โครงงานสะเต็มศึกษากระถางรังไหมรักษ์โลก

วัสดุจากธรรมชาติจำนวนมากที่เหลือใช้จากการประกอบอาชีพหรือทำเกษตรกรรมมักจะถูกทิ้งไว้ไม่ได้นำมาใช้ประโยชน์อะไร การทิ้งวัสดุเหลือใช้เหล่านี้ไว้อาจก่อให้เกิดปัญหาและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม วัสดุเหลือใช้เหล่านี้ส่วนมากมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ การนำกลับมาใช้ใหม่จึงเป็นแนวทางที่ช่วยเพิ่มมูลค่าให้วัสดุเหล่านี้ แล้วยังช่วยลดปัญหาและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ดังตัวอย่างการศึกษาการนำรังไหมที่คัดทิ้งมาใช้ประโยชน์ในการพัฒนาแนวทางในการทำเกษตรกรรมที่ช่วยรับมือกับปัญหาภัยแล้งในบทความนี้

จากวิกฤตการณ์ภัยแล้งที่เกิดขึ้นในปัจจุบันซึ่งนับวันจะทวีความรุนแรงและส่งผลกระทบเป็นวงกว้าง โดยเฉพาะในกลุ่มเกษตรกร ที่ได้รับผลกระทบในด้านคุณภาพและปริมาณผลผลิตลดน้อยลงเนื่องจากปริมาณน้ำที่ใช้เพาะปลูกลดน้อยลงดังจะเห็นได้จาก ภาพ 1 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปรากฎการณ์ภัยแล้งและดัชนีผลผลิตสินค้าเกษตร พบว่าปัญหาภัยแล้งในปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นบ่อยกว่าในอดีต (มณฑลี กปิลกาญจน์ และนันทนิตย์ ทองศรี, 2563)

ภาพ 1 กราฟแสดงผลของปรากฏการณ์ภัยแล้งที่มีต่อค่าดัชนีผลผลิตสินค้าเกษตรในประเทศไทย
(ดัชนี ONI : Oceanic Nino Index ใช้ชี้วัดการเกิดปรากฏการณ์เอลนีโญและลานีญา)
ที่มา: มณฑลี กปิลกาญจน์ และนันทนิตย์ ทองศรี (2563)

จากปัญหาดังกล่าว ได้มีการพัฒนาแนวทางในการทำเกษตรกรรม ที่สามารถรับมือกับปัญหาภัยแล้งหลากหลายวิธี ไม่ว่าจะเป็นการเกษตรแบบระบบน้ำหยด การใช้อุปกรณ์รดน้ำอัตโนมัติเมื่อระดับความชื้นในดินไม่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของพืชเพื่อให้การใช้น้ำเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพในปริมาณที่ใช้น้อยลง การใช้วัสดุคลุมหน้าดินหรือผสมวัสดุที่มีคุณสมบัติเก็บกักความชื้นลงในดินเพื่อเพิ่มความสามารถในการเก็บความชื้นให้แก่ดิน

ด้วยเหตุนี้การนำวัสดุเหลือใช้จากวัสดุธรรมชาติที่มีคุณสมบัติในการเก็บความชื้นได้ดีมาพัฒนาต่อยอดผลิตเป็นกระถางจึงเป็นเรื่องน่าสนใจ และวัสดุเหลือใช้ที่คณะผู้เขียนสนใจคือรังไหม (SB: Cocoon) จากกากคัดทิ้งของร้านเสริมสวยและโรงงานอุตสาหกรรมทอผ้าซึ่งมีปัญหาในการกำจัด และส่งกลิ่นเหม็นก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศในท้องถิ่น จากการศึกษาพบว่ารังไหมมีสารสำคัญคือ โปรตีนเซริซิน (Sericin Protein) ที่มีคุณสมบัติ ดูดน้ำและพองตัว เนื่องจากเซริซินประกอบด้วยกรดอะมีโนคือ เซอรีนและกรดแอสพาร์ติกในปริมาณที่สูงมากถึงร้อยละ 70 จึงรักษาความชุ่มชื้นได้เป็นเวลานานกว่าโปรตีนก้อนกลมอื่นๆ ปัจจุบันมีแนวทางในการเพิ่ม     มูลค่าให้กับรังไหมเหล่านี้โดยนำเซริซินที่สกัดได้ไปใช้เป็นส่วนผสมในเครื่องสำอางนานาชนิด ผลิตภัณฑ์ดูแลผิวและผม เนื่องจากคุณสมบัติของเซริซินที่รักษาความชุ่มชื้นยึดติดกับผิวหนังได้ดี และซึมเข้าไปในผิวหนังได้ (อมรรัตน์ พรหมบุญ, 2558) อย่างไรก็ตาม คณะผู้เขียนได้ให้ความสนใจในการนำรังไหมและน้ำลอกกาวไหมซึ่งมีเซริซินมาพัฒนาเป็นกระถางโดยคาดหวังว่าจะเป็นแนวทางในการพัฒนาวัสดุจากธรรมชาติที่สามารถช่วยให้การใช้น้ำในการเพาะปลูกคุ้มค่าและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เป็นการรับมือและแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืนต่อไปและยังช่วยแก้ไขปัญหาขยะอินทรีย์เหลือทิ้งได้ด้วย

