บทเรียนวิภาค: น้ำขึ้นน้ำลง

ก่อนอื่น ผมขออนุญาตบัญญัติศัพท์ใหม่เล่นๆ ขึ้นมาสักคำนะครับ ซึ่งก็คือคำว่า “บทเรียนวิภาค” ผมคิดคำนี้มาได้จากคำว่า “กายวิภาค” ซึ่งหมายถึงการศึกษาโครงสร้างของร่างกาย ดังนั้น “บทเรียนวิภาค” ในที่นี้จึงหมายถึงการศึกษาโครงสร้างของบทเรียน อันที่จริงแล้ว ผมตั้งใจจะเขียน “บทเรียนวิภาค” ไว้ในเอกสารเรื่อง “กิจกรรมการเรียนรู้ด้วยการสืบเสาะทางวิทยาศาสตร์” เพื่อแสดงให้ผู้อ่านเห็นว่า โครงสร้างของแต่ละกิจกรรมเป็นอย่างไร ส่วนต่างๆ ของแต่ละกิจกรรมทำหน้าที่อะไร และเกี่ยวข้องสัมพันธ์กันอย่างไร แต่ด้วยข้อจำกัดด้านเวลาและข้อตกลงกับสำนักพิมพ์ ผมจึงไม่สามารถใส่ “บทเรียนวิภาค” ไว้ในเอกสารนั้นได้ ผมจึงขอนำเสนอไว้ ณ ที่นี้แทนครับ ซึ่งผมจะไล่นำเสนอไปทีละกิจกรรม โดยผมจะเริ่มจากกิจกรรมเรื่องน้ำขึ้นน้ำลงก่อนครับ

สำหรับกิจกรรมเรื่องน้ำขึ้นน้ำลงนั้น ซึ่งมีจุดเน้นคือการให้นักเรียนได้ฝึกจัดกระทำและวิเคราะห์ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ ผมเริ่มต้นจากการให้นักเรียนสังเกตวีดิทัศน์เกี่ยวกับระดับน้ำทะเลที่เปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักร (ดังที่ปรากฏข้างล่าง) ทั้งนี้เพื่อนำเข้าสู่บทเรียนและเพื่อให้นักเรียนได้เห็นหลักฐานเชิงประจักษ์เกี่ยวกับปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดขึ้น

จากนั้น ผมให้นักเรียนตอบคำถาม ดังนี้ (1) น้ำขึ้นสูงสุดและน้ำลงต่ำสุดเกิดขึ้นกี่ครั้งใน 1 วัน และ (2) อะไรเป็นสาเหตุของการเกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง (ในส่วนของคำถามแรกนั้น ผมหมายความว่า จุดพีคของระดับน้ำขึ้นมีกี่ครั้งใน 1 วัน และจุดพีคของระดับน้ำลงมีกี่ครั้งใน 1 วัน)

ในส่วนของคำถามที่ 1 นั้น ผมให้นักเรียนลองวิเคราะห์ข้อมูลระดับน้ำทะเลของกรมอุทกศาสตร์ (กองทัพเรือ) โดยการเขียนกราฟด้วยมือ ทั้งนี้เพื่อฝึกให้นักเรียนได้เรียนรู้เกี่ยวกับการกำหนดแกนตั้งและแกนนอน รวมทั้งการกำหนดสเกลของแต่ละแกนและการลงจุดในกราฟด้วย ในการนี้ นักเรียนจะได้ฝึกจัดกระทำข้อมูลโดยหน่วยงานทางวิทยาศาสตร์จริงๆ (ไม่ใช่ข้อมูลที่ครูแต่งขึ้นมาลอยๆ) เพื่อตอบคำถามแรกด้วยหลักฐานเชิงประจักษ์ อันนี้เป็นสิ่งสำคัญของการเรียนรู้ด้วยการสืบเสาะทางวิทยาศาสตร์นะครับ ทั้งนี้เพราะการตอบคำถามทางวิทยาศาสตร์ใดๆ ต้องตั้งอยู่บนพื้นฐานของหลักฐานเชิงประจักษ์ ซึ่งนักเรียนจะได้คำตอบว่า น้ำขึ้นสูงสุดประมาณ 2 ครั้งต่อวัน และน้ำลงต่ำสุดประมาณ 2 ครั้งต่อวัน โดยน้ำขึ้นสูงสุดและน้ำลงต่ำสุดจะห่างกันประมาณ 6 ชั่วโมงเศษๆ ข้อสรุปนี้สำคัญนะครับ เพราะนักเรียนจะเห็นว่า เราสามารถแบ่งช่วงเวลา 1 วัน (24 ชั่วโมง) ออกเป็น 4 ช่วง นั่นคือ (1) น้ำขึ้นสูงสุด → น้ำลงต่ำสุด (2) น้ำลงต่ำสุด → น้ำขึ้นสูงสุด (3) น้ำขึ้นสูงสุด → น้ำลงต่ำสุด และ (4) น้ำลงต่ำสุด → น้ำขึ้นสูงสุด

