ผมขอเขียนถึง “บทเรียนวิภาค” ต่อนะครับ คราวนี้เป็นคิวของกิจกรรมเรื่อง “ปริมาตรหายไปไหน” แต่ก่อนอื่นผมต้องขออ้างอิงที่มาของการพัฒนากิจกรรมนี้ก่อนว่า ผมได้แนวคิดมาจากการอ่านบทความวิจัยเรื่อง “Implications of Research on Children’s Learning for Standards and Assessment: A Proposed Learning Progression for Matter and the Atomic-Molecular Theory” [บทความนี้มีเนื้อหาที่เป็นประโยชน์สำหรับครูวิทยาศาสตร์ที่สอนสาระที่ 3 “สารและสมบัติของสาร” ทุกระดับชั้นครับ] บทความนี้ในหน้าที่ 88 มีคำถามข้อหนึ่งที่กำหนดให้นักเรียนระบุปริมาตรรวมของของเหลว เมื่อมีการผสมกันระหว่างน้ำ 100 ml3 และแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ 100 ml3 ซึ่งผมคิดว่า มันน่าสนใจและสอดคล้องกับตัวชี้วัด ว 3.2 ม. 1/2 ที่ว่า “(นักเรียน)ทดลองและอธิบายการเปลี่ยนแปลงสมบัติ มวล และพลังงานของสาร เมื่อสารเปลี่ยนสถานะและเกิดการละลาย”
ในแง่ของการสืบเสาะทางวิทยาศาสตร์ กิจกรรมนี้สะท้อนลักษณะสำคัญของการทดลองทางวิทยาศาสตร์ได้อย่างชัดเจนที่สุด กล่าวคือ ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ใดๆ นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้เริ่มต้นจากความคิดที่ว่างเปล่า หากแต่พวกเขา(หรือเธอ)มีคำถามทางวิทยาศาสตร์และสมมติฐานอยู่ในใจก่อนแล้ว พวกเขา(หรือเธอ)ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์เพื่อทดสอบว่า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจริงจะเป็นไปตามสมมติฐานที่เขามีอยู่หรือไม่ หากผลการทดลองเป็นไปตามสมมติฐานนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็จะยืนยันและมั่นใจในสิ่งที่ตนเองคิด แต่หากมันไม่ใช่ นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องพิจารณาสมมติฐานใหม่ อย่างไรก็ดี ในกรณีที่นักวิทยาศาสตร์มีหลายสมมติฐาน พวกเขา(หรือเธอ)ก็อาจใช้การทดลองทางวิทยาศาสตร์เพื่อทดสอบว่า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจริงอาจจะไม่เป็นไปตามสมมติฐานบางข้อ ทั้งนี้เพื่อตัดสมมติฐานทางเลือกบางข้อทิ้งไป และพิจารณาเฉพาะสมมติฐานที่เหลืออยู่ ดังนั้น การทดลองทางวิทยาศาสตร์อาจถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ซึ่งก็คือ 1. การทดลองเพื่อยืนยันสมมติฐาน (verification) และ 2. การทดลองเพื่อหักล้างสมมติฐาน (falsification)
