กระบวนการเรียนรู้แบบ STEM (Science Technology Engineering Mathematics) เป็นการผนวกความรู้ศาสตร์ทางวิทยาศาสตร์(S) คณิตศาสตร์(M) และเทคโนโลยี (T) เพื่อเป็นพื้นฐานความรู้นำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการแก้ปัญหา (E) เพื่อพัฒนาหรือปรับปรุงการทำโครงงานในโรงเรียนหรือปัญหาจริงที่เกิดกับตัวผู้เรียนหรือท้องถิ่นของผู้เรียนเอง การนำความรู้มาใช้แก้ปัญหาจึงมีความหมายต่อผู้เรียนโดยตรง ทำให้เกิดการเชื่อมโยงความรู้ที่ได้รับในห้องเรียนกับการนำมาประยุกต์ใช้ในการแก้ปัญหาต่าง ๆ ทั้งในห้องเรียนและในชีวิตจริง

เป้าหมายทักษะศตวรรษที่ 21 (21^st Century Skills)

            นอกจากความรู้แกนกลางที่ได้เรียนในห้องเรียนแล้วนักเรียนควรมีความรู้หรือทักษะอื่น ๆ เพิ่มเติมเพื่อใช้ประกอบ=อาชีพหรือใช้ในชีวิตประจำวัน โดยเฉพาะอาชีพที่เกิดใหม่ที่ต้องอาศัยทักษะ และเทคโนโลยีที่เกิดใหม่มากมายในศตวรรษที่ 21

            ทักษะสำหรับศตวรรษที่ 21 เป็นทักษะที่ต้องได้รับการฝึกฝนเพื่อใช้ในชีวิตประจำวัน และรองรับการแข่งขันในอาชีพที่สูงขึ้นที่เปิดกว้างมากขึ้นไม่เฉพาะภายในประเทศเท่านั้น ซึ่งการเรียนรู้แบบ STEM ในโรงเรียนเป็นแนวทางหนึ่งที่สามารถตอบสนองต่อการพัฒนาทักษะเหล่านี้ได้ผ่านการทำโครงงานต่าง ๆ โดยใช้ ICT เป็นเครื่องมือของการทำโครงงานในยุคศตวรรษนี้

ICT: เครื่องมือการเรียนรู้และการทำโครงงาน

            ICT ในด้านหนึ่งก็เป็นศาสตร์ทางเทคโนโลยีที่ต้องใช้เวลาศึกษาเรียนรู้ อีกด้านหนึ่งก็เป็นเครื่องมือสำหรับนำไปใช้ในการแก้ปัญหาในการทำงานในชีวิตประจำวันหรือนำมาใช้พัฒนาโครงงานวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน เมื่อนำ ICT มาประยุกต์ใช้จะทำให้มุมมองในการแก้ปัญหาเปิดกว้างมากขึ้นเมื่อเลือกใช้เครื่องมือเหล่านี้ได้อย่างเหมาะสมการใช้ (CT เป็นเครื่องมือในการทำโครงงานพอแบ่งได้เป็น 3 ส่วน คือ 1.อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ 2.ซอฟต์แวร์ 3.การเขียนโปรแกรม การใช้เครื่องมือเหล่านี้ ทำได้หลายรูปแบบ เช่น

• เครื่องมือบางส่วนสามารถนำมาใช้งานได้ทันที เช่น การใช้ชอฟต์แวร์สำเร็จรูปสำหรับทำงานเอกสารร่วมกัน หรือสำหรับใช้สื่อสารกันภายในทีม
• เครื่องมือบางส่วนต้องทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มศักยภาพในการใช้งาน เช่น อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ที่มาพร้อมกับชอฟต์แวร์ในตัว หรือ อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ที่ต้องอาศัยการเขียนโปรแกรมเข้าไปเพื่อควบคุมการทำงาน หรือชอฟต์แวร์สำเร็จรูปบางตัวสามารถเขียนโปรแกรมเพิ่มเติมเข้าไปได้

