“บทเรียนวิภาค” ครั้งสุดท้ายนี้เป็นคิวของกิจกรรมเรื่อง “ทำไมจม ทำไมลอย” ซึ่งอาจสะท้อนการทำงานของนักวิทยาศาสตร์น้อยที่สุด เมื่อเทียบกับกิจกรรมอื่นๆ ทั้งนี้เพราะโจทย์สำหรับการพัฒนากิจกรรมนี้ไม่ใช่การจัดการเรียนการสอนที่สะท้อนลักษณะของการสืบเสาะทางวิทยาศาสตร์โดยตรง แต่เป็นการเตรียมความพร้อมให้นักเรียนมีความคุ้นเคยกับการทดลองด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เสมือนจริง ซึ่งจะเป็นรูปแบบของการประเมินผลนักเรียนนานาชาติในปี พ.ศ. 2558 (PISA 2015) อย่างไรก็ดี กิจกรรมนี้มีความพิเศษในตัวของมันเอง เพราะมันเป็นความพยายามครั้งแรกของผมและทีมงานที่ลองนำแนวคิดเกี่ยวกับ “ความก้าวหน้าในการเรียนรู้เรื่องการจมการลอย” มาเป็นแนวทางในการพัฒนากิจกรรม
ตามที่ผมได้นำเสนอไปหลายครั้งแล้วนะครับ แนวคิดเกี่ยวกับความก้าวหน้าในการเรียนรู้กำลังได้รับความสนใจมากขึ้นๆ ในต่างประเทศ แต่ในประเทศไทยนั้น เรื่องนี้ยังคงใหม่มากๆ (ผมเองก็ยังไม่เห็นใครพูดถึงเรื่องอย่างจริงจัง) ผมและทีมงานจึงตกลงกันว่า เราจะลองทำเรื่องนี้ให้เป็นรูปธรรมกันดูสักครั้งเผื่อว่า มันจะเป็นแนวทางให้ใครๆ นำไปพัฒนากิจกรรมในเนื้อหาเรื่องอื่นๆ ต่อไปครับ
ผมขอทบทวนนิดนึงนะครับว่า ความก้าวหน้าในการเรียนรู้นี้เป็นคล้ายๆ แบบจำลองเส้นทางที่แสดงถึงพัฒนาการในการเรียนรู้เรื่องใดๆ ของนักเรียนส่วนใหญ่ในช่วงเวลาหรือช่วงอายุหนึ่ง แบบจำลองเส้นทางนี้ได้มาจาก (1) การศึกษาแนวคิดของนักเรียนที่มีอายุหลากหลาย แล้วนำแนวคิดของนักเรียนเหล่านั้นมาเรียงลำดับตามความซับซ้อนและความสอดคล้องกับแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ (cross-age study) หรือ (2) การติดตามศึกษาแนวคิดของนักเรียนกลุ่มหนึ่งกลุ่มใด จากเดิมที่มีแนวคิดที่คลาดเคลื่อนมากๆ จนกระทั่งนักเรียนเหล่านี้มีแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ (longitudinal study) ซึ่งผลสุดท้ายของการศึกษาเหล่านี้ก็คือ “ลำดับขั้น” ที่แสดงถึงพัฒนาการทางแนวคิดของนักเรียนในเรื่องนั้นๆ ซึ่งจะมีประโยชน์อย่างมากในแง่ของการออกแบบหลักสูตร กิจกรรมการเรียนรู้ และการประเมินการเรียนรู้ ที่สอดคล้องและเอื้อให้เกิดการพัฒนาทางแนวคิดในเรื่องนั้นจริงๆ
ผมเคยเขียนถึง “ความก้าวหน้าในการเรียนรู้เรื่องการจมลอยของวัตถุ” ไว้แล้ว ซึ่งมีลำดับขั้น 4 ขั้น ดังนี้ครับ
อย่างไรก็ดี ผมและทีมงานได้พิจารณาหลักสูตรวิทยาศาสตร์แกนกลาง พ.ศ. 2551 แล้วเราก็พบว่า ตัวชี้วัด ว 4.1 ม.3/3 มีความลึกซึ้งกว่านั้น เพราะตัวชี้วัดนี้มีการระบุอย่างชัดเจนว่า นักเรียนต้องเข้าใจไปถึงระดับ “แรงพยุง” ในการอธิบายการจมลอยของวัตถุใดๆ ไม่ใช่แค่ความเข้าใจเกี่ยวกับ “ความหนาแน่นสัมพัทธ์” เท่านั้น
