การจัดการเรียนรู้ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี (Technological and Engineering Design Based Learning) เป็นการจัดการเรียนรู้ที่เป็นเอกลักษณ์ (Signature Pedagogy) ของการบูรณาการสะเต็มศึกษา ผ่านการออกแบบและแก้ไขปัญหา (Integrative STEM Education) ซึ่งมุ่งหวังให้นักเรียนสร้างองค์ความรู้ในรายวิชา STEM ด้วยตนเอง รวมทั้งพัฒนาทักษะต่าง ๆ ของนักเรียนที่จำเป็นต่อการใช้ชีวิตในศตวรรษที่ 21 โดยใช้ PIRPOSAL Model ซึ่งเป็นรูปแบบการจัดการเรียนรู้ที่มี 8 ขั้นตอน ได้แก่ การระบุปัญหา (Problem Identification) การค้นหาแนวทางการแก้ปัญหา (Ideation) การค้นหาความรู้ (Research) การเลือกแนวทางแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ (Potential Solutions) การปรับแต่ง (Optimization) การประเมินผลลัพธ์ (Solution Evaluation) การปรับปรุงเปลี่ยนแปลง (Alteration) และการนำเสนอผลการเรียนรู้ (Learned Outcomes) โดยในทุก ๆ ขั้นตอนที่นักเรียนกำลังพยายามออกแบบเพื่อแก้ไขปัญหาอยู่นั้น นักเรียนจะใช้คำถามสองรูปแบบคือ “อะไรที่ฉันรู้อยู่แล้ว (what do I already know)” และ “อะไรที่ฉันต้องการรู้เพิ่มเติม (what do I need to know)” ซึ่งสองคำถามนี้จะเป็นการกระตุ้นให้นักเรียนหาความรู้เพิ่มเติมเพื่อให้การออกแบบนี้ประสบความสำเร็จ (Wells, 2016a) โดยตัวอย่างที่นำมาเสนอเป็นตัวอย่างที่นำมาจากการจัดการเรียนรู้ในรายวิชาการเรียนรู้เทคโนโลยีชีวภาพ (Biotechnology) ผ่านการออกแบบ (Wells, 2023) ซึ่งมีจุดประสงค์ให้นักเรียนเรียนรู้เนื้อหาเกี่ยวกับเทคโนโลยีชีวภาพ และองค์ความรู้เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ รวมทั้งเพื่อกระตุ้นให้นักเรียนใช้ความคิดขั้นสูงในการออกแบบและแก้ไขปัญหา

     อย่างไรก็ดี การนำเสนอในนี้จะเป็นการนำเสนอแนวคิดของนักเรียน ตั้งแต่เริ่มต้นออกแบบจนกระทั่งพัฒนาตัวต้นแบบสำหรับแก้ปัญหา กระบวนการคิดของนักเรียน และการใช้คำถามของครูในฐานะผู้อำนวยความสะดวกในการเรียนรู้ของนักเรียน ภาพที่ใช้มาจากงานของนักเรียนจริงจึงอาจจะไม่สวยงามนัก แต่หากสังเกตให้ดีผู้อ่านจะเห็นพัฒนาการการเรียนรู้ซึ่งส่งผลต่อการออกแบบของนักเรียน อย่างไรก็ดี เนื่องจากเนื้อหาที่จะกล่าวต่อจากนี้มีความเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีชีวภาพในบางเรื่อง เนื้อหาส่วนแรกจึงเป็นการนำเสนอเนื้อหาบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับตัวอย่างของการจัดการเรียนรู้ที่จะนำเสนอต่อไป

การผลิตเอทานอลโดยการหมัก

เอทานอล (Ethanol) สามารถผลิตได้จากการหมักน้ำตาลกับยีสต์ ในกระบวนการหายใจโดยไม่ใช้ออกซิเจนในยีสต์ ซึ่งยีสต์จะใช้น้ำตาลเป็นอาหาร แล้วผลิตเอทานอลกับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์ สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

\[ C_6H_{12}O_6 \;(\text{sugar}) \xrightarrow{\text{Yeast}} 2C_2H_5OH \;(\text{Ethanol}) + 2CO_2 \]

