ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาด้านชีววิทยา เคมี ฟิสิกส์ และวิทยาศาสตร์แขนงไหน ๆ เมื่อมีการทดลองทางวิทยาศาสตร์เพื่อค้นหาคำตอบ เมื่อนั้นเพื่อน ๆ ก็ต้องใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์มาเป็นเครื่องมือในการศึกษา ว่าแต่… กระบวนการทางวิทยาศาสตร์หมายถึงอะไร ประกอบด้วยขั้นตอนอะไรบ้าง ถ้าอยากรู้ต้องตามไปอ่านกันในบทความนี้ (หรือจะดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน StartDee แล้วไปเรียนรู้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์กับครูดาด้าก็ได้นะ คลิกแบนเนอร์เลย !)
กระบวนการทางวิทยาศาสตร์คืออะไร
มนุษย์เรารู้จักการตั้งคำถามต่อสิ่งต่าง ๆ รอบตัว ทั้งปรากฎการณ์ในธรรมชาติ กลไกต่าง ๆ ของร่างกาย สิ่งมีชีวิต และอื่น ๆ อีกมากมาย เมื่อตั้งคำถามแล้วเราจึงเริ่มศึกษาเพื่อหาคำตอบ และอธิบายปรากฎการณ์รอบ ๆ ตัวเพื่อเอาชีวิตรอดและพัฒนาชีวิตให้ดียิ่งขึ้น
การตั้งคำถามและการหาคำตอบนี้เป็นจุดเริ่มต้นการศึกษาวิทยาศาสตร์ นำไปสู่ ‘กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ (Scientific Method)’ ซึ่งหมายถึงการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่มีระเบียบ และเป็นขั้นตอนที่สามารถปฏิบัติตามได้ กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ประกอบด้วย 5 ขั้นตอน ได้แก่
- การตั้งปัญหา (Problem)
- การตั้งสมติฐาน (Hypothesis)
- การตรวจสอบสมมติฐาน (Test with experiment)
- การบันทึกผลและวิเคราะห์ข้อมูล (Data analyze)
- การสรุปผล (Conclusion)
ซึ่งในแต่ละขั้นตอนจะมีรายละเอียดดังนี้...
การตั้งปัญหา (Problem)
หรือขั้นกำหนดปัญหา โดยปัญหาต่าง ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์ยกมาศึกษามัก ‘เริ่มจากการสังเกต’ สิ่งต่าง ๆ รอบตัว จากนั้นจึงกำหนดปัญหาที่ต้องการศึกษา โดยปัญหาที่ดีต้องสัมพันธ์กับข้อมูลที่มีอยู่ มีความชัดเจน และไม่มีขอบเขตการศึกษาที่กว้างจนเกินไป ยกตัวอย่างการตั้งปัญหา เช่น “แสงจากหลอดไฟช่วยให้พืชสังเคราะห์ด้วยแสงได้หรือไม่”
การตั้งสมติฐาน (Hypothesis)
เมื่อได้ปัญหาที่ต้องการศึกษาแล้ว ขั้นตอนต่อมาคือการตั้งสมมติฐาน โดยสมมติฐานคือ ‘คำตอบที่เราคิดว่าจะเป็นไปได้’ ของปัญหาที่เรากำลังจะศึกษา แม้ว่าผลการทดลองที่เกิดขึ้นอาจไม่เป็นไปตามสมมติฐานของเราก็ได้ สมมติฐานที่ดีควรเป็นสมมติฐานที่สัมพันธ์กับปัญหา เข้าใจง่าย ๆสามารถหาแนวทางการทดลองเพื่อตรวจสอบสมมติฐานนั้นได้ และมักอยู่ในรูป “ถ้า... ดังนั้น...” ยกตัวอย่างสมมติฐาน เช่น ถ้าแสงจากหลอดไฟช่วยให้พืชสังเคราะห์ด้วยแสงได้ ดังนั้นพืชจะสะสมแป้งและน้ำตาลในใบเพิ่มขึ้น