ผมเคยเขียนไปก่อนหน้านี้แล้วเช่นกันว่า ในการอธิบายการจมหรือลอยของวัตถุใดๆ เราสามารถอธิบายได้โดยใช้แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างกัน ซึ่งเราอาจอธิบายว่า การที่วัตถุหนึ่งจะจมหรือจะลอยในของเหลวใดๆ เป็นเพราะวัตถุและของเหลวมีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน หรือเราอาจอธิบายว่า มันเป็นเพราะแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ก็ได้ แต่ถ้าเรามองให้ลึกแล้ว การใช้แนวคิดเรื่องแรงในการอธิบายการจมลอยของวัตถุใดๆ มีความลึกซึ้งและซับซ้อนกว่าการใช้แนวคิดเรื่องความหนาแน่น ทั้งนี้เพราะมันเป็นการอธิบายการจมลอยของวัตถุในลักษณะของการเคลื่อนที่รูปแบบหนึ่ง (ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน) ด้วยเหตุนี้ ผมและทีมงานจึงได้เพิ่มลำดับขั้นที่สูงกว่าลำดับขั้นเรื่อง “ความหนาแน่นสัมพัทธ์” เข้าไป ซึ่งก็คือลำดับขั้นเรื่อง “แรงพยุง” นั่นเอง
กิจกรรมนี้เริ่มต้นด้วยการให้นักเรียนเดาว่า วัตถุจำนวนหนึ่งจะจมหรือจะลอยในน้ำ จากนั้น ครูก็ทำการสาธิตจริงๆ ว่า สิ่งทีเกิดขึ้นจริงเป็นไปตามการคาดเดาของนักเรียนหรือไม่ จากการสาธิตนี้ ครูจึงค่อยถามนักเรียนว่า สมบัติอะไรของวัตถุที่เป็นตัวกำหนดว่า วัตถุไหนจะจมหรือจะลอยในน้ำ ซึ่งจากการศึกษางานวิจัยเกี่ยวกับความเข้าใจของนักเรียนในเรื่องนี้ เราพบว่า คำตอบของนักเรียนส่วนใหญ่จะเป็นไปในทิศทางนี้ เช่น
- วัตถุที่หนักจะจม วัตถุที่เบาจะลอย [นั่นคือ การจมหรือลอยของวัตถุขึ้นอยู่กับน้ำหนักหรือมวลของวัตถุ]
- วัตถุที่ใหญ่จะลอย วัตถุที่เล็กจะจม [นั่นคือ การจมหรือลอยของวัตถุขึ้นอยู่กับขนาดหรือปริมาตรของวัตถุ]
- วัตถุที่ทำมาจากวัสดุบางชนิดจะจม วัตถุที่ทำมาจากวัสดุบางชนิดจะลอย [นั่นคือ การจมหรือลอยของวัตถุขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุของวัตถุ]
ในขณะที่นักเรียนบางคนอาจมีแนวคิดที่แตกต่างไปจากนี้ ตัวอย่างเช่น นักเรียนบางคนอาจคิดว่า ระดับความลึกของน้ำมีผลต่อการจมหรือลอยของวัตถุด้วย เป็นต้น
จากแนวคิดเริ่มต้นของนักเรียน ครูจึงให้นักเรียนออกแบบการทดลองเพื่อศึกษาว่า สมบัติอะไรบ้างที่มีผลต่อการจมลอยของวัตถุ ในการนี้ ครูควรสร้างความเข้าใจกับนักเรียนเกี่ยวกับ “ธรรมชาติของการทดลองทางวิทยาศาสตร์” ก่อนว่า มันต้องมีตัวแปรต้นที่ผู้ทดลองกำหนดค่าของมันให้เปลี่ยนแปลงไป เพื่อดูว่า การเปลี่ยนแปลงนั้นจะส่งผลให้ค่าของตัวแปรตามด้วยหรือไม่ ภายใต้เงื่อนไขที่ว่าตัวแปรอื่นๆ ถูกควบคุมให้มีค่าคงตัวตลอดการทดลอง ซึ่งผมและทีมงานได้ใส่ตัวอย่างการทดลองที่ศึกษาว่า “ระดับความลึกของน้ำส่งผลต่อการจมลอยของวัตถุหรือไม่” เพื่อให้นักเรียนเห็นภาพของการกำหนดตัวแปรต่างๆ การเปลี่ยนค่าของตัวแปรต้น การพิจารณาค่าของตัวแปรตาม และการควบคุมค่าของตัวแปรแทรกซ้อนต่างๆ
