เวลาหลายปีที่ผ่านมาครูและนักการศึกษาจากหลายสถาบันทั่วประเทศได้นำ “กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม (Engineering Design Process หรือเรียกย่อ ๆ EDP)” ไปใช้ในการจัดกิจกรรมการเรียนรู้ในห้องเรียน ตัวอย่างการจัดกิจกรรมการเรียนรู้ที่มีการสอดแทรก EDP เช่น สะเต็มศึกษา (STEM Education) สตีมศึกษา (STEAM Education) สะเต็มยกกำลังสอง (STEM²) ซึ่งอาจมีการบูรณาการกลุ่มสาระการเรียนรู้ทั้ง 8 กลุ่ม นอกจากนี้ EDP ยังเป็นหัวข้อหนึ่งของรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วิชาเทคโนโลยี (การออกแบบ และเทคโนโลยี) ระดับมัธยมศึกษาตามมาตรฐานและตัวชี้วัดกลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ.2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551 อีกด้วย

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) ให้ความหมายของ EDP ว่า "เป็นกระบวนการแก้ปัญหาหรือ พัฒนางานเพื่อช่วยสร้างแนวทางที่เหมาะสมในการแก้ปัญหาหรือ สนองความต้องการอย่างเป็นขั้นตอน ซึ่งประกอบไปด้วย การระบุปัญหา การรวบรวมข้อมูล การออกแบบวิธีการแก้ปัญหา การดำเนินการแก้ปัญหา การทดสอบ ประเมินผลและปรับปรุงแก้ไข และการนำเสนอผลการแก้ปัญหา หรือชิ้นงาน โดยในการแก้ปัญหาตาม EDP นั้น อาจย้อนกลับไปทำขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งได้ หรืออาจมีการทำงานซ้ำในบางขั้นตอนหากต้องการพัฒนาหรือปรับปรุงให้ดีขึ้น" ดังภาพ 1

ภาพ 1 กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

ภาพจาก : https://www.ntc.edu/academics-training/programs/all/associate-degree/mechanical-design-engineering-technology/courses

ผลการแก้ปัญหา ท่ามกลางความท้าทายดังกล่าวจึงได้มีการพัฒนากิจกรรม "ร้อนก็เป็นเย็นก็ได้" มาเป็นตัวอย่างกิจกรรมที่ใช้ EDP เป็นส่วนหนึ่ง ในการจัดการเรียนรู้สำหรับผู้เรียน โดยวัตถุประสงค์ของกิจกรรมได้แก่ อธิบายการแก้ปัญหา และสร้างชิ้นงานโดยใช้ EDP ในการแก้ปัญหาตามสถานการณ์ที่กำหนดได้อย่างสร้างสรรค์ นอกจากนี้ ยังเป็นการฝึกสมรรถนะที่สำคัญของผู้เรียน เช่น ความสามารถในการคิด ความสามารถในการสื่อสาร ความสามารถในการแก้ปัญหา ความสามารถในการใช้ทักษะชีวิต ความสามารถในการใช้เทคโนโลยีผ่านการทำกิจกรรม

สถานการณ์ปัญหาของกิจกรรมร้อนก็เป็นเย็นก็ได้

          “ท่านและเพื่อนในกลุ่มเป็นอาสาสมัครจากหน่วยงาน สหประชาชาติที่กำลังเดินทางโดยรถยนต์ เพื่อนำวัคซีนไปใช้ป้องกันโรค ซึ่งกำลังระบาดในหมู่บ้านแห่งหนึ่งที่อยู่ห่างไกลในป่า วัคซีนชนิดนี้ต้องเก็บรักษาในช่วงอุณหภูมิ 0 - 8 องศาเซลเซียส ในขณะเดินทางพบเส้นทางที่รถยนต์ไม่สามารถเข้าไปได้ จำเป็นต้องเดินเท้าต่อไปเป็นระยะเวลาประมาณ 30 นาที เพื่อทำภารกิจให้สำเร็จ และระหว่างทางมีสิ่งกีดขวางที่มีความสูงประมาณ 30 เซนติเมตร จำนวน 20 จุด ทั้งนี้ ยังสามารถหาวัสดุ และอุปกรณ์บางอย่างภายในรถได้แต่มีจำนวนจำกัด ท่านจะมีวิธีการอย่างไร ในการนำวัคซีนไปให้ถึงหมู่บ้านโดยไม่ต้องใช้มือจับขวดวัคซีนหรือภาชนะบรรจุ และวัคซีนต้องอยู่ในสภาพเดิมหรือใกล้เคียงสภาพเดิมมากที่สุด”

