ทักษะทางวิทยาศาสตร์และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เป็นทักษะการคิดของนักวิทยาศาสตร์ที่นำมาใช้ในการศึกษาค้นคว้า สืบเสาะหาความรู้ และแก้ปัญหาต่างๆ 

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ได้แบ่งออกเป็น 13 ทักษะ

   1. การสังเกต ( observation ) หมายถึง  การใช้ประสาทสัมผัสอย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่างรวมกัน ได้แก่  ตา  หู  จมูก  ลิ้น  และผิวกาย  เข้าไปสัมผัสโดยตรงกับวัตถุหรือเหตุการณ์เพื่อค้นหาข้อมูล ซึ่งเป็นรายละเอียดของสิ่งนั้น  โดยไม่ใส่ความเห็นของผู้สังเกตลงไปด้วย  ข้อมูลที่ได้จากการสังเกต ประกอบด้วย 

1.  ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่าง  ลักษณะและสมบัติ 

2.  ข้อมูลเชิงปริมาณ 

3.  ข้อมูลที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นจากวัตถุหรือเหตุการณ์นั้น  

ผู้ที่มีทักษะการสังเกต ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  การชี้บ่งและการบรรยายสมบัติของวัตถุได้ โดยการใช้ประสาทสัมผัสอย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่าง

2.  บรรยายสมบัติเชิงปริมาณของวัตถุได้ โดยการกะประมาณ

3.  บรรยายการเปลี่ยนแปลงของสิ่งที่สังเกตได้ 

    2. การวัด ( measurement ) หมายถึง ความสามารถในการเลือกใช้เครื่องมือในการวัดอย่างเหมาะสม  และใช้เครื่องมือนั้นหาปริมาณของสิ่งต่างๆ  ออกมาเป็นตัวเลขได้ถูกต้องและรวดเร็วโดยมีหน่วยกำกับ  ตลอดจนสามารถอ่านคำที่วัดได้ถูกต้องและใกล้เคียงกับความเป็นจริง 

ผู้ที่มีทักษะการวัด  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  เลือกเครื่องมือที่เหมาะสมในการวัดปริมาณต่าง ๆ ของสิ่งที่ศึกษา

2.  ใช้เครื่องมือวัดปริมาณต่างๆ ได้อย่างถูกต้อง  แม่นยำ   รวดเร็ว

3.  คิดวิธีการที่จะหาค่าปริมาณต่างๆ ได้ ในกรณีที่ไม่อาจใช้เครื่องมือวัดปริมาณนั้นได้โดยตรง

4.  เลือกหน่วยที่มีค่ามาก ๆ  หรือน้อยๆ นิยมใช้คำอุปสรรคแทนพนุคูณปริมาณนั้น  ๆ

5.  บอกความหมายของปริมาณซึ่งได้จากการวัดได้อย่างเหมาะสม  กล่าวคือ ปริมาณที่ได้จากการวัด ละเอียดถึงทศนิยมหนึ่งตำแหน่งของหน่วยย่อยที่สุดเท่านั้น

6.  บอกความหมายของเลขนัยสำคัญได้

    3. การจำแนกประเภท ( classification )  หมายถึง การจัดแบ่งหรือเรียงลำดับวัตถุหรือสิ่งที่อยู่ในปรากฏการณ์ต่างๆ ออกเป็นพวกๆ โดยมีเกณฑ์ในการจัดแบ่ง  เกณฑ์ดังกล่าวอาจใช้ความเหมือน ความแตกต่าง หรือความสัมพันธ์อย่างใดอย่างหนึ่งก็ได้  

ผู้ที่มีทักษะการจำแนกประเภท ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้  ประกอบด้วย

1.   เรียงลำดับหรือแบ่งพวกสิ่งต่าง ๆ จากเกณฑ์ที่ผู้อื่นกำหนดให้ได้

2.  เรียงลำดับหรือแบ่งพวกสิ่งต่าง ๆ โดยใช้เกณฑ์ของตนเองได้

3.  บอกเกณฑ์ที่ผู้อื่นใช้เรียงลำดับหรือแบ่งพวกได้

   4. การหาความสัมพันธ์ระหว่างสเปชกับสเปชและสเปชกับเวลา ( space/spacerelationships and space/time relationships )

สเปชของวัตถุ หมายถึง ที่ว่างที่วัตถุนั้นครองที่  ซึ่งจะมีรูปร่างลักษณะเช่นเดียวกับวัตถุนั้น  โดยทั่วไปแล้วสเปชของวัตถุจะมี 3 มิติ  คือ  ความกว้าง  ความยาว  และความสูง 

