การจัดกิจกรรมการเรียนรู้เทคโนโลยีตามแนวทางสะเต็มศึกษา

1.  ความสำคัญและความเป็นมา
    ตามที่โรงเรียนปทุมเทพวิทยาคารได้เปิดสอนในหลักสูตรส่งเสริมอัจฉริยภาพทางด้านวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อมขึ้น (Talented Program) โดยนักเรียนที่เรียนในหลักสูตรนี้จะได้เรียนเนื้อหาที่เน้นในด้านวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีที่เข้มข้นกว่าหลักสูตรอื่น ๆ และนักเรียนจะต้องมีการทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมในสาขาต่าง ๆ ตามที่นักเรียนสนใจ เพื่อส่งเสริมให้นักเรียนได้เรียนรู้ถึงขั้นตอนและกระบวนการวิจัย ซึ่งสอดคล้องกับนโยบายของกระทรวงศึกษาธิการ ในเรื่อง Coding ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อมุ่งเน้นให้นักเรียนฝึกคิดอย่างเป็นระบบ ค้นเจอปัญหาและเงื่อนไข รู้เหตุและผล เข้าใจกระบวนการทำงานเพื่อแก้ไขปัญหา ที่เป็นทักษะสำคัญและจำเป็นสำหรับนักเรียนในศตวรรษใหม่ โดยนักเรียนที่สนใจทำวิจัยในด้านเทคโนโลยี จะต้องมีความรู้และทักษะในหลากหลายด้าน เพื่อนำมาพัฒนางานวิจัยและนวัตกรรม เช่น วิทยาศาสตร์ การคิดคำนวณ ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ การเขียนโปรแกรม การออกแบบ และวิศวกรรม เป็นต้น ซึ่งเป็นเนื้อหาที่หลากหลายและมีความซับซ้อน ต้องใช้เวลานานในการเรียนรู้และทำความเข้าใจ จำเป็นอย่างยิ่งที่การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ในรายวิชาเทคโนโลยี เพื่อให้นักเรียนมีความรู้ ความเข้าใจและทักษะ สามารถนำไปใช้ในการทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมที่มีคุณภาพได้นั้น จะต้องมีการวางแผน
การจัดการเรียนรู้ให้กับนักเรียนอย่างเป็นระบบ เป็นขั้นตอน ซึ่งกระบวนการที่สามารถบูรณาการเนื้อหาที่หลากหลายรวมเข้าด้วยกันและสามารถนำมาใช้จัดกิจกรรมการเรียนรู้ภายใต้เงื่อนไขเวลาที่จำกัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ คือ สะเต็มศึกษา (STEM Education)
    สะเต็มศึกษา คือ แนวทางการจัดการศึกษาที่บูรณาการความรู้ใน 4 สหวิทยาการ ได้แก่ วิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมและคณิตศาสตร์ โดยเน้นการนำความรู้ไปใช้แก้ปัญหาในชีวิตจริง รวมทั้งการพัฒนากระบวนการหรือผลผลิตใหม่ ที่เป็นประโยชน์ต่อการดำเนินชีวิต และการทำงาน ช่วยนักเรียนสร้างความเชื่อมโยงระหว่าง 4 สหวิทยาการ กับชีวิตจริงและการทำงาน  การจัดการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษาเป็นการจัดการเรียนรู้ที่ไม่เน้นเพียงการท่องจำทฤษฎีหรือกฏทางวิทยาศาสตร์ และคณิตศาสตร์ แต่เป็นการสร้างความเข้าใจทฤษฎีหรือกฏเหล่านั้นผ่านการปฏิบัติให้เห็นจริงควบคู่กับการพัฒนาทักษะการคิด  ตั้งคำถาม  แก้ปัญหาและการหาข้อมูลและวิเคราะห์ข้อค้นพบใหม่ๆ พร้อมทั้งสามารถนำข้อค้นพบนั้นไปใช้หรือบูรณาการกับชีวิตประจำวันได้ ซึ่งการจัดการเรียนรู้ตามแนวทางสะเต็มมีลักษณะ  5  