สอนอย่างมือชั้นครู :๒๓. การแก้ปัญหาในวิชาวิทยาศาสตร์

บันทึกชุด "สอนอย่างมือชั้นครู" ๓๔ ตอน ชุดนี้ ตีความจากหนังสือ Teaching at Its Best : A Research-Based Resource for College Instructors เขียนโดย Linda B. Nilson ซึ่งเป็นฉบับพิมพ์ปรับปรุงครั้งที่ ๓ ผมขอเสนอให้อาจารย์ในสถาบันการศึกษาไทยทุกคน หาหนังสือเล่มนี้อ่านเอง เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ เพราะหากติดตามอ่านจากบันทึกใน บล็อก ของผม ซึ่งลงสัปดาห์ละตอน จะใช้เวลากว่าครึ่งปี และการอ่านบันทึกของผมจะแตกต่างจากการอ่านฉบับแปล หรืออ่านจากต้นฉบับโดยตรง เพราะบันทึกของผมเขียนแบบตีความ ไม่ได้ครอบคลุมสาระทั้งหมดในหนังสือ

ตอนที่ ๒๓ นี้ ตีความจาก Part Four : More Tools : Teaching Real-World Problem Solving มี ๕ บท ตอนที่ ๒๓ ตีความจากบทที่ 22. Problem Solving in the Sciences

สรุปได้ว่า การเรียนวิทยาศาสตร์ให้ได้ผลดี ก็เช่นเดียวกับการเรียนวิชาอื่นๆ ต้องไม่ใช่เรียนแบบรับ ถ่ายทอดความรู้สำเร็จรูปผ่านการบรรยาย ต้องเน้นการเรียนแบบนักศึกษาลงมือทำ โดยใช้ปัญหาหรือคำถาม เป็นตัวกระตุ้น และต้องเรียนเป็นทีม โดยอาจารย์ต้องมีเทคนิควิธีสอน ที่ทำให้การเรียนวิทยาศาสตร์ ไม่หนักสมอง

การเรียนแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์ อาจเป็นการเรียนทางห้องปฏิบัติการ หรือเป็นการเรียน ในห้องบรรยาย

ความอ่อนแอของวิทยาศาสตร์ศึกษา

มีผลงานวิจัย ๒ ชิ้น ออกมาในปี ค.ศ. ๑๙๙๐ กับ ๑๙๙๗ ที่ช่วยให้ความกระจ่างเรื่องจุดอ่อนของ วิทยาศาสตร์ศึกษา ซึ่งมี ๒ สาเหตุใหญ่ๆ คือ (๑) การสอนที่ไม่ดี (๒) เน้นการบรรยายมากเกินไป

การสอนที่ไม่ดี เกิดจากแนวคิดกันเด็กอ่อนออกไปจากชั้นเรียนวิทยาศาสตร์ มองว่าเด็กที่จะเรียน วิทยาศาสตร์ได้ต้องเป็นเด็กหัวดีเท่านั้น นอกจากนั้น ยังเกิดจากความอ่อนแอในทักษะการสื่อสาร และทักษะ การพูดในที่สาธารณะ ไม่เอาใจใส่ศิษย์ หรือเล่นหัวกับศิษย์มากเกินไป ไม่เข้าใจว่านักศึกษาเรียนรู้อย่างไร และ การสอนที่ขาดการเรียนประยุกต์และการสาธิต ซึ่งมีที่มาจากเนื้อหาแน่นจนไม่มีเวลา

การเน้นการบรรยายมากเกินไป ร่วมกับเน้นการจำสาระในการสอนและการสอบ การเน้นตอบคำถาม how มากกว่า why การเน้นกระบวนการแก้ปัญหาตัวเลข และเน้นเทคนิค ทำให้ละเลยความเข้าใจทฤษฎี ความสร้างสรรค์ การเชื่อมโยงหลักการ (concepts) และการอภิปราย

