กระบวนการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ มีกี่ขั้นตอน

วิทยาศาสตร์ from 0924729074

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

1. การตั้งปัญหา (Problem)
2. การตั้งสมติฐาน (Hypothesis)
3. การตรวจสอบสมมติฐาน (Test with experiment)
4. การบันทึกผลและวิเคราะห์ข้อมูล (Data analyze)
5. 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

1. ตัวแปรต้น หรือตัวแปรอิสระ (Independent variable) คือสิ่งที่ถูก ‘จัดให้แตกต่างกัน’ ในการทดลอง เพื่อทำการทดลองและตรวจสอบสมมติฐานของเรา
2. ตัวแปรตาม (Dependent variable) คือสิ่งที่บ่งบอก ‘ผลที่เกิดขึ้นจากการทดลอง’
3. 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

1. ชุดควบคุม คือตัวอย่างที่เป็นปกติ ไม่มีการเพิ่มหรือลดตัวแปรต้นเข้าไปเลย เพื่อเอาไว้เปรียบเทียบกับชุดทดลอง หากยกตัวอย่างจากการทดลอง “แสงจากหลอดไฟช่วยให้พืชสังเคราะห์ด้วยแสงได้หรือไม่” ของเรา ชุดควบคุมก็ควรเป็นพืชที่สังเคราะห์ด้วยแสง โดยรับแสงจากดวงอาทิตย์อย่างเดียว
2. 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.