     การใช้ยีสต์ในกระบวนการหมักนี้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างหลากหลาย เช่น กระบวนการผลิตเอทานอลเพื่อนำไปใช้เป็นพลังงานทดแทน การผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ เช่น ไวน์ เบียร์ รวมทั้งการทำให้ขนมปังนุ่มฟู

Calcium Alginate

     ในกิจกรรมนี้มีการใช้ Calcium Alginate ในการสร้างสารที่มีลักษณะคล้ายกับเจลเพื่อห่อหุ้มยีสต์ไว้ ซึ่งใช้ในการป้องกันยีสต์ถูกทำลายจากสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งการผลิตสารที่มีลักษณะคล้ายเจลนี้ทำได้โดยผสม Sodium Alginate ยีสต์ และน้ำกลั่นเข้าด้วยกัน จากนั้นนำปิเปตต์ (Pipette) หยดของเหลวนี้ลงไปในสารละลาย Calcium Chloride เมื่อเกิดปฏิกิริยาระหว่างกันจะทำให้เกิดสารที่มีลักษณะคล้ายเจลที่เรียกว่า Calcium Alginate ซึ่งสามารถปกป้องยีสต์จากสภาวะที่เปลี่ยนแปลงได้ การเรียนรู้โดยการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีนี้จะเริ่มต้นด้วยการกระตุ้นความสนใจนักเรียนเพื่อเข้าสู่บทเรียน ในกรณีนี้เนื่องจากปัญหาที่ต้องการแก้ไขคือการขาดแคลนเชื้อเพลิงสะอาด การกระตุ้นความสนใจของนักเรียนจึงอาจทำได้โดยให้นักเรียนดูวีดิทัศน์เกี่ยวกับปัญหาที่เกิดขึ้นจากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ทำให้เกิดปัญหามลภาวะ โลกร้อน รวมทั้งการมีอยู่อย่างจำกัดของเชื้อเพลิงชนิดนี้ เมื่อนักเรียนเริ่มเห็นความสำคัญของปัญหาแล้ว ต่อไปจะเป็นการนำเสนอโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรม ซึ่งเป็นเอกสารประมาณ 1 หน้ากระดาษที่จะกล่าวถึงรายละเอียดของปัญหา และเป้าหมายที่ต้องการ ดังภาพ 1 โดยโจทย์การออกแบบนี้นำมาจากหนังสือ Design based biotechnical learningTM teaching guide (Wells, 2023)

ภาพ 1 โจทย์การออกแบบทางวิศวกรรม (Engineering Design Challenge)

     เมื่อนักเรียนได้อ่านโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรมแล้ว ครูจะนำนักเรียนเข้าสู่กระบวนการเรียนรู้ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี ซึ่งจะเริ่มต้นด้วยขั้นตอนแรกคือ การระบุปัญหาและดำเนินตามขั้นตอนต่อไปจนถึงขั้นตอนที่ 8 

ขั้นการระบุปัญหา (Problem Identification)

     หลังจากนักเรียนได้อ่านและเข้าใจปัญหาที่ต้องการการแก้ไขแล้ว นักเรียนจะนำความเข้าใจนั้นมาเขียนเป็นคำอธิบายปัญหา (Problem Statement) โดยระบุเกณฑ์ในการวัดผล (Criteria) และข้อจำกัด (Constraints) ด้วย เช่น ในกรณีนี้คำอธิบายปัญหาที่นักเรียนเขียนในห้องเรียนคือ

