การสอนวิทยาศาสตร์ระดับประถมศึกษา

ผู้ที่จะสอนวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับผู้เรียน ความรู้ทางด้านจิตวิทยา ลักษณะทางอารมณ์และสังคม ในการสอนต้องรู้ว่าวิทยาศาสตร์ใดสำคัญและเหมาะสมสำหรับเด็กประถมในการเรียนรู้ นอกจากนี้ครูผู้สอนจำเป็นต้องทราบการประเมินผลการเรียนรู้ของนักเรียน รู้ยุทธวิธีให้เด็กนักเรียนเข้าใจและจำเนื้อหาได้ และการจัดการภายในห้องเรียน ดังนั้นนักศึกษาฝึกหัดครูจำเป็นต้องมีประสบการณ์อย่างจริงจังกับเด็กๆ การศึกษาค้นคว้า การพัฒนาการทางความ คิด สังคม กายภาพ และอารมณ์

ความรู้เกี่ยวกับการสอนความรู้เนื้อหา ผู้สอนควรจะได้ทราบถึงการพัฒนามโนทัศน์ของเด็กนักเรียน ว่ามีหลายอย่างที่นักเรียนอาจยังเข้าใจผิด เช่นว่านักเรียนมักจะสับสนเรื่องอาหารของพืชกับอาหารที่สัตว์กิน ซึ่งพบว่ากระบวนการสังเคราะห์แสงมีความซับซ้อนเกินไปสำหรับเด็กประถมศึกษา เด็กประถมจะเข้าใจเพียงหลักการทั่วไปว่าเป็นกระบวนการที่พืชสร้างอาหารขึ้นมาเอง และกระบวนการนี้ต้องการแสงอาทิตย์ แกสคาร์บอนไดออกไซด์ และผลลัพธ์ของการสังเคราะห์แสงมีการสร้างน้ำตาลขึ้นมา

นักเรียนมักเชื่อว่าพืชที่เติบโตขึ้นสูงจะดูแข็งแรงสดใสกว่า (แม้ว่าจะอ่อนแอ)พืชที่สั้นเตี้ยแข็งแรงเป็นพุ่ม นอกจากนี้เด็กนักเรียนจะยังไม่เข้าใจแนวคิดเชิงทฤษฎีหรือมโนทัศน์เกี่ยวกับอะตอม โมเลกุล พลังงานและปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องในกกระบวนการสังเคราะห์แสง ที่เป็นเรื่องนามธรรม ยังเป็นเรื่องยากสำหรับเด็กประถม อาจเป็นเพราะนักเรียนในระดับนี้ไม่สามารถที่จะเห็น รู้สึก หรือได้ยิน การสอนเรื่องสังเคราะห์แสงควรผ่านไปถึงมัธยมต้นหรือเมื่อเริ่มประถมปลายในชั้นป5 หรือป6

ความรู้เกี่ยวกับยุทธวิธีการสอน นั้นควรจะให้โอกาสและทางเลือกแก่นักเรียนให้มากในการทดลอง นักศึกษาฝึกหัดครูระดับประถมศึกษาจะเป็นต้องมีเวลาในการวิเคราะห์ อภิปรายกันถึงเป้าหมายของวิทยาศาสตร์ศึกษาในระดับประถม ในอันที่จะพัฒนาให้เกิดความสงสัยใคร่รู้ที่ฝังตัวอยู่ในตัวเด็กเกี่ยวกับโลกโดยรอบ เพื่อขยายขอบเขตทักษะของขั้นตอนวิธีการและทักษะการคิดในการศึกษาหาความรู้ของโลก การแก้ปัญหา และการตัดสินใจ เพื่อที่จะเพิ่มความเข้าใจของเด็กๆของธรรมชาติของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และเพื่อพัฒนาความเข้าใจของเด็กถึงขีดจำกัดและความเป็นไปได้ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