อาจารย์โดยทั่วไปนิยมสอนโดยการบรรยาย เพราะรู้สึกว่าเป็นการทำงานที่ได้เนื้อได้หนังในการ ถ่ายทอดความรู้ โดยลืมคิดไปว่า ที่อาจารย์ได้สอนเต็มเนื้อหานั้น ไม่ได้หมายความว่านักศึกษาได้ความรู้ตามนั้น มีผลงานวิจัยพบว่า นักศึกษาได้เรียนรู้สาระเพียงร้อยละ ๓๐ ของที่อาจารย์สอน และผมเชื่อว่า แม้ส่วนที่ได้ ก็เข้าใจไม่ลึก และโดยทั่วไป ไม่ได้แรงบันดาลใจ หรือเห็นคุณค่าของวิทยาศาสตร์

การบรรยายไม่สามารถสอนให้นักศึกษาได้ฝึกปฏิบัติ เพื่อให้เกิดทักษะสำคัญๆ ได้แก่ ทักษะการเขียน พูด ให้เหตุผล คิดอย่างมีวิจารณญาณ กำหนดสมมติฐาน แก้ปัญหา ออกแบบและดำเนินการทดลอง เป็นต้น

วิทยาศาสตร์ เป็นกิจกรรมที่ต้องใช้ทั้งสมองและร่างกาย การบรรยายจึงมีข้อจำกัดมากในการ สอน/ เรียน วิทยาศาสตร์

ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ มักถูกใช้เป็นการเรียนเสริม ไม่เชื่อมโยงกับการเรียนภาคทฤษฎี ขาดเครื่องมือที่เหมาะสม และขาดการจัดการที่ดี

วิธีช่วยให้นักศึกษาเรียนวิทยาศาสตร์ได้ดีขึ้น

เพื่อช่วยให้นักศึกษาเรียนวิทยาศาสตร์ได้ดีขึ้น มีหลักการทั่วไป ให้อาจารย์ถือปฏิบัติ ๔ ข้อ

• ๑.พึงตระหนักว่า นักศึกษามีความรู้เดิมที่เป็นความรู้ผิดๆ อยู่ด้วย อาจารย์ต้องช่วย ให้นักศึกษาขจัดความรู้ผิดๆ เหล่านี้ออกไป นอกจากนั้น นักศึกษาอาจมีกระบวนทัศน์ เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์เรื่องใดเรื่องหนึ่งโดยใช้สามัญสำนึกแบบคนทั่วไป ซึ่งไม่ตรงกับความ เป็นจริงทางวิทยาศาสตร์ อาจารย์ต้องช่วยให้นักศึกษาเปลี่ยนกระบวนทัศน์ เป็น กระบวนทัศน์ของผู้เชี่ยวชาญ (ทางวิทยาศาสตร์) นักศึกษาจึงจะสามารถเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ในระดับลึกและมีความหมาย และพร้อมที่จะเพิ่มพูนกระบวนทัศน์ระดับสูงขึ้น ด้วยแนวคิดและหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่จำเพาะ
• ๒.นักศึกษาต้องการความช่วยเหลือ ในการสอดใส่กระบวนทัศน์ที่ถูกต้องเกี่ยวกับวิชา ด้านวิทยาศาสตร์ และ STEM โดยการเรียนรู้โครงสร้างและลำดับชั้นของความรู้ ย้ำว่า นักศึกษาต้องการความช่วยเหลือ ผ่านการชี้แนะโครงสร้างและลำดับชั้นของความรู้ ทางวิทยาศาสตร์ ที่ชัดเจน เมื่อนักศึกษารู้จักโครงสร้างและลำดับชั้นความรู้แล้ว ก็จะเกิดความเข้าใจ และจะไม่เรียนโดยการท่องจำ ซึ่งเป็นภาระทางสมองมาก ทำให้นักศึกษาสามารถเก็บความรู้ไว้ในความจำระยะยาวอย่างเป็นระบบ ดึงออกมาใช้ได้ง่าย
• ๓.อาจารย์ต้องช่วยให้นักศึกษาเรียนวิชาวิทยาศาสตร์ (STEM) อย่างไม่หนักสมอง โดยการสอน ให้รู้จักโครงสร้างและลำดับชั้นความรู้ รวมทั้งสอนให้รู้จักแบบแผน (pattern) ของกรอบความคิด (concept) หลักการ (principle) และ ปัญหา (problem) รวมทั้งให้รู้จักบรรจุความรู้เข้าเป็นชุดๆ โดยอาศัยแบบแผนข้างต้น

