# การทดลองแบบวิศวกรรมกับการทดลองแบบวิทยาศาสตร์

เมื่อวานผมเพิ่งมีโอกาสนั่งอ่านงานวิจัยเก่า ๆ เรื่องหนึ่งครับ ซึ่งผมคิดว่า มันน่าสนใจดี งานวิจัยนี้มีชื่อว่า “[Students’ Transition from an Engineering Model to a Science Model of Experimentation](http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/tea.3660280910/abstract?systemMessage=Please+be+advised+that+we+experienced+an+unexpected+issue+that+occurred+on+Saturday+and+Sunday+January+20th+and+21st+that+caused+the+site+to+be+down+for+an+extended+period+of+time+and+affected+the+ability+of+users+to+access+content+on+Wiley+Online+Library.+This+issue+has+now+been+fully+resolved.++We+apologize+for+any+inconvenience+this+may+have+caused+and+are+working+to+ensure+that+we+can+alert+you+immediately+of+any+unplanned+periods+of+downtime+or+disruption+in+the+future.)” งานวิจัยนี้น่าจะเป็นช่วงแรกเลยครับที่นักวิจัยในต่างประเทศเริ่มสนใจการบูรณาการการปฏิบัติงานวิศวกรรมศาสตร์กับการปฏิบัติงานทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งต่อมากลายเป็นนโยบายด้านสะเต็มศึกษา (STEM Education)

งานวิจัยนี้ตั้งข้อสังเกตว่า การทดลองทางวิศวกรรมกับการทดลองทางวิทยาศาสตร์มีเป้าหมายและลักษณะที่แตกต่างกัน โดยการทดลองทางวิศวกรรมศาสตร์มีเป้าหมายเพื่อปรับแต่งตัวแปรต่าง ๆ เพื่อให้ได้ชิ้นงานหรือผลลัพธ์ตามความต้องการภายใต้เงื่อนไขที่จำกัด ในขณะที่การทดลองทางวิทยาศาสตร์มีเป้าหมายเพื่อสร้างข้อสรุปที่เป็นความสัมพันธ์ระหว่างสาเหตุ (ตัวแปรต้น) และผล (ตัวแปรตาม) ด้วยความแตกต่างพื้นฐานนี้ การทดลองแต่ละแบบจึงมีข้อดีและข้อด้อยในแง่ของการส่งเสริมการเรียนรู้ของนักเรียนที่แตกต่างกัน

โดยธรรมชาติแล้ว นักเรียนมักมีแนวโน้มที่จะทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ครับ ซึ่งก็คือเวลาที่นักเรียนออกแบบและสร้างชิ้นงาน (เช่น การสร้างรถของเล่นให้เคลื่อนที่ได้เร็ว) นักเรียนก็จะปรับแต่งตัวแปรหรือเงื่อนไขนั่นนี่โน่น (เช่น ตัวรถ และ/หรือล้อรถ) และทดสอบผลของการปรับแต่งนั้นว่า ผลลัพธ์จะเป็นตามที่ตนเองต้องการหรือไม่ (รถเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นไหม) ในการนี้ ผมขอเน้นย้ำก่อนว่า ผู้วิจัยเองไม่ได้หมายความว่า วิศวกรมืออาชีพจะทำแต่การทดลองแบบนี้นะครับ เขาก็ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ด้วย แต่ผู้วิจัยแค่ใช่ชื่อ “วิศวกรรมศาสตร์” มาเน้นให้เห็นเป้าหมายและลักษณะสำคัญของการทดลองแบบนี้ว่า มันแตกต่างจากการทดลองแบบวิทยาศาสตร์จ๋ายังไง (เดี๋ยววิศวกรมาอ่านแล้วตำหนิผมได้ … ไม่ดราม่านะครับ)

