากนั้นนักเรียนจะใช้กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม (Engineering Design Process) เช่น มีการระดมสมองระหว่างเพื่อนร่วมกลุ่มเพื่อคิดถึงแนวทางแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ ซึ่งนักเรียนอาจจะได้แบบของรถที่จะประดิษฐ์ออกมาหลากหลาย ให้นักเรียนตกลงกันแล้วเลือกแบบใดแบบหนึ่งขึ้นมาเพื่อใช้ในการสร้าง จากนั้นนักเรียนเขียนรายการอุปกรณ์ที่จำเป็นในการประดิษฐ์รถด้วยตนเอง แล้วจึงลงมือสร้าง แล้วทดสอบรถที่ตนเองสร้าง หากไม่สามารถทำงานได้ตามเกณฑ์ที่กำหนด นักเรียนจะวนลูปซ้ำในการออกแบบ แก้ไข ประดิษฐ์ ทดสอบ ไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะได้รถยนต์ที่สร้างและทำงานตามที่ตั้งเป้าหมายไว้ ซึ่งในทุกกระบวนการของการออกแบบนี้ นักเรียนควรมีคำถามกับตนเองตลอดเวลาว่าอะไรที่จำเป็นต้องรู้เพื่อให้การออกแบบนี้สำเร็จ และอะไรก็ตามที่นักเรียนยังไม่รู้ นักเรียนควรไปหาความรู้เพิ่มเติม ซึ่งวิธีการเรียนรู้โดยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีนั้นมีจุดประสงค์เพื่อให้นักเรียนได้เรียนรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีและวิศวกรรมควบคู่ไปกับวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ ผ่านกิจกรรมการออกแบบ (Wells & Ernst, 2012)

กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม (Engineering Design Process)

     หลักสูตรวิทยาศาสตร์ของประเทศสหรัฐอเมริกาที่พัฒนาในปี ค.ศ. 1996 ได้ให้ความสำคัญกับกระบวนการสืบเสาะทางวิทยาศาสตร์ (Scientific Inquiry) ซึ่งเป็นกระบวนการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการได้มาซึ่งองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ โดยการนำวิธีการนี้เข้ามาใช้ในห้องเรียนเพื่อให้นักเรียนใช้กระบวนการแบบเดียวกันในการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ (National Research Council, 1996) อย่างไรก็ตาม การเรียนวิทยาศาสตร์ยังคงเป็นนามธรรมและยากที่จะเชื่อมโยงกับชีวิตจริง (Fortus et al., 2004) ปี ค.ศ. 2013 หลักสูตรวิทยาศาสตร์ของประเทศสหรัฐอเมริกามีการปรับเปลี่ยนโดยให้ความสำคัญกับการออกแบบทางวิศวกรรมมากขึ้น เนื่องจากการออกแบบทางวิศวกรรมสามารถทำให้นักเรียนเรียนรู้เนื้อหาวิทยาศาสตร์ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความรู้ที่นักเรียนได้มานั้นมาจากการใช้กระบวนการทางวิศวกรรมออกแบบแก้ปัญหาที่เชื่อมโยงกับชีวิตจริง (NGSS Lead States, 2013) ซึ่งการเรียนรู้เช่นนี้จะทำให้เกิดการเชื่อมโยงความรู้ใหม่เข้ากับความรู้เก่าได้ดีกว่าการเรียนแบบไม่เชื่อมโยงตามทฤษฎีการรับรู้และความคิดแบบประมวลผลข้อมูล (Information Processing Theory) (Ormrod, 2016)

     กระบวนการเรียนรู้ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมจะเริ่มต้นด้วยการกำหนดปัญหาที่ต้องการแก้ไข จากนั้นระดมสมองเพื่อหาแนวทางในการแก้ไขปัญหา และเลือกแนวทางในการแก้ปัญหา เขียนแบบเพื่อสร้างต้นแบบ (Prototype) ของการแก้ปัญหา และทดสอบว่าตัวต้นแบบนั้นสามารถแก้ปัญหาได้จริงหรือไม่ หากไม่สามารถแก้ได้จะเข้าสู่กระบวนการปรับปรุง กล่าวคือ เข้าสู่กระบวนการวางแผน สร้างต้นแบบ ทดสอบต้นแบบ และปรับปรุงอีกครั้ง วนไปเรื่อย ๆ จนสามารถแก้ปัญหาที่กำหนดไว้ได้ เมื่อได้ต้นแบบที่สามารถแก้ไขปัญหาที่ต้องการแล้ว ก็จะเป็นขั้นตอนในการนำเสนอผลลัพธ์ ซึ่งกระบวนการแก้ปัญหาทางวิศวกรรมแบบนี้มีผู้เชี่ยวชาญได้เสนอกรอบแนวคิด (Framework) ของกระบวนการไว้หลากหลาย เช่น กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมของนาซ่า (NASA’s BEST Engineering Design Process) ดังภาพ 1 (The National Aeronautics and Space Administration, 2024)

