นิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 249

32 นิตยสาร สสวท. โจทย์การออกแบบทางวิศวกรรม เรื่อง พลังงานทางเลือก บริบท ในอีก 50 ปีข้างหน้า ปัญหาเกี่ยวกับการขาดแคลนอาหาร น้ำ �สะอาด สภาพอากาศ รวมทั้งเชื้อเพลิง จะมีความรุนแรงมากยิ่งขึ้น เชื้อเพลิงที่มาจากฟอสซิลก็กำ �ลังถูกใช้ไปจนเกือบหมด สิ่งหนึ่งที่สามารถบรรเทา ปัญหาเหล่านี้ได้ คือการผลิตพลังงานสะอาดที่มาจากแหล่งอื่นนอกเหนือจากฟอสซิล ซึ่งหนึ่งในวิธีนั้นคือ การผลิตเชื้อเพลิงสะอาด เช่น เอทานอลจากเชื้อเพลิงชีวภาพ เทคโนโลยีทางชีวภาพมักเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีวภาพ (Bioprocessing) ซึ่งกระบวนการนี้ มักเกิดในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ (Bioreactor) และในบางครั้งจะเรียกว่าถังหมัก (Fermenter) ซึ่งในถังปฏิกรณ์ ชีวภาพจะอำ �นวยให้เกิดสภาพที่เหมาะสม เช่น แสง ความร้อน และอื่นๆ รวมทั้งกลไก เช่น ปั๊มสำ �หรับทำ �ให้ เกิดการหมุนเวียน หรือแท่งคนที่ทำ �ให้สร้างสภาวะที่เหมาะสมต่อการดำ �รงชีวิตของเชื้อจุลินทรีย์ ข้อท้าทาย เนื่องจากการผลิตเอทานอลเป็นวิธีการหนึ่งที่สามารถช่วยบรรเทาปัญหาที่เกิดขึ้นจากการขาดแคลน พลังงาน ในการออกแบบสิ่งประดิษฐ์เพื่อแก้ปัญหานี้จึงต้องการให้ 1. สิ่งประดิษฐ์ที่ออกแบบสามารถผลิตเอทานอลได้ปริมาณอย่างน้อย 1 มิลลิลิตร 2. ในกระบวนการผลิตเอทานอลนี้จำ �เป็นต้องใช้ยีสต์ ซึ่งสิ่งประดิษฐ์นี้ต้องสามารถสร้างสภาวะที่เอื้อ อำ �นวยต่อการทำ �งานของยีสต์ 3. สิ่งประดิษฐ์นี้อาจใช้ Calcium Alginate เพื่อป้องกันการถูกทำ �ลายของยีสต์ 4. เพื่อให้สามารถผลิตเอทานอลได้สูงสุด สิ่งประดิษฐ์ต้องมีกลไกในการคนหรือผสมสารละลาย น้ำ �ตาลเพื่อให้ยีสต์สามารถทำ �งานได้เต็มประสิทธิภาพ ภาพ 1 โจทย์การออกแบบทางวิศวกรรม (Engineering Design Challenge) เมื่อนักเรียนได้อ่านโจทย์การออกแบบทางวิศวกรรมแล้ว ครู จะนำ �นักเรียนเข้าสู่กระบวนการเรียนรู้ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรม และเทคโนโลยี ซึ่งจะเริ่มต้นด้วยขั้นตอนแรกคือ การระบุปัญหาและดำ �เนิน ตามขั้นตอนต่อไปจนถึงขั้นตอนที่ 8 ขั้นการระบุปัญหา (Problem Identification) หลังจากนักเรียนได้อ่านและเข้าใจปัญหาที่ต้องการการแก้ไขแล้ว นักเรียนจะนำ �ความเข้าใจนั้นมาเขียนเป็นคำ �อธิบายปัญหา (Problem Statement) โดยระบุเกณฑ์ในการวัดผล (Criteria) และข้อจำ �กัด (Constraints) ด้วย เช่น ในกรณีนี้คำ �อธิบายปัญหาที่นักเรียนเขียนใน ห้องเรียนคือ “จากความต้องการของพลังงานทางเลือก กระบวนทางชีวภาพ โดยได้นำ �ประโยชน์ของการใช้จุลินทรีย์ในการผลิตเอทานอลโดยการหมักยีสต์ กับน้ำ �ตาล เนื่องจากยีสต์เป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ดังนั้น ถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ที่ใช้ในการหมักต้องสามารถควบคุมสภาวะที่จำ �เป็นต่อการมีชีวิตของ ยีสต์เช่น อุณหภูมิ แสง นอกจากนี้ เพื่อให้ผลผลิตเอทานอลเกิดขึ้น สูงสุด ยีสต์ควรได้รับการปกป้องจากการเปลี่ยนแปลงของ pH ที่อาจเกิดขึ้น ในระหว่างกระบวนการทางชีวภาพ และควรมีกลไกในการผสมยีสต์กับ น้ำ �ตาลเพื่อเพิ่มผลผลิตสูงสุด กล่าวคือควรมีระบบย่อย (Subsystem) ที่คนส่วนผสมของสารละลายเป็นระยะ” จะเห็นได้ว่าคำ �อธิบายปัญหาจะระบุปัญหาที่ต้องการแก้ไข ตัวแปรที่ต้องควบคุม หรือเปลี่ยนแปลงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เป็นไปตามเกณฑ์ ที่กำ �หนดไว้ เมื่อนักเรียนรู้ว่าปัญหาที่ต้องการแก้ไขคืออะไร แล้วปัจจัย วัดความสำ �เร็จคืออะไรในที่นี้เกณฑ์วัดความสำ �เร็จคือ ที่ระบุในข้อท้าทาย ของโจทย์การออกแบบ ขั้นถัดไปจะเป็นขั้นตอนการค้นหาแนวทางการ แก้ปัญหา ขั้นการค้นหาแนวทางการแก้ปัญหา (Ideation) จุดประสงค์ของขั้นตอนนี้คือ ต้องการให้นักเรียนคิดแนวทาง แก้ปัญหาที่หลากหลาย ซึ่งนักเรียนอาจจะใช้การระดมสมอง (Brainstorming) ร่วมกับเพื่อนๆ ดังตัวอย่างที่จะนำ �เสนอนี้ ครูให้นักเรียนออกแบบแนวทาง การแก้ปัญหาด้วยความรู้ปัจจุบันที่นักเรียนมีอยู่ก่อนแล้วนำ �ไปเปรียบเทียบ กับของเพื่อนร่วมชั้นเรียน ภาพ 2 การออกแบบตัวต้นแบบในการแก้ปัญหาครั้งแรกของนักเรียน