วิธีลดความหนักสมองอีกวิธีหนึ่งคือนอกจากเรียนผ่านตัวหนังสือหรือถ้อยคำแล้ว เพิ่มการเรียนรู้ผ่านสายตาเข้าไปด้วย ทำโดยเขียนเป็นไดอะแกรม ภาพถ่าย ภาพวาด flowchart, concept map โดยอาจให้นักศึกษาช่วยกันเขียนเอง

• ๔.ส่งเสริมให้นักศึกษาตรวจสอบกระบวนการเรียนรู้ หรือการคิดของตนเอง และหมั่น ปรับปรุงหรือพัฒนา ที่จริงข้อนี้มีคุณต่อการเรียนรู้ทุกวิชา ทุกประเภท

ที่จริงการเรียนรู้แบบเรียนเป็นทีม เช่นการเรียนแก้ปัญหาเป็นกลุ่ม ต่อปัญหาที่มีบริบทซับซ้อน เป็นการเรียนที่มีการตรวจสอบกระบวนการเรียนรู้ และการคิดของตนเองอยู่แล้ว รวมทั้งการทำกระบวนการทบทวนไตร่ตรองการเรียนรู้ (reflection / AAR / debriefing) ทั้งที่ทำคนเดียว และทำเป็นกลุ่ม ก็ช่วยการตรวจสอบ กระบวนการเรียนรู้ และการคิดของตนเองด้วย

บรรยายอย่างไร ให้เกิดการเรียนรู้ที่มีความหมาย

การบรรยายตามแนวจารีต ก่อผลการเรียนรู้น้อย ต้องการการเปลี่ยนแปลงโดยสอดใส่กระบวนการ ที่มีลักษณะ นำทางด้วยคำถาม (inquiry-guided) เน้นปัญหา (problem-focus) และเรียนโดยร่วมมือกัน (collaborative learning) โดยอาจใช้แนว เปลี่ยนเพียงเล็กน้อย เปลี่ยนน้อย เปลี่ยนปานกลาง และ เปลี่ยนมาก

แนวเปลี่ยนมาก อาจเรียกว่า ออกแบบรายวิชาใหม่ (course redesign) เช่น ควบรวมการบรรยาย การทบทวนความจำ และการเรียนในห้องปฏิบัติการ เข้าด้วยกัน เป็น "รายวิชาทำงาน" (studio course)

แนวเปลี่ยนมากที่มีชื่อเสียงโดยเริ่มในวิชาเคมี คือ POGIL (Process-Oriented Guided Inquiry Learning) ซึ่งเป็นการบรรยายแบบมีปฏิสัมพันธ์ (interactive lecture) และที่เริ่มในวิชาฟิสิกส์ คือ SCALE-UP (Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Program) ซึ่งได้ผลดีมาก แต่มีการลงทุนสูง ต้องรื้อปรับปรุงห้องบรรยายแบบ auditorium เป็นห้องพื้นราบเพื่อทำงานกลุ่ม มีระบบ ICT สำหรับใช้ทำงานกลุ่ม (ดูรูปในเว็บไซต์ของ SCALE-UP)

แนวเปลี่ยนปานกลาง เช่น แทรก just-in-time-teaching เข้าไป (ดูตอนที่ ๑๙) แทรกกรณีศึกษา การเรียนโดยการแก้ปัญหา เป็นต้น

แนวเปลี่ยนน้อย เช่น ใช้ คลิกเก้อร์

แนวเปลี่ยนเพียงเล็กน้อย เช่นแทรกการสาธิตโดยผู้บรรยาย

จัดห้องปฏิบัติการอย่างไร ให้เกิดการเรียนรู้ที่มีความหมาย

คำตอบคือ ให้เป็น ห้องปฏิบัติการที่ใช้คำถามนำ (inquiry-guided lab)