ประการได้แก่ (1) เป็นการสอนที่เน้นการบูรณาการ (2) ช่วยนักเรียนสร้างความเชื่อมโยงระหว่างเนื้อหาวิชาทั้ง 4 กับชีวิตประจำวันและการทำอาชีพ  (3) เน้นการพัฒนาทักษะในศตวรรษที่ 21  (4) ท้าทายความคิดของนักเรียน  และ (5) เปิดโอกาสให้นักเรียนได้แสดงความคิดเห็น และความเข้าใจที่สอดคล้องกับเนื้อหาทั้ง 4 วิชา  จุดประสงค์ของการจัดการเรียนรู้ตามแนวทางสะเต็มศึกษา คือ ส่งเสริมให้ผู้เรียนรักและเห็นคุณค่าของการเรียนวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ 
    ดังนั้นการจัดกิจกรรมการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษา จึงเป็นกิจกรรมที่ช่วยส่งเสริมให้นักเรียนเรียนรู้ผ่านกิจกรรมหรือโครงงานที่มุ่งแก้ปัญหาที่พบเห็นในชีวิตจริง เพื่อสร้างเสริมประสบการณ์ ทักษะชีวิต ความคิดสร้างสรรค์ นำไปสู่การสร้างงานวิจัยพัฒนานวัตกรรมที่มีคุณภาพ สามารถนำไปใช้ต่อในชีวิตจริงและพร้อมที่จะไปปฏิบัติงานที่ต้องใช้องค์ความรู้และทักษะด้านวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และเทคโนโลยีในด้านต่าง ๆ อย่างยั่งยืนและมีประสิทธิภาพ
2. วัตถุประสงค์
    1. เพื่อให้นักเรียนสามารถทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยีได้อย่างมีคุณภาพ
    2. เพื่อให้นักเรียนมีความรู้ ทักษะทางด้านการออกแบบและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยี
3. หลักการและแนวคิด
    จัดกิจกรรมการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษาในรายวิชาเทคโนโลยีสำหรับนักเรียนที่เรียนในหลักสูตรส่งเสริมอัจฉริยะภาพด้านวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ที่เลือกทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางด้านเทคโนโลยี เพื่อให้นักเรียนสามารถทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยีได้อย่างเป็นระบบ เกิดความคิดสร้างสรรค์ทางด้านเทคโนโลยี และบูรณาการความรู้ใน 4 สหวิทยาการ ได้แก่ วิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมและคณิตศาสตร์ โดยเน้นการนำความรู้ไปใช้แก้ปัญหาในชีวิตจริง รวมทั้งการพัฒนากระบวนการหรือผลผลิตใหม่ ที่เป็นประโยชน์ต่อการดำเนินชีวิต รวมถึงเปิดโอกาสให้นักเรียนได้นำเสนอผลงานนวัตกรรมที่พัฒนาขึ้น เข้าร่วมประกวดและแข่งขันทั้งในระดับจังหวัด ระดับภาคและระดับประเทศ เพื่อแลกเปลี่ยนเรียนรู้ และนำประสบการณ์ที่ได้รับกลับมาพัฒนา ปรับปรุงนวัตกรรมของตนเองให้มีคุณภาพยิ่งขึ้น
4. กระบวนการผลิตงานหรือขั้นตอนการดำเนินงาน (วิธีปฏิบัติที่เป็นเลิศ)
    การจัดการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษา ต้องอาศัยกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม ประกอบด้วย องค์ประกอบ 6 ขั้นตอน ดังนี้
    ขั้นที่ 1 ระบุปัญหาในชีวิตจริง/นวัตกรรมที่ต้องการพัฒนา
    ขั้นที่ 2 รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้อง