     “จากความต้องการของพลังงานทางเลือก กระบวนทางชีวภาพโดยได้นำประโยชน์ของการใช้จุลินทรีย์ในการผลิตเอทานอลโดยการหมักยีสต์กับน้ำตาล เนื่องจากยีสต์เป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ดังนั้น ถังปฏิกรณ์ชีวภาพที่ใช้ในการหมักต้องสามารถควบคุมสภาวะที่จำเป็นต่อการมีชีวิตของยีสต์ เช่น อุณหภูมิ แสง นอกจากนี้ เพื่อให้ผลผลิตเอทานอลเกิดขึ้นสูงสุด ยีสต์ควรได้รับการปกป้องจากการเปลี่ยนแปลงของ pH ที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการทางชีวภาพ และควรมีกลไกในการผสมยีสต์กับน้ำตาลเพื่อเพิ่มผลผลิตสูงสุด กล่าวคือควรมีระบบย่อย (Subsystem) ที่คนส่วนผสมของสารละลายเป็นระยะ”

     จะเห็นได้ว่าคำอธิบายปัญหาจะระบุปัญหาที่ต้องการแก้ไข ตัวแปรที่ต้องควบคุมหรือเปลี่ยนแปลงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เป็นไปตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ เมื่อนักเรียนรู้ว่าปัญหาที่ต้องการแก้ไขคืออะไร และปัจจัยวัดความสำเร็จคืออะไร ในที่นี้เกณฑ์วัดความสำเร็จคือที่ระบุในข้อท้าทายของโจทย์การออกแบบ ขั้นถัดไปจะเป็นขั้นตอนการค้นหาแนวทางการแก้ปัญหา

ขั้นการค้นหาแนวทางการแก้ปัญหา (Ideation)

      จุดประสงค์ของขั้นตอนนี้คือ ต้องการให้นักเรียนคิดแนวทางแก้ปัญหาที่หลากหลาย ซึ่งนักเรียนอาจจะใช้การระดมสมอง (Brainstorming) ร่วมกับเพื่อน ๆ ดังตัวอย่างที่จะนำเสนอนี้ ครูให้นักเรียนออกแบบแนวทางการแก้ปัญหาด้วยความรู้ปัจจุบันที่นักเรียนมีอยู่ก่อน แล้วนำไปเปรียบเทียบกับของเพื่อนร่วมชั้นเรียน

ภาพ 2 การออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งแรกของนักเรียน

     ในการออกแบบครั้งแรกนักเรียนคนนี้คิดว่าจะใช้ Calcium Alginate ในการสร้างเจลเป็นทรงกลมปกป้องยีสต์จากการถูกทำลายเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสภาวะโดยรอบ จากนั้นนักเรียนจะใช้สารละลายน้ำตาลใส่ไว้ในภาชนะที่ 1 ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาระหว่างยีสต์กับน้ำตาล และได้ผลผลิตเป็นเอทานอล อย่างไรก็ดี นักเรียนตระหนักว่าจำเป็นต้องมีการควบคุมให้สภาวะนั้นเหมาะสมต่อการทำงานของยีสต์ นักเรียนจึงใส่อุปกรณ์สำหรับควบคุมอุณหภูมิในภาชนะที่ 1 นอกจากนี้ เพื่อให้การผสมระหว่างยีสต์และน้ำตาลเป็นไปอย่างทั่วถึง นักเรียนคิดว่าจะเอาสารละลายน้ำตาลใส่ไว้ในภาชนะที่ 2 แล้วใช้ปั๊มน้ำในการดึงสารละลายขึ้นมาใส่ในภาชนะที่ 1 จากนั้นต่อท่อจากภาชนะที่ 1 ลงสู่ภาชนะที่ 2 เพื่อให้เกิดการหมุนเวียนของสารละลายน้ำตาล

     หลังจากนักเรียนได้ใช้ความคิดของตนเองในการออกแบบแล้ว ครูซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้อำนวยความสะดวกในการเรียนรู้จะนำเสนอนักเรียนว่าให้นักเรียนในห้องอธิบายแนวคิดในการออกแบบของตนเอง แล้วบันทึกว่าอะไรที่เพื่อนในห้องใช้ในการออกแบบแต่นักเรียนลืมนึกถึง เช่น ในกรณีนี้นักเรียนรู้ว่าต้องควบคุมอุณหภูมิ แต่ควบคุมให้อยู่ที่อุณหภูมิเท่าไร หรือแน่ใจได้อย่างไรว่ายีสต์ต้องการแค่น้ำตาล มีความต้องการสารอาหารอย่างอื่นอีกหรือไม่ และต้องการปริมาณเท่าไร ซึ่งนักเรียนจะจดบันทึกสิ่งที่นักเรียนยังไม่รู้ และค้นคว้าความรู้เพิ่มเติมเพื่อตอบคำถามเหล่านี้ในขั้นตอนถัดไป