Photo by Science in HD on Unsplash
การตรวจสอบสมติฐาน (Test with experiment)
ขั้นตอนการตรวจสอบสมมติฐานเป็นขั้นตอนที่ช่วยทดสอบ และยืนยันว่าสมมติฐานที่เราตั้งไว้จะเป็นจริงหรือไม่ เราสามารถตรวจสอบสมมติฐานได้ด้วยการรวบรวมข้อเท็จจริงต่าง ๆ การเฝ้าสังเกต และทำการทดลอง โดยในการทดลองทางวิทยาศาสตร์จะประกอบด้วยตัวแปร (Variable) ซึ่งเป็นลักษณะหรือคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับการทดลองของเรา ค่าของตัวแปรอาจเปลี่ยนแปลงไปตามการทดลอง หรือเป็นไปตามที่เรากำหนดตามชนิดของตัวแปร ได้แก่
- ตัวแปรต้น หรือตัวแปรอิสระ (Independent variable) คือสิ่งที่ถูก ‘จัดให้แตกต่างกัน’ ในการทดลอง เพื่อทำการทดลองและตรวจสอบสมมติฐานของเรา
- ตัวแปรตาม (Dependent variable) คือสิ่งที่บ่งบอก ‘ผลที่เกิดขึ้นจากการทดลอง’
- ตัวแปรควบคุม (Controlled variable) คือสิ่งที่ผู้ทดลอง ‘ต้องควบคุมให้เหมือนกันทั้งหมด’ ไม่อย่างนั้นอาจกระทบต่อผลการทดลองได้
ยกตัวอย่างเช่น จากปัญหา “แสงจากหลอดไฟช่วยให้พืชสังเคราะห์ด้วยแสงได้หรือไม่” เราจึงออกแบบการทดลองโดยกำหนด
ตัวแปรต้น = แหล่งกำเนิดแสงที่ให้พืชใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสงที่แตกต่างกัน คือ แสงจากดวงอาทิตย์และแสงจากหลอดไฟ
ตัวแปรตาม = ข้อมูลที่สะท้อนถึงอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช เช่น เรารู้ว่าผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชคือแป้ง น้ำตาล และออกซิเจน จึงเลือกวัดปริมาณแป้งและน้ำตาลที่สะสมในใบพืช ตัวแปรตามของการทดลองครั้งนี้จึงเป็นปริมาณแป้งและน้ำตาลที่สะสมในใบพืช
ตัวแปรควบคุม = สิ่งที่เราต้องควบคุมให้เหมือนกันทั้งหมดในการทดลอง สำหรับการทดลองนี้จะเป็นชนิดและอายุของพืชที่ใช้ ปริมาณดินและขนาดกระถาง ปริมาณน้ำที่รดให้พืชในแต่ละวัน จำนวนชั่วโมงที่พืชได้รับแสง เป็นต้น
โดยในการทดลองทางวิทยาศาสตร์นั้น เราจะจัดชุดการทดลองเป็น 2 กลุ่มเพื่อเปรียบเทียบผลที่เกิดขึ้น ได้แก่ ชุดควบคุม และชุดทดลอง
- ชุดควบคุม คือตัวอย่างที่เป็นปกติ ไม่มีการเพิ่มหรือลดตัวแปรต้นเข้าไปเลย เพื่อเอาไว้เปรียบเทียบกับชุดทดลอง หากยกตัวอย่างจากการทดลอง “แสงจากหลอดไฟช่วยให้พืชสังเคราะห์ด้วยแสงได้หรือไม่” ของเรา ชุดควบคุมก็ควรเป็นพืชที่สังเคราะห์ด้วยแสง โดยรับแสงจากดวงอาทิตย์อย่างเดียว
- ชุดทดลอง คือตัวอย่างที่ มีการเพิ่มหรือลดระดับตัวแปรต้น เพื่อดูอิทธิพลของตัวแปรต้นต่อการทดลองนี้ ยกตัวอย่างเช่น การทดลองปลูกพืชโดยให้รับแสงจากดวงอาทิตย์ในตอนกลางวัน และให้รับแสงจากหลอดไฟเพิ่มในเวลากลางคืน 1, 2, 3, 4 และ 5 ชั่วโมงตามลำดับ