เริ่มต้น

เริ่มด้วยการทำให้นักศึกษาตื่นตัว ทบทวนความรู้เดิม เอาไว้ต่อความรู้ใหม่ และให้รู้ว่ากำลังจะ เรียนอะไร มีคุณค่าอย่างไร

ต้นชั่วโมง ให้นักศึกษาทบทวนการเรียนคาบที่แล้ว โดยอาจให้ "เขียนอิสระ" ๒ นาที แล้วสุ่มเลือกนักศึกษา ๒ - ๓ คนอ่านข้อเขียนให้เพื่อนฟัง ถือเป็นการอุ่นเครื่อง ตามด้วยการบอก วัตถุประสงค์ของการเรียนทางห้องปฏิบัติการครั้งนี้ ว่าต้องการทดสอบสมมติฐานอะไร หรือตอบคำถามอะไร

ออกแบบ

แนะนำว่า ในการออกแบบการเรียนทางห้องปฏิบัติการ ให้คำนึงถึง ๔ ปัจจัย

• ใช้โมเดลการเรียนรู้แบบ ใช้คำถามนำ บรรยากาศคล้ายนักศึกษากำลังทำการทดลอง ทางวิทยาศาสตร์ ที่ยังไม่รู้คำตอบ โดยนักศึกษาต้องคิดยุทธศาสตร์การทดลองเอง ไม่มีบอกในคู่มือของการทดลอง

อาจมองว่า นักศึกษากำลังเผชิญการท้าทาย เพื่อหาคำตอบ โดยการทดลอง ด้วยตนเอง โดยมีอาจารย์เป็นที่ปรึกษา

• มุ่งพัฒนานักศึกษาด้านการคิดอย่างมีวิจารณญาณ การตัดสินใจ การคิดซับซ้อน และการคิดแบบนิรนัย (inductive thinking) โดยนักศึกษาฝึกปฏิบัติด้วยตนเอง โดยต้องคิดคำอธิบายต่อผลที่ไม่คาดหวัง และเขียนในรายงานผลการทดลอง
• ให้เกิดการทำงานเป็นทีม และความร่วมมือ เนื่องจากปัญหาให้ทดลองเป็นสถานการณ์จริง ที่เกินกำลังคนคนเดียว นักศึกษาจึงต้องปรึกษาหารือ และวางแผนการทำงานร่วมกัน รวมทั้งมีผลงาน ได้แก่การค้นพบ ผลการทดลอง และข้อสรุป และได้รับเกรดร่วมกัน

ในบางกรณี อาจให้นักศึกษาแต่ละคนเขียนบันทึกการทดลองของตนเองส่งอาจารย์ และได้รับคะแนน

ในบางกรณี อาจให้นักศึกษาต่างกลุ่มแลกเปลี่ยนรายงานกัน และทำ peer review ให้แก่กันและกัน

• มีเทคโนโลยีทันสมัย การที่นักศึกษาได้มีโอกาสทดลองใช้ห้องปฏิบัติการนำสมัย เช่นที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม ย่อมมีประโยชน์ สร้างความคุ้นเคยต่อสภาพงานจริง ในอนาคต

หนังสือให้ตัวอย่างโจทย์สำหรับห้องปฏิบัติการ แต่จะไม่นำมากล่าว แต่จะให้ตัวอย่าง เว็บไซต์ที่ให้โจทย์และวิธีสอนปฏิบัติการวิชาต่างๆ ดังนี้

• ฟิสิกส์ http://phet.colorado.edu
• เคมี www.chemcollective.org/find.php
• ชีววิทยา www.hhmi.org/biointeractive/vlabs ; http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/online_labs.html ; www.biologylabonline.com ; http://bio.rutgers.edu/ ; www.phschool.com/science/biology_place/labbench
• ธรณีวิทยา www.sciencecourseware.org/eecindex.php
• วิศวกรรมศาสตร์ www.jhu.edu/~virtlab//virtlab.html
• สหสาขา www.seed.slb.com/science_sectionlanding.aspx?id=26652 ; www.merlot.org