ภาพ 1 กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมของนาซ่า

     อย่างไรก็ดี กระบวนการนี้มีลักษณะคล้ายขั้นตอนที่ให้นักเรียนทำตามโดยกระตุ้นให้นักเรียนคิดไม่มากนัก ในปี ค.ศ. 2016 ศาสตราจารย์เวลล์ แห่งมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทค (Wells, 2016a) ได้ออกแบบโมเดลในการจัดการเรียนรู้โดยการใช้การออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี (Technological and Engineering Design Based Learning) ที่มีชื่อว่า PIRPOSAL Model ดังภาพ 2 ซึ่งเป็นตัวย่อมาจากตัวแรกของแต่ละขั้นตอนในการออกแบบ โมเดลของการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีรูปแบบนี้มีความแตกต่างจากโมเดลอื่นตรงที่เป็นการกระตุ้นให้นักเรียนใช้ความคิดเพื่อแก้ปัญหา ซึ่งจะนำไปสู่การเรียนรู้เนื้อหาของวิชา STEM โดยโมเดลนี้เน้นที่การใช้คำถามในทุก ๆ ขั้นตอนของการออกแบบ โดยคำถามนี้จะเป็นสองรูปแบบคือ “อะไรที่นักเรียนรู้อยู่แล้ว (what do you already know)” และ “อะไรที่นักเรียนต้องการรู้เพิ่มเติม (what do you need to know)” ซึ่งคำถาม “อะไรที่นักเรียนต้องรู้เพิ่มเติม” นี้เป็นคำถามที่เมื่อเกิดขึ้นแสดงว่าเรามีความรู้ไม่พอที่จะแก้ปัญหานั้น จึงนำไปสู่การค้นหาความรู้เพื่อนำมาแก้ปัญหา เป็นการกระตุ้นการเรียนรู้ นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังเป็นการกระตุ้นให้นักเรียนคิดแบบลู่เข้าและลู่ออก (Convergent and Divergent thinking) ซึ่งกระบวนการคิดแบบลู่ออก (Divergent thinking) เป็นกระบวนการคิดที่ใช้จินตนาการในการสร้างแนวความคิดในการแก้ปัญหาที่หลากหลาย แต่อาจจะเป็นแนวความคิดที่เป็นนามธรรม และยังไม่รู้ว่าจะปฏิบัติได้จริงหรือไม่ อย่างไรก็ตาม กระบวนการค้นหาความรู้จากคำถาม “อะไรที่ต้องรู้เพิ่มเติม (what do I need to know)” จะทำให้มีการค้นหาเหตุผล และความรู้มาสนับสนุนการตัดสินใจในการออกแบบ ซึ่งเรียกว่าการคิดแบบลู่เข้า (Convergent Thinking) ซึ่งจะนำไปสู่การแก้ปัญหาที่เป็นรูปธรรม และตรงวัตถุประสงค์ของการออกแบบมากยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ (Goel, 2014)

ภาพ 2 PIRPOSAL Model

     การจัดการเรียนรู้โดยใช้การออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีเริ่มจากการนำเสนอโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรม (Engineering Design Challenge) ซึ่งโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรมจะมีการระบุปัญหาที่ต้องการได้รับการแก้ไข และโดยทั่วไปจะมีเกณฑ์กำหนดความสำเร็จ (Criteria) เมื่อนักเรียนได้รับโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรมแล้ว นักเรียนจะทำความเข้าใจว่าปัญหาที่ต้องการการแก้ไขคืออะไร และสิ่งที่ออกแบบต้องสามารถทำตามเงื่อนไขอะไรเพื่อแสดงว่าสิ่งที่นักเรียนออกแบบนั้นสามารถแก้ปัญหาได้ เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการระบุปัญหา (Problem Identification) จากนั้นนักเรียนจะคิดแนวทางในการแก้ปัญหา ซึ่งแนวทางแก้ปัญหานี้จะเป็นแนวทางแบบคร่าว ๆ และพยายามระบุแนวทางที่เป็นไปได้ให้หลากหลายเท่าที่จะเป็นไปได้ หรืออาจจะมีการระดมสมองร่วมกับเพื่อนเพื่อหาแนวทางแก้ปัญหาก็ได้เช่นกัน เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการค้นหาแนวทางการแก้ปัญหา (Ideation) หลังจากนี้นักเรียนจะมีแนวทางหลากหลาย แต่ละแนวทางมีทั้งที่นักเรียนรู้ว่าจะดำเนินการต่ออย่างไร หรือบางอย่างนักเรียนอาจจะยังไม่รู้ และต้องการค้นหาความรู้เพิ่มเติม ซึ่งนักเรียนจะใช้โอกาสในขั้นตอนการค้นหาความรู้ (Research) ในการเติมเต็มสิ่งที่นักเรียนยังไม่รู้ จากนั้นนักเรียนใช้ความรู้ที่ได้มาในการตัดสินใจว่าแนวทางการแก้ไขปัญหาใดที่ดีที่สุด เลือกมาแล้วนำมาเขียนแบบ กำหนดอุปกรณ์ที่ต้องใช้ในการสร้างต้นแบบ เขียนขั้นตอนในการประดิษฐ์ เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการเลือกแนวทางแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ (Potential Solutions) จากนั้นนักเรียนจะลงมือสร้างและแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นในระหว่างประดิษฐ์ตัวต้นแบบในการแก้ปัญหา เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการปรับแต่ง (Optimization) เมื่อผ่านขั้นตอนนี้นักเรียนจะได้ตัวต้นแบบของการแก้ปัญหา ซึ่งนักเรียนจะนำไปประเมินว่าตัวต้นแบบของนักเรียนสามารถแก้ไขปัญหาได้ตามที่ต้องการหรือไม่ เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการประเมินผลลัพธ์ (Solution Evaluation) ซึ่งหากไม่สามารถแก้ปัญหาตามที่ต้องการได้ ให้ทำการปรับปรุงและทดสอบ จนกระทั่งตัวต้นแบบสามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการปรับปรุงเปลี่ยนแปลง (Alteration) เมื่อนักเรียนได้ตัวต้นแบบที่สามารถแก้ปัญหาได้แล้ว ขั้นตอนสุดท้ายคือการนำเสนอตัวต้นแบบและการเรียนรู้ของนักเรียนที่เกิดขึ้นจากการออกแบบ เรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นตอนการนำเสนอผลการเรียนรู้ (Learned Outcomes)