            ควบคุมการทำงานเพื่อเก็บข้อมูลจากอุปกรณ์ตรวจวัดหรือทำการทดลองบางอย่างแบบอัตโนมัติซึ่งจะทำให้โครงงานมีการจัดการข้อมูลได้แม่นยำขึ้น ได้ข้อมูลเพิ่มขึ้นและหลากหลายขึ้นโดยเฉพาะในสถานการณ์ที่การเก็บข้อมูลมีความเสี่ยงต่อคน หรือเข้าถึงแหล่งข้อมูลได้ยาก หรือต้องเก็บข้อมูลซ้ำบ่อย ๆ และใช้เวลานานมาก

            สมาร์ตโฟน และ แท็บเล็ตก็สามารถเขียนโปรแกรมเข้าไปควบคุมได้ แต่ข้อจำกัดอย่างหนึ่งของอุปกรณ์เหล่านี้คือการขยายอุปกรณ์ตรวจวัดหรือระบบอื่น ๆ เพิ่มเติมที่มีค่อนข้างจำกัดเมื่อเทียบกับบอร์ดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่เริ่มตันด้วยบอร์ดควบคุมหลัก หลังจากนั้นสามารถขยายอุปกรณ์ได้หลากหลายตามความต้องการ เช่น อุปกรณ์ตรวจวัดค่าต่าง ๆ (ความเร็ว ความดัน ความชื้น อุณหภูมิ ปริมาณแก๊สต่าง ๆ เช่น ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์) หรือเพิ่มบอร์ดต่อขยายบอร์ดควบคุมหลัก เช่น บอร์ดสำหรับเชื่อมต่อสัญญาณ GSM Wi-Fi เพื่อเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต หรือเชื่อมต่อสัญญาณ Bluetooth เพื่อเชื่อมต่อสมาร์ตโฟนหรือแท็บเล็ต การเลือกใช้บอร์ดต่อขยายหรืออุปกรณ์ตรวจวัดขึ้นอยู่กับความต้องการในการทำโครงงานทำให้ใช้งบประมาณได้อย่างคุ้มค่า

ซอฟต์แวร์ (Software)

            อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์สามารถรับหรือส่งผ่านข้อมูลได้ไม่ว่าจะเป็นข้อมูลรูปภาพที่ได้จากกล้อง ค่าตำแหน่งพิกัดของเครื่องจากระบบ GPS หรือค่าต่าง ๆ ที่ได้รับจากอุปกรณ์ตรวจวัด เป็นตัน ข้อมูลเหล่านี้จะมีประโยชน์มากยิ่งขึ้นเมื่อนำไปประมวลผลหรือเปลี่ยนรูปแบบซึ่งทำได้ด้วยชอฟต์แวร์ต่าง ๆ ที่มาพร้อมกับฮาร์ดแวร์

            ซอฟต์แวร์บางประเภทช่วยการทำโครงงานให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในด้านการทำงานร่วมกัน ด้านการสื่อสารภายในทีมหรือด้านนำเสนอให้สาธารณะรับรู้ ปัจจุบันซอฟต์แวร์ประเภทนี้มักให้บริการในระบบคลาวด์ (Cloud Services) ที่สามารถทำงานร่วมกับผู้อื่นได้ผ่านระบบอินเทอร์เน็ต ตัวอย่างเช่นซอฟต์แวร์ของค่าย Google ไม่ว่าจะเป็น Google Drive สำหรับเก็บไฟล์ข้อมูลในอินเทอร์เน็ตคลาวด์ สร้างเอกสารด้วย Google Docs ทำเว็บไซต์ด้วย Google Sites ใช้อีเมล์ด้วย Gmail และอื่น ๆ อีกมากมาย นอกจาก Google ก็ยังมีอีกหลายค่าย เช่น Microsoft, Yahoo, Amazon, Dropbox, Evernote

            ชอฟต์แวร์สำหรับใช้ในการสื่อสารระหว่างกันบนอินเทอร์เน็ตรวมถึงโซเชียลมีเดีย (social media) ต่าง ๆ ก็เป็นกลุ่มของชอฟต์แวร์ที่อยู่ในระบบคลาวด์เช่นกันเช่น Facebook, Twitter, Skype หรือโปรแกรม Chat, SMS, Video Conference อีกมากมายซอฟต์แวร์สำหรับเขียนบทความอย่าง Blog เช่น WordPress, Joomla ก็ยังเป็นที่นิยมอยู่ และมีชอฟต์แวร์บางตัวผนวกเข้ากับการศึกษาด้วยเช่น Edmodo, Schoology