ขั้นการค้นหาความรู้ (Research)

     ตอนนี้นักเรียนจะรู้ว่ามีสิ่งที่ยังไม่รู้ (Unknown) ที่ต้องหาความรู้เพิ่ม ขั้นตอนการค้นหาความรู้จะเปิดโอกาสให้นักเรียนค้นหาข้อมูลไม่ว่าจะเป็นจากการอ่านหนังสือ หรือการค้นคว้าทางอินเทอร์เน็ต เช่น นักเรียนอาจจะค้นหาเกี่ยวกับกระบวนการผลิตเอทานอลจากการหมักยีสต์กับน้ำตาล กลไกในการคนสารละลายเข้าด้วยกัน

     เมื่อนักเรียนค้นหาความรู้แล้ว ครูอาจกระตุ้นด้วยคำถามว่า นักเรียนคิดว่าจะสามารถออกแบบต้นแบบที่ใช้ในการแก้ปัญหาได้ดีกว่าครั้งที่ผ่านมาได้หรือไม่ ซึ่งโดยปกติเมื่อนักเรียนค้นหาข้อมูลเพิ่มเติม นักเรียนจะทราบว่าข้อบกพร่องของการออกแบบที่ผ่านมาคืออะไร การที่นักเรียนออกแบบใหม่จะเป็นการสลับไปมาระหว่างการค้นแนวทางการแก้ปัญหา และการค้นหาความรู้ เพราะเมื่อนักเรียนออกแบบใหม่ ครูอาจจะกระตุ้นให้นักเรียนคิดว่าการออกแบบใหม่สามารถแก้ปัญหาได้หรือไม่ ความเป็นไปได้ในการผลิตวัสดุอุปกรณ์มีหรือไม่ เหตุผลในการออกแบบ การกระตุ้นด้วยคำถามเหล่านี้ทำให้นักเรียนต้องหาความรู้เพิ่มเติม กระบวนการนี้จะวนไปเรื่อย ๆ ทำให้นักเรียนได้เรียนรู้จากการสร้างองค์ความรู้ด้วยตนเอง อย่างไรก็ดี ครูควรกระตุ้นให้นักเรียนจดบันทึกลงในสมุดเพื่อประโยชน์ในการประเมินการพัฒนาความรู้และทักษะการคิดของนักเรียน หลังจากที่นักเรียนได้ทำการค้นหาข้อมูลเพิ่มเติม นักเรียนได้ออกแบบใหม่ดังภาพ 3

ภาพ 3 การออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งที่ 2 ของนักเรียน

     หลังจากที่นักเรียนได้ค้นคว้าข้อมูลแล้ว นักเรียนได้ทราบว่าอุณหภูมิเป็นส่วนสำคัญที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างยีสต์กับน้ำตาล โดยอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเกิดปฏิกิริยาคือ 38 องศาเซลเซียส และนักเรียนก็ทราบว่าในปฏิกิริยาจะมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นด้วย นักเรียนจึงใช้ความรู้ที่ได้มาในการออกแบบดังภาพ 3 โดยนำขวดที่ใช้สำหรับเกิดการหมักระหว่างยีสต์กับน้ำตาลวางไว้ในอ่าง แล้วต่อกับท่อน้ำที่สามารถปรับเป็นน้ำอุ่นที่อุณหภูมิ 38 องศาเซลเซียสไหลเข้ามาในอ่าง และมีการต่อท่อเพื่อระบายน้ำล้นออกที่ก้นอ่าง นอกจากนี้ นักเรียนยังได้ออกแบบให้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นไหลออกจากปากขวดซึ่งต่อกับท่อนำแก๊สสู่ถ้วยน้ำ ซึ่งนักเรียนคิดว่าระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาจะเกิดฟองอากาศ แต่เมื่อไหร่ก็ตามที่ฟองอากาศหมดก็แสดงว่าปฏิกิริยาสิ้นสุดแล้ว