จากที่กล่าวมานี้ คณะผู้เขียนจึงขอนำเสนอตัวอย่างการจัดการเรียนรู้ในชั้นเรียนวิทยาศาสตร์รายวิชาโครงงานวิทยาศาสตร์ของนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 เรื่องกระถางรังไหมรักษ์โลก ซึ่งนักเรียนจะได้รับประสบการณ์การเรียนรู้ที่ต้องเผชิญและแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบโดยใช้การจัดการเรียนรู้ตามแนวทางสะเต็มศึกษา (STEM Education) ที่ส่งเสริมให้นักเรียนเกิดการบูรณาการความรู้และทักษะ 4 สาขาวิชา ได้แก่ วิทยาศาสตร์ (Science) เทคโนโลยี (Technology) วิศวกรรมศาสตร์ (Engineering) และคณิตศาสตร์ (Mathematics) เพื่อแก้ปัญหาผ่านการประยุกต์ใช้ กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมศาสตร์ (Engineering) (NRC, 2012) โดยมีขั้นตอนการจัดการเรียนรู้ ดังต่อไปนี้

ขั้นที่ 1 ระบุปัญหา (Problem Identification)

ครูกำหนดสถานการณ์ "สมชายมีบ้านติดกับโรงงานทอผ้าและร้านสปาหลายร้าน เขามักพบกับปัญหากลิ่นเหม็นจากรังไหมที่คัดทิ้งจากโรงงานทอผ้าและรังไหมที่ใช้แล้วจากสปาเป็นประจำ เขาจึงต้องการแก้ปัญหา โดยได้หาข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับรังไหมและพบว่ารังไหมประกอบด้วย โปรตีนไฟโบรอิน (Fibroin Protein) และโปรตีนเซริซิน (Siricin Protein) โดยเซริซินเป็นโปรตีนก้อนกลม (Globular Protein) ทำหน้าที่เสมือนเป็นกาวเชื่อมเส้นใยไฟโบรอิน 2 เส้นให้ติดกันก่อให้เกิดรังไหม ซึ่งในกระบวนการที่จะนำเส้นไหมมาใช้จำเป็นต้องลอกกาวไหมนี้ออก เซริชิน มีคุณสมบัติดูดน้ำและพองตัวรักษาความชุ่มชื้นได้ดีมาก ประกอบกับสมชายเป็นผู้ที่ชอบปลูกผักคะน้าแต่ไม่ค่อยมีเวลาในการรดน้ำ ทำให้ผักคะน้าที่ปลูกงอกและเจริญเติบโตช้า สมชายจึงคิดจะทำกระถางที่เก็บความชื้นได้ดีและช่วยให้ผักคะน้างอกและเจริญเติบโตได้ดี" จากนั้นครูเปิดโอกาสให้นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับปัญหาและแนวทางในการแก้ปัญหาของสมชาย โดยใช้คำถามดังนี้

• นักเรียนคิดว่าหากนำรังไหมมาใช้เป็นวัสดุในการทำกระถางต้นไม้ทำได้อย่างไร
• นักเรียนคิดว่ากระถางที่ทำจากรังไหมอัตราส่วนต่างกันเก็บความชื้นแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร
• นักเรียนคิดว่ากระถางที่ทำจากรังไหมด้วยอัตราส่วนต่างกัน ส่งผลต่อการงอกและการเจริญเติบโตของต้นไม้ที่ใช้ศึกษาอย่างไร

ขั้นที่ 2 รวบรวมข้อมูลและแนวทางที่เกี่ยวข้องกับปัญหา (Related Information Search)

ครูแบ่งนักเรียนออกเป็นกลุ่มๆ ละ 5 คน และให้นักเรียนสืบค้นข้อมูล โดยครูยกตัวอย่างการสืบค้นข้อมูลจากแหล่งข้อมูลที่มีความน่าเชื่อถือพร้อมทั้งยกตัวอย่างการเขียนอ้างอิงที่ถูกต้อง เช่น หนังสือเรียน ห้องสมุด แหล่งข้อมูลออนไลน์ เมื่อนักเรียนสืบค้นข้อมูลเสร็จ ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนนำเสนอและสื่อสารสิ่งที่ได้สืบค้นความรู้ให้กับสมาชิกภายในกลุ่มตัวอย่างเนื้อหาที่นักเรียนสืบค้นเป็นดังภาพ 2