นอกจากนี้ในการทดลองสำหรับงานวิจัยที่จริงจังมากขึ้นจะมีการทำ ‘ชุดการทดลองซ้ำ (Duplicate)’ โดยจะจัดชุดควบคุมและชุดทดลองซ้ำตั้งแต่ 3 - 5 ชุดขึ้นไป เพื่อลดความคลาดเคลื่อนหรือผลจากปัจจัยภายนอกที่อยู่เหนือการควบคุมของเรานั่นเอง
การบันทึกผลและวิเคราะห์ข้อมูล (Data analyze)
จากนั้นจึงบันทึกผลที่เกิดขึ้น เพื่อน ๆ อาจคอยสังเกตความเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า หรืออาจเก็บตัวอย่างมาวัดค่าที่ต้องการเมื่อครบระยะเวลาศึกษาที่กำหนดไว้ จากนั้นจึงวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้เพื่อหาข้อสรุป
การสรุปผล (Conclusion)
เมื่อเราทำการทดลอง วัดค่าต่าง ๆ ที่เกิดขึ้น และวิเคราะห์ข้อมูลเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนสุดท้ายก็คือการสรุปผลว่า ผลการทดลองที่ได้ตรงกับสมมติฐานของเราหรือไม่ จากนั้นจึงนำเสนอในรูปแบบรายงาน หรือตีพิมพ์ผลงานวิจัยในวารสารวิชาการต่าง ๆ ต่อไปเพื่อให้ผู้ที่สนใจได้นำองค์ความรู้ของเราไปศึกษาต่อนั่นเอง
เป็นยังไงกันบ้างกับบทเรียนกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่ StartDee นำมาฝาก ยากและซับซ้อนใช่ย่อยเลยนะ แต่ถ้าเพื่อน ๆ ได้เห็นภาพการทำงาน และได้ทดลองทำวิจัยด้วยกระบวนการทางวิทยาศาสตร์จริง ๆ ก็จะพบว่าเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพมาก ๆ เลยล่ะ นอกจากนี้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ยังเป็นแนวทางการศึกษาที่นำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่มากมาย ทำให้มนุษย์เข้าใจกลไกของสิ่งต่าง ๆ รอบตัวและใช้ประโยชน์จากสิ่งเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้นด้วย แต่ถ้าเพื่อน ๆ อยากเห็นตัวอย่างการทดลองอื่น ๆ ก็สามารถเข้าไปดูในแอปพลิเคชัน StartDee ได้เลย หรือจะไปศึกษาบทเรียนวิทยาศาสตร์เรื่อง โครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์ การลำเลียงของพืช ต่อก็ได้ นอกจากนั้น เพื่อน ๆ ยังข้ามไปเรียนวิชาคณิตศาสตร์ได้ด้วย กับบทเรียนออนไลน์เรื่องการบวกลบจำนวนเต็ม ส่วนวิชาภาษาไทยนั้น เรามีวรรณคดีเรื่องกาพย์เห่ชมเครื่องคาวหวาน และนิราศภูเขาทองด้วยนะ เพื่อน ๆ ลุยกันได้เลย !
ขอบคุณข้อมูลจาก: ธวัลรัตน์ จันทร์ศิริ (ครูดาด้า)
Reference:
จิรัสย์ เจนพาณิชย์. (2552). บทนำชีววิทยา. In Biology for high school students (13th ed., pp. 1–2). บูมคัลเลอร์ไลน์, กรุงเทพฯ.