    ขั้นที่ 3 ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา
    ขั้นที่ 4 วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา
    ขั้นที่ 5 ทดสอบ ประเมินผล และปรับปรุง
    ขั้นที่ 6 นำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหา หรือผลการพัฒนานวัตกรรม
ขั้นที่ 1 ระบุปัญหาในชีวิตจริง/นวัตกรรมที่ต้องการพัฒนา (Problem Identification) 
    จัดกิจกรรมการเรียนรู้โดยเริ่มจากแบ่งกลุ่มนักเรียนออกเป็นกลุ่ม กลุ่มละ 3 คน แล้วให้แต่ละกลุ่มระดมความคิด วิเคราะห์ปัญหาและหาวิธีการหรือสร้างสิ่งประดิษฐ์ (Innovation) เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว ซึ่งในการแก้ปัญหานั้น คำถามหรือปัญหาที่ระบุอาจประกอบด้วยปัญหาย่อย ในขั้นตอนของการระบุปัญหา นักเรียนต้องพิจารณาปัญหาหรือกิจกรรมย่อยที่ต้องเกิดขึ้นเพื่อประกอบเป็นวิธีการในการแก้ปัญหาใหญ่ด้วย
ขั้นที่ 2 รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้อง (Related Information Search)     
    หลังจากนักเรียนทำความเข้าใจปัญหาและสามารถระบุปัญหาย่อย ขั้นตอนต่อไปคือการรวบรวม ข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาดังกล่าว ในการค้นหาแนวคิดที่เกี่ยวข้องซึ่งจะให้นักเรียนดำเนินการ เก็บรวบรวมข้อมูล คือการสืบค้นว่าเคยมีใครหาวิธีแก้ปัญหาดังกล่าวนี้แล้วหรือไม่ และหากมี
เขาแก้ปัญหาอย่างไร และมีข้อเสนอแนะใดบ้าง ซึ่งการค้นหาแนวคิด คือการค้นหาแนวคิดหรือความรู้ทางวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ หรือเทคโนโลยี ที่เกี่ยวข้องและสามารถประยุกต์ในการแก้ปัญหาได้ ซึ่งนักเรียนจะต้องพิจารณาแนวคิดหรือความรู้ทั้งหมดที่สามารถใช้แก้ปัญหาและจดบันทึกแนวคิดไว้เป็นทางเลือก และหลังจากการรวบรวมแนวคิดได้แล้ว ให้นักเรียนประเมินแนวคิด โดยพิจารณาถึงความเป็นไปได้ ความคุ้มทุน ข้อดีและจุดอ่อน และความเหมาะสมกับเงื่อนไขและขอบเขตของปัญหา แล้วจึงเลือกแนวคิดหรืออุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดในการแก้ปัญหานั้น ๆ รวมทั้งศึกษาหาความรู้ แนวทางต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในการพัฒนานวัตกรรมเพื่อใช้ในการแก้ปัญหา
ขั้นที่ 3 ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา  (Solution Design)
    หลังจากเลือกแนวคิด วิธีการและอุปกรณ์ที่เหมาะสมในการแก้ปัญหาแล้วขั้นตอนต่อไป
คือ การนำความรู้ที่ได้รวบรวมมาประยุกต์เพื่อออกแบบวิธีการและนวัตกรรม กำหนดองค์ประกอบของวิธีการหรือนวัตกรรม ทั้งนี้นักเรียนต้องอ้างอิงถึง ความรู้วิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ และเทคโนโลยีที่รวบรวมได้ ประเมิน ตัดสินใจเลือกและใช้ความรู้ที่ได้มาใน การสร้างภาพร่าง กำหนดเค้าโครงของวิธีการและนวัตกรรมที่ใช้แก้ปัญหา และค้นหาอุปกรณ์ที่จะนำมาพัฒนานวัตกรรม รวมถึงวิเคราะห์ เปรียบเทียบหาจุดเด่น จุดด้อยของอุปกรณ์นั้น ๆ ว่ามีความเหมาะสม สอดคล้องกับแนวคิดและวิธีการที่ได้ออกแบบไว้หรือไม่
4. วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา (Planning and Development) 
    หลังจากที่ได้ออกแบบวิธีการและกำหนดเค้าโครงของนวัตกรรมที่จะพัฒนาแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการพัฒนาต้นแบบ (Prototype) ของนวัตกรรมที่ได้ออกแบบไว้ ซึ่งในขั้นตอนนี้นักเรียนต้องกำหนดขั้นตอนย่อยในการทำงานรวมทั้งกำหนดเป้าหมายและระยะเวลาในการดำเนินการแต่ละขั้นตอนย่อยให้ชัดเจน โดยทำเป็นตารางการปฏิบัติงานในแต่ละสัปดาห์ ทำให้สามารถตรวจสอบพัฒนาการของนักเรียนและนวัตกรรมที่กำลังพัฒนาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะทำให้นักเรียนได้เรียนรู้วิธีการวางแผนในการทำงานอย่างรอบคอบและสามารถแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในระหว่างที่ร่วมกันพัฒนาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งในขั้นตอนนี้ครูทำหน้าที่ใน
การควบคุมการทำงานและช่วยในการแก้ปัญหาในระหว่างที่ทำงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมให้เป็นไปตามกำหนดการที่ได้วางแผน พร้อมทั้งร่วมกันสรุปผลการทำงานในแต่ละสัปดาห์
ขั้นที่ 5 ทดสอบ ประเมินผล และปรับปรุง (Testing, Evaluation and Design Improvement) 
    เป็นขั้นตอนทดสอบและประเมินการใช้งานต้นแบบของนวัตกรรม ซึ่งผลท่ีได้จากการทดสอบและประเมินนั้น จะถูกนำมาใช้ในการปรับปรุงและพัฒนานวัตกรรมที่พัฒนาขึ้นให้ถูกต้อง สมบูรณ์ โดยการทดสอบและประเมิน สามารถเกิดขึ้นได้หลายครั้งในกระบวนการแก้ปัญหา เพื่อให้นวัตกรรมที่พัฒนาขึ้น นำไปใช้แก้ปัญหาได้จริง พร้อมทั้งจัดทำรายงานในระหว่างที่ทำการทดสอบให้เป็นระบบ เพื่อนำมาวิเคราะห์จุดเด่น จุดด้อย เพื่อปรับปรุงนวัตกรรมที่พัฒนาขึ้นให้มีความสมบูรณ์มากที่สุด เพื่อที่จะนำไปใช้ในการแก้ปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ขั้นที่ 6 นำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหา หรือผลการพัฒนานวัตกรรม (Presentation) 
    หลังจากการพัฒนา ปรับปรุงทดสอบและประเมินผลนวัตกรรมที่พัฒนาขึ้น จนมีประสิทธิภาพ ตามที่ต้องการแล้ว นักเรียนจะต้องนำเสนองานวิจัยและนวัตกรรม โดยต้องออกแบบวิธีการนำเสนอข้อมูลที่เข้าใจง่ายและน่าสนใจ พร้อมทั้งรายงานกระบวนการ ขั้นตอนในการพัฒนานวัตกรรมนั้นตามรูปแบบของงานวิจัยให้ถูกต้องตามหลักวิชาการ เพื่อให้งานวิจัยและนวัตกรรมนั้นมีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้น ซึ่งให้นักเรียนมีโอกาสเผยแพร่ นำเสนองานวิจัยและนวัตกรรมที่พัฒนาขึ้นในรูปแบบต่าง ๆ เช่น การนำเสนอต่อครูที่เชี่ยวชาญในสาขาที่เกี่ยวข้อง และการนำนวัตกรรมที่นักเรียนพัฒนาขึ้นเข้าร่วมการประกวดแข่งขันในรายการต่าง ๆ ทั้งใน
ระดับจังหวัด ระดับภาค และระดับประเทศต่อไป
 5. ผลการดำเนินงาน  ผลสัมฤทธิ์และประโยชน์ที่ได้รับ