แต่การทดลองทางวิทยาศาสตร์เป็นอะไรที่เคร่งครัดกว่านั้น ซึ่งต้องมีการจัดกระทำและควบคุมตัวแปรต่าง ๆ อย่างเป็นระบบ ทั้งนี้เพื่อให้ได้ข้อสรุปที่เป็นความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้นกับตัวแปรตาม ด้วยความเคร่งครัดแบบนี้ นักเรียนจึงไม่ค่อยชอบทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์มากเท่ากับการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ ซึ่งสนุก ติ่นเต้น และเห็นผลลัพธ์ได้ชัดเจนมากกว่า (ในการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ นักเรียนเห็นได้เลยว่า การปรับแต่งแบบนี้ทำให้รถวิ่งเร็วกว่าเดิมหรือไม่ แต่ในการทดลองแบบวิทยาศาสตร์ นักเรียนได้ผลการทดลองเป็นข้อความรู้ว่า ตัวแปรต้นนี้ส่งผลต่อตัวแปรตามนี้หรือไม่ ซึ่งมันก็อาจจะไม่มีประโยชน์หรือน่าติ่นเต้นอะไรมากนักในมุมมองของเด็ก)

ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงทดสอบแนวโน้มนี้ดูครับว่า ถ้ามีการกำหนดโจทย์การทดลองทางวิศวกรรมและโจทย์การทดลองทางวิทยาศาสตร์แล้ว นักเรียนมีแนวโน้มจะทำการทดลองแบบใด และส่งผลต่อการเรียนรู้ของนักเรียนแตกต่างกันหรือไม่ โดยผู้วิจัยแบ่งนักเรียนออกเป็น 2 กลุ่มนะครับ ในกลุ่มแรก นักเรียนทำโจทย์การทดลองทางวิศวกรรมก่อน แล้วค่อยทำโจทย์การทดลองทางวิทยาศาสตร์ และในขณะที่กลุ่มหลังก็ทำโจทย์การทดลองทางวิทยาศาสตร์ก่อน แล้วค่อยทำโจทย์การทดลองทางวิศวกรรมทีหลัง

โจทย์แบบวิศวกรรมศาสตร์ก็คือการให้นักเรียนออกแบบคูคลองที่จะทำให้เรือเคลื่อนที่ได้เร็ว ส่วนโจทย์แบบวิทยาศาสตร์คือการทดลองว่า ปัจจัยอะไรบ้างที่ทำให้วัตถุที่ห้อยติดกับสปริงในแนวดิ่ง เมื่อถูกจุ่มลงในน้ำแล้ว ส่งผลต่อความยาวของสปริงนั้นหรือไม่และอย่างไร ซึ่งโจทย์ทั้งสองเกี่ยวข้องกับการจมลอยของวัตถุในน้ำและแรงลอยตัวของวัตถุเหมือนกัน ในการนี้ นักเรียนแต่ละกลุ่มมีเวลาทำการทดลองเพื่อตอบโจทย์ทีละข้ออย่างอิสระในเวลาที่เท่ากัน โดยผู้วิจัยนับจำนวนการทดลองที่นักเรียนทำซ้ำ และนับจำนวนข้อสรุปที่นักเรียนสร้างจากผลการทดลอง

ผลการวิจัยเบื้องต้นเปิดเผยว่า โจทย์จะเป็นตัวกำหนดว่า นักเรียนจะมีแนวโน้มที่จะทำการทดลองแบบใด อย่างไรก็ตาม ในโจทย์การทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ นักเรียนมีแนวโน้มที่จะทำการทดลองซ้ำ ๆ กับตัวแปรเดิมมากกว่าในโจทย์การทดลองแบบวิทยาศาสตร์ ในการนี้ ผู้วิจัยอภิปรายสาเหตุว่า นักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์จะมีความคิดในใจแล้วว่า ตัวแปรอะไรที่จะส่งผลต่อความเร็วของเรือ และจะมุ่งปรับแต่งแต่ตัวแปรนั้น เพื่อยืนยันและหาว่า ขนาดของตัวแปรนั้นควรเป็นอย่างไร มันจึงจะให้ผลลัพธ์ที่ตนเองต้องการมากที่สุด ในขณะที่นักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์จะพิจารณาตัวแปรต้นที่หลากหลายมากกว่า เพราะฉะนั้นการทดลองแบบวิทยาศาสตร์จึงเกี่ยวข้องกับหลายตัวแปรมากกว่า