กิจกรรมนี้จึงเริ่มต้นจากการให้นักเรียนคาดเดาก่อนว่า เมื่อนักเรียนเทน้ำและแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ อย่างละ 100 ml3 ผสมกันแล้ว ปริมาตรรวมของของเหลว 2 ชนิดนี้จะมีค่าเท่าใด ซึ่งตรงนี้นักเรียนสามารถตอบได้อย่างอิสระตามความรู้และประสบการณ์เดิมของตนเอง เหตุการณ์นี้เป็นการดึงความสนใจของนักเรียน เพื่อให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นจริง จากนั้น นักเรียนจะได้ลองทำจริงๆ ว่า ผลที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร ในการนี้ นักเรียนจะได้เห็นว่า ปริมาตรรวมของของน้ำและแอลกอฮอล์บริสุทธิ์มีค่าน้อยกว่า 200 ml3 ซึ่งเป็นผลรวมของปริมาตรของน้ำและปริมาตรของแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ก่อนการผสม ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่างครับ
จากนั้น ครูจึงตั้งคำถามกับนักเรียนว่า เหตุใดปริมาตรรวมของของเหลวจึงลดลง (เมื่อเทียบกับผลรวมของปริมาตรของของเหลวแต่ละชนิด) อันจะนำไปสู่การเปิดโอกาสให้นักเรียนได้ตั้ง “สมมติฐานเชิงคำอธิบาย” (explanatory hypotheses) เพื่ออธิบายว่า “ปริมาตรหายไปไหน” จากการสำรวจความคิดของนักเรียนชั้น ม.3 จำนวน 22 คน โดยทีมงาน เราพบว่า นักเรียน 17 คน (77.3%) คิดว่า ปริมาตรหายไปเพราะมวลของสารอย่างใดอย่างหนึ่ง (หรือทั้งสองอย่าง) หายไป โดยนักเรียนเหล่านี้อ้างถึง “การหก” หรือ “การระเหย” ที่อาจเกิดขึ้นในขณะที่มีการผสมสาร ในขณะที่นักเรียนที่เหลือบางคนมีสมมติฐานเป็นอย่างอื่น
จากนั้น ครูจึงให้นักเรียนแต่ละกลุ่มตั้งคำถามและออกแบบการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่า “ปริมาตรที่หายไปนี้เกิดจากการที่มวลของสารหายไป” กิจกรรมในช่วงนี้จะแบ่งนักเรียนออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่โดยปริยาย โดยนักเรียนส่วนหนึ่งเชื่อว่า “ปริมาตรหายไปเพราะมวลบางส่วนหายไป” ในขณะที่นักเรียนอีกส่วนหนึ่งเชื่อว่า “แม้ปริมาตรหายไป แต่มวลยังคงเดิม” นักเรียนที่เชื่อแบบแรกต้องทำการทดลองเพื่อหาหลักฐานที่ “ยืนยัน” สมมติฐานนี้ (verification) ในขณะที่นักเรียนที่เชื่อแบบหลักต้องทำการทดลองเพื่อหาหลักฐานที่ “หักล้าง” สมมติฐานนี้ (falsification) กิจกรรมในช่วงนี้จะเป็นการเล่นกับความสับสนของนักเรียนระหว่างคำว่า “ปริมาณ” กับคำว่า “ปริมาตร” โดยนักเรียนจำนวนหนึ่งเข้าใจ(คลาดเคลื่อน)ว่า ปริมาณทั้งสองเหมือนกันหรือใช้แทนกันได้
การทดลองของนักเรียนอาจหลากหลาย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบการทดลองของนักเรียนแต่ละกลุ่ม โดยครูจำเป็นต้องอภิปรายร่วมกับนักเรียนว่า การออกแบบการทดลองของนักเรียนมีอคติปนอยู่หรือไม่ หลังจากที่นักเรียนได้ทำการทดลองอย่างถี่ถ้วนแล้ว หลักฐานจะเป็นสิ่งที่บอกว่า สมมติฐานที่ว่า “ปริมาตรที่หายไปนั้นเกิดจากการที่มวลของสารหายไป” ไม่สอดคล้องกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริง กล่าวคือ แม้ปริมาตรของสารจะลดลงจากเดิม แต่มวลของสารไม่ได้หายไปไหน ทั้งนี้เพราะน้ำหนักของสารยังคงเดิม จากหลักฐานนี้ นักเรียนจำเป็นต้องยอมรับว่า “ปริมาตรที่หายไปนั้นไม่ได้เกิดจากการที่มวลของสารหายไป” แต่เกิดจากสาเหตุอื่น
