กฎของพาสคัลสู่แขนกลไฮดรอลิกกู้ภัยพิบัติ

การเรียนรู้เกี่ยวกับการคำนวณ หรือโจทย์ทางฟิสิกส์ ในบางครั้งนักเรียนอาจไม่เข้าใจหรือไม่เห็นภาพ หรือการนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน ว่าเรื่องที่เราเรียนในชั้นเรียนจะนำไปสู่การเชื่อมโยงประสบการณ์ในชีวิตประจำวันได้อย่างไร ผมจึงได้มีการคิดและออกแบบกิจกรรมจากในชั้นเรียนสู่กิจกรรมนอกห้องเรียน เพื่อส่งเสริมให้นักเรียนมีความรู้ ทักษะการคิดวิเคราะห์ การคิดสร้างสรรค์ โดยใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์และคณิตศาสตร์ ผ่านกิจกรรม "การเรียนรู้การออกแบบเชิงวิศวกรรมผ่านการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก"

การเรียนรู้การออกแบบเชิงวิศวกรรมผ่านการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก เป็นกิจกรรมที่ส่งเสริมให้นักเรียนได้พัฒนาทักษะและศักยภาพของตัวเอง โดยเป็นกลยุทธ์ในการจัดการเรียนรู้ที่มุ่งเน้นให้นักเรียนเกิดความสนใจและกระตุ้นการเรียนรู้ และการประยุกต์ใช้ความรู้ของนักเรียน เรื่อง กฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) สู่ภารกิจการแข่งขันแขนกลไฮดรอลิกเพื่อพิชิตภารกิจที่ได้รับมอบหมายในการช่วยเหลือประชาชนในสถานการณ์จำลอง

โดยเนื้อหาที่สอดแทรกในกิจกรรม นักเรียนจะเรียนรู้การประยุกต์ใช้ กฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) โดยระบบไฮดรอลิกเป็นระบบการถ่ายทอดกำลังงานของการไหลให้เป็นพลังงานกล หนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่นิยมพูดถึงเกี่ยวกับกฎของพาสคัล คือ เครื่องอัดไฮดรอลิก (Hydraulic Press Machine) โดยเป็นเครื่องมือถ่ายทอดแรงดันผ่านของเหลวที่บีบอัดได้ยาก หรือไม่ได้เลย ทำให้เกิดแรงดันที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ใช้ประโยชน์ในการยกสิ่งของที่มีขนาดใหญ่ เช่น รถยนต์ รถบรรทุก เป็นต้น

กิจกรรมการเรียนรู้การออกแบบเชิงวิศวกรรมผ่านการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก กู้ภัยพิบัติ

วัตถุประสงค์

1. เพื่อส่งเสริมให้นักเรียนมีความรู้ ทักษะการคิดวิเคราะห์ การคิดสร้างสรรค์ โดยใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์และคณิตศาสตร์

2. เพื่อพัฒนาการการเรียนรู้ในเชิงวิศวกรรม และมุ่งเน้นให้นักเรียนมีกระบวนการคิดอย่างเป็นระบบ

3. เพื่อพัฒนาทักษะในศตวรรษที่ 21 ด้านการแก้ปัญหาในสถานการณ์ต่างๆ ในการนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน

ขั้นนำ นักเรียนศึกษาและเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่อง กฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) ในชั้นเรียน เพื่อให้นักเรียนได้พัฒนาความรู้ ความเข้าใจในเนื้อหาในชั้นเรียน เรื่อง ของไหล และเรียนรู้เกี่ยวกับหลักการ ทฤษฎี และกระบวนการทำงานของระบบไฮดรอลิก ซึ่งเป็นความรู้ในการพัฒนา ออกแบบและประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิกในการแข่งขันภารกิจ “แขนกลไฮดรอลิก กู้ภัยพิบัติ”

โดยระบบไฮดรอลิกที่นักเรียนนำมาประยุกต์ใช้ในการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก เพื่อกู้ภัยพิบัตินั้น นักเรียนจะใช้กระบอกฉีดยาทำหน้าที่เป็นสูบ ในการผลักดัน และใช้น้ำเปล่าเป็นของไหลในระบบไฮดรอลิก

กิจกรรมการเรียนรู้ผ่านกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม (ENGINEERING DESIGN PROCESS)

>>ขั้นที่ 1 ASK : What is the problem?