ห้องปฏิบัติการ : การจัดการและความปลอดภัย

ยกเว้นห้องปฏิบัติการเสมือน หรือห้องปฏิบัติการแบบใช้กระดาษและดินสอ (ปากกา) เท่านั้น ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์เป็นสถานที่เสี่ยงอันตราย ต้องมีมาตรการป้องกันอันตราย และรักษา ความปลอดภัย

อาจารย์พึงตระหนักว่า นักศึกษาไม่ตระหนักต่ออันตรายเหล่านี้ แม้จะเขียนไว้ในคู่มือ ห้องปฏิบัติการแล้ว ก็ยังไม่พอ อาจารย์ต้องย้ำแล้วย้ำอีก โดยใช้ภาษาที่นักศึกษาเข้าใจง่าย อาจใช้รูปภาพ ไดอะแกรม หรือวีดิทัศน์ ให้ตัวอย่างอันตรายที่เกิดขึ้นจริง เพราะความสะเพร่า ไม่ปฏิบัติตามขั้นตอน วิธีการที่กำหนด

มาตรการป้องกันอันตราย

• เตรียมพร้อมไว้เสมอ อย่าประมาท หากมีปฏิบัติการใหม่ ต้องลองเองก่อน
• ให้ห้องปฏิบัติการสะอาดอยู่เสมอ
• ให้นักศึกษาปฏิบัติตามกฎการแต่งกาย รวมทั้งแว่นกันอันตรายต่อตา และหน้ากาก และอื่นๆ อธิบายให้นักศึกษาเข้าใจประโยชน์ของสิ่งเหล่านั้น
• กำหนดให้นักศึกษาต้องอ่านคู่มือห้องปฏิบัติการอย่างละเอียดมาก่อนล่วงหน้า
• ทำความเข้าใจขั้นตอนต่างๆ ร่วมกันอย่างชัดเจน
• ย้ำกับนักศึกษา ว่ามีขั้นตอนใดที่มีอันตรายเป็นพิเศษ อันตรายอย่างไร
• สาธิตวิธีการที่ถูกต้อง ให้นักศึกษาบางคนลองทำให้เพื่อนดู และอาจารย์คอยแก้ไข
• เปิดช่องให้นักศึกษาถาม
• อาจารย์เดินไปทั่วห้อง พร้อมให้คำแนะนำ

จัดการภาวะฉุกเฉินทางการแพทย์

อาจารย์พึงตระหนักว่า ในเมื่อตนเป็นอาจารย์ที่เกี่ยวข้องกับห้องทดลอง สักวันหนึ่งก็จะต้อง เผชิญเหตุการณ์ที่เป็นอุบัติเหตุ คำแนะนำคือ

• ตั้งสติ อย่าตื่นตระหนก
• รู้ตำแหน่งของเครื่องมือปฐมพยาบาล เครื่องดับเพลิง ผ้าดับเพลิง ฝักบัวฉุกเฉิน น้ำยาล้างตา
• รู้วิธีใช้เครื่องมือข้างต้น
• รู้เทคนิคปฐมพยาบาล และ CPR
• หากมีคนบาดเจ็บต้องรีบจัดการ รวมทั้งระมัดระวังการติดเชื้อโรคติดต่อ

หนังสือให้สถานการณ์ที่อาจเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ ให้อาจารย์และผู้ช่วยสอนตอบ เพื่อฝึกเตรียมความพร้อมต่อสถานการณ์ฉุกเฉินที่อาจเกิดขึ้น

ความสำคัญของวิทยาศาสตร์ศึกษา

ในประเทศประชาธิปไตย และมีความเจริญก้าวหน้า หรือมีขีดความสามารถในการแข่งขัน หรืออย่างในกรณีประเทศไทย เราต้องการออกจาก "กับดักรายได้ปานกลาง" พลเมืองต้อง "มีความรู้ด้านวิทยาศาสตร์" ผมเคยเขียนเรื่องการเรียนวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ ๒๑ ไว้ ที่นี่

วิจารณ์ พานิช

๙ ก.ย. ๕๗