ในการนี้ นักเรียนต้องพิจารณาสมมติฐานอื่นๆ โดยครูอาจร่วมกับอภิปรายกับนักเรียนด้วยว่า การแทรกตัวของสาร 2 ชนิดสามารถทำให้ปริมาตรรวมของสารนั้นลดลงจากเดิมได้หรือไม่ (ซึ่งเป็นการพิจารณาสมมติฐานใหม่) จากนั้น นักเรียนก็ต้องออกแบบและทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์อีกครั้งเพื่อทดสอบสมมติฐานใหม่นี้ (ซึ่งอาจมีทั้งนักเรียนที่เชื่อและที่ไม่เชื่อสมมติฐานนี้) โดยนักเรียนอาจทำสารเปรียบเทียบปริมาตรรวมของสาร 2 ชนิดที่ผสมกัน เมื่อมีการเขย่าและไม่มีการเขย่า เนื่องจากการเขย่าช่วยให้สาร 2 ชนิด แทรกตัวระหว่างกันได้ดีขึ้น ดังนั้น หากการเขย่าทำให้ปริมาตรรวมลดลงได้มากกว่าการไม่เขย่า ผลการทดลองนี้ก็สนับสนุนสมมติฐานเกี่ยวกับการแทรกตัวของสารนั่นเอง แต่หากไม่เป็นเช่นนั้น นักเรียนก็ต้องพิจารณาสมมติฐานอื่นๆ ต่อไป
หลังจากที่นักเรียนได้ทำการทดลองแล้ว หลักฐานจะยืนยันสมมติฐานที่ว่า การแทรกตัวของสาร 2 ชนิดสามารถทำให้ปริมาตรรวมของสารนั้นลดลงจากเดิมได้ จากนั้น ครูจึงเริ่มเสนอแนวคิดที่ว่า สารทุกชนิด (รวมทั้งน้ำและแอลกอฮอล์บริสุทธิ์) ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งระหว่างอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้จะมีช่องว่างอยู่ ในการนี้ ครูอาจให้นักเรียนชมวีดิทัศน์ที่แสดงแนวคิดเกี่ยวกับความเป็นอนุภาคของสาร ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่างนี้
ประเด็นสำคัญอยู่ตรงที่ครูต้องชี้ให้นักเรียนเห็น “ช่องว่างระหว่างอนุภาคของสาร” ซึ่งถ้าช่องว่างนี้มีขนาดใหญ่พอ อนุภาคขนาดเล็กชนิดอื่นๆ ก็สามารถแทรกตัวเข้าไปอยู่ในช่องว่างนั้นได้ ในการนี้ ครูอาจใช้การอุปมาโดยการให้นักเรียนผสมวัตถุ 2 ชนิดที่มีขนาดแตกต่างกัน (เช่น ลูกแก้วกับลูกปิงปอง ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่าง หรือผงเกลือกับเมล็ดถั่วเขียว ดังที่ทีมงานใช้ในระหว่างการอบรมที่ผ่านมา) เพื่อแสดงให้นักเรียนเห็นว่า การแทรกตัวระหว่างอนุภาคเกิดขึ้นได้อย่างไร และทำให้ปริมาตรรวมของสารลดลงได้อย่างไร
ถึงตรงนี้ นักเรียนคงเริ่มเข้าใจแล้วว่า การที่ปริมาตรรวมของของเหลวผสมระหว่างน้ำกับแอลกอฮอล์บริสุทธิ์เกิดขึ้นได้อย่างไร โดยครูควรสรุปว่า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้เป็นการละลายรูปแบบหนึ่ง ซึ่งสามารถทำให้สมบัติทางกายภาพบางอย่าง เช่น ปริมาตร เปลี่ยนแปลงไปจากเดิม ในขณะที่มวลของสารยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นไปตามตัวชี้วัด ว 3.2 ม. 1/2 อย่างไรก็ดี กิจกรรมนี้ยังไม่ครอบคลุมเนื้อหาทั้งหมดของตัวชี้วัดนี้ เพราะมันยังไม่ได้กล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ดังนั้น กิจกรรมนี้จึงต้องมีภาค 2 ต่อไป ยังไงผมฝากติดตามผลงานของทีมงานที่พัฒนากิจกรรมนี้ด้วยนะครับ