ความสัมพันธ์ระหว่างสเปชกับสเปชของวัตถุ ได้แก่ ความสัมพันธ์ระหว่าง 3 มิติ กับ 2 มิติ  ความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุหนึ่งกับอีกวัตถุหนึ่ง  

ผู้ที่มีทักษะการหาความสัมพันธ์ระหว่างสเปชกับสเปชของวัตถุ  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  การชี้บ่งรูป 2 มิติ  และวัตถุ 3 มิติที่กำหนดได้

2.  สามารถวาดภาพ 2 มิติ  จากวัตถุ  หรือภาพ 3 มิติที่กำหนดได้

3.  บอกชื่อของรูป  และรูปทรงเรขาคณิตได้

4.  บอกความสัมพันธ์ระหว่าง 2 มิติ กับ 3 มิติได้

4.1 ระบุรูป 3 มิติ   ที่เห็นเนื่องจากการหมุนรูป 2 มิติ

4.2  เมื่อเห็นเงา  ( 2 มิติ )  ของวัตถุสามารถบอกรูปทรงของวัตถุต้นกำเนิดเงา

4.3  เมื่อเห็นวัตถุ ( 3 มิติ ) สามารถบอกเงา ( 2 มิติ ) ที่จะเกิดขึ้นได้

4.4  บอกรูปของรอยตัด ( 2 มิติ ) ที่เกิดจากการตัดวัตถุ ( 3 มิติ ) ออกเป็น  2  ส่วน  

ความสัมพันธ์ระหว่างสเปชกับเวลา  ได้แก่  ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุกับเวลา  หรือความสัมพันธ์ระหว่างสเปชของวัตถุที่เปลี่ยนไปกับเวลา ผู้ที่มีทักษะการหาความสัมพันธ์ระหว่างสเปชกับสเปชกับเวลา  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  บอกตำแหน่งหรือทิศทางของวัตถุได้

2.  บอกได้ว่าวัตถุอยู่ในตำแหน่งหรือทิศทางใดของอีกวัตถุหนึ่ง

3.  บอกความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุกับเวลาได้

4.  บอกความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งของที่อยู่หน้ากระจก  และภาพที่ปรากฏในกระจกว่าเป็นซ้ายหรือขวาของกันและกันได้

5.  บอกความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงขนาด  หรือปริมาณของสิ่งต่าง ๆ กับเวลาได้

   5. การคำนวณ ( using  numbers )  เป็นการนำค่าที่ได้จากการสังเกตเชิงปริมาณ  การวัด  การทดลอง  และจากแหล่งอื่น ๆ มาจัดกระทำให้เกิดค่าใหม่  โดยนับและนำตัวเลขที่แสดงจำนวนที่นับได้มาคิดคำนวณโดยการ  บวก   ลบ   คูณ   หาร  และหาค่าเฉลี่ยยกกำลังสองหรือถอดราก  เพื่อใช้ในการสื่อความหมายให้ชัดเจนและเหมาะสม 

ผู้ที่มีทักษะการคำนวณ   ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  หาผลลัพธ์ของการบวก และการลบปริมาณที่ได้จากการวัดได้อย่างถูกต้อง

2.  หาผลลัพธ์ของการคูณและการหาปริมาณที่ได้จาการวัดได้อย่างถูกต้อง

3.  หาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรจากข้อมูล  โดยใช้ความรู้คณิตศาสตร์ในเรื่องการแปรผัน  การสร้างสมการ   มาสร้างเป็นสูตรได้

4.  คำนวณเกี่ยวกับปริมาณที่มีคำอุปสรรคประกอบหน่วยได้อย่างถูกต้อง

   6. การจัดกระทำ และการสื่อความหมายข้อมูล ( organizing data  and communica tion )    หมายถึง  การนำข้อมูลดิบที่ได้จากการสังเกต  การวัด  การทดลอง  หรือจากตำแหน่งอื่น ๆ  มาจัดกระทำเสียใหม่  โดยอาศัยวิธีการต่าง ๆ เช่น  การหาความถี่  การเรียนลำดับ  การจัดแยกประเภท  การคำนวณหาค่าใหม่  เป็นต้น

