ผมเคยนำเสนอชุดบทความ “Energy and the Confused Student” ซึ่งไม่เพียงแค่กล่าวถึงข้อจำกัดของการสอนเรื่องพลังงานแบบดั้งเดิม อันนำไปสู่ความสับสนของนักเรียน แต่นำเสนอแนวทางการแก้ไขปรับปรุง ซึ่งอาจช่วยให้นักเรียนเข้าใจเรื่องพลังงานได้ดีขึ้นอีกด้วย
ชุดบทความนี้มีทั้งหมด 5 บทความ ผมขอนำมาแลกเปลี่ยนไปทีละบทความ ดังนี้ครับ
บทความแรกมีชื่อว่า “Energy and the Confused Student I: Work” บทความนี้ว่าด้วยข้อจำกัดของการสอนเรื่องงานตามที่ปรากฎในหนังสือหรือการสอนโดยทั่วไป กล่าวคือ ในการนำเสนอแนวคิดเรื่องงานนั้น เรามักกล่าวถึงสูตรของงานทางฟิสิกส์ นั่นคือ W = F · Δr = FΔr cosθ โดย W คือ งาน; F คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุ; Δr คือ การกระจัดของวัตถุ; และ θ คือ มุมระหว่างแรงและการกระจัด
โดยทั่วไป ตัวอย่างสถานการณ์ของการหางานโดยใช้สูตรข้างต้นก็คือ การมีแรงหนึ่งกระทำกับวัตถุหนึ่ง แล้ววัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปได้ระยะทางหนึ่ง ในการนี้ นักเรียนก็สามารถคำนวณหางานที่เกิดขึ้นกับวัตถุนั้นได้อย่างไม่ยากนัก
อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนบทความนี้ชี้ให้เห็นว่า หากไม่มีการเน้นย้ำแล้ว นักเรียนอาจใช้สูตรข้างต้น โดยพิจารณาวัตถุทั้งก้อน ไม่ใช่จุดต่างๆ ของวัตถุนั้น และความสับสนจะเกิดขึ้นทันที เมื่อนักเรียนต้องพิจารณาสถานการณ์ที่มีแรงมากระทำวัตถุที่สามารถหมุนได้ หรือ วัตถุที่สามารถหดหรือขยายตัวได้
ผู้เขียนได้ยกตัวอย่างสถานการณ์หนึ่ง (หน้า 41) ดังนี้
True or False? A balloon is compressed uniformly from all sides. Because there is no displacement of the balloon’s center of mass, no work is done on the balloon.
จริงหรือไม่? บอลลูนลูกหนึ่งถูกบีบอัดโดยแรงขนาดเท่ากันจากทุกๆ ด้าน เนื่องจากการกระจัดของจุดศูนย์กลางมวลของบอลลูนเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีงานที่เกิดขึ้นกับบอลลูน
หากนักเรียนหางานจากสูตร W = F · Δr = FΔr cosθ โดยพิจารณาบอลลูนทั้งลูก นักเรียนก็อาจเห็นว่า ประโยคข้างต้นเป็นจริง เพราะการกระจัดของบอลลูน (Δr) มีค่าเท่ากันศูนย์ ดังนั้น งานที่เกิดกับบอลลูนจึงมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย
อย่างไรก็ตาม เหตุผลข้างต้นดูจะไม่ถูกต้องนัก เพราะตามกฎของแก๊สแล้ว เมื่อแรงที่บีบอัดบอลลูนทำให้ปริมาตรของบอลลูนลดลง อุณหภูมิของแก๊สภายในบอลลูนต้องมีค่าเพิ่มขึ้น นั่นหมายความว่า โมเลกุลของแก๊สภายในบอลลูนมีพลังงานจลน์มากขึ้น สิ่งที่น่าสงสัยคือว่า ในเมื่องานที่เกิดขึ้นกับบอลลูนเป็นศูนย์ แล้วพลังงานจลน์พวกนี้มาจากไหน สถานการณ์นี้ต้องเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานมิใช่หรือ
แต่หากนักเรียนพิจารณางานจากสูตร W = F · Δr = FΔr cosθ โดยพิจารณาจุดต่างๆ ของบอลลูน (แทนการพิจารณาบอลลูนทั้งลูก) นักเรียนก็จะเห็นว่า แรงต่างๆ ที่กระทำแต่ละจุดของบอลลูน ทำให้จุดเหล่านั้นเคลื่อนที่เข้าหากัน (บอลลูนถูกบีบให้เล็กลง) นั่นคือ แรงแต่ละแรงทำให้จุดแต่ละจุดของบอลลูนเกิดการกระจัด ดังนั้น งานที่เกิดกับจุดต่างๆ ของบอลลูนจึงมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ งานเหล่านี้เองที่ส่งผลให้พลังงานจลน์ของโมเลกุลของแก๊สภายในบอลลูนมีค่าเพิ่มขึ้น
ผู้เขียนบทความนี้ระบุด้วยว่า การหางานของวัตถุใดๆ โดยพิจารณาจุดต่างๆ ของวัตถุนั้น จะช่วยให้นักเรียนเข้าใจแนวคิดเรื่องงานได้ลึกซึ้งขึ้น แนวคิดเรื่องงานที่ลึกซึ้งนี้เองจะเป็นพื้นฐานที่ช่วยให้นักเรียนเข้าใจแนวคิดต่างๆ เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ได้ดีขึ้น [งานเป็นแนวคิดสำคัญที่เชื่อมโยงกลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์]
เมื่อถึงตรงนี้แล้ว ผมขอทบทวนนิดนึงว่า การสอนที่ขาดความระมัดระวัง (แม้เพียงเล็กน้อย) ก็อาจทำให้นักเรียนเกิดแนวคิดที่คลาดเคลื่อนได้ครับ