เมื่อนักเรียนได้ออกแบบการทดลองแล้ว ครูก็ควรอภิปรายกับนักเรียนเกี่ยวกับการออกแบบการทดลองของนักเรียนแต่ละกลุ่ม เพื่อให้นักเรียนเข้าใจหลักการออกแบบ “การทดลองที่ยุติธรรม” (fair test) ซึ่งผมและทีมงานได้ร่วมกันสรุปลักษณะสำคัญเอาไว้ ดังนี้ครับ
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องให้ผลการทดลองที่เราสามารถเปรียบเทียบ ได้ว่า เมื่อค่าของตัวแปรต้นเปลี่ยนแปลงไป ค่าของตัวแปรตามจะเปลี่ยนแปลงไปหรือไม่ และอย่างไร
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องทำให้เรามั่นใจได้ว่า ค่าของตัวแปรตามถูกควบคุมให้เป็นผลมาจากค่าของตัวแปรต้นเท่านั้น ไม่ใช่ตัวแปรแทรกซ้อนอื่นๆ
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องทำให้เรามั่นใจได้ว่า ค่าของตัวแปรตามต้องไม่เกิดจากความคลาดเคลื่อนจากกระบวนการเก็บรวบรวมข้อมูล และ/หรืออคติของผู้เก็บรวบรวมข้อมูล
จากนั้น ครูจึงค่อยแนะนำโปรแกรมการทดลองเสมือนจริง PhET เรื่อง “การลอยตัวในของเหลว”
ซึ่งเมื่อนักเรียนทำการทดลองแล้ว นักเรียนควรมีความเข้าใจที่ว่า ทั้งมวลของวัตถุ ปริมาตรของวัตถุ และชนิดวัสดุของวัตถุ มีผลต่อการจมลอยของวัตถุในน้ำ
จากนั้น ครูจึงค่อยนำเสนอแนวคิดเรื่อง “ความหนาแน่นของวัตถุ” โดยการให้นักเรียนอ่านใบความรู้ ซึ่งเนื้อหานั้นเน้นการใช้การอุปมาอุปมัย (analogy) ระหว่าง “จำนวนคนในห้อง” กับ “ปริมาณมวลของวัตถุต่อปริมาตรของวัตถุ” เมื่อนักเรียนได้แนวคิดเรื่องความหนาแน่นของวัตถุแล้ว ครูจึงค่อยให้นักเรียนออกแบบและทำการทดลองเพื่อศึกษาว่า ความหนาแน่นของวัตถุมีผลต่อการจมลอยของวัตถุในน้ำหรือไม่ ซึ่งหากเวลามีมากพอ ครูอาจอภิปรายเกี่ยวกับการออกแบบการทดลองของนักเรียนแต่ละกลุ่ม ก่อนที่นักเรียนจะทำการทดลองจริงอีกสักครั้ง เพื่อให้นักเรียนเข้าใจการออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมอย่างลึกซึ้งมากขึ้น จากการทดลองนี้ นักเรียนควรมีความเข้าใจว่า ความหนาแน่นของวัตถุมีผลต่อการจมลอยของวัตถุ ซึ่งก็ไม่ใช่เรื่องแปลกอะไร เพราะความหนาแน่นมีค่าขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุและปริมาตรของวัตถุ ซึ่งทั้งสองส่งผลต่อการจมลอยของวัตถุ