ภาพ 2 กรอบแนวคิดพื้นฐานการบูรณาการความรู้ตามแนวทางสะเต็มศึกษา

ขั้นที่ 3 ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา (Solution Design)

นักเรียนอภิปรายในชั้นเรียนโดยใช้ความรู้เดิมและความรู้ที่ได้จากการสืบค้นข้อมูลในการออกแบบกระถางรังไหม โดยนักเรียนแต่ละกลุ่มออกแบบกระถางรังไหมของกลุ่มตนเอง เช่น กำหนดลักษณะของกระถาง ปริมาณของรังไหมและใยมะพร้าวที่ใช้ ขั้นตอนการผลิต และวิธีการตรวจสอบกระถางเพื่อกำหนดลักษณะที่ดีของการทำกระถางรังไหมรักษ์โลก ได้แก่ การกักเก็บความชื้นได้ การงอกและการเจริญเติบโตของผักคะน้ามากที่สุด

ขั้นที่ 4 วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา (Planning and Development)

นักเรียนแต่ละกลุ่มลงมือทำกระถางรังไหมรักษ์โลกตามที่ออกแบบไว้ ตัวอย่างการวางแผนและดำเนินการแก้ปัญหาของนักเรียนกลุ่มหนึ่ง มีดังนี้
1. เตรียมวัสดุในการทำกระถาง โดยการตัดรังไหมเป็นชิ้น ตัดใยมะพร้าวเป็นเส้น
2. นำน้ำลอกกาวไหมผสมกับแป้ง เพื่อใช้ประสานเนื้อกระถาง
3. เตรียมเส้นใยมะพร้าวและรังไหมรวม 200 กรัม โดยมีอัตราส่วน โดยมวลในการทำกระถางดังนี้
     - ชุดทดลองที่ 1 ใยมะพร้าว 100% (รังไหม 0%)
     - ชุดทดลองที่ 2 ใยมะพร้าว 75% รังไหม 25%
     - ชุดทดลองที่ 3 ใยมะพร้าว 50% รังไหม 50%
     - ชุดทดลองที่ 4 ใยมะพร้าว 25% รังไหม 75%
     - ชุดทดลองที่ 5 รังไหม 100%
     - ชุดควบคุม กระถางพลาสติก
4. คลุกวัสดุที่เตรียมไว้ให้เข้ากันโดยให้มีการกระจายตัวของวัสดุอย่างสม่ำเสมอ เติมน้ำลอกกาวไหมผสมแป้งที่เตรียมไว้
5. นำเข้าเครื่องอัดเพื่อขึ้นรูปเป็นกระถางจนได้กระถางออกมา ดังภาพ 3

ภาพ 3 กระถางรังไหมรักษ์โลกจากวัสดุรังไหมและใยมะพร้าวในอัตราส่วนต่าง ๆ

6. นำเมล็ดคะน้าไปปลูกลงในกระถางละ 10 เมล็ด ติดตั้งอุปกรณ์ตรวจวัดความชื้นในดินลงในกระถางแต่ละใบ สังเกตและบันทึกผล การงอกและเจริญเติบโตของคะน้าโดยวัดความสูงต้นและขนาดของใบอาทิตย์ละครั้งเป็นระยะเวลา 1 เดือน

ขั้นที่ 5 ทดสอบ ประเมินผล และปรับปรุงแก้ไขวิธีการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน (Testing, Evaluation and Design Improvement)

นักเรียนนำกระถางรังไหมรักษ์โลกที่ได้สร้างขึ้นจากรังไหม และใยมะพร้าวในอัตราส่วนต่างๆ ไปทดสอบตามคุณลักษณะที่ได้กำหนดไว้

จากนั้นทำการรวบรวมผลการทดสอบและนำข้อมูลมาเปรียบเทียบผลการทดสอบแต่ละด้านดังนี้
     - ประสิทธิภาพการกักเก็บความชื้นของกระถาง นักเรียนทดสอบ โดยใช้อุปกรณ์ตรวจสอบความชื้นในดินจากบอร์ด Arduino UNO R3 เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน และโมดูล Micro SD Card โดยการเขียนคำสั่งให้อุปกรณ์ทำงานและบันทึกค่าความชื้นดินทุกๆ 15 นาที เป็นเวลาต่อเนื่อง อย่างน้อย 24 ชั่วโมง พบว่าการเปลี่ยนแปลงความชื้นในดินของกระถาง แต่ละชุดทดลองจะค่อยๆ ลดลง โดยกระถางที่มีแนวโน้มการเปลี่ยนแปลง ความชื้นน้อยที่สุดคือ กระถางรังไหม 100% รองลงมาคือ รังไหม 75% รังไหม 50% ชุดควบคุม รังไหม 25% และรังไหม 0% ตามลำดับ
      - การเจริญเติบโตของต้นคะน้าที่ปลูกในกระถางรังไหมรักษ์โลก ในอัตราส่วนต่างๆ โดยพิจารณาจาก อัตราการงอก ความสูงเฉลี่ย ขนาดใบ และน้ำหนักต่อต้น ได้ผลดังตาราง 1