การเรียนรู้ตามทฤษฎีconstructivist

จากปรัชญาการสร้างความรู้ (constructivism) ที่ถือว่าเป็นทฤษฎีการเรียนรู้ได้ ซึ่งอธิบายถึงกระบวนการภายในทางจิตวิทยา ในกระบวนการนี้แต่ละบุคคล จะทำการตรวจสอบสารสนเทศใหม่ที่รับเข้ามากับ สารสนเทศอันเป็นกฏระเบียบหรือความรู้ที่มีอยู่เดิม เท่ากับเป็นการทบทวนความรู้ที่มีอยู่เดิม เมื่อพบว่ามีความแตกต่างปรากฏชัด จะนำไปสู่ความเข้าใจใหม่ หรือคือการสร้างความรู้ใหม่ขึ้นจากความเป็นจริงในตัวเอง

คำหรือเทอมทางจิตวิทยา ที่ใช้เรียกความรู้เดิมอาจเป็นกฏระเบียบสารสนเทศที่มีความสัมพันธ์เชื่อมโยง หมายถึงโครงสร้างทางปัญญาที่มีอยู่(cognitive structure) นั้นเมื่อความรู้เดิม และสารสนเทศอันเป็นความรู้ใหม่เข้ามากระทบกัน กระบวนการตรวจสอบก็จะเกิดขึ้น หากมีความแตกต่างของการรู้คิด หรือความไม่สมดุลทางปัญญาเกิดขึ้น ก็จะมีการทบทวนความรู้เก่าเดิมที่เกี่ยวข้องกัน ที่ทำให้เกิดความรู้ความเข้าใจใหม่ โครงสร้างทางปัญญาภายในใหม่ อันเป็นที่ต้องการมาแทนทีโครงสร้างที่มีอยู่เดิมที่ไม่สามารถอธิบายความเป็นจริงที่เกิดขึ้นได้

สำหรับการนำทฤษฎีนี้ไปใช้ในการเรียนการสอน รูปแบบวงจรการเรียนรู้ที่สอดคล้องกัน ที่อยู่บทฐานทฤษฎีนักสร้างความรู้นี้นั้น ได้เสนอแนะลำดับของบทเรียนที่ให้เริ่มจากการสำรวจเป็นสิ่งแรกก่อนเรื่องอื่นใด จากรูปแบบการเรียนรู้ที่ริเริ่มโดย Atkin และ Karplus (1962) คือ การสำรวจ การประดิษฐ์ และการค้นพบ (Exploration -Invention - Discovery) เป็นตัวอย่างการศึกษาที่ใช้ทฤษฎีผู้สร้างความรู้เป็นฐาน

การใช้โมเดลการเรียนรู้แบบนี้ครูเป็นผุ้ออกแบบโอกาสทั้งหลายให้ผู้เรียน ให้มีประสบการณ์ ที่เป็นมโนทัศน์ของบทเรียนผ่านทางการปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับสื่อการเรียนรู้หรือสารสนเทศ(จะเป็นขั้นการสำรวจ) ในขั้นต่อไปครูจะเป็นผู้นำเข้าสู่บทเรียนหรือมโนทัศน์ที่จะเรียนรู้ ปกติแล้วมักจะใช้เทอมใหม่นำไปสู่สารสนเทศใหม่ และแนวทางการคิดที่แตกต่างหลากหลาย (invention) ในขั้นสุดท้ายครูจัดหากิจกรรมอื่นๆต่อไปที่เกี่ยวข้องกับมโนทัศน์เดิม (discovery) หรือนักเรียนสามารถนำความรู้ไปใช้ในสถานะการอื่นที่แตกต่างไปจากเดิมได้ บางครั้งเรียกขั้นตอนนี้ว่าขั้นการประยุกต์

รูปแบบความรู้ทางวิทยาศาสตร์

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่มักจะพูดถึงกันได้แก่ความรู้ที่อยู่ในรูปต่อไปนี้
ข้อเท็จจริง (fact)
หลักการ (principle)
กฏ (law)
ทฤษฎี (theory)
ข้อสรุป (conclusion)
สมมุติฐาน (hypothesis)
มโนทัศน์ (concept)
ระบบมโนทัศน์ (conceptual system)