     ขั้นตอนต่าง ๆ ใน PIRPOSAL Model จะกระตุ้นให้นักเรียนคิดและค้นหาความรู้ต่าง ๆ เพื่อตอบคำถามที่ว่า ฉันต้องเรียนรู้อะไรเพิ่มเติมเพื่อให้ฉันสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ จึงทำให้กระบวนการกระตุ้นให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้เนื้อหาและทักษะทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ที่จำเป็นต้องใช้ในการแก้ปัญหาด้วยตนเอง โดยมีครูทำหน้าที่เป็นผู้อำนวยความสะดวกในการเรียนรู้ให้แก่นักเรียน การเรียนรู้รูปแบบนี้จึงตรงกับทฤษฎีการสร้างองค์ความรู้ (Constructivism Learning Theory) (Ormrod, 2016) และมีการกระตุ้นให้นักเรียนใช้ความคิดไม่ว่าจะเป็นในการหาความรู้ หรือตัดสินใจแก้ปัญหา ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมทั่วไปที่มักจะเป็นลักษณะขั้นตอนให้นักเรียนดำเนินตาม จึงอาจกล่าวได้ว่า PIRPOSAL Model เป็นกรอบแนวคิดในการจัดการเรียนรู้โดยใช้การออกแบบทางเทคโนโลยีและวิศวกรรม (Technological and Engineering Design Based Learning) ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการเรียนรู้และพัฒนาทักษะ จึงเป็นรูปแบบการจัดการเรียนรู้ที่เป็นเอกลักษณ์ของ Integrative STEM Education

     นิตยสารฉบับต่อไปจะนำเสนอบทความที่กล่าวถึงตัวอย่างของการจัดการเรียนรู้ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี ซึ่งผู้อ่านจะได้เห็นถึงพัฒนาการของการออกแบบของนักเรียนตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงการสร้างตัวต้นแบบในการแก้ปัญหา ซึ่งนักเรียนได้เรียนรู้เนื้อหาที่หลากหลายในวิชา STEM ผ่านกิจกรรมการผลิตพลังงานสะอาดด้วยกระบวนการทางชีวภาพบทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 52 ฉบับที่ 248 พฤษภาคม – มิถุนายน 2567

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/248/44/

บรรณานุกรม

Fortus, D. & Dershimer, R. C. & Krajcik, J. & Marx, R. W. & Mamlok-Naaman, R. (2004). Design-Based Science and Student Learning. Journal of Research in Science Teaching, 41(10): 1081–1110.

Goel, V. (2014). Creative Brains: designing in the real world†. Frontiers in Human Neuroscience, 8.

International Technology and Engineering Educators Association. (2020). Standards for Technological and Engineering Literacy: the role of technology and engineering in STEM education. Retrieved June 22, 2024, from https://www.iteea.org/STEL.aspx.

National Research Council. (1996). National Science Education Standards. The National Academies Press.

NGSS Lead States. (2013). Next Generation Science Standards: for states, by states. The National Academies Press.

The National Aeronautics and Space Administration. (2024). STEMonstrations: engineering design process. Retrieved May 15, 2024, from https://www.nasa.gov/ stem-content/stemonstrations-engineering-design-process/.

Ormrod, J. (2016). Human Learning. 7th ed. Pearson.

Wells, J. (2016). PIRPOSAL Model of Integrative STEM Education: conceptual and pedagogical framework for classroom implementation. Technology and Engineering Teacher, 75: 12–19.

Wells, J. (2016). Efficacy of the Technological/Engineering Design Approach: imposed cognitive demands within design-based biotechnology instruction. Journal of Technology Education, 27: 4–20.

Wells, J. G. (2013). Integrative STEM Education at Virginia Tech: graduate preparation for tomorrow’s leaders. Technology and Engineering Teacher.

Wells, J., & Ernst, J. (2012). Integrative STEM Education. Blacksburg, VA: Virginia Tech: Invent the Future, School of Education.