การสื่อความหมายข้อมูล  หมายถึง  การนำข้อมูลที่จัดกระทำนั้นมาเสนอหรือแสดงให้บุคคลอื่นเข้าใจความหมายของข้อมูลชุดนั้นดีขึ้น  อาจนำเสนอในรูปของตาราง  แผนภูมิ  แผนภาพ  ไดอะแกรม  วงจร  กราฟ  สมการ เขียนบรรยาย หรือย่อความพอสังเขป  เป็นต้น 

ผู้ที่มีทักษะการจัดกระทำ  และการสื่อความหมายข้อมูล ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  เลือกรูปแบบที่จะใช้การเสนอข้อมูลได้เหมาะสม

2.  บอกเหตุในการเลือกรูปแบบที่จะใช้ในการเสนอข้อมูล

3.  ออกแบบการเสนอข้อมูลตามรูปแบบที่เลือกไว้ได้

4.  เปลี่ยนแปลงข้อมูลให้อยู่ในรูปแบบใหม่ที่เข้าใจดีขึ้น

5.  บรรยายลักษณะสิ่งใดสิ่งสิ่งหนึ่งด้วยข้อความที่เหมาะสม   กะทัดรัด สื่อความหมายให้ผู้อื่นเข้าใจได้

   7. การลงความเห็นจากข้อมูล ( inferring ) ที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้คือ สามารถอธิบายหรือสรุป  โดยเพิ่มความคิดเห็นให้กับข้อมูล  โดยใช้ความรู้หรือประสบการณ์เดิมมาช่วยหมายถึง การเพิ่มความคิดเห็นให้กับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตอย่างมีเหตุผล  โดยอาศัยความรู้  หรือประสบการณ์เดิมมาช่วย  ข้อมูลนี้อาจจะได้มาจากการสังเกต  การวัด  หรือการทดลอง   การลงความเห็นจากข้อมูลชุดเดียวกัน  อาจลงความเห็นหรือมีคำอธิบายได้หลายอย่างทั้งนี้เนื่องจากประสบการณ์  และความรู้เดิมต่างกัน  แต่อย่างไรก็ตาม  การลงความเห็นนั้นต้องเป็นไปอย่างสมเหตุสมผลกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น  หรือข้อมูลที่สังเกตได้

การลงความเห็นต่างจากข้อมูล   ต่างจากการทำนายในแง่ที่ว่า  การลงความเห็นจากข้อมูลไม่ได้บอกเหตุการณ์ในอนาคต  เป็นแค่เพียงการอธิบาย  หรือหาความหมายของข้อมูล  โดยอาศัยความรู้หรือประสบการณ์เดิมมาช่วยเท่านั้น

ผู้ที่มีทักษะการลงความเห็นจากข้อมูล  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้คือ สามารถอธิบายหรือสรุป  โดยเพิ่มความคิดเห็นให้กับข้อมูล  โดยใช้ความรู้หรือประสบการณ์เดิมมาช่วย

   8.  การพยากรณ์  ( prediction ) เป็นการคาดคะเนคำตอบหรือสิ่งที่จะเกิดล่วงหน้า โดยอาศัยข้อมูลที่ได้จากการสังเกตหรือข้อมูลจากประสบการณ์ที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ  หลักการ  กฎ  หรือทฤษฎีในเรื่องนั้นมาช่วย  การทำนายที่แม่นยำเป็นผลจากการสังเกตที่รอบคอบ  การวัดที่ถูกต้อง  การบันทึกและการกระทำกับข้อมูลอย่างเหมาะสม

การทำนายเกี่ยวกับตัวเลข  ได้แก่ ข้อมูลที่เป็นตารางหรือกราฟทำได้  2 แบบ  คือ การทำนายภายในขอบเขตของข้อมูลที่มีอยู่ ( interpolating )  และการทำนายภายนอกขอบเขตข้อมูลที่มีอยู่ ( extrapolating ) 

ผู้ที่มีทักษะการพยากรณ์  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  พยากรณ์ผลที่จะเกิดขึ้นจากข้อมูลที่เป็นหลักการ  กฎ  หรือทฤษฎีที่มีอยู่ได้