เมื่อพิจารณาผลการทดลอง นักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์สร้างผลการทดลองที่น่าเชื่อถือ (ที่มีข้อมูล/หลักฐานรองรับ) มากกว่านักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ ทั้งนี้เพราะการทดลองทางวิทยาศาสตร์เป็นระบบมากกว่า ซึ่งเป็นผลมาจากเป้าหมายของการทดลองที่แตกต่างกันของทั้งสองแบบ โดยการทดลองทางวิทยาศาสตร์มุ่งสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปร แต่การทดลองทางวิศวกรรมศาสตร์มุ่งสร้างชิ้นงานที่ให้ผลลัพธ์ตามความต้องการ ดังนั้น ในการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ นักเรียนจึงอาจไม่ได้มีการควบคุมตัวแปรที่เป็นระบบมากเท่ากับการทดลองแบบวิทยาศาสตร์

นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบระหว่างนักเรียน 2 กลุ่ม เพื่อพิจารณาว่า ลำดับของการทำการทดลองแบบไหนจะส่งผลต่อการเรียนรู้ได้ดีกว่ากัน ผลการวิจัยเปิดเผยว่า นักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ก่อน แล้วทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์ จะมีพัฒนาการที่ดีกว่านักเรียนที่ทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์ก่อน แล้วทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ ในการนี้ ผู้วิจัยอภิปรายว่า การทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์สอดคล้องกับแนวโน้มโดยธรรมชาติของเด็กมากกว่า ดังนั้น มันจึงเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการสร้างความสนใจและทำให้นักเรียนมีส่วนร่วมในการเรียนรู้ แต่เมื่อนักเรียนเริ่มตระหนักว่า การทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ไม่เพียงพอให้ตนเองเข้าใจและสร้างชิ้นงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ นักเรียนก็เริ่มทำการทดลองแบบวิทยาศาสตร์ที่เป็นระบบมากขึ้น อันนำไปสู่ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ที่ดีขึ้น ในทางตรงกันข้าม นักเรียนที่ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ก่อน ก็เจออะไรที่ยาก ๆ และเคร่งครัดเกินไป จนทำให้ตนเองไม่รู้สึกสนุกหรือตื่นเต้นไปกับการทดลองทางวิทยาศาสตร์นั้น

ด้วยเหตุนี้ งานวิจัยนี้จึงเสนอว่า การท้าทายนักเรียนด้วยโจทย์การทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์ (การออกแบบชิ้นงานให้ได้ตามเงื่อนไขความต้องการ) จะเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการจัดการเรียนการสอน ก่อนที่ครูจะค่อย ๆ พานักเรียนไปสู่การทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นระบบมากขึ้น เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้นและตัวแปรตาม ซึ่งจะทำให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังอีกที ในการนี้ ผู้วิจัยย้ำเตืิอนว่า ครูต้องไม่หยุดอยู่แค่การให้นักเรียนได้ทำการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์เท่านั้น เพราะนักเรียนอาจจะได้แค่ความสนุกสนาน แต่ไม่ได้สร้างความรู้ทางวิทยาศาสตร์ เนื่องจากนักเรียนเอง เมื่อได้สร้างชิ้นงานที่ตอบโจทย์ของการทดลองแบบวิศวกรรมศาสตร์แล้ว (เช่น การได้รถหรือเรือที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ตนเองพอใจแล้ว) นักเรียนก็อาจไม่สนใจที่จะศึกษาและทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ต่อไป เพราะตนเองได้บรรลุเป้าหมายส่วนตัวไปแล้ว