จากนั้น ครูจึงค่อยนำเสนอประเด็นต่อไปว่า แล้วความหนาแน่นของของเหลวมีผลต่อการจมลอยของวัตถุใดๆ หรือไม่ แล้วนักเรียนออกแบบและการทำการทดลองเพื่อตอบคำถามนี้ หากนักเรียนทำได้ถูกต้อง นักเรียนก็จะได้เรียนรู้ว่า นอกจากความหนาแน่นของวัตถุแล้ว ความหนาแน่นของของเหลวก็เป็นตัวกำหนดว่า วัตถุนั้นจะจมหรือจะลอยในของเหลวด้วยเช่นกัน
เมื่อถึงตรงนี้ ครูสามารถนำเสนอตารางข้อมูล (ดังภาพข้างล่าง) เพื่อให้นักเรียนวิเคราะห์ว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของวัตถุและความหนาแน่นของของของเหลวควรเป็นแบบใด แล้วทำให้วัตถุจมในของเหลว และความสัมพันธ์นั้นควรเป็นแบบใด แล้วทำให้วัตถุลอยในของเหลว กิจกรรมตรงนี้เป็นการฝึกให้นักเรียนตีความข้อมูลในตาราง เพื่อหา(หรือสร้าง)ความหมายที่แฝงอยู่ในข้อมูลเหล่านั้น ในการนี้ นักเรียนจะได้ค้นพบว่า หากความหนาแน่นของวัตถุ “น้อยกว่า” ความหนาแน่นของของเหลว วัตถุนั้นจะลอยในของเหลว แต่หากความหนาแน่นของวัตถุ “มากกว่า” ความหนาแน่นของของเหลว วัตถุนั้นจะจมในของเหลว จากนั้น ครูจึงค่อยนำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับความหนาแน่นสัมพัทธ์ระหว่างวัตถุและของเหลว
เมื่อถึงตรงนี้ นักเรียนได้พัฒนาความเข้าใจมาถึงลำดับขั้นสูงสุดตามที่งานวิจัยได้เสนอไว้แล้ว นั่นคือ นักเรียนเข้าใจว่า การจมลอยของวัตถุในของเหลวจะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นสัมพัทธ์ระหว่างวัตถุและของเหลว ต่อจากนี้ไปจึงเป็นการพานักเรียนสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับแรงพยุงตามที่หลักสูตรวิทยาศาสตร์แกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551 ได้กำหนดไว้ ในการนี้ ครูอาจจำเป็นต้องการความเชื่อมโยงก่อนว่า การจมลอยของวัตถุในของเหลวก็คือการเคลื่อนที่ของวัตถุในของเหลว เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุใดๆ ด้วยแนวคิดเรื่องแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้น ดังนั้น นักเรียนจึงสามารถอธิบายการจมลอยของวัตถุใดๆ โดยใช้แนวคิดเรื่องแรงที่กระทำต่อวัตถุได้ด้วยเช่นกัน
จากนั้น ครูจึงสำรวจความเข้าใจเดิมของนักเรียนว่า ในกรณีที่่วัตถุอยู่ในของเหลว (ไม่ว่าจะจมหรือลอย) แรงอะไรบ้างที่กระทำต่อวัตถุนั้น นักเรียนจำนวนหนึ่งมักตอบได้ว่า หนึ่งในนั้นคือแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ จากนั้น ครูจึงถามนักเรียนต่อไปว่า แล้วในกรณีที่วัตถุลอยอยู่ในของเหลว มีแรงอะไรอีกไหมที่่กระทำต่อวัตถุ แรงอะไรที่ทำให้วัตถุนั้นลอยอยู่ในของเหลวได้ โดยไม่จมลงสู่ข้างล่างตามแรงโน้มถ่วง นักเรียนส่วนใหญ่มักมีปัญหาในการคิดว่า