    นักเรียนที่ทำวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยี ที่ใช้กระบวนการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษา (STEM Education) สามารถวิจัยและพัฒนานวัตกรรมได้อย่างสมบูรณ์และมีประสิทธิภาพ ทำงานวิจัยและพัฒนาได้อย่างเป็นระบบ รู้จุดเด่นจุดด้อยและข้อบกพร่องของงานที่วิจัยและพัฒนา และสามารถแก้ไขปรับปรุงเพื่อให้เป็นงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมได้อย่างสมบูรณ์และมีคุณภาพ สามารถนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ในการดำเนินชีวิตในปัจจุบันและอนาคตของคนในสังคมได้อย่างมีประสิทธิภาพ 
    นอกจากนั้นการส่งเสริมและสนับสนุนให้นักเรียนนำงานวิจัยและนวัตกรรมทางเทคโนโลยี 
ที่ดำเนินการวิจัยและพัฒนาเรียบร้อยแล้ว เข้าร่วมการแข่งขันในรายการต่าง ๆ ทั้งในระดับจังหวัด ระดับภาคและระดับประเทศ ทำให้นักเรียนได้รับความรู้ ประสบการณ์ที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อนักเรียน ซึ่งมีนวัตกรรมที่ได้รับรางวัลในระดับต่าง ๆ หลายรางวัล เป็นการต่อยอดทางความคิดและประสบการณ์ที่มีคุณค่า ซึ่งสิ่งเหล่านี้ไม่สามารถหาได้จากในตำราหรือในห้องเรียน 
6. ปัจจัยความสำเร็จ
    นักเรียนดำเนินการวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยี อย่างเป็นระบบและเป็นขั้นตอน ทำให้นักเรียนรู้จักคิด วิเคราะห์สังเคราะห์ถึงปัญหา อุปสรรคต่าง ๆ ในระหว่างดำเนินการวิจัยและพัฒนานวัตกรรม ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการแก้ปัญหาและสร้างสรรค์งานวิจัยให้เสร็จสมบูรณ์ได้อย่างมีปคุณภาพ ประกอบกับการจัดกิจกรรมการเรียนรู้แบบสะเต็มศึกษานั้น นักเรียนได้บูรณาการความรู้ในหลากหลายสาขาและได้พัฒนานวัตกรรมของนักเรียนเอง ควบคู่ไปกับกิจกรรมการเรียนรู้ที่นักเรียนได้ลงมือปฏิบัติจริง ทำให้นักเรียนมีความกระตือรือร้นในการเรียนและมีพัฒนาการในการเรียนรู้อย่างมีประสิทธิภาพ
7. บทเรียนที่ได้รับ
    1. นักเรียนทำงานอย่างเป็นระบบมากขึ้น
    2. สามารถตรวจสอบและแก้ไขปรับปรุงการทำงานในแต่ละขั้นตอนได้ง่าย
    3. นักเรียนเข้าใจและสามารถอธิบายงานวิจัยและนวัตกรรมของนักเรียนได้
    4. นักเรียนได้เรียนรู้และบูรณาการ ทักษะในหลากหลายด้าน เช่น ด้านวิทยาศาสตร์  
ด้านเทคโนโลยี ด้านวิศวกรรม และด้านคณิตศาสตร์ มาใช้ในการพัฒนานวัตกรรมได้
    5. นักเรียนมีเจตคติที่ดีต่อการวิจัยและพัฒนานวัตกรรมทางเทคโนโลยีและสามารถพัฒนานวัตกรรมใหม่ ๆ ที่มีประโยชน์ต่อสังคมได้
8. ภาคผนวก (ภาพประกอบ/อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง)
งานวิจัยและนวัตกรรมของนักเรียน ที่ส่งเข้าประกวดและแข่งขันในระดับประเทศ 
(พ.ศ. 2562 – 2563)
1. โครงการสะพานสานฝันเยาวชนนักประดิษฐ์ (Bridge to Inventor 2018) ปีที่ 11
ได้รับรางวัลเหรียญเงิน พร้อมโล่รางวัลเทคนิคยอดเยี่ยม
2. โครงการสะพานสานฝันเยาวชนนักประดิษฐ์ (Bridge to Inventor 2019) ปีที่ 12
ได้รับรางวัลชนะเลิศระดับเหรียญทอง พร้อมโล่รางวัล และทุนการศึกษาจนจบปริญญาตรี