ด้วยข้อเสนอแนะจากงานวิจัยนี้ ผมนึกย้อนกลับมาดูแนวทางที่บ้านเรากำลังส่งเสริมเกี่ยวกับสะเต็มศึกษา ผมก็เริ่มเอะใจแล้วว่า เรากำลังมาถูกทางไหม เพราะใน[ขั้นตอนการจัดการเรียนการสอนของ สสวท.](http://www.stemedthailand.org/?knowstem=%E0%B8%AA%E0%B8%B0%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B9%87%E0%B8%A1%E0%B8%A8%E0%B8%B6%E0%B8%81%E0%B8%A9%E0%B8%B2%E0%B9%81%E0%B8%A5%E0%B8%B0%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%81%E0%B9%81%E0%B8%9A) เอง ที่ระบุ 6 ขั้นตอนว่า1. ระบุปัญหา 2. รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา 3. ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา 4. วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา 5. ทดสอบ ประเมินผล และปรับปรุงแก้ไขวิธีการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน และ 6. นำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน นักเรียนต้องมีหรือต้องไปหาความรู้ทางวิทยาศาสร์ (ขั้นที่ 2) ก่อนที่นักเรียนจะทำการออกแบบชิ้นงาน (ขั้นที่ 3) ซึ่งอาจขัดกับแนวโน้มตามธรรมชาติของเด็กที่จะเริ่มต้นด้วยการลองปรับแต่งนั่นนี่โน่นก่อน แล้วค่อยเกิดความสงสัยและทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นระบบมากขึ้น แต่การทดลองทางวิทยาศาสตร์ยังปรากฏไม่ชัดเจนในขั้นตอนเหล่านี้

นอกจากนี้ นักการศึกษาบางคนอาจเผลอและจบกิจกรรมการเรียนการสอนโดยให้นักเรียนออกแบบและทดสอบชิ้นงานไว้เพียงแค่นั้น โดยนักเรียนไม่ได้ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่สืบเนื่องมาจากความสงสัยที่เกิดขึ้นจากการออกแบบและทดลองทางวิศวกรรมศาสตร์ ถ้าเช่นนี้แล้ว นักเรียนจะสร้างความรู้หรือแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ได้อย่างไร นักเรียนก็จะได้แค่ความสนุกสนานจากการเปรียบเทียบและแข่งขันประสิทธิภาพชิ้นงานของตนเองกับของผู้อื่น แล้วกิจกรรมก็จบอยู่แค่นั้น ซึ่งโดยส่วนตัวผมคิดว่า นี่เป็นเรื่องที่น่าเป็นห่วงอยู่เหมือนกัน หากกิจกรรมสะเต็มศึกษาในบ้านเราจะผิวเผินแค่นั้น

ผมเห็นด้วยกับสะเต็มศึกษานะครับ และเห็นด้วยกับการบูรณาการการออกแบบทางวิศวกรรมกับการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ แต่ผมคิดว่า กิจกรรมสะเต็มศึกษาน่าจะมีอะไรที่ซับซ้อนกว่าการให้นักเรียนออกแบบชิ้นงาน ทดสอบชิ้นงานด้วยเกณฑ์อะไรสักอย่าง แล้วมันก็จบอยู่แค่นั้น โดยที่นักเรียนไม่ได้ทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์อย่างเป็นระบบ ผมขอจบโพสนี้ด้วยข้อความตอนหนึ่งในงานวิจัยนี้นะครับ

> Many teachers try to capture students interest by planning classroom demonstrations and experiments that include exciting or attractive effects. \[T\]his practice almost certainly reinforces the natural inclination of students to interpret the goal of experimentation to be the production of the effect, rather than the understanding of processes that produce the effect. … Beginning with children’s interest may not in itself be problematic … However, … it is important that instruction (does) not end precisely at the point where it should begin. (p. 877-878)