วัสดุอุปกรณ์ที่ใช้ในการทำกิจกรรม

• ขวดแก้วขนาด 10 มิลลิลิตร พร้อมฝา
• น้ำอัดลมสีแดง (สมมุติเป็นวัคซีน)
• กระดาษขาว
• กระดาษแข็ง
• กระดาษลูกฟูก
• แผ่นฟอยล์
• พลาสติกใส
• เกลือ
• น้ำแข็ง
• เครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับตัด ต่อ และยึด

วัสดุอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ

• โคมไฟและหลอดไส้ 100 วัตต์
• เทอร์มอมิเตอร์สเกล -10 ถึง 100 องศาเซลเซียส

ขั้นตอนการปฏิบัติกิจกรรม

          ก่อนเริ่มปฏิบัติกิจกรรมร้อนก็เป็นเย็นก็ได้ ผู้สอนบรรจุน้ำอัดลมสีแดงในขวดแก้วเพื่อสมมุติเป็นวัคซีน และเก็บไว้ที่อุณภูมิ 0-8 องศาเซลเซียส กิจกรรมนี้อาจแบ่งเป็นขั้นตอนหลักๆ ได้ 3 ขั้น ได้แก่ ขั้นนำ ขั้นสอน และขั้นสรุป แต่ผู้สอนสามารถรวบหรือขยายขั้นตอนต่างๆ ได้ตามบริบท และความเหมาะสม ดังต่อไปนี้

ขั้นนำ

1. แบ่งกลุ่มผู้เรียนกลุ่มละ 4 - 5 คน จากนั้นผู้สอนยกตัวอย่าง สถานการณ์ปัญหาที่พบในชีวิตประจำวัน เช่น ถ้าผู้เรียนต้องการขนส่งเครื่องดื่มเย็นๆ จากโรงเรียนถึงสนามฟุตบอลระยะทาง 10 กิโลเมตร เพื่อไปให้นักกีฬาจำนวน 25 คน ให้ทันในระหว่างการแข่งขัน ผู้เรียนจะเสนอแนวทางการแก้ปัญหาดังกล่าวอย่างไร และอภิปรายวิธีการแก้ปัญหา เหล่านั้นร่วมกัน

2. ผู้เรียนศึกษาและสืบค้นเกี่ยวกับกระบวนการแก้ปัญหาต่างๆ ที่เคยใช้ในชีวิตประจำวันว่าแก้ปัญหาได้อย่างไรบ้าง จากนั้นศึกษาและสืบค้นเกี่ยวกับกระบวนการแก้ปัญหาแบบ EDP โดยผู้เรียนอภิปรายร่วมกัน ถึงแนวทางการแก้ปัญหาในข้อ 1 โดยใช้ EDP

ขั้นสอน

3. ผู้เรียนศึกษาและวิเคราะห์สถานการณ์ปัญหาของกิจกรรม ร้อนก็เป็นเย็นก็ได้ จากนั้นผู้สอนอธิบายเกณฑ์การทดสอบ และเกณฑ์การประเมินผลการแก้ปัญหา (หรือชิ้นงาน) ได้แก่

• ชิ้นงานที่สร้างขึ้นมาต้องสามารถพกพาไปกับตัวได้โดยไม่ใช้มือหรือแขนถือหรือประคองชิ้นงาน
• ผู้พกพาชิ้นงานต้องกระโดดข้ามสิ่งกีดขวางที่มีความสูงประมาณ 30 เซนติเมตร จำนวน 20 ครั้ง โดยชิ้นงานไม่เสียหาย เช่น ฉีกขาด รั่ว
• ชิ้นงานที่สร้างขึ้นมาต้องสามารถควบคุมอุณหภูมิของวัคซีนในขวดให้อยู่ในช่วง 0 - 8 องศาเซลเซียส โดยวางภายใต้โคมไฟ 100 วัตต์ นาน 30 นาที