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เกิดจากข้อสงสัย ความช่างสังเกต และความอยากรู้อยากเห็นของมนุษย์ เมื่อสงสัยก็อยากทราบคำตอบ จึงคิดหาวิธีการที่จะทำให้ได้คำตอบ คำตอบคือความรู้ ธรรมชาติของวิชาวิทยาศาสตร์จึงประกอบด้วยความรู้ ที่เป็นความรู้เชิงประกาศและความรู้เชิงกระบวนการ (declarative and procedural knowledge) และกระบวนการในการหาความรู้ และมีเจตคติทางวิทยาศาสตร์

ในส่วนของกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เริ่มจากการกำหนดปัญหา รวบรวมข้อมูลจากการสังเกต ตั้งสมมุติฐานจากข้อมูลที่สังเกต ทดสอบสมมุติฐาน ตีความหมายข้อมูล ทดลองซ้ำเพื่อยืนยันข้อมูลที่ได้ สรุปจากข้อมูลที่ได้ เป็นความรู้

จากปรัชญาสู่วิทยาศาสตร์

ผู้รู้นักวิชาการในกรีกโบราณเป็นบุคคลแรกที่เราทราบที่ใช้ความพยายามเพื่อศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับจักรวาล ด้วยระบบการรวมรวมความรู้ผ่านทางกิจกรรมการให้เหตุผลของมนุษย์เพียงลำพัง ใครก็ตามที่พยายามค้นแสวงหาเหตุผลเพื่อความเข้าใจ โดยไม่ต้องอาศัยปัญญาญาณ (intuition) ความบันดาลใจ (inspiration) วิวรณ์ (revelation) หรือการทำสิ่งที่ทำให้รู้กัน หรือแหล่งสารสนเทศที่ไม่มีเหตุผล จะเรียกบุคคลดังกล่าวนี้ว่านักปรัชญา (คำในภาษากรีกหมายถึง ผู้รักในความรู้ (lovers of wisdom))

ปรัชญาสามารถคิดให้เป็นเรื่องภายในของการแสวงหาความเข้าใจพฤติกรรมของมนุษย์ จริยศาสตร์ และศิลธรรม การกระตุ้นชักจูงและการตอบสนอง หรือเป็นเรื่องภายนอกจากการศึกษาค้นคว้าจักรวาลส่วนที่อยู่นอกเหนือเขตแดนของจิตที่ไม่มีตัวตน ได้แก่ศึกษาเกี่ยวกับธรรมชาติ

นักปรัชญาที่ศึกษาในประเภทหลังเรียกว่าเป็นนักปรัชญาธรรมชาติ และเป็นเวลาหลายศตวรรษหลักจากยุคเริ่มต้นของกรีก การศึกษาปรากฏการณ์ธรรมชาติก็เรียกกันว่าปรัชญาธรรมชาติ ส่วนคำสมัยใหม่ที่นำมาใช้แทนได้แก่ วิทยาศาสตร์ (science) เป็นคำในภาษาลาตินแปลว่า to know ซึ่งไม่ได้เป็นที่นิยมใช้กันมากนัก จนกระทั่งศตวรรษที่ 19 แม้แต่ปัจจุบันเป็นที่มาของปริญญาสูงสุดในมหาวิทยาลัยที่ให้แก่ผู้สำเร็จการศึกษาในทางวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปว่า Doctor of Philosophy

กำเนิดวิธีการทางวิทยาศาสตร์

ในปีคศ. 1560 Giambattista della Porta นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้ตั้งองค์กรแห่งแรกของโลกในการแลกเปลี่ยนความคิดกัน เรียกว่าสถาบันศึกษาความลึกลับจากธรรมชาติ ได้จุดประกายแห่งการแลกเปลี่ยนความคิด เป็นสัญญาณบ่งถึงรุ่งอรุณของการคิดค้นในยุด Renaissance โดย Francis Bacon นักปรัชญาชาวอังกฤษเป็นสมาชิกรัฐสภาอังกฤษสมัยพระเจ้าเจมที่1 ได้เขียนหนังสือเรื่อง Nvum Organum เป็นงานเขียนแนวใหม่แบบเดียวกับงานเขียนของอริสโตเติลชื่อ Oganum เขาเป็นบุคคลแรกที่ได้ตั้งหลักเกณฑ์ในรายละเอียด เกี่ยวกับความเป็นจริงจากผลการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ โดยเขาได้รับเกียรติให้เป็นผู้ที่ได้รับการยอมรับให้เป็นผู้กำหนดหลักเกณฑ์อันเป็นที่รู้จักว่าเป็น “วิธีการทางวิทยาศาสตร์” ต่อมากาลิเลโอได้ปรับปรุงพัฒนาให้ดีขึ้น