ในส่วนของคำถามที่ 2 นั้น นักเรียนจะถูกเชิญชวนให้ตั้งข้อสังเกตว่า เหตุใดเพลงลอยกระทงท่อนหนึ่งจึงกล่าวว่า “วันเพ็ญเดือน 12 น้ำนองเต็มตลิ่ง” ซึ่งแสดงถึงความสัมพันธ์บางอย่างเกี่ยวกับลักษณะของดวงจันทร์ (วันเพ็ญ) กับระดับน้ำ (น้ำนองเต็มตลิ่ง) ซึ่งก็หมายความว่า ดวงจันทร์อาจมีส่วนเกี่ยวข้องอะไรกับระดับน้ำหรือไม่ หรือในอีกความหมายหนึ่ง ปรากฏการณ์ข้างขึ้นข้างแรมอาจมีอะไรเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงหรือไม่ ในการนี้ นักเรียนจะต้องตอบคำถามนี้ด้วยหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ โดยนักเรียนจะได้รับข้อมูล 2 ชุด ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน นั่นคือ ข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะของดวงจันทร์ ซึ่งแสดงร้อยละของพื้นที่ส่วนสว่างของดวงจันทร์ในแต่ละคืน และข้อมูลเกี่ยวกับระดับน้ำทะเลในแต่ละวัน เนื่องจากข้อมูลเหล่านี้มีจำนวนมาก นักเรียนจึงต้องใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ MS Excel ในการวิเคราะห์ข้อมูล กระบวนการนี้หากเป็นแบบปลายเปิดจริงๆ นักเรียนจะได้ใช้ความคิดสร้างสรรค์ในการจัดกระทำข้อมูล และหากนักเรียนสร้างกราฟลักษณะของดวงจันทร์เทียบกับเวลา และกราฟระหว่างผลต่างของระดับน้ำขึ้นสูงสุดกับระดับน้ำลงต่ำสุดเทียบกับเวลา นักเรียนจะเห็นว่า กราฟทั้งสองมีคาบของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นจังหวะเดียวกัน (ดังที่ปรากฏข้างล่าง โดยเส้นประสีแดงเป็นเส้นนำสายตา)

tide-moonในการนี้ นักเรียนจะต้องฝึกตีความความสัมพันธ์ระหว่างกราฟทั้งสอง รวมทั้งลงข้อสรุปว่า ปรากฏการณ์ข้างขึ้นข้างแรมและปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงเกี่ยวข้องกันอย่างไร นั่นคือ นักเรียนจะเห็นว่า ในช่วงเวลาที่ดวงจันทร์สว่างเต็มดวงและที่ดวงจันทร์มืดทั้งดวง ระดับน้ำทะเลสูงสุดและระดับน้ำทะเลต่ำสุดจะแตกต่างกันมาก (ซึ่งเราเรียกกันว่า “น้ำเกิด”) ส่วนในช่วงเวลาที่ดวงจันทร์สว่างประมาณครึ่งดวงและมืดประมาณครึ่งดวง (ทั้งขึ้น 8 ค่ำและแรม 8 ค่ำ) ระดับน้ำทะเลสูงสุดและระดับน้ำทะเลต่ำสุดจะแตกต่างกันน้อย (ซึ่งเราเรียกกันว่า “น้ำตาย”) อันนี้เป็นหลักฐานเชิงประจักษ์ชิ้นสำคัญ(ในกิจกรรมนี้)ที่แสดงว่า ดวงจันทร์มีความเกี่ยวข้องกับการขึ้นลงของระดับน้ำทะเล

จากนั้น นักเรียนควรได้รับการทบทวนเกี่ยวกับการเกิดปรากฏการณ์ข้างขึ้นข้างแรม ซึ่งเกิดจากการที่ดวงจันทร์โคจรไปยังตำแหน่งต่างๆ รอบโลก และทำให้ภาพที่เกิดจากแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบดวงจันทร์และสะท้อนมายังโลกมีลักษณะแตกต่างกันไป (ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่าง)

จากนั้น ครูจึงค่อยอภิปรายกับนักเรียนเพื่อเชื่อมโยงว่า ดวงจันทร์โคจรรอบโลกได้เพราะแรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับดวงจันทร์ ซึ่งแรงนี้มีทั้งที่โลกกระทำกับดวงจันทร์ และที่ดวงจันทร์กระทำต่อโลก (ซึ่งรวมทั้งมวลน้ำที่อยู่บนโลก) เนื่องจากน้ำเป็นของเหลวที่สามารถเคลื่อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ง่าย ดังนั้น เมื่อดวงจันทร์โคจรไปยังต่ำแหน่งต่างๆ รอบโลก แรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์กระทำต่อโลกจึงเปลี่ยนทิศทางไปด้วย และดึงดูดมวลน้ำบนโลกให้ไหลเคลื่อนไปตามตำแหน่งของดวงจันทร์ (ดังที่ปรากฏในวีดิทัศน์ข้างล่าง)