ตาราง 1 การงอกและการเจริญเติบโตของต้นคะน้าที่ปลูกในกระถางรังไหมรักษ์โลกในอัตราส่วนต่าง ๆ

นักเรียนนำผลการทดลองที่ได้มาอภิปรายกันในกลุ่มเพื่อพิจารณาหาแนวทางการปรับปรุงหรือพัฒนากระถางรังไหมรักษ์โลกให้สามารถกักเก็บความชื้นได้ดีที่สุด และการงอกและการเจริญเติบโตของผักคะน้าได้มากที่สุดโดยครูทำหน้าที่ให้ข้อเสนอแนะจากนั้นแต่ละกลุ่มจึงนำข้อเสนอที่ได้จากการอภิปรายในกลุ่มมาดำเนินการปรับปรุงกระถางรังไหมรักษ์โลกให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นในแต่ละด้าน จากนั้นทำการทดสอบตามคุณลักษณะที่ได้กำหนดไว้อีกครั้ง เมื่อได้ผลการทดสอบที่ได้จากการปรับปรุง จึงนำมาเปรียบเทียบกับผลการทดสอบในครั้งแรกแล้วสรุปเป็นข้อมูลของกลุ่มตัวเอง

ขั้นที่ 6 การนำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน (Presentation) นักเรียนแต่ละกลุ่มนำเสนอชิ้นงานโดยอธิบายแนวทางการพัฒนา และปรับปรุงกระถางรังไหมรักษ์โลกของกลุ่มตนเองโดยใช้     เวลาในการนำเสนอ กลุ่มละ 5 นาที หลังจากนั้น ให้นักเรียนแลกเปลี่ยน ซักถาม และอภิปราย จากนั้นนักเรียนสะท้อนความคิดเกี่ยวกับสิ่งที่ได้เรียนรู้และออกแบบในการพัฒนากระถางรังไหมรักษ์โลกโดยเชื่อมโยงกับความรู้ด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ รวมทั้งการบูรณาการกับวิชาต่างๆ โดยครูอธิบายเพิ่มเติมหากนักเรียนมีความคิดที่คลาดเคลื่อน

บทสรุป จากการทดสอบคุณสมบัติของกระถางรังไหมรักษ์โลก ทั้งการกักเก็บความชื้น อัตราการงอกและการเจริญเติบโตของผักคะน้า พบว่า กระถางรังไหมสามารถนำมาใช้ในการเพาะปลูกผักคะน้าได้เป็นอย่างดี การนำรังไหมและน้ำลอกกาวไหมกลับมาใช้ช่วยลดของเสียที่เกิดขึ้นจาก การนำเส้นไหมมาใช้ประโยชน์ ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม จากตัวอย่าง การจัดการเรียนรู้ตามแบบสะเต็มด้วยกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม ทำให้นักเรียนรู้จักใช้กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมมาจัดการ ในการแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในชุมชนของตนเองอย่างสร้างสรรค์ ส่งเสริมและ สร้างความตระหนักในการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่ามากที่สุด

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 51 ฉบับที่ 240 มกราคม – กุมภาพันธ์ 2566

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/240/16/

บรรณานุกรม

National Research Council. (2012). A framework for K-12 Science Education: practices, cross cutting concepts and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.

ณัชฏา คงศรี. (2560). จาก MDGs เป้าหมายการพัฒนาที่เปลี่ยนไปเพื่อความยั่งยืน. สืบค้นเมื่อ 7 พฤษภาคม 2565, จาก https://www.sdgmove.com/2017/08/13/mdgstosdgs/.

มณฑลี กปิลกาญจน์ และนันทนิตย์ ทองศรี. (2563). ปรับสู้แล้งเปลี่ยนแปลง     ยั่งยืน. สืบค้นเมื่อ 7 พฤษภาคม 2565, จาก https://www.bot.or.th/Thai/ResearchAndPublications
/articles/Pages/Article_27Feb2020.aspx

อมรรัตน์ พรหมบุญ (2558), วัสดุเหลือทิ้งมูลค่าสูงจากรังไหม. สืบคันเมื่อ 7 พฤษภาคม 2565, จาก http://ardbs.bou.ac.thy/Flml/Fie76.PDF.