ในช่วงสมัย Renaissance เป็นยุคที่เริ่มได้รับการยอมรับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ ทัศนะของกาลิเลโอและศาสนจักรเกี่ยวกับเอกภพไม่ได้รับความสนใจมากนัก นักดาราศาสตร์เช่น ไทโคบราเฮ และกาลิเลโอได้ทำการสำรวจ สร้างสมมุติฐานขึ้นมา จากผลของการคิดค้นวิธีการทางวิทยาศาสตร์ สมมุติฐานใดที่ยังคงอยู่ได้รับการพิสูจน์ก็จะกลายเป็นทฤษฎี ทฤษฎีที่ผ่านการทดสอบเป็นระยะเวลานานก็จะกลายเป็นกฏหรือหลักการ ทั้งกฏและหลักการยังคงอยู่ผ่านการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่าอย่างเข็มงวดและท้าทายทุกคนใด้เข้ามาพิสูจน์

ศตวรรษที่ 17 และ 18 รัฐบาลของประเทศทางยุโรปเริ่มที่จะให้เงินสนับสนุนนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาวิจัย หลังจากที่กาลิเลโอได้ถูกไต่สวนจากทางศาสนจักรแล้ว ทำให้ในประเทศอิตาลี อังกฤษ ฝรั่งเศษ และประเทศเยอรมันมีการเผยแพร่วิทยาศาสตร์ การทดลอง และทฤษฎีจนเป็นเรื่องธรรมดา แม้ว่าจะขัดแย้งกับความเชื่อทางศาสนาก็ตาม โดยวิธีนี้วิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่ได้พัฒนาการเป็นสถาบัน และมีขั้นตอนวิธีการที่จะใช้ดำเนินงานได้อย่างมั่นคงแล้ว ยังได้รับความอิสระและปลอดภัยที่จะเจริญเติบโตต่อไป

วิทยาศาสตร์และธรรมเนียมปฏิบัติด้วยเหตุผลได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้โดยหน่วยงานต่างๆ ทั้งของรัฐและเอกชนอย่างเหมาะสม ซึ่งควรจะเป็นเป้าหมายอย่างแรกสุดอย่างหนึ่งของมนุษย์ชาติ การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ได้เปิดใจของเรา และปรับความเชื่อและศรัธาของเราว่าโดดเด่นต่างไปจากสัตว์อื่น

ความเข้าใจเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ดูเหมือนว่าคำว่าเดิมที วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นคำสองคำที่มีความหมายแตกต่างกัน และส่วนมากก็ใช้แยกกัน ในบางครั้งที่ใช้ร่วมกัน ปัจจุบันมักได้ยินคำทั้งสองใช้ด้วยกันมากขึ้นทั้งนี้เพราะคำทั้งสองคำนี้มีความเกี่ยวข้องกัน อาจทำให้หลายคนคิดว่ารวมเป็นคำเดียวและใช้ควบคู่กันเสมอ ดังจะเห็นว่าคณะในมหาวิทยาลัยมักจะมี คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