ของเหลวสามารถออกแรงกระทำต่อวัตถุในทิศขึ้นได้ เช่นเดียวกับกรณีที่นักเรียนมีปัญหาในการคิดว่า พื้นสามารถออกแรงปกติ (แรง N) กระทำต่อวัตถุในทิศขึ้นได้ ซึ่งตรงนี้ครูอาจจำเป็นต้องใช้เหตุผลในการอธิบายกับนักเรียนเหนือยหน่อยนะครับ จนกว่าที่นักเรียนจะยอมรับว่า มันมีแรงหนึ่งที่กระทำต่อวัตถุในทิศขึ้น และทำให้วัตถุนั้นไม่จมลงสู่พื้นด้างล่างตามทิศของแรงโน้มถ่วง
เมื่อนักเรียนยอมรับการมีอยู่ของแรงทิศขึ้นนี้แล้ว ครูจึงค่อยบอกกับนักเรียนว่า แรงนี้มีชื่อว่า “แรงพยุง” ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ในของเหลว จากนั้น ครูจึงให้นักเรียนออกแบบและทำการทดลองเพื่อศึกษาว่า การจมลอยของวัตถุมีความเกี่ยวข้องกับค่าของแรงพยุงและค่าของแรงโน้มถ่วงอย่างไร จนกระทั่งนักเรียนเข้าใจว่า หากนักเรียนลองคลิกเพื่อลากวัตถุมาปล่อย ณ ตำแหน่งตรงกลางในของเหลวแล้ว:
- หากแรงโน้มถ่วงมีค่ามากกว่าแรงพยุง [แรงในทิศลงมีค่ามากกว่าแรงในทิศขึ้น] วัตถุในของเหลวจะจมลง
- หากแรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยกว่าแรงพยุง [แรงในทิศลงมีค่าน้อยกว่าแรงในทิศขึ้น] วัตถุในของเหลวจะลอยขึ้น
- หากแรงโน้มถ่วงมีค่าเท่ากับแรงพยุง [แรงในทิศลงมีค่าเท่ากับแรงในทิศขึ้น] วัตถุในของเหลวก็จะอยู่นิ่ง
จากนั้น ครูจึงถามนักเรียนว่า ค่าของแรงพยุงขึ้นอยู่กับปัจจัยอะไรบ้าง เช่น ส่วนของวัตถุที่จมอยู่ในของเหลว และความหนาแน่นของของเหลว ซึ่งจะเป็นการให้นักเรียนทดลองอีก 2 ครั้งในกิจกรรมนี้ จนกระทั่งนักเรียนเข้าใจว่า ทั้งส่วนของวัตถุที่จมอยู่ในของเหลวและความหนาแน่นของของเหลวเกี่ยวข้องกับค่าของแรงพยุง จากนั้น ครูจึงค่อยนำเสนอสูตรของแรงพยุง (Fb = ρVg) แล้วให้นักเรียนลองคำนวณหาค่าของแรงพยุง พร้อมทั้งเปรียบเทียบค่านั้นกับค่าที่ปรากฏในโปรแกรมฯ
กิจกรรมนี้ค่อนข้างยาวนะครับ เพราะมันเน้นให้นักเรียนได้พัฒนาความเข้าใจไปทีละน้อยๆ ตามลำดับขั้นของความก้าวหน้าในการเรียนรู้ ซึ่งอาจจะตรงกันข้ามกับการจัดการเรียนการสอนโดยทั่วไป ที่เน้นการนำเสนอแนวคิดทางวิทยาศาสตร์อย่างตรงไปตรงมาเลย ซึ่งบางครั้งมันก็ก้าวกระโดดมากเกินไป จนนักเรียนไม่สามารถเชื่อมโยงความเข้าใจเดิมของตนเองกับแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ได้ กิจกรรมนี้เน้นหลักการ “ช้าแต่ชัวร์” ครับ นอกจากนี้ เมื่อนักเรียนผ่านการทดลองด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เสมือนจริงเช่นนี้หลายๆ ครั้งแล้ว นักเรียนน่าจะคุ้นเคยกับการทำข้อสอบ PISA แบบใหม่ได้ดีขึ้นนะครับ ผมและทีมงานหวังและตั้งใจให้เป็นอย่างนั้น