นักเรียนศึกษาปัญหาจากสถานการณ์จำลองที่ได้รับหมายให้ทำภารกิจ เพื่อให้เกิดความเข้าใจถึงปัญหาของกลุ่มเป้าหมาย หรือสถานการณ์ที่เกิดขึ้น และวิเคราะห์เงื่อนไข ขีดจำกัดของสถานการณ์ เพื่อนำข้อมูลต่างๆ ที่ได้ศึกษานำไปสู่การออกแบบและสร้างชิ้นงานหรือวิธีการการแก้ปัญหา โดยมีสถานการณ์จำลอง ดังนี้

"จากสถานการณ์พายุซินลากูทาฝนถล่มหลายจังหวัดในภาคเหนือและภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ส่งผลให้น้ำป่าไหลหลากเข้าท่วมบ้านเรือนของประชาชนหลายหลังได้รับความเสียหาย ประชาชนเดือดร้อน ภารกิจนี้จึงเป็นเกมที่ต้องใช้ความคิดในการประดิษฐ์และออกแบบแขนกลไฮดรอลิกได้อย่างคล่องตัว สมมติให้แขนกลไฮดรอลิกมีหน้าที่ในการช่วยอพยพประชาชน สิ่งของจากบริเวณที่ถูกน้าท่วม ไปยังบริเวณพื้นที่สูง เพื่อให้ประชาชนในพื้นที่ดังกล่าวปลอดภัยจากสถานการณ์น้าป่าไหลหลากดังกล่าว"

>>ขั้นที่ 2 IMAGINE : Brainstorm! What are some solution?

นักเรียนร่วมกันรวบรวมข้อมูลและแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับแนวทางการแก้ปัญหาและประเมินความเป็นไปได้ ข้อดีและข้อจำกัดจากภารกิจที่ได้รับ โดยนำความรู้เรื่องกฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) มาใช้ในการออกแบบแขนกลไฮดรอลิก เพื่อกู้ภัยพิบัติตามโจทย์ภารกิจ โดยนักเรียนสามารถออกแบบได้ตามความคิด ความเข้าใจ และสร้างสรรค์สิ่งประดิษฐ์ดังกล่าวได้อย่างอิสระภายใต้ข้อจำกัดของอุปกรณ์ที่ทุกทีมได้รับและเงื่อนไข กติกา ในการทำภารกิจ

**อุปกรณ์ที่นักเรียนได้รับ

1. กล่องกระดาษ (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

2. กระบอกฉีดยา ขนาด 10 ml. หรือ 20 ml. จะใช้ขนาดใดก็ได้ แต่รวมกันไม่เกิน 10 อัน

3. เคเบิ้ลไทร์ (Cable Ties) หรือ หนวดกุ้ง (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

4. กาวร้อน (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

5. ตะเกียบไม้ หรือ ไม้เสียบลูกชิ้น (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

6. ลวด (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

7. กรรไกร (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

8. คัตเตอร์ (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

9. แผ่นรองตัด หรือ กระดานไม้อัดสาหรับรองตัดกระดาษลัง (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

10. คีมตัดลวด (ไม่กำหนดรูปแบบและไม่จำกัดจำนวน)

11. สายยางออกซิเจนตู้ปลา ความยาวระหว่าง 1.25 – 2.0 เมตร จานวน 4 เส้น

12. ท่อ PVC ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1/2 นิ้ว – 3/4 นิ้ว จานวน 2 อัน

**กฎข้อบังคับของแขนกลไฮดรอลิก (Hydraulic arm)

1. ใช้แขนกลไฮดรอลิก (Hydraulic arm) 1 ตัวสาหรับการแข่งขัน แขนกลไฮดรอลิก (Hydraulic arm) ต้องมีขนาดความกว้างของฐานไม่เกิน 1 เมตรและความยาวไม่เกิน 1 เมตร ขนาดความสูงของแขนกลไฮดรอลิก (Hydraulic arm) รวมฐานสูงไม่เกิน 1 เมตร

2. แขนกลไฮดรอลิก (Hydraulic arm) ต้องสามารถยืดแขนได้มากกว่า 50 เซนติเมตร จากจุดหมุนที่ตาแหน่งของฐาน เพื่อให้สามารถทาภารกิจกู้ภัยพิบัติได้

>>ขั้นที่ 3 PLAN : What materials will you need?

นักเรียนร่วมกันออกแบบชิ้นงานหรือวิธีการในการแก้ปัญหา โดยคำนึงถึงทรัพยากร ข้อจำกัดและเงื่อนไขตามสถานการณ์ที่กำหนด โดยระบบไฮดรอลิกนั้น นักเรียนแต่ละทีมจะใช้กระบอกฉีดยาเป็นสูบในการผลักดัน และใช้น้ำเปล่าเป็นของไหลในระบบ โดยการเลือกขนาดกระบอกสูบนั้นนักเรียนจะออกแบบและเลือกขนาดเอง ภายใต้ข้อจำกัดและเงื่อนไขเดียวกัน

>>ขั้นที่ 4 CREATE : Follow your plan and build what you have designed. 

นักเรียนวางแผนและกำหนดลำดับขั้นตอนของการสร้างชิ้นงานหรือวิธีการ และสร้าง Prototype หรือชิ้นงานต้นแบบ เพื่อนำไปทดสอบในการทำภารกิจตามสถานการณ์ที่ได้รับมอบหมาย โดยรูปแบบการประดิษฐ์นักเรียนสามารถสร้างชิ้นงานต้นแบบ (Prototype) ได้อย่างอิสระภายใต้ข้อจำกัดและเงือนไข

>>ขั้นที่ 5 TEST / IMPROVE : Did my design work? Make your design even better.

นักเรียนนำ Prototype หรือแขนกลไฮดรอลิกต้นแบบ ทดสอบการใช้งาน และทดสอบประสิทธิในการทำภารกิจกู้ภัยพิบัติ ตามที่กติกากำหนด และปรับปรุง พัฒนาชิ้นงานให้ดึขึ้น

>>ขั้นที่ 6 SHARE : Share your design and successes with whole group.

นักเรียนแต่ละทีมนำแขนกลไฮดรอลิกที่ได้นำความรู้เรื่อง กฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) มาใช้ในการออกแบบและประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก ที่ผ่านการทดสอบ ปรับปรุงจุดบกพร่องของการออกแบบ เป็นที่เสร็จสิ้น เข้าสู่การแข่งขันแขนกลไฮดรอลิก ในภารกิจ “แขนกลไฮดรอลิก กู้ภัยพิบัติ” และประเมินผลการนำความรู้ ความเข้าใจที่ได้เรียนรู้ ประเมินการออกแบบและการทำงานของแขนกลไฮดรอลิก โดยมีเกณฑ์การเเข่งขันเขามาเพื่อเป็นเกณฑ์ที่ใช้ในการวัดและประเมินผลการเรียนรู้การออกแบบเชิงวิศวกรรม

**การคิดคะแนน จะนับเฉพาะวัตถุ (ประชาชน หรือสิ่งของ) ที่วางบนพื้นที่สูงและวางโดยไม่ล้มเท่านั้น ดังนี้

- ประชาชน (รูปทรงเรขาคณิต) จานวน 4 อัน อันละ 20 คะแนน

- สิ่งของ (รูปทรงเรขาคณิต) จานวน 2 อัน อันละ 10 คะแนน

- กรณีที่วางวัตถุ (ประชาชนหรือสิ่งของ) บนพื้นที่สูงแล้วล้ม จะได้คะแนนอันละ 5 คะแนน

คะแนนรวมทั้งหมดของภารกิจ 100 คะแนน

**เกณฑ์การประเมิน

การประเมินจะใช้คะแนนจากการทาภารกิจ โดยมีรายละเอียดการประเมินดังนี้

รางวัลระดับเหรียญทอง มีคะแนนระหว่าง 80.00 – 100.00 คะแนน

รางวัลระดับเหรียญเงิน มีคะแนนระหว่าง 70.00 – 79.99 คะแนน

รางวัลระดับเหรียญทองแดง มีคะแนนระหว่าง 60.00 – 69.99 คะแนน

เข้าร่วมการแข่งขัน มีคะแนนต่ากว่า 60.00 คะแนน

**สนามที่ใช้ในการทำภารกิจ “แขนกลไฮดรอลิก กู้ภัยพิบัติ” (กติกาและเงือนไขศึกษาได้จากไฟล์ดาวน์โหลด)

สรุปผลการทำกิจกรรมการเรียนรู้การออกแบบเชิงวิศวกรรมผ่านการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิก

โดยประยุกต์ใช้ความรู้เรื่อง กฎของพาสคัลและไฮดรอลิก (Pascal' law and Hydraulic) นั้น นักเรียนทุกทีมความเข้าใจในหลักการและการทำงานของระบบไฮดรอลิก โดยแขนกลไฮดรอลิกของทุกทีมสามารถเคลื่อนไหว ขยับส่วนของแขนกลที่บังคับการทำงานด้วยระบบไฮดรอลิกได้ นักเรียนเกิดความสนุก และท้าทาย ในการทำภารกิจ “แขนกลไฮดรอลิก กู้ภัยพิบัติ” เพื่อทำการช่วยเหลือประชาชนที่เกิดภัยพิบัติในภารกิจ และนักเรียนทุกทีมผ่านการวัดและประเมินผลในด้านการออกแบบเชิงวิศวกรรมจากการประดิษฐ์แขนกลไฮดรอลิกอย่างเป็นขั้นตอน และแขนกลไฮดรอลิกสามารถทำงานได้จริง ตามที่ได้ออกแบบ ปรับปรุง พัฒนา จนมีประสิทธิภาพ