            ชอฟต์แวร์ในระบบคลาวด์มีความโดดเด่นอยู่ที่สามารถเข้าถึงได้ในหลายอุปกรณ์ เช่น PC Notebook สมาร์ตโฟนแท็บเล็ตและสามารถชื่อมต่อข้อมูลถึงกันในทุกอุปกรณ์ได้ทุกที่ทุกเวลาเมื่อสามารถเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตได้ ที่สำคัญชอฟต์แวร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ฟรีอย่างเช่น ต้องการใช้ซอฟต์แวร์ของ Google ก็เพียงสมัครสมาชิก (signup) ด้วยการสร้างบัญชีรายชื่อ Google Account ขึ้นมาก็สามารถใช้ซอฟด์แวร์เหล่านี้ได้ทันที

การเขียนโปรแกรม (Programming)

            การใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์หรือชอฟต์แวร์สำเร็จรูปอาจแก้ปัญหาได้ไม่ตรงตามความต้องการในการทำโครงงาน การเขียนโปรแกรมเพิ่มเติมจะช่วยทำให้โครงงานสมบูรณ์ได้ตามแนวทางที่ต้องการและได้ออกแบบไว้

            ในปัจจุบันมีโปรแกรมภาษามากมายที่น่าศึกษาเรียนรู้และนำมาใช้ในการทำโครงงาน ภาษาที่ดีที่สุด คือภาษาที่เหมาะกับผู้เรียนในแต่ระดับ อย่างเช่นภาษา Scratch หรือ Kodu สามารถนำมาใช้กับเด็กเล็กระดับประถมปลายหรือมัธยมต้นได้โดยโครงงานอาจยังไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์ แต่เน้นโครงงานที่สะท้อนความเข้าใจจากสิ่งที่เรียนมาในห้องเรียนในรูปแบบที่สนุกสนานด้วยการทำแอนนิเมชันหรือการสร้างเกมก็ได้

            เมื่อเด็กโตขึ้นในระดับมัธยมต้นหรือมัธยมปลาย เด็ก ๆ สามารถใช้ความคิดที่ชับซ้อนได้ อาจใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ร่วมกับตัวตรวจวัดในโครงงาน การเขียนโปรแกรมก็จะยากขึ้นอีกเช่น เขียนโปรแกรมด้วยภาษา App Inventor เพื่อควบคุมสมาร์ตโฟนหรือเขียนโปรแกรมด้วยภาษา Processing เพื่อควบคุมบอร์ด Arduino ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ตรวจวัดและาโครงงานใดที่ต้องการเว็บไชต์หรือโปรแกรมบนอินเทอร์เน็ตก็ต้องเขียนโปรแกรมหลายภาษาร่วมกัน เช่น HTML5 CSS3 JavaScript

            ในการทำโครงงาน การออกแบบและเขียนโปรแกรมเปรียบเสมือนการวางแผน เพื่อทำแผนผังเชื่อมโยงจากปัญหาสู่แนวคิดในการแก้ปัญหาของโครงงานนั้น เข้ากับอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือ ชอฟต์แวร์ที่จะใช้รวมทั้งการเชื่อมต่อหรือส่งผ่านข้อมูลในแต่ละส่วนของโครงงานด้วย การเขียนโปรแกรมจึงเป็นอีกวิธีหนึ่งในการฝึกพัฒนาความคิดชั้นสูงเพื่อใช้สำหรับการแก้ปัญหาโดยผู้เรียนต้องฝึกคิดวิเคราะห์ คิดวิจารณญาณ คิดเชื่อมโยงคิดสร้างสรรค์ตามตรรกะของปัญหาและแนวทางการแก้ปัญหา