2.  พยากรณ์ผลที่จะเกิดขึ้นภายในขอบเขตข้อมูลเชิงปริมาณที่มีอยู่ได้

3.  ทำนายผลที่จะเกิดขึ้นภายนอกขอบเขตของข้อมูลเชิงปริมาณที่มีอยู่ได้

   9. การตั้งสมมติฐาน ( formulating  hypotheses ) หมายถึง  การคิดหาคำตอบล่วงหน้า  ก่อนจะกระทำการทดลองโดยอาศัยการสังเกต  ความรู้  ปละประสบการณ์เดิมเป็นพื้นฐาน  คำตอบที่คิดหาล่วงหน้านี้ยังไม่เป็นหลักการ  กฎ หรือทฤษฎีมาก่อน  สมมติฐานหรือคำตอบที่คิดไว้ล่วงหน้ามักกล่าวไว้เป็นข้อความที่บอกความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้น ( ตัวแปรอิสระ )  กับตัวแปรตาม สมมติฐานที่ตั้งไว้ อาจถูกหรือผิดก็ได้ซึ่งจะทราบภายหลังการทดลองเพื่อหาคำตอบสนับสนุน  หรือคัดค้านสมมติฐานที่ตั้งไว้  นอกจากนี้การตั้งสมมติฐานควรตั้งให้มีขอบเขตกว้างขวาง  ครอบคลุมประเด็นต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับปัญหาให้มากที่สุด  เท่าที่จะเป็นไปได้

ผู้ที่มีทักษะการตั้งสมมติฐาน  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้  ประกอบด้วย

1.  หาคำตอบล่วงหน้าก่อนการทดลอง  โดยอาศัยการสังเกต  ความรู้และประสบการณ์เดิมได้

2.  สร้างหรือแสดงให้เห็นวิธีที่จะทดสอบสมติฐานได้

3.  แยกแยะการสังเกตที่สนับสนุนสมติฐานและไม่สนับสนุนสมติฐานออกจากกันได้

   10. การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ ( defining  operationally ) หมายถึง  การกำหนดความหมายและขอบเขตของตัวแปรที่อยู่ในสมติฐานที่ต้องการทดสอบให้เข้าใจตรงกัน  และสามารถสังเกตหรือวัดได้

นิยามเชิงปฏิบัติการมีสาระสำคัญ 2 ประการคือ

1.  ระบุสิ่งที่สังเกต

2.  ระบุการกระทำซึ่งอาจได้จากการวัด  ทดสอบ  หรือจากการทดลอง

สิ่งที่ควรคำนึงถึงในการให้นิยามเชิงปฏิบัติการ  มีดังนี้

1.  ควรใช้ภาษาที่ชัดเจน  ไม่กำกวม

2.  อธิบายถึงสิ่งที่สังเกตได้  และระบุการกระทำไว้ด้วย

3.  อาจมีนิยามเชิงปฏิบัติการมากกว่า 1 นิยามก็ได้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์สิ่งแวดล้อม   และเนื้อหาในบทเรียน

ผู้ที่มีทักษะการกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  กำหนดความหมายและขอบเขตของคำหรือตัวแปรต่าง ๆ ให้สามารถทดสอบหรือวัดได้

2.  แยกนิยามเชิงปฏิบัติการออดจากนิยามที่ไม่ใช่นิยามเชิงปฏิบัติการได้

3.  สามารถบ่งชี้ตัวแปรหรือคำที่ต้องการใช้ในการให้นิยามเชิงปฏิบัติการได้

   11. การกำหนดและควบคุมตัวแปร  ( identifying and controlling variables ) หมายถึง  การบ่งชี้ตัวแปรต้น  ตัวแปรตาม  และตัวแปรที่ต้องควบคุมในสมมติฐานหนึ่ง ๆ ในการศึกษาค้นคว้างทางวิทยาศาสตร์  ได้แบ่งตัวแปรออกเป็น 3 ประเภท  ดังนี้

1.  ตัวแปรต้น หรือตัวแปรอิสระ  ( independent  variable )  คือสิ่งที่เป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดผลต่างๆ  หรือสิ่งที่เราต้องการทดลองดูว่าเป็นสาเหตุที่ก่อให้เกิดผลเช่นนั้นจริงหรือไม่

2.  ตัวแปรตาม ( dependent  variable )  คือสิ่งที่เป็นผลเนื่องจากตัวแปรต้น  เมื่อตัวแปรต้นหรือสิ่งที่เป็นสาเหตุเปลี่ยนไป   ตัวแปรตามหรือสิ่งที่เป็นผลจะเปลี่ยนตามไปด้วย

3.  ตัวแปรควบคุม ( controlled  variable ) คือสิ่งอื่น ๆ นอกเหนือจากตัวแปรต้นที่มีผลต่อการทดลองด้วย  ซึ่งควบคุมให้เหมือน ๆ กัน  มิเช่นนั้นอาจทำให้การผลการทดลองคลาดเคลื่อน