4. ผู้เรียนรวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาของกิจกรรม โดยศึกษาและสืบค้นข้อมูลต่างๆ ที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติม เช่น ประเภทและสมบัติของวัสดุที่กำหนดให้การออกแบบบรรจุภัณฑ์ (ชิ้นงาน) ให้รองรับแรงกระแทกและสามารถพกพาได้

5. ผู้เรียนออกแบบวิธีการแก้ปัญหาร่วมกันภายในกลุ่มโดย ร่างภาพวิธีการแก้ปัญหาลงบนกระดาษปรู๊พ

ภาพ 2 ตัวอย่างภาพร่างวิธีการแก้ปัญหาจากสถานการณ์ปัญหาที่กำหนด

6. ผู้เรียนนำเสนอต่อผู้สอนเกี่ยวกับภาพร่างวิธีการแก้ปัญหาที่แต่ละกลุ่มออกแบบร่วมกันเพื่อรับวัสดุอุปกรณ์ จากนั้นวางแผนการทำงานและการสร้างชิ้นงานเพื่อแก้ปัญหา โดยต้องสร้างตามภาพร่างที่นำเสนอ

ภาพ 3 ตัวอย่างการนำเสนอภาพร่างวิธีการแก้ปัญหาจากสถานการณ์ปัญหาที่กำหนด

7. เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ผู้เรียนและผู้สอนทดสอบชิ้นงานร่วมกัน จากนั้นผู้เรียนบันทึกผลการทดสอบ

ภาพ 4 ตัวอย่างการทดสอบชิ้นงานเพื่อแก้ปัญหาจากสถานการณ์

8. ผู้เรียนนำเสนอผลการแก้ปัญหา ดังตัวอย่างประเด็นต่างๆ ต่อไปนี้

• ประเด็นในการสืบค้นข้อมูลเพื่อแก้ปัญหา
• แนวคิดในการออกแบบและสร้างชิ้นงาน
• ผลการแก้ปัญหา
• ปัญหาและอุปสรรค

9. ผู้เรียนแต่ละคนให้คะแนนกลุ่มที่คิดว่าแก้ปัญหาได้อย่าง เหมาะสมที่สุด

ขั้นสรุป

10. ผู้เรียนและผู้สอนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับวิธีการแก้ปัญหาของ แต่ละกลุ่ม และอภิปรายปัญหาอุปสรรคที่เกิดขึ้น รวมทั้งแนวทางการปรับปรุงแก้ไข

ในระหว่างการทำกิจกรรม ผู้สอนสามารถใช้ตัวอย่างคำถามต่อไปนี้เพื่อกระตุ้นการเรียนรู้ของผู้เรียน

• สถานการณ์ปัญหานี้มีเงื่อนไขหรือข้อจำกัดอะไรบ้าง
• ใช้วัสดุอุปกรณ์ใดบ้างในการสร้างชิ้นงาน เพราะเหตุใด
• ใช้วัสดุทดแทนหรือวัสดุในท้องถิ่นในการสร้างชิ้นงานได้ อย่างไรบ้าง
• ชิ้นงานที่สร้างกับภาพร่างที่ออกแบบไว้เหมือนหรือแตกต่างกัน อย่างไร
• พกพาชิ้นงานติดตัวได้อย่างไรโดยไม่ใช้มือจับ
• การใช้เกลือและน้ำแข็งมีผลต่ออุณหภูมิของวัคซีนในขวด อย่างไร
• เพราะเหตุใดขวดวัคซีนจึงแตกได้
• แสงไฟจากโคมไฟมีผลต่ออุณหภูมิของวัคซีนในขวดอย่างไร
• EDP ช่วยในการแก้ปัญหาได้อย่างไร