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ ICT ในการทำโครงงาน

            โปรเจก Smart Citizen เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ใช้ ICT กับโปรเจกที่เกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมทั่วโลกซึ่งอาจจะดูชับซ้อนเกินไปกว่าจะนำมาทำโครงงานในโรงเรียน  แต่น่าจะเหมาะเป็นกรณีศึกษาสำหรับการเรียนรู้แบบ STEM ที่ประยุกต์ใช้ ICT ในการทำโครงงานเพื่อพัฒนาทักษะศตวรรษที่ 21 ได้

            รูปที่ 1 แสดงองค์ประกอบของโปรเจกนี้ซึ่งเป็นการสร้างระบบติดตามตรวจวัดค่าต่าง ๆ ที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมผ่านอุปกรณ์ตรวจวัดที่ถูกวางไว้อยู่ทั่วโลกโดยผู้เข้าร่วมโครงการเป็นผู้นำอุปกรณ์ตรวจวัดไปวางในสถานที่ต่าง ๆ แม้แต่ในบริเวณบ้านของผู้เข้าร่วมโครงการก็ได้ เพื่อบันทึกค่าต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ ความตังของเสียง ความชื้น ความเข้มของแสงสว่าง ปริมาณแก๊สต่าง ๆ อาทิ CO หรือ NO₂

รูปที่ 1 องค์ประกอบหลักของโปรเจก Smart Citizen (อุปกรณ์ตรวจวัด เว็บไซต์ โปรแกรมบนสมาร์ตโฟน)

            อุปกรณ์ในโปรเจกนี้ทำจากบอร์ด Arduino เชื่อมต่อกับบอร์ดต่อขยายที่มีอุปกรณ์ตรวจวัดค่าต่าง ๆ และบอร์ดต่อขยายเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตซึ่งใช้ส่งค่าต่าง ๆ ที่ตรวจวัดได้ไปยังระบบกลางผ่านอินเทอร์เน็ตเพื่อทำการประมวลผลและแสดงผลกราฟิก (data visualization) ดังตัวอย่างในรูปที่ 2 ผ่านเว็บไซต์ของโปรเจกหรือผ่านโปรแกรมบนสมาร์ตโฟน (Mobile Apps) ก็ได้

รูปที่ 2 ตัวอย่างหน้าแสดงผลกราฟิกของค่าสิ่งแวดล้อมที่วัดได้ในบริเวณเมืองบาเซโลนา

การประยุกต์ใช้โปรเจก Smart Citizen ในการทำโครงงาน

            เมื่อได้ศึกษาโปรเจก Smart Citizen แล้วครูสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการเรียนรู้แบบ STEM โดยใช้ ICT เป็นเครื่องมือเพื่อทำโครงงานลักษณะนี้ในโรงเรียนได้ โดยผู้เรียนจะได้ฝึกการค้นคว้า คิดเชื่อมโยงความรู้และประสบการณ์ที่ได้เรียนมาในห้องเรียนจากความรู้แกนกลางทางด้นวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและคณิตศาสตร์ โดยเฉพาะด้านภูมิศาสตร์ ฟิสิกส์และเคมี รวมถึงความรู้ที่ควรศึกษาในศตวรรษที่ 21 เช่น ความตระหนักและมีส่วนร่วมในสังคมโลก (global awareness) และความรู้ความเข้าใจถึงสภาวะแวดล้อมของโลกในปัจจุบัน (environmental literacy)

            ผู้เรียนจะได้ฝึกพัฒนาทักษะต่าง ๆ ตั้งแต่การใช้ความคิดสร้างสรรค์ (creativity) การคิดอย่างมีวิจารณญาณ (critical thinking) ในการวิเคราะห์ปัญหาและหาแนวทางการออกแบบโครงงานในเรื่องสิ่งแวดล้อมซึ่งสามารถใช้ในบริบทที่เล็กลงเหมาะกับการทำโครงงานในโรงเรียนได้

            การทำโครงงานเป็นทีมจะช่วยให้ผู้เรียนฝึกทักษะการทำงานร่วมกัน (collaboration) และการสื่อสารกันภายในทีม (communication) ได้ด้วย ทั้งนี้ผู้เรียนสามารถเลือกใช้ซอฟต์แวร์มากมายในระบบคลาวด์มาเป็นเครื่องมือในทำงานร่วมกันเป็นทีมได้ ส่วนการสื่อสารสู่สาธารณะ สามารถทำได้หลายรูปแบบทั้งเว็บไชต์โครงงานหรือทำโปรแกรมบนสมาร์ตโฟนหรือแท็บเล็ต การนำเสนอข้อมูลแบบกราฟิกบนเว็บไซต์หรือโปรแกรม ยังมีส่วนสำคัญในการดึงดูดความสนใจจากผู้คนทั่วไป สามารถสร้างความเข้าใจให้ผู้รับสารได้ง่ายขึ้นและได้รับประโยชน์จากข้อมูลมากขึ้นด้วย

            การใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ในการทำโครงงานช่วยเพิ่มมิติการใช้เทคโนโลยีและทักษะกระบวนการคิดที่ขับซ้อนขึ้น การใช้บอร์ด Arduino และอุปกรณ์ตรวจวัดมาจัดการกับข้อมูลสามารถปรับเปลี่ยนขอบเขตของการทำโครงงาน มาเป็นในโรงเรียนหรือในท้องถิ่นของผู้เรียนได้ การเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ไปยังสถานที่ต่าง ๆ ได้ง่าย ทำให้ไม่ต้องใช้อุปกรณ์จำนวนมากก็ได้ การรวบรวมข้อมูลจากอุปกรณ์ตรวจวัดแล้วส่งผ่านอินเทอร์เน็ตสู่ระขบฐานข้อมูลในคอมพิวเตอร์โดยตรงทำให้การเก็บข้อมูลทำได้ง่ยสะดวกขึ้น และขจัดปัญหาความคลาดเคลื่อนของการเก็บข้อมูลโดยตรงจากคน

            การเลือกใช้สื่อ ชอฟต์แวร์ หรือโปรแกรมภาษาอย่างเหมาะสม ผู้เรียนต้องศึกษาค้นคว้าและทำความเข้าใจในเทคโนโลยีเหล่านี้ให้ดีก่อน (information, media, ICT literacy) เพื่อการเชื่อมโยงอย่างมีความหมายและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลในการทำโครงงานได้จริง ทักษะต่าง ๆ ระหว่างทำโครงงาน ซึ่งทักษะเหล่านี้ล้วนจำเป็นต่อการดำเนินชีวิตประจำวันและการแข่งขันในการงานอาชีพแห่งยุคศตวรรษที่ 21 นี้

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

App Inventor. App Inventor. Retrieved December 25, 2013, from http://appinventor.mit.edu/explore/

Arduino. Arduino. Retrieved December 25, 2013, from http://arduino.cc

Computer Department. The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology. (2010, January 13).

IPST MicroBox. Retrieved December 25, 2013, from http://oho.ipst.ac.th/ipst-microbox/29-About-IPST-MicroBox

Kodu Game Lab. Kodu Game Lab. Retrieved December 25, 2013, from: http://www.kodugamelab.com

Murthy, S. (2013, December 18). The 25 Hottest Skills

That Got People Hired in 2013. Retrieved December 25,2013, from http://blog.linkedin.com/2013/12/18/the-25-hottest-skills-that-got-people-hired-in-2013/

Processing. Processing. Retrieved December 25, 2013, from http://processing.org

Scratch. Scratch. Retrieved December 25, 2013, from http://scratch.mit.edu/

Smart Citizen. Smart Citizen. Retrieved December 25, 2013, from http://smartcitizen.me

Teaching Ideas, Lessons and Curriculum Materials. Retrieved December 25, 2013, from http://www.unescobkk.ore/education/ict/online-resources/portal-for-teachers/v-ideas-lessons-and-curriculum/21st-century-skills/

Willingham, A. J. (2009). 21st Century Skills: The Challenges Ahead. Retrieved December 25, 2013, from http://www.ascd.ore/publications/educational-leadership/sept09/vol67/num01/21st-Century-Skills@-The-Challnees-Ahead.aspx