สะเต็มศึกษาและการออกแบบเชิงวิศวกรรม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ผศ.ดร. พลกฤต กฤชไมตรี

หัวข้อบรรยาย สะเต็มศึกษา กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม แนวทางการพัฒนากิจกรรมสะเต็มที่เน้นกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

สะเต็มศึกษา สะเต็มศึกษา คือ แนวทางการจัดการศึกษาที่บูรณาการความรู้ใน 4 วิชาได้แก่ วิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ โดยเน้นการนำความรู้ไปใช้แก้ปัญหาในชีวิตจริง รวมทั้งการพัฒนากระบวนการหรือผลผลิตใหม่ ที่เป็นประโยชน์ต่อการดำเนินชีวิต และการทำงาน คำสำคัญ กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม การบูรณาการ เชื่อมโยงระหว่าง 4 วิชา กับชีวิตจริงและการทำงาน

ทำไมต้องสะเต็มศึกษา ประเทศไทยขาดกำลังคนด้านสะเต็ม (STEM workforce) ที่สอดคล้องกับการพัฒนาเศรษฐกิจและสังคม นักเรียนเห็นวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ เป็นเรื่องไกลตัว ขาดแรงบันดาลใจในการเรียนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์

สะเต็มศึกษา เป้าประสงค์ของการพัฒนาสะเต็มศึกษา เป้าหมายหลักของสะเต็มศึกษา คือการผลิตและพัฒนากำลังคน ที่มีทักษะด้านสะเต็ม การสร้างเยาวชนรุ่นใหม่ที่จะเป็นกำลังคนแห่งอนาคต (Workforce of the future) ที่มีความคิดสร้างสรรค์มีทักษะด้านสะเต็ม

โลกในศตวรรษที่ 21 ยุคแห่งความเป็นโลกาภิวัตน์ (Globalization) สังคมข้อมูลข่าวสาร (Information Society ) การขยายตัวทางเทคโนโลยีอุตสาหกรรมบริการ การแข่งขันในด้านเศรษฐกิจ ความต้องการแรงงานที่มีความคิดสร้างสรรค์ transtechpackersandmovers.com getsocialeyes.com http://phys.org/ http://agileimpact.org/

ทักษะการเรียนรู้ในศตวรรษที่ 21

เป้าหมายของการเรียนการสอน S T E M Science Literacy  ความรู้ ความเข้าใจเกี่ยวกับเนื้อหา (หลัก กฎ และทฤษฎี) วิชาวิทยาศาสตร์ (ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และโลก อวกาศ ดาราศาสตร์) สามารถเชื่อมโยงความเกี่ยวเนื่องเนื้อหาระหว่างสาระวิชา และมีทักษะในการปฏิบัติการ เชิงวิทยาศาสตร์ มีทักษะในการคิดที่เป็นเหตุเป็นผล สามารถค้นหาความรู้และแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ สามารถตัดสินใจโดยใช้ข้อมูลที่หลากหลายและมีประจักษ์พยานที่ตรวจสอบได้

เป้าหมายของการเรียนการสอน S T E M Technology Literacy  ความเข้าใจ และความสามารถในการใช้งาน จัดการ และเข้าถึงเทคโนโลยี (กระบวนการหรือสิ่งประดิษฐ์ที่สร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์) Engineering Literacy  ความเข้าใจการพัฒนาหรือการได้มาของเทคโนโลยีโดยการประยุกต์ความรู้วิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และเทคโนโลยีที่มีอยู่ กับกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม เพื่อสร้างเครื่องใช้หรือวิธีการ เพื่อพัฒนาคุณภาพชีวิต

เป้าหมายของการเรียนการสอน S T E M Mathematics Literacy ความสามารถในการวิเคราะห์ ให้เหตุผล และการประยุกต์แนวคิดทางคณิตศาสตร์ เพื่อสร้างอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ภายใต้บริบทที่แตกต่างกัน รวมถึงตระหนักถึงบทบาทของคณิตศาสตร์และสามารถใช้คณิตศาสตร์ช่วยในการวินิจฉัยและการตัดสินใจที่ดี