      อย่างไรก็ดี ในการออกแบบครั้งนี้ ครูสามารถนำการออกแบบของนักเรียนไปเปรียบเทียบกับเกณฑ์วัดความสำเร็จ (Criteria) ที่ตั้งไว้ตั้งแต่แรกว่าการออกแบบครั้งนี้ตอบสนองตามที่ต้องการหรือไม่ และครูอาจจะตั้งคำถามให้นักเรียนคิดเพื่อปรับปรุงการออกแบบสำหรับครั้งต่อ ๆ ไป อย่างเช่นในกรณีนี้ครูเห็นว่านักเรียนยังไม่ได้ใส่กลไกในการคนสารละลาย รวมทั้งนักเรียนสังเกตว่าปฏิกิริยาสิ้นสุดจากฟองอากาศที่หมดไป ครูอาจตั้งคำถามให้นักเรียนไปทบทวนว่านักเรียนต้องมีฟังก์ชันอะไรบ้างเพื่อให้การออกแบบนี้สำเร็จ รวมทั้งถ้านักเรียนไม่เก็บข้อมูลปริมาณแก๊สที่เกิดขึ้น นักเรียนจะทราบได้อย่างไรว่าเอทานอลที่ผลิตขึ้นมีปริมาณเท่าไร ซึ่งจะทำให้นักเรียนต้องกลับไปค้นคว้าข้อมูล เช่น ต้องใช้สารตั้งต้นเท่าไร เพื่อให้เกิดเอทานอลตามที่ต้องการ แล้วจะเก็บข้อมูลแก๊สที่เกิดขึ้นมาได้อย่างไร ซึ่งในกรณีนี้นักเรียนได้คำนวณโดยใช้ปริมาณเอทานอล 1 โมล เท่ากับ 22.4 ลิตร ซึ่งไม่ถูกต้อง เพราะเอทานอลเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ทำให้นักเรียนเลือกใช้ขวดที่ใช้หมักใหญ่กว่าความต้องการ รวมทั้งนักเรียนให้เหตุผลในการไม่ควบคุมอุณหภูมิและ pH ด้วย แนวคิดนี้ทั้งหมดทำให้นักเรียนได้ออกแบบเป็นครั้งที่ 3 ดังภาพ 4

ภาพ 4 การออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งที่ 3 ของนักเรียน

       ในการออกแบบนี้นักเรียนใช้มอเตอร์ต่อไปยังแกนหมุนแท่งคน จากนั้นเมื่อเกิดแก๊สขึ้นมา แก๊สจะถูกนำไปตามท่อจาก Part 2 ไปยัง Part 3 แล้วนักเรียนคิดว่าจะทำให้น้ำล้นออกมา และน้ำที่ล้นจาก Part 3 จะไหลเข้าไปสู่ Part 4 ก็จะเป็นการเก็บข้อมูลปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากปริมาณน้ำที่ล้น ซึ่งครูอาจตั้งคำถามเพื่อกระตุ้นให้นักเรียนปรับปรุงการออกแบบได้ เช่น ทำไมถึงเลือกขวดขนาดใหญ่กว่าเพื่อนร่วมชั้น หรือคิดว่าระบบในการกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์นี้มีรูปแบบอื่นอีกไหม ลองดูหลาย ๆ รูปแบบแล้วค่อยตัดสินใจเลือกดีไหม รวมทั้งอาจจะเริ่มให้นักเรียนระบุความกว้าง ความยาว ความสูง ในการออกแบบของนักเรียนเพื่อให้นักเรียนวางแผนสำหรับการสร้างได้แม่นยำยิ่งขึ้น