การวัดและประเมินผล

          การวัดและประเมินผลกิจกรรมร้อนก็เป็นเย็นก็ได้ ใช้ทั้งแบบการประเมินการเรียนรู้ระหว่างเรียน (Formative Assessment) โดยใช้ คำถามกระตุ้นการเรียนรู้ การสังเกตพฤติกรรม และการประเมินการเรียนรู้ สรุปรวม (Summative Assessment) โดยประเมินจากเกณฑ์คุณภาพ (Rubrics) รายการตรวจสอบ(Checklist) นอกจากนี้ ผู้เรียนสามารถนำเสนอ แนวทางการประเมินแบบอื่นๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการแก้ปัญหาได้

ข้อเสนอแนะ

          หากมีเวลาเหลือ ผู้สอนอาจเพิ่มความท้าทายของกิจกรรมนี้ได้ โดยวิธีการดังต่อไปนี้

• เปลี่ยน เพิ่ม หรือลดวัสดุอุปกรณ์ที่ใช้สร้างชิ้นงานเพื่อการศึกษาและเปรียบเทียบสมบัติวัสดุที่แตกต่างกัน
• เพิ่มการกำหนดราคาวัสดุอุปกรณ์แต่ละชนิดเพื่อศึกษาและ เปรียบเทียบเรื่องต้นทุนในการสร้างชิ้นงาน
• เพิ่มขั้นตอนการปรับปรุงแก้ไขชิ้นงาน โดยนำเสนอภาพร่าง สิ่งที่ต้องการปรับปรุงแก้ไข รวมทั้งเพิ่มขั้นตอนการทดสอบชิ้นงานอีกครั้ง
• เปลี่ยนสถานการณ์ปัญหาเพื่อให้สามารถเก็บรักษาวัคซีน หรือสารอื่นๆ ได้ทั้งที่อุณหภูมิสูง และ/หรือที่อุณหภูมิต่ำ

          กิจกรรมร้อนก็เป็นเย็นก็ได้ เน้นสถานการณ์ปัญหาที่ใกล้ตัว เชื่อมโยงกับบริบทในชีวิตจริง โดยผู้เรียนได้ความรู้เกี่ยวกับประเภทและ สมบัติของวัสดุ การถ่ายโอนความร้อน การเปลี่ยนแปลงสถานะและ อุณหภูมิของสาร การแก้ปัญหาและการสร้างชิ้นงานตามสถานการณ์ที่กำหนดได้อย่างสร้างสรรค์โดยใช้กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม นอกจากนี้ ยังได้ฝึกสมรรถนะที่สำคัญของผู้เรียน เช่น ความสามารถในการคิด ความสามารถในการสื่อสาร ความสามารถในการแก้ปัญหา ความสามารถในการใช้ทักษะชีวิต ความสามารถในการใช้เทคโนโลยี

          ผู้เขียนขอขอบคุณทีมวิทยากรทุกท่านในการประชุมปฏิบัติการ การพัฒนาวิทยากรแกนนำวิชาการออกแบบและเทคโนโลยี และโครงการพัฒนาครูเครือข่ายวิชาการครู สควค. ที่ได้มีส่วนร่วมในการพัฒนากิจกรรมนี้ และขอขอบคุณครูผู้เข้ารับการอบรมทุกท่าน

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 51 ฉบับที่ 240 มกราคม – กุมภาพันธ์ 2566

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/240/46/

บรรณานุกรม

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์เทคโนโลยี (การออกแบบและเทคโนโลยี) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1. สืบค้นเมื่อ 13 กุมภาพันธ์ 2566, จาก http://www.scimath.org/ebook-technology/item/8284-1-8284.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์เทคโนโลยี (การออกแบบและเทคโนโลยี) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4. สืบค้นเมื่อ 13 กุมภาพันธ์ 2566, จาก http://www.scimath.org/ebook-technology/item/8285-4.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). เอกสารประกอบการประชุมปฏิบัติการการพัฒนาวิทยากรแกนนำวิชาการออกแบบและเทคโนโลยี และโครงการพัฒนาครู เครือข่ายวิชาการครู โครงการส่งเสริมการผลิตครูที่มีความสามารถพิเศษทางวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ (สควค.). กรุงเทพมหานคร.