ในการนี้ นักเรียนจะถูกท้าทายด้วยหลักฐานเชิงประจักษ์ที่ว่า ณ ช่วงเวลาที่ดวงจันทร์สว่างเต็มดวงและที่ดวงจันทร์มืดทั้งดวง ผลต่างระหว่างระดับน้ำขึ้นสูงสุดและระดับน้ำลงต่ำสุดไม่ตรงกับค่าสูงสุดซะทีเดียว และ ณ ช่วงเวลาที่ดวงจันทร์สว่างและมืดประมาณครึ่งดวง ผลต่างระหว่างระดับน้ำขึ้นสูงสุดและระดับน้ำลงต่ำสุดก็ไม่ตรงกับค่าต่ำสุดซะทีเดียวเช่นกัน นั่นคือ กราฟผลต่างระหว่างระดับน้ำทะเลสูงสุดและต่ำสุดล่าช้าไปเล็กน้อย เมื่อเทียบกับกราฟลักษณะของดวงจันทร์ (ดังกราฟที่ปรากฏข้างล่าง) โดยนักเรียนจะต้องอภิปรายถึงสาเหตุที่เป็นไปได้ของความล่าช้านี้ ซึ่งเหตุผลก็คือว่า น้ำเป็นสสารที่ต้องอาศัยเวลาในการเคลื่อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ดังนั้น การเคลื่อนตัวของน้ำจึงล่าช้ากว่าลักษณะของดวงจันทร์ ซึ่งเป็นภาพที่เกิดจากแสงอาทิตย์ที่เดินทางจากดวงจันทร์มายังโลก (แสงเดินทางเร็วกว่าน้ำมากครับ)

tide-moon2

เนื่องจากการอธิบายการเกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงอาศัยความรู้ฟิสิกส์ที่ค่อนข้างซับซ้อนสำหรับนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น (ซึ่งผมก็ไม่เข้าใจว่า ทำไมเนื้อหานี้จึงอยู่ในระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น) นักเรียนส่วนใหญ่จึงไม่เข้าใจว่า เหตุใดน้ำส่วนหนึ่งจึงไปโป่งอยู่บนโลกฝั่งตรงข้ามกับดวงจันทร์ (ดังที่ปรากฏข้างล่าง) ทั้งๆ ที่แรงโน้มถ่วงชี้ไปอีกฝั่งหนึ่ง

tide-moon3

นักเรียนส่วนใหญ่มักเข้าใจว่า แรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์กระทำต่อโลกจะทำให้มวลน้ำบนโลกไหลไปรวมกันบนโลกฝั่งที่อยู่ใกล้กับดวงจันทร์เท่านั้น ซึ่งตรงนี้ครูต้องนำหลักฐานเชิงประจักษ์ที่นักเรียนได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อตอบคำถามที่ 1 มาอภิปราย เพื่อให้นักเรียนเห็นว่า หากน้ำฝั่งที่อยู่ใกล้ดวงจันทร์โป่งเพียงฝั่งเดียว ระดับน้ำทะเลจะต้องขึ้นสูงสุดและลงต่ำสุดเพียง 1 ครั้งต่อวัน ทั้งนี้เพราะเมื่อโลกหมุนรอบตัวเองครบ 1 รอบ (1 วัน) ตำแหน่งใดๆ บนโลกจะต้องผ่านบริเวณที่มีน้ำโป่งเพียง 1 ครั้งและจะผ่านบริเวณที่มีน้ำน้อยเพียง 1 ครั้งเช่นกัน ซึ่งขัดแย้งกับหลักฐานเชิงประจักษ์ที่นักเรียนได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อตอบคำถามที่ 1 ซึ่งแสดงว่า เมื่อโลกหมุนรอบตัวเองครบ 1 รอบ (1 วัน) ตำแหน่งใดๆ บนโลกจะต้องผ่านบริเวณที่มีน้ำโป่ง 2 ครั้งและจะผ่านบริเวณที่มีน้ำน้อย 2 ครั้งเช่นกัน ดังนั้น นักเรียนต้องยอมรับหลักฐานเชิงประจักษ์นี้ ซึ่งแสดงว่า น้ำโป่งทั้งฝั่งที่อยู่ใกล้กับและฝั่งที่อยู่ไกลจากดวงจันทร์ จากนั้น ครูจึงค่อยนำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับ “แรงไทดอล” เพื่ออธิบายการโป่งของน้ำทั้งสองฝั่งต่อไป

กิจกรรมน้ำขึ้นน้ำลงนี้สะท้อนธรรมชาติของวิทยาศาสตร์ในแง่ที่ว่า การตอบคำถามทางวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยหลักฐานเชิงประจักษ์ (ซึ่งมักแฝงอยู่ในชุดข้อมูลที่ซับซ้อน) นอกจากนี้ มันยังเป็นโอกาสให้นักเรียนได้ฝึกปฏิบัติงานทางวิทยาศาสตร์ด้วยข้อมูลจากหน่วยงานทางวิทยาศาสตร์จริงๆ อีกด้วย มันสะท้อนการจัดการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ “อย่างที่วิทยาศาสตร์เป็น” จริงๆ ครับ นักวิทยาศาสตร์บางคนก็ใช้วิธีการคล้ายกันนี้ในการทำงานของตนเอง (ดังตัวอย่างที่ปรากฏในงานวิจัยเรื่อง “Correlation between Cosmic Rays and Ozone Depletion“)

Comments

comments