องค์ประกอบและลักษณะที่สำคัญของสะเต็มศึกษา มีการบูรณาการ ท้าทายผู้เรียน กระตุ้น Active learning มุ่งเน้นทักษะสำคัญในศตวรรษที่ 21 เชื่อมโยงกับชีวิตจริง

วิทยาศาสตร์ (Science) วิศวกรรมศาสตร์ (Engineering) เทคโนโลยี (Technology) คณิตศาสตร์ (Mathematics) ตั้งคำถาม (เพื่อเข้าใจธรรมชาติ) นิยามปัญหา (เพื่อพัฒนา คุณภาพชีวิต) ตระหนักถึงบทบาทของ เทคโนโลยีต่อสังคม ทำความเข้าใจและพยายาม แก้ปัญหา พัฒนาและใช้โมเดล ใช้คณิตศาสตร์ในการสร้าง โมเดล ออกแบบและลงมือ ทำการค้นคว้า วิจัย ทดลอง เรียนรู้วิธีการใช้งานเทคโนโลยี ใหม่ๆ ใช้เครื่องมือที่เหมาะสมใน การแก้ปัญหา วิเคราะห์ข้อมูล ให้ความสำคัญกับความแม่นยำ ใช้คณิตฯ ช่วยในการคำนวณ เข้าใจบทบาทของเทคโนโลยีใน การพัฒนาด้านวิทย์ฯ และ วิศวกรรม ใช้ตัวเลขในการให้ความหมายหรือ เหตุผล สร้างคำอธิบาย ออกแบบวิธีแก้ปัญหา พยายามหาวิธีการและใช้โครงงาน ในการแก้ปัญหา ใช้หลักฐานในการยืนยันแนวคิด ตัดสินใจเลือกใช้เทคโนโลยีโดย พิจารณาถึงผลกระทบต่อสังคม และสิ่งแวดล้อม สร้างข้อโต้แย้งและสามารถ วิพากษ์การให้เหตุผลของผู้อื่น ประเมินและสื่อสารแนวคิด มองหาและนำเสนอระเบียบวิธี ในการเหตุผล *ที่มา: Vasquez, J.A., Sneider, C., and Comer, M. (2013). STEM Lesson Essentials: Integrating Science, Technology, Engineering, and Mathematics, p.38.

ระดับของการบูรณาการ นอกจากการเรียนรู้เนื้อหาและฝึกทักษะของทั้ง 4 วิชาแล้ว นักเรียนได้ประยุกต์ความรู้และทักษะเหล่านั้นในการแก้ปัญหาในชีวิตจริง และสร้างประสบการณ์การเรียนรู้ของตัวเอง Transdisciplinary บูรณาการข้ามวิชา นักเรียนเรียนเนื้อหาและฝึกทักษะที่มีความสอดคล้องกันของวิชาที่เกี่ยวข้องร่วมกันผ่านกิจกรรม ช่วยให้นักเรียนได้เห็นความสอดคล้องและสัมพันธ์กันของวิชาเหล่านั้น Interdisciplinary บูรณาการสหวิทยาการ นักเรียนได้เรียนเนื้อหาและฝึกทักษะของแต่ละวิชาของ สะเต็มแยกกันผ่านหัวข้อหลัก (theme) โดยการอ้างอิงถึงหัวข้อหลักในการสอนทำให้นักเรียนเห็นความเชื่อมโยงระหว่างเนื้อหาวิชากับ หัวข้อหลัก Multidisciplinary บูรณาการพหุวิทยาการ นักเรียนได้เรียนเนื้อหาและฝึกทักษะของแต่ละวิชาของสะเต็มแยกกัน Disciplinary บูรณาการภายในวิชา ยกตัวอย่างกระติบข้าวกับการสอนแบบบูรณาการแต่ละระดับ