     คำถามเหล่านี้ทำให้นักเรียนกลับไปที่ขั้นตอนการค้นหาความรู้อีกครั้งเพื่อค้นคว้าข้อมูลที่จำเป็นในการออกแบบครั้งถัดไป ในกรณีนี้นักเรียนเข้าใจว่าที่ขวดของนักเรียนใหญ่กว่าเพื่อนเป็นเพราะนักเรียนใช้หลักคิดที่ว่า 1 โมล ที่ STP เท่ากับปริมาตร 22.4 ลิตรกับของเหลว ซึ่งที่ถูกต้องนั้นสามารถใช้ได้เฉพาะกับแก๊สเท่านั้น ดังนั้น นักเรียนจึงได้เรียนรู้จากข้อผิดพลาดแล้วแก้ไขด้วยการคำนวณใหม่ และจากการค้นคว้าข้อมูลด้านอื่น ๆ นักเรียนได้ออกแบบใหม่ในครั้งที่ 4 ดังภาพ 5

ภาพ 5 การออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งที่ 4 ของนักเรียน

     ในการออกแบบครั้งที่ 4 นักเรียนได้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) ในการควบคุมมอเตอร์ให้คนเป็นช่วงเวลา ซึ่งมอเตอร์นี้ต่อกับแท่งคน เพื่อใช้ในการผสมน้ำตาลกับยีสต์ที่หุ้มอยู่ใน Calcium Alginate ในขวด จากนั้นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นจะเดินทางไปตามท่อพลาสติกและเข้าไปอยู่ในขวดที่คว่ำไว้ในอ่างน้ำ แก๊สที่เข้าไปในขวดจะไปแทนที่น้ำ ทำให้สามารถรู้ปริมาณของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตขึ้นมาได้ (จากการดูปริมาณน้ำที่ลดลงในขวด) ในการสลับไปมาระหว่างขั้นตอนการค้นหาความรู้กับขั้นตอนการค้นหาแนวทางการแก้ปัญหาทำให้เกิดการพัฒนาการออกแบบจนกระทั่งได้ต้นแบบที่เหมาะสมสำหรับการสร้างตัวต้นแบบสำหรับแก้ปัญหา

ขั้นการเลือกแนวทางแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ (Potential Solutions)

     ขั้นตอนนี้นักเรียนจะเลือกการออกแบบที่จะเอาไปสร้างตัวต้นแบบ ซึ่งในกรณีนี้นักเรียนเลือกการออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งที่ 4 ในการประดิษฐ์

ขั้นการปรับแต่ง (Optimization)

     หลังจากนักเรียนผ่านขั้นตอนการเลือกแนวทางแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ (Potential Solutions) ต่อไปนักเรียนจะทำการทดสอบแต่ละฟังก์ชันว่าทำงานได้หรือไม่ ถ้าหากฟังก์ชันใดมีปัญหาก็ปรับปรุงแก้ไขจนสามารถทำงานได้ดี แล้วจึงนำแต่ละฟังก์ชันย่อยมาประกอบรวมกัน กลายเป็นระบบหรือตัวต้นแบบที่ใช้ในการแก้ปัญหาที่ต้องการ ในกรณีนี้นักเรียนได้สร้างตัวต้นแบบออกมาดังภาพ 6

ภาพ 6 ตัวต้นแบบในการผลิตเอทานอล

     ก่อนที่นักเรียนจะนำแต่ละระบบมารวมกัน นักเรียนได้ทดสอบแต่ละระบบย่อยก่อน เช่น ทดสอบว่าไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถควบคุมให้มอเตอร์หมุนเพื่อคนสารละลายตามที่ต้องการได้หรือไม่ รวมทั้งในกรณีนี้นักเรียนได้อธิบายว่าตอนทดสอบระบบที่ใช้ในการกักเก็บแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์นั้นเกิดปัญหาคือขวดที่นำมาใช้มีความแข็งแรงไม่เพียงพอ จึงได้ทำการแก้ไขเปลี่ยนเป็นขวดที่แข็งแรงมากขึ้น รวมทั้งทดสอบการรั่วของแก๊สที่อาจจะออกจากระบบ การทดสอบระบบย่อย ๆ เหล่านี้จะทำให้นักเรียนมีความมั่นใจว่าระบบที่นักเรียนประกอบขึ้นมานั้นจะสามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ

ขั้นการประเมินผลลัพธ์ (Solution Evaluation)

     ขั้นตอนนี้นักเรียนนำระบบที่สร้างขึ้นมาทดสอบว่าผลลัพธ์ที่ได้นั้นสามารถผลิตเอทานอลได้ตามข้อกำหนดการออกแบบหรือไม่ ซึ่งนักเรียนได้นำปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่บันทึกไว้ไปคำนวณย้อนกลับเพื่อหาปริมาณของเอทานอลที่ผลิตได้ โดยใช้ความรู้ในวิชาฟิสิกส์เรื่องกฎของปาสคาล กฎของแก๊สอุดมคติ และความรู้เกี่ยวกับปริมาณสารสัมพันธ์ นำมาคำนวณย้อนกลับจากปริมาณแก๊สที่เกิดขึ้น ปรากฏว่าได้ปริมาณเอทานอลที่ผลิตเท่ากับ 7.22 มิลลิลิตร ซึ่งตรงกับความต้องการในการแก้ปัญหา นอกจากนี้ ครูยังสามารถกระตุ้นให้นักเรียนบันทึกกราฟระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป รวมทั้งคำนวณหาความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นเพื่อให้นักเรียนมีความเข้าใจ และนำเสนอความสัมพันธ์ในรูปแบบที่หลากหลายมากขึ้น

ขั้นการปรับปรุง (Alteration)

     ขั้นตอนนี้นักเรียนอาจจะมีความเห็นว่านักเรียนสามารถสร้างตัวต้นแบบที่ทำงานได้ดีกว่าที่ผ่านมา เช่น ในกรณีนี้นักเรียนได้ระบุว่าอุณหภูมิเป็นสิ่งสำคัญที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาและที่ผ่านมาไม่ได้ควบคุมไว้ ดังนั้น หากมีเวลาเพียงพออาจจะให้นักเรียนทบทวน และออกแบบใหม่อีกครั้งก็สามารถทำได้ในขั้นตอนนี้

ขั้นการนำเสนอผลการเรียนรู้ (Learned Outcomes)

     ขั้นตอนนี้จะเป็นการเปิดโอกาสให้นักเรียนนำเสนอว่าตนเองออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาอย่างไร ใช้ความรู้อะไรในการออกแบบ รวมทั้งเมื่อทดลองใช้แล้วได้ผลลัพธ์ในการแก้ปัญหาอย่างไร ซึ่งครูสามารถใช้ขั้นตอนนี้ในการประเมินการเรียนรู้ของนักเรียนได้เช่นกัน

     จากกิจกรรมนี้นักเรียนได้เรียนรู้เกี่ยวกับการทำงานของยีสต์ในการสร้างเอทานอล การดุลสมการเคมี ปริมาณสารสัมพันธ์ กฎของปาสคาล กฎของแก๊สอุดมคติ ซึ่งนักเรียนนำมาใช้ในการออกแบบและคำนวณเพื่อหาปริมาณของเอทานอลที่ผลิตขึ้น รวมทั้งเข้าใจกลไกการคนสารละลาย การใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ในการควบคุมมอเตอร์ การเขียนโปรแกรม การเขียนแบบ การออกแบบถังหมัก รวมถึงการใช้คณิตศาสตร์ในการคำนวณเพื่อสนับสนุนการตัดสินใจ ซึ่งเป็นการเรียนรู้แบบบูรณาการโดยใช้การออกแบบทางวิศวกรรมในการจัดการเรียนรู้ ซึ่งเป็นการสอนที่เป็นเอกลักษณ์ของ Integrative STEM Education

ภาพจาก: https://www.ddefforkids.org/stories/2020/5/26/steam-in-david-douglas

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 52 ฉบับที่ 249 กรกฎาคม – สิงหาคม 2567

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/249/30/

บรรณานุกรม

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

Wells, J. G. (2023). Design Based Biotechnical LearningTM Teaching Guide 2023. Blacksburg, VA: Biosens, Inc.