การควบคุมตัวแปร  หมายถึง  การควบคุมตัวแปรอื่น ๆ นอกเหนือจากตัวแปรต้น  ซึ่งจะทำให้ผลการทดลองคลาดเคลื่อน  ถ้าหากไม่ควบคุมให้เหมือน ๆ กัน

ผู้ที่มีทักษะการกำหนดและควบคุมตัวแปร  ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  บ่งชี้ตัวแปรต่าง ๆ ซึ่งอาจจะมีอิทธิพลต่อพฤติกรรม  หรือสมบัติทางกายภาพ  หรือชีวภาพของระบบได้

2.  บ่งชี้ตัวแปรต้น  ตัวแปรตาม  และตัวแปรควบคุม

3.  สร้างวิธีการทดสอบ  หาผลที่เกิดจากตัวแปรตันหนึ่งตัว  หรือหลายตัวได้

4.  บ่งชี้ได้ว่าตัวแปรใดที่ไม่ได้รับการควบคุมให้คงที่ในการทดลอง  ถึงแม้ว่าตัวแปรเหล่านั้นจะเปลี่ยนแปลงไปในแบบเดียวกันในทุกกรณี

5.   บอกได้ว่าสภาพการณ์อย่างไรที่ทำให้ตัวแปรมีค่าคงที่  และสภาพการณ์อย่างไรไม่ทำให้ค่าตัวแปรคงที่

   12. การทดลอง ( experimenting ) หมายถึง  การลงลงมือปฏิบัติการทดลองจริง  และใช้อุปกรณ์ได้เหมาะสมและถูกต้อง  เพื่อหาคำตอบเพื่อทดสอบสมมติฐานที่ตั้งไว้ประกอบด้วยกิจกรรม  3 ขั้นตอน  คือ

1.  การออกแบบการทดลอง  หมายถึง  การวางแผนการทดสอบก่อนลงมือทดลองจริงเพื่อกำหนด

1.1  วิธีการทดลอง   ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมตัวแปร

1.2  อุปกรณ์ และ / หรือ สารเคมี ที่ต้องใช้ในการทดลอง

2.  การปฏิบัติการทดลอง  หมายถึง  การลงมือปฏิบัติการทดลองจริง ๆ  และใช้อุปกรณ์ได้เหมาะสมและถูกต้อง

3.  การบันทึกผลการทดลอง  หมายถึงการจดบันทึกข้อมูล  ซึ่งอาจจะเป็นผลจากการสังเกต  การวัด  และอื่น ๆ  ได้อย่างคล่องแคล่วชำนาญและถูกต้อง

ผู้ที่มีทักษะการทดลอง   ต้องมีความสามารถที่แสดงให้เห็นว่าเกิดทักษะนี้ประกอบด้วย

1.  กำหนดวิธีการทดลองได้อย่างเหมาะสม  และสอดคล้องกับสมมติฐาน โดยคำนึงตัวแปรต้น ตัวแปรตาม  และตัวแปรที่ต้องควบคุม

2.  ระบุวัสดุอุปกรณ์ และ /  หรือสารเคมี ที่จะต้องใช้ในการทดลอง

3.  ปฏิบัติการทดลอง  และใช้อุปกรณ์ได้อย่างถูกต้อง คล่องแคล่ว  และปลอดภัย

4.   บันทึกผลการทดลองได้อย่างคล่องแคล่ว  และถูกต้อง

   13. การตีความหมายข้อมูลและการลงข้อสรุป ( interpreting data conclusion ) หมายถึง  การแปลความหมายหรือบรรยายลักษณะข้อมูลที่มีอยู่  การตีความข้อมูลในบางครั้งอาจต้องใช้ทักษะกระบวนการอื่น ๆ ด้วย  เช่น  ทักษะการสังเกต  ทักษะการคำนวณ  เป็นต้น   การลงข้อสรุป  หมายถึง  การสรุปความสัมพันธ์ของข้อมูลทั้งหมด

ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มักอยู่ในรูปของสัญลักษณ์  ตาราง  รูปภาพ  หรือกราฟ  ฯลฯ  ที่รวบรวมรายละเอียดต่าง ๆ ของข้อมูลไว้อย่างครบถ้วนและกะทัดรัด  สะดวกต่อการนำไปใช้  และการนำข้อมูลไปใช้จำเป็นต้องตีความหมายข้อมูลดังกล่าวให้อยู่ในรูปของภาษาพูด  หรือ  ภาษาเขียน  ที่สื่อความหมายกับคนทั่วๆ ไปได้โดยเป็นที่เข้าใจตรงกัน