ทักษะการเรียนรู้ในศตวรรษที่ 21

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมเดิม

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมอื่น ๆ EbD’s EDP Source: http://www.iteea.org/EbD/ebd.htm Explore Ideas Plan & Develop Test & Evaluate Present the Solution Identify a Challenge Engineering Design Process

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมอื่น ๆ A Five-Step EDP of EiE Source: http://www.eie.org/eie-curriculum/engineering-design-process

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมอื่น ๆ NASA’s scouts EDP Source: http://www.nasa.gov/centers/goddard/visitor/events/scouts.html

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมอื่น ๆ NSF-ITEEA’s K-12 EDP Source: https://www.teachengineering.org/engrdesignprocess.php

กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมอื่น ๆ ITEEA’s Full-scale EDP Source: http://www.neshaminy.org/Page/30822

แนวทางการพัฒนากิจกรรมสะเต็ม จะเห็นได้ว่ากระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมมีความยืดหยุ่น วิศวกรแต่ละคนอาจใช้กระบวนการที่แตกต่างกัน ในชีวิตจริงวิศวกรมักจะทำงานเพียงหนึ่งหรือสองขั้นตอน แล้วผ่านงานของพวกเขาให้กับทีมอื่น เช่น วิศวกรที่ปรึกษา วิศวกรออกแบบ วิศวกรควบคุมงาน วิศวกรก่อสร้าง วิศวกรฝ่ายผลิต วิศวกรฝ่ายขาย เป็นต้น

แนวทางการพัฒนากิจกรรมสะเต็ม อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบกิจกรรมสะเต็มศึกษาควรออกแบบให้ผู้เรียนได้เรียนรู้เนื้อหาและฝึกทักษะผ่านทุกขั้นตอนของกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

การระบุปัญหา ปัญหาที่ดีควรพิจารณาจากความจำเป็นหรือความต้องการของมนุษย์ ซึ่งเป็นสิ่งที่น่าสนใจและมีความท้าทายในปัจจุบัน หรือในอนาคต เช่น สิ่งที่มีอยู่แล้วและต้องการพัฒนาให้ดีขึ้น เช่น เพิ่มประสิทธิภาพ เพิ่มความแข็งแรงทนทาน ลดต้นทุน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ปรับปรุง วัสดุ ขนาด รูปทรง สัดส่วน สีสัน ฯลฯ สิ่งที่มีอยู่แล้วแต่ต้องการออกแบบ/สร้าง/ผลิตขึ้นเอง สิ่งที่มนุษย์มีความต้องการแต่ยังไม่เคยมีมาก่อน

การระบุปัญหา ตัวอย่างคำถามที่เกี่ยวข้อง ปัญหาคืออะไร? มีแนวทางแก้ปัญหาอยู่บ้างหรือไม่? แนวทางแก้ปัญหาที่มีอยู่เป็นอย่างไร? อะไรเป็นข้อจำกัดบ้าง?

การค้นหาแนวคิดที่เกี่ยวข้อง สำรวจแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ โดยการระดมความคิด (Brainstorms) ตัวอย่างคำถามที่เกี่ยวข้อง แนวทางแก้ปัญหาคืออะไร? ทำอะไร? ทำอย่างไร? ทำไมจึงแก้ปัญหาได้? ค้นหา 2-3 แนวคิดที่มีแนวโน้มจะแก้ปัญหาได้ และเขียนรายละเอียดการดำเนินการของแต่ละแนวคิด

ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา เปรียบเทียบแนวคิดที่เลือกไว้ เพื่อหาแนวคิดวิธีการแก้ปัญหาที่มีแนวโน้มดีที่สุด โดยสร้างเกณฑ์ที่ใช้ในการตัดสินใจ เช่น วิธีการออกแบบ/สร้าง/ทดสอบชิ้นงานตามแนวคิด การจัดเตรียมวัสดุ อุปกรณ์ ระยะเวลาในการดำเนินการ ความคุ้มค่าในการลงทุน ฯลฯ วาดภาพร่างของชิ้นงานตามแนวคิดที่เลือก พร้อมทั้งระบุองค์ประกอบต่าง ๆ ของชิ้นงานโดยละเอียดครบถ้วน

การวางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา กำหนดเงื่อนไขและข้อจำกัดต่าง ๆ ในการออกแบบชิ้นงานสำหรับทุกองค์ประกอบ ออกแบบองค์ประกอบต่าง ๆ ของชิ้นงาน โดยการคำนวณ หาขนาด รูปร่าง สัดส่วน หรือคุณสมบัติอื่น ๆ ตามเงื่อนไขและข้อจำกัดที่กำหนดไว้ ทำรายการวัสดุ อุปกรณ์/เครื่องมือที่ใช้ในการสร้างชิ้นงาน สร้างชิ้นงานตามที่ได้ออกแบบไว้

การทดสอบและการประเมินผล ทดสอบชิ้นงานที่สร้างขึ้น โดยสร้างเครื่องมือสำหรับทดสอบชิ้นงานตามเงื่อนไขหรือหลักเกณฑ์ที่กำหนดขึ้น ประเมินผลจากการสร้าง/ทดสอบชิ้นงาน เพื่อนำข้อผิดพลาดที่(อาจ)เกิดขึ้นไปใช้ในการปรับปรุงแก้ไขชิ้นงาน ก่อนการนำเสนอผลลัพธ์และนำไปผลิตเพื่อใช้งานจริงต่อไป

การทดสอบและการประเมินผล ตัวอย่างคำถามที่เกี่ยวข้อง อะไรใช้ได้? อะไรใช้ไม่ได้? สิ่งที่อาจปรับปรุงให้ดีขึ้น? ปรับเปลี่ยนการออกแบบชิ้นงานให้ดีขึ้นและทดสอบอีกครั้ง!

การนำเสนอผลลัพธ์ นำเสนอชิ้นงานที่สร้างขึ้นและผลการทดสอบที่ได้ โดยทำการเปรียบเทียบผลการทดสอบกับชิ้นงานอื่น ๆ ที่ใช้ในการแก้ปัญหาเดียวกัน (ถ้ามี) สำหรับการทำกิจกรรมสะเต็มศึกษา จะทำการเปรียบเทียบผลงานของแต่ละกลุ่มผู้เรียนและร่วมกันอภิปรายเพื่อสรุปประเด็นต่าง ๆ

แนวทางการพัฒนากิจกรรมสะเต็ม กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมเป็นวงจรที่ไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุด โดยสามารถเริ่มต้นในขั้นตอนใด ๆ ก็ได้ หรือมุ่งเน้นเพียงขั้นตอนเดียว หรือสลับไปมาระหว่างขั้นตอน หรือทำซ้ำรอบวงจร

แนวทางการพัฒนากิจกรรมสะเต็ม กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมในบริบทของสะเต็มศึกษาไม่ได้หมายถึงการเรียนรู้เนื้อหาทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ แต่เป็นการอาศัยแนวทางในการแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรมเพื่อฝึกทักษะการคิด การแก้ปัญหา ซึ่งจะทำให้ผู้เรียนมีความคิดริเริ่มสร้างสรรค์และก่อให้เกิดนวัตกรรมที่เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาเทคโนโลยีของประเทศ ตามเป้าประสงค์ข้างต้น นอกจากนี้ยังเป็นการปลูกฝังทักษะการทำงานให้ผู้เรียนเพื่อเป็นบุคลากรที่มีความพร้อมในการประกอบอาชีพในอนาคต

แนวทางการใช้กิจกรรมสะเต็มในชั้นเรียน จัดกิจกรรมสอดแทรกไปตามเนื้อหาที่เกี่ยวข้องในคาบเรียน จัดกิจกรรมไว้ในรายวิชาเพิ่มเติม/เลือกเสรี จัดกิจกรรมไว้ในกลุ่มกิจกรรมนอกชั้นเรียน

www.stemedthailand.org