วิชาในสาขาวิทยาศาสตร์อย่างเดียวจะเป็นความรู้มูลฐาน โดยนักวิทยาศาสตร์จะศึกษาค้นคว้าความรู้ดังกล่าวเพื่อสนองตอบต่อความใคร่รู้ความอยากรู้อยากเห็น โดยไม่ได้คิดหวังผลประโยชน์จากการนำความรู้ไปใช้ ที่มีการเผยแพร่และสารณะชนสามารถนำไปใช้ได้ฟรีจัดเป็นวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ (pure science) ส่วนวิทยาศาสตร์ประยุกต์ (applied science) นั้นนำความรู้จากวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์มาประยุกต์ให้เข้ากับสถานะการณ์หรือปรากฏการใดปรากฏการหนึ่ง ที่อยู่ในความสนใจและเป็นประโยชน์สนองความต้องการของมนุษย์ในแง่มุมต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินชีวิตของมนุษย์ กลายเป็นศาสตร์ต่างๆ เช่น การแพทย์ การเกษตร วิศวกรรม เภสัชกรรม เป็นต้น อย่างไรก็ตามวิทยาศาสตร์ประยุกต์ก็ยังเป็นเพียงความรู้ที่ได้ยากการศึกษาค้นคว้าเพื่อแสวงหาแนวทางในการใช้ประโยชน์ เช่นนักเคมีสกัดสารบางอย่างจากต้นไม้หรือสมุนไพรในการศึกษาโครงสร้างต่างๆ ของต้นไม้เป็นวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ แต่เมื่อนักเคมีหรือเภสัชกรศึกษาการนำสารสกัดดังกล่าวดูว่าจะใช้รักษาโรคอะไรได้บ้าง หรือนำไปสังเคราะห์เป็นส่วนผสมในน้ำยาทำความสะอาดใดบ้าง เป็นขั้นตอนการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์ ซึ่งจะมีการทดลองทำให้แน่ใจว่าใช้รักษาโรคได้ ใช้เป็นสารทำความสะอาดได้จริง แต่เมื่อไรที่ไปถึงขั้นของการผลิต เพื่อจำหน่ายหรือใช้ประโยชน์ทางธุรกิจการค้า ที่ต้องอาศัยขั้นตอนกรรมวิธีในการผลิตก็จะกลายเป็นเทคโนโลยี (Technology)

คำว่า Technology มาจากคำภาษาอังกฤษ และคำนี้มาจากภาษากรีกคือ Technologia ซึ่งเดิมหมายถึงการกระทำที่เป็นระบบที่ก่อให้เกิดกรรมวิธีในการผลิต และสิ่งประดิษฐ์ใหม่ ดังนั้นความหมายของเทคโนโลยีจึงเปลี่ยนไปเกี่ยวข้องกับเครื่องจักรกล ประดิษฐกรรมใหม่ๆ และการอุตสาหกรรมดังที่เรียกกันว่าเทคโนโลยีอุตสาหกรรม ความพยายามที่จะให้นิยามขอบเขตของคำว่าเทคโนโลยีที่น่าตรงตามสภาพปัจจุบัน คือความรู้ทางเทคนิคที่ใช้สำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม และยังให้ความหมายครอบคลุมไปถึงความรู้ที่ไม่เกี่ยวกับอุตสาหกรรม เช่นการสร้างเขื่อน การส่งยานอวกาศ และการดำเนินชีวิตในประจำวัน ดังนั้นจึงมีความหมายกว้างๆ ของคำว่าเทคโนโลยีคือ ความรู้ที่มนุษย์ใช้ทรัพยากรให้เป็นประโยชน์แก่มนุษย์เองในการสนองความต้องการ และการควบคุมสิ่งแวดล้อม ตามความหมายประการหลังน่าจะครอบคลุมเพราะไม่ว่าจะผลิตอะไรก็ต้องใช้ทรัพยากรให้เกิดประโยชน์ที่รวมไปถึง การใช้แรงงานและพลังงาน ในการสร้างเขื่อนก็ควบคุมน้ำการไหลของน้ำโดยการกักเก็บน้ำไว้ เพื่อนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นต้น

การแบ่งแยกและการใช้ร่วมกันของคำว่าวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เมื่อมองในแง่ว่ามีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด เพราะจะเกิดเทคโนโลยีขึ้นได้อยาถ้าไม่มีการศึกษาทางด้านวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์มาก่อน และในบางครั้งเมื่อพูดถึงวิทยาศาสตร์ประยุกต์แล้ว จะครอบคลุมรวมไปถึงเทคโนโลยีด้วย ดังที่เคยมีนิยามกันว่าเทคโนโลยีก็คือการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์ให้เกิดประโยชน์ และเป็นผลของวิทยาศาสตร์ แต่เนื่องจากว่าเทคโนโลยีเป็นสิ่งที่เป็นความลับที่ไม่อาจเปิดเผยให้คู่แข่งขันทางเศรษฐกิจการค้าทราบ เทคโนโลยีจึงเป็นสิ่งที่ซื้อขายกันในท้องตลาดใครเป็นเจ้าของเทคโนโลยีก็จะเป็นผู้มีอำนาจมีอิทธิพลต่อโลกได้

