“บทเรียนวิภาค” ในครั้งนี้เป็นคิวของกิจกรรมเรื่อง “ภาวะโลกร้อน” กิจกรรมนี้เน้นการให้นักเรียนได้ออกแบบและประเมินการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งหนึ่งในสมรรถนะทางวิทยาศาสตร์ของการประเมินผลนักเรียนนานาชาติ (PISA 2015) ส่วนเนื้อหาของกิจกรรมนี้สอดคล้องกับตัวชี้วัด สาระที่ 6 “กระบวนการเปลี่ยนแปลงของโลก” ว 6.1 ม. 1/6 ที่ว่า “(นักเรียน)สืบค้น วิเคราะห์ และอธิบายปัจจัยทางธรรมชาติ และการกระทำของมนุษย์ที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโลก รูโหว่โอโซน และฝนกรด”
กิจกรรมนี้เริ่มต้นด้วยการให้นักเรียนชมวีดิทัศน์เกี่ยวกับการศึกษาของ ชาร์ล เดวิด คีลลิ่ง (Charles David Keeling) ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการสำรวจปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ดังนี้ครับ
จากวีดิทัศน์นี้ นักเรียนจะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับภาวะโลกร้อน โดยเฉพาะแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ และแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉลี่ยของโลก ในการนี้ นักเรียนจะได้พิจารณากราฟ ดังภาพข้างล่าง พร้อมทั้งระบุว่า ข้อมูลส่วนใดบ้างที่สนับสนุนและไม่สนับสนุนข้อสรุปที่ว่า “ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศที่เพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุให้อุณหภูมิเฉลี่ยของอากาศเพิ่มขึ้น” [คำถามนี้เป็นตัวอย่างข้อสอบ PISA ที่ได้รับการเผยแพร่สู่สาธารณะ ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์เองก็เคยถกเถียงประเด็นนี้กันอย่างดุเดือดมาก่อนครับ]
ที่มา: http://earthobservatory.nasa.gov/
ในการนี้ ครูอาจอภิปรายกับนักเรียนด้วยว่า ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์จริงๆ อาจไม่ตรงไปตรงมา ที่นักวิทยาศาสตร์สามารถลงข้อสรุปใดๆ ได้อย่างมั่นใจ หากแต่ธรรมชาติของข้อมูลเหล่านี้มักมีความซับซ้อนที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต่างๆ ลงข้อสรุปแตกต่างกันได้ อันจะนำไปสู่การโต้แย้งเกี่ยวกับความสมเหตุสมผลของข้อสรุปนั้น
จากนั้น ครูจึงอภิปรายกับนักเรียนว่า การทดลองเป็นวิธีการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เพื่อหาหลักฐานต่างๆ ที่จะช่วยให้พวกเขา(หรือเธอ)สามารถลงข้อสรุปใดๆ ได้อย่างมั่นใจมากขึ้น โดยแต่ละการทดลองต้องมีคำถามทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งในกรณีนี้ก็คือ “ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอากาศ(เมื่อได้รับแสง)หรือไม่” คำถามเกี่ยวกับการทดลองทางวิทยาศาสตร์มักระบุถึงตัวแปรต้นและตัวแปรตาม ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ต้องการศึกษาว่า ตัวแปรต้นและตัวแปรตามมีความสัมพันธ์เชิงเหตุเชิงผลกันหรือไม่ กล่าวคือ ตัวแปรต้นเป็นสาเหตุของตัวแปรตามหรือไม่ ดังนั้น ในการทดสอบความสัมพันธ์นี้ นักวิทยาศาสตร์จึงต้องเปลี่ยนแปลงค่าของตัวแปรต้น เพื่อดูว่าตัวแปรตามมีการเปลี่ยนแปลงค่าด้วยหรือไม่ หากตัวแปรตามเปลี่ยนแปลงค่าไปตามค่าของตัวแปรต้น มันก็มีความเป็นไปได้ว่า ตัวแปรต้นจะเป็นสาเหตุของตัวแปรตาม แต่หากมันไม่เป็นเช่นนั้น ตัวแปรต้นก็อาจไม่ใช่สาเหตุของตัวแปรตาม แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น นักวิทยาศาสตร์ต้องแน่ใจให้ได้ว่า นอกจากตัวแปรต้นแล้ว ไม่มีตัวแปรอื่นๆ ที่เข้ามาส่งผลต่อค่าของตัวแปรตาม ทั้งหมดนี้คือแนวคิดของการการทดลองที่ยุติธรรม หรือที่หลายคนเรียกกันว่า “fair test”
ผมอยากย้ำไว้ ณ ที่นี้อีกครั้งว่า ความเข้าใจเกี่ยวกับ “การทดลองที่ยุติธรรม” เป็นเรื่องจำเป็นที่ครูจะต้องสอนครับ ลำพังการให้นักเรียนทำการทดลองตามขั้นตอนที่ครูหรือหนังสือเรียนได้กำหนดไว้แล้วนั้นไม่เพียงพอครับ เพราะนักเรียนจะไม่ได้รับโอกาสให้ฝึกคิดและออกแบบการทดลองด้วยตัวเอง หากแต่เพียงทำตามที่ผู้อื่น (ครูหรือหนังสือเรียน) ได้ออกแบบไว้ให้แล้วเท่านั้น สมาธิของนักเรียนมักจะจดจ่ออยู่กับว่า ตนเองได้ทำตามขั้นตอนที่ผู้อื่นกำหนดไว้หรือไม่ ซึ่งแทบไม่ช่วยให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้เกี่ยวกับการออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมเลยครับ
ผมและทีมงานได้สรุปลักษณะของการทดลองที่ยุติธรรมไว้ ดังนี้ครับ
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องให้ผลการทดลองที่เราสามารถเปรียบเทียบได้ว่า เมื่อค่าของตัวแปรต้นเปลี่ยนแปลงไป ค่าของตัวแปรตามจะเปลี่ยนแปลงไปหรือไม่ และอย่างไร
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องทำให้เรามั่นใจได้ว่า ค่าของตัวแปรตามถูกควบคุมให้เป็นผลมาจากค่าของตัวแปรต้นเท่านั้น ไม่ใช่ตัวแปรแทรกซ้อนอื่นๆ
- การออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมต้องทำให้เรามั่นใจได้ว่า ค่าของตัวแปรตามต้องไม่เกิดจากความคลาดเคลื่อนจากกระบวนการเก็บรวบรวมข้อมูล และ/หรืออคติของผู้เก็บรวบรวมข้อมูล
เมื่อนักเรียนเข้าใจแนวคิดของการออกแบบการทดลองที่ยุติธรรมแล้ว ครูจึงเปิดโอกาสให้นักเรียนออกแบบการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เพื่อตอบคำถามที่ว่า “ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอากาศ(เมื่อได้รับแสง)หรือไม่” และเมื่อนักเรียนออกแบบการทดลองทางวิทยาศาสตร์เสร็จแล้ว ครูก็ควรเปิดโอกาสให้นักเรียนได้ประเมินการออกแบบการทดลองของเพื่อนๆ บนพื้นฐานของความเข้าใจเกี่ยวกับการทดลองที่ยุติธรรม กิจกรรมช่วงนี้จะช่วยให้นักเรียนเข้าใจเกี่ยวกับการออกแบบการทดลองมากยิ่งขึ้นครับ ทั้งนี้เพราะนักเรียนจะได้เห็นจุดอ่อนและจุดแข็งของการออกแบบการทดลองต่างๆ ซึ่งจะนำไปสู่การปรับปรุงการออกแบบการทดลองให้รัดกุมและยุติธรรมมากยิ่งขึ้น
โดยอุดมคติแล้ว นักเรียนควรได้ทำการทดลองทางที่ตนเองได้ออกแบบไว้ครับ แต่ในระหว่างการจัดอบรมเชิงปฏิบัติการนั้น ผมและทีมงานไม่สามารถคาดการณ์ได้เลยว่า ผู้เข้ารับการอบรมฯ จะออกแบบการทดลองอย่างไรบ้าง เราจึงเตรียมวัสดุแลุะอุปกรณ์สำหรับการทดลองเรื่องนี้เพียงแบบเดียวเท่านั้น ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่าง
จากวีดิทัศน์ข้างต้น การทดลองนี้จะนำไปสู่หลักฐานที่ว่า อุณหภูมิภายในขวดที่มีคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่า (ใบซ้ายมือ) เพิ่มขึ้นเร็วกว่าอุณหภูมิภายในขวดที่มีคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่า (ใบขวามือ) ซึ่งสอดคล้องกับความรู้ทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน แต่ในทางปฏิบัตินั้น การทำการทดลองด้วยเช่นนี้อาจมีความคลาดเคลื่อนเกิดขึ้นได้ง่ายมากครับ (แม้ว่าผู้ทดลองไม่ตั้งใจก็ตาม) ไม่ว่าจะเป็นการวางหลอดไฟที่อาจเอียงไปยังขวดใบใดใบหนึ่ง การวางเทอร์โมมิเตอร์ในขวดใบใดใบหนึ่งที่อาจเอียงเข้าหาหลอดไฟ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขวดใบหนึ่งแต่ไม่เกิดในอีกใบหนึ่ง เป็นต้น ดังนั้น การทดลองด้วยวิธีการนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมตัวแปรแทรกซ้อนต่างๆ อย่างดีมากๆ เพื่อให้ได้ผลตามที่ปรากฏในวีดิทัศน์
ผลการทดลองนี้บ่งบอกว่า คาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศสามารถเร่งให้อุณหภูมิของอากาศเพิ่มสูงเร็วขึ้นเมื่อได้รับแสง (โดยปกติ เมื่ออากาศได้รับแสง อุณหภูมิของมันก็จะเพิ่มขึ้นอยู่แล้วครับ แต่หากอากาศมีคาร์บอนไดออกไซด์ปนอยู่มาก อุณหภูมิของมันก็จะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นไปอีก)
จากนั้น ครูจึงให้นักเรียนชมวีดิทัศน์อีกเรื่องหนึ่ง ดังที่ปรากฏข้างต้น เพื่อให้นักเรียนเห็นกระบวนการที่ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เร่งการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอากาศ ซึ่งนักเรียนจะได้สังเกตว่า คาร์บอนไดออกไซด์มีสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด (ดังหลักฐานที่แสดงว่า รังสีอินฟราเรดจากเทียนไขไม่สามารถเดินทางผ่านคาร์บอนไดออกไซด์ในท่อมายังกล้องอินฟราเรดได้) ในการนี้ ครูอาจให้ข้อมูลเพิ่มเติมกับนักเรียนด้วยว่า วัตถุต่างๆ รวมทั้งร่างกายมนุษย์มีการปลดปล่อยพลังงานความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมในรูปของรังสีอินฟราเรด
เมื่อถึงตรงนี้ ครูสามารถอภิปรายกับนักเรียนโดยใช้หลักฐานจากการทดลองทั้ง 2 เรื่อง เพื่อลงข้อสรุปว่า “เนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์มีสมบัติในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ดังนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศจึงสามารถทำให้อุณหภูมิของอากาศเพิ่มสูงเร็วขึ้นได้(เมื่อได้รับแสง)” จากนั้น ครูจึงโยงความเข้าใจเรื่องนี้ไปยังกราฟเดิมที่แสดงถึงปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศที่มีแนวโน้มเพิ่มขึ้น แล้วอภิปรายกับนักเรียนว่า การเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศนี้สามารถส่งผลให้อุณหภูมิของอากาศ (ซึ่งมีคาร์บอนไดออกไซด์ปนอยู่) เพิ่มสูงเร็วขึ้น
ครูอาจอธิบายเรื่องนี้ให้เป็นรูปธรรมเพิ่มขึ้นด้วยการใช้โปรแกรมทดลองเสมือน PhET เรื่อง “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” ดังที่ปรากฏข้างล่าง
| คลิกเพื่อเริ่มทำงาน |
ซึ่งนักเรียนจะเห็นว่า เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลก (จุดสีเหลือง) พื้นโลกจะได้รับพลังงานความร้อน และค่อยๆ ปลดปล่อยพลังงานความร้อนนั้นกลับสู่บรรยากาศในรูปของรังสีอินฟราเรด (จุดสีแดง) หากบรรยากาศมีคาร์บอนไดออกไซด์ปะปนอยู่มาก คาร์บอนไดออกไซด์จะดูดกลืนรังสีอินฟราเรดนั้นไว้ในชั้นบรรยากาศที่ใกล้พื้นดิน [การดูดกลืนนี้ไม่ได้หมายความว่า รังสีอินฟราเรดจะถูกดูดกลืนไว้กับคาร์บอนไดออกไซด์โมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่งตลอดเวลานะครับ แต่มันหมายความว่า เมื่อโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ใดๆ ได้รับรังสีอินฟราเรด โมเลกุลนั้นก็จะสั่น แล้วก็ปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดกลับออกมา ซึ่งหากบริเวณใกล้เคียงนั้นมีโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์อื่นๆ อยู่ รังสีอินฟราเรดก็จะถูกโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ที่อยู่ใกล้เคียงดูดกลืนอีก ก่อนที่จะถูกปลดปล่อยออกมาให้โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์อื่นอีก ดังนั้น รังสีอินฟราเรดก็จะไม่ถูกปลดปล่อยออกไปให้พ้นบรรยากาศของโลกซะที มันก็จะวนเวียนอยู่ในบรรยากาศจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง] ปรากฏการณ์นี้มีชื่อว่าปรากฏการณ์เรือนกระจก ซึ่งเป็นกลไกหลักที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อนครับ
จากนั้น ครูจึงค่อยๆ นำเสนอว่าคาร์บอนไดออกไซด์ไม่ใช่สารชนิดเดียวที่สามารถดูดกลืนรังสีอินฟราเรด และทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก สารอื่นๆ ก็มีสมบัตินี้เช่นกัน ได้แก่ ไอน้ำ มีเทน ไนตรัสออกไซด์ และโอโซน และเมื่อถึงตรงนี้แล้ว ครูควรสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างภาวะโลกร้อน ปรากฏการณ์เรือนกระจก และรูโหว่โอโซนด้วยครับ ทั้งนี้เพราะนักเรียนหลายคนอาจสับสนเกี่ยวกับคำเหล่านี้ครับ
ในตอนท้ายของกิจกรรมนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับผลกระทบที่เกิดขึ้นจากภาวะโลกร้อน ซึ่งที่ชัดเจนและสะเทือนใจมากๆ ก็คือภาวะการใกล้สูญพันธุ์ของหมีขั้วโลก ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่างครับ
แล้วครูค่อยอภิปรายเพื่อดึงประเด็นให้เข้าใกล้ชีวิตประจำวันของนักเรียนมากยิ่งขึ้น เช่น เมื่อน้ำแข็งขั้วโลกละลาย ระดับน้ำทะเลก็เพิ่มสูงขึ้น ในขณะเดียวกับอุณหภูมิของน้ำทะเลก็เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบในวงกว้างขึ้นครับ