เมื่อมองกันในแง่ว่า ไม่ว่าจะเป็นความรู้ทางวิทยาศาสตร์ หรือเทคโนโลยี ก็ถือว่าเป็นความรู้ดังที่กล่าวกันเสมอว่าความรู้คือพลัง (knowledge is power) ซึ่งความรู้อาจแบ่งออกเป็นความรู้เชิงประกาศ (declarative knowledge) และความรู้เชิงกระบวนการ (procedural knowledge) และความรู้ประการหลังน่าจะเป็นความรู้ทางเทคโนโลยี สอดคล้องกับกล่าวกันว่าการนำความรู้มาใช้ให้เกิดประโยชน์ในทางปฏิบัติที่จะให้ได้ผลดีก็ต้องมีทั้งความรู้และความสามารถที่จะนำความรู้มาใช้ให้เกิดประโยชน์ทางปฏิบัตินั่นเอง

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน
การสังเกต (Observing) การใช้ประสาทรับความรู้สึกในการรวบรวมข้อมูลข่าวสารเกี่ยวกับวัตถุหรือเหตุการณ์หนึ่ง ตัวอย่างเช่นการอธิบายว่า กล่อง สมุด ดินสอมีสีอะไร
การทำนายเทียบเคียง (inferring) การเดาหรือทายอย่างมีการศึกษา “educated guess” เกี่ยวกับวัตถุหรือเหตุการณ์ โดยขึ้นอยู่กับการรวบรวมข้อมูล สารสนเทศที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่นการกล่าวว่าผู้ที่ใช้ดินสอเขียนมีข้อผิดพลาดมากเพราะดูได้จากยากลบที่ใช้สึกไปมาก
การวัด (measuring) การใช้ทั้งการวัดแบบมาตราฐานและไม่มาตราฐาน หรือการประมาณค่ามิติของวัตถุหรือเหตุการณ์ ตัวอย่างเช่นการใช้ไม้เมตรวัดความยาวของโต๊ะเป็นเซ็นติเมตร
การสื่อสาร (Communicating) การใช้คำหรือสัญญลักษณ์กราฟิกส์เพื่ออธิบายการกระทำ วัตถุหรือเหตุการณ์ ตัวอย่างเช่น การอธิบายการเปลี่ยนแปลงความสูงของต้นไม้ตามเวลาการเขียนกราฟ
การจัดแบ่งประเภท (Classifying) การจัดกลุ่ม ลำดับของวัตถุ เหตุการณ์เป็นประเภทขึ้นอยู่กับคุณสมบัติหรือเกณฑ์ที่กำหนด ตัวอย่างเช่นการจัดแบ่งหิน โดยใช้ขนาดขององค์ประกอบของเนื้อหิน (grain) หรือความแข็งของหิน ให้เป็นกลุ่มต่างๆ
การทำนาย โดยการกล่าวผลที่ได้จากเหตุการณ์ในอาคตขึ้นอยู่กับรูปแบบของหลักฐานที่ได้ ตัวอย่างเช่นการทำนายความสูงของต้นไม้ในสองสัปดาห์ขึ้นอยู่กับกราฟแสดงการเติมโตใน 4 สัปดาห์ที่ผ่านมา

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาตร์ขั้นสูง
การควบคุมตัวแปร (Controlling variables) การที่สามารถบอกได้ว่าตัวแปรใดมีผลต่อผลลัพธ์การทดลอง ที่พยายามให้ตัวแปรอื่นเกือบทั้งหมดคงที่ และเปลี่ยนแปลงค่าตัวแปรอิสระหรือตัวแปรต้น ตัวอย่างเช่นการตระหนักจากการทดลองที่ผ่านมาว่าจำนวนของแสง และน้ำจำเป็นต้องควบคุมเมื่อทดสอบเพื่อจะดูว่าการเพิ่มสารอินทรีย์เข้าไปจะมีผลต่อการเติบโตของถั่วอย่างไรหรือไม่

การนิยามเชิงปฏิบัติการ (Defining operationally) คำกล่าวที่จะบอกให้ทราบว่าจะวัดค่าตัวแปรในการทดลองอย่างไร ตัวอย่างเช่น การเติบโตของถั่วจะวัดกันเป็นเซ็นติเมตรต่อสัปดาห์
การกำหนดสมมุติฐาน (Formulating hypotheses) คำกล่าวที่คาดหวังถึงผลลัพธ์ของการทดลอง ตัวอย่างเช่นยิ่งใช้สารอินทรีย์เพิ่มมากขึ้นดินถั่วก็ยิ่งเจริญมากขึ้น
การตีความข้อมูล (Interpreting data) การจัดระบบข้อมูลและสรุปผลจากข้อมูลนั้น ตัวอย่างเช่นการบันทึกข้อมูลจากการทดลองแสดงการเติบโตของถั่ว เป็นตารางของมูลและสรุปผลเป็นอัตราได้ว่ามีความโน้มเอียงสัมพันธ์อย่างไรจากข้อมูลไปยังตัวแปร
การทดลอง (Experiment) ความสามารถที่จะทำการทดลอง รวมทั้งการถามคำถามที่เหมาะสม การกำหนดสมมุติฐาน การกำหนดตัวแปรและการควบคุมตัวแปร การกำหนด การนิยามเชิงปฏิบัติการของตัวแปรเหล่านั้น การออกแบบการทดลองอย่างตรงไปตรงมา การดำเนินการทดลอง และการ

การเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ที่ควรจะเป็น

ทัศนะทั้งทางด้านทฤษฎีและปฏิบัติที่มีส่วนช่วยในการสอนวิทยาศาสตร์ที่ได้ผล โดยจุดประสงค์ของการสอนเพื่อช่วยนักเรียนให้เข้าใจมโนทัศน์หรือระบบมโนทัศน์ นักเรียนควรจะได้รับการสอนเพื่อให้ได้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เป็นรากฐานของความเชื่อไว้ใจและเชื่อถืออย่างมีเหตุผล เพื่อให้บรรลุดังกล่าวนี้ครูสอนวิทยาศาสตร์จะต้องมีความรู้เนื้อหาทางวิทยาศาสตร์ และวิธีการสอน รวมทั้งความรู้โดยทั่วไป สิ่งนี้หมายถึงว่าครูจะต้องมีความรู้ทางการศึกษาโดยทั่วไป เช่นทฤษฎีการเรียนรู้ รูปแบบการสอน การวางแผนการสอน และการจัดการเรียนรู้ ทักษะการสื่อสาร ทักษะความสัมพันธ์ระหว่างบุคคล การกระตุ้นปลุกเร้า และเทคโนโลยีทางการศึกษา

ในการสอนวิทยาศาสตร์การสอนความรู้เนื้อหาวิทยาศาสตร์อย่างไร หรือวิธีการสอน วิธีการสืบเสาะหาความรู้ทางวิทยาศาตร์มีความเหมาะสมเป็นอย่างสูง เพราะวิธีการนี้สอดคล้องตรงกันกับธรรมชาติของวิทยาศาสตร์ หรือคนเรียนรู้อย่างไรโดยธรรมชาติ นักเรียนจะเรียนรู้วิทยาศาสตร์เหมือนกับที่วิทยาศาสตร์ได้ทำ (learn science as science is done) วิธีการนี้จะส่งเสริมให้นักเรียนคิดในเชิงวิทยาศาสตร์ การคิดในลักษณะดังกล่าวนี้อาจเป็นเป้าหมายหลักทางการศึกษาเพื่อสร้างนักคิดที่มีเหตุผลในรูปของการคิดแบบวิพากษ์วิจารณ์และการคิดในทางสร้างสรรค์ (critical and creative thinking) ครูควรจะทำความชัดเจนอันเป็นเป้าหมายสำคัญของวิทยาศาสตร์ศึกษา (science education) นั้นคือความเข้าใจ หรืออย่างน้อยเป็นที่รับรู้ถึงธรรมชาติการสืบเสาะหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ต่อไปจะได้นำเสนอจุดต่างๆ ที่ผู้เขียนเห็นว่าเชื่อว่าจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อการเรียนการสอน

ธรรมชาติวิทยาศาสตร์และรูปแบบการคิด

แนวทางการเรียนรู้ที่ได้ผลดีของนักเรียนไปเปรียบเทียบกับแนวทางที่นักวิทยาศาสตร์พัฒนาความเข้าใจในเรื่องต่างๆของพวกเขา และสร้างทฤษฎีขึ้นมา เทียบเคียงแนวคิดใหม่กับความรู้ที่มีอยู่ของนักเรียน เมื่อความรู้ที่มีอยู่เดิมขัดแย้งกับทั้งนักวิทยาศาสตร์และผู้เรียนเดิม ซึ่งจะต้องทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากการสำรวจดังกล่าว จุดประสงค์ก็เพื่อสร้างคำอธิบายที่มีความว่องไว มีประโยชน์ ทำนายปรากฏการณ์ได้และสอดคลอ้งกับโครงสร้างความรู้อื่นๆ การเป็นเพียงนักวิทยาศาสตร์นั้นมีจุดยืนที่ใช้วิธีการสืบเสาะหาความรู้และกระบวนการ ทางวิทยาศาสตร์ ผู้เรียนจะพบเป็นแนวทางที่ดีมีพลังในการรู้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบทบาทสำคัญโดยถามคำถามที่เป็นสาเหตุ และออกแบบการควบคุมการทดลองที่นำทางโดยการกำหนดตัวแปรที่อยู่ในประเด็นที่สนใจ

ขณะที่การคิดของนักเรียนพัฒนานันจะเปลี่ยนจากการหาเหตุผลแบบรูปธรรม(concrete) ที่ผูกโยงอยู่กับวัตถุและเหตุการณ์จริงไปเป็นการหาเหตุผลเชิงนามธรรมหรือรูปแบบการคิดแบบผู้ใหญ่ (formal reasoning) และยึดถือการแทนเชิงสัญลักษณ์ ที่ทำให้เป็นสามัญการ (generalize) ไปกับเหตุการณ์เฉพาะ นักเรียนสามารถที่จะพิจารณาว่าอะไรที่เป็นไปได้และอะไรที่เป็นจริง อันหมายถึงว่านักเรียนตอนนี้สามารถที่จะสร้างสมมุติฐานและให้เหตุผลเชิงนิรนัยเกี่ยวกับสมมุติฐาน ซึ่งก็คือการหาเหตุผลนิรนัยเชิงสมมุติฐาน เช่น if..then รูปแบบการคิดเกี่ยวข้องกับการหาเหตุผลเหล่านั้นได้แก่ การหาเส้นทางที่มากที่สุด สัดส่วน โอกาสความน่าจะเป็น และการคิดแบบสหสัมพันธ์ โดยการสังเกตปรากฏการณ์ การยกคำถามบอกสาเหตุของผล สร้างเป็นสมมุติฐานอื่นๆ สร้างคำทำนาย ทดสอบสมมุติฐาน การวิเคราะห์ข้อมูล และสรุปผล

ธรรมชาติความรู้ทางวิทยาศาสตร์

มีการจัดประเภทความรู้ทางวิทยาศาสตร์ 2 ประเภทที่แตกต่างกัน ความรู้ชนิดแรกคือความรู้เชิงกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เป็นวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ที่ดำเนินการปฏิบัติเพื่อให้ได้ความรู้ อีกชนิดคือความรู้ที่เป็นผลผลิตของวิทยาศาสตร์อันเป็นความจริงทางวิทยาศาสตร์ มโนทัศน์ และทฤษฏี ซึ่งกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ก่อให้เกิดขึ้น นักจิตวิทยารู้จักความรู้2 ชนิดนี้ในนามความรู้เชิงกระบวนการ (procedural knowledge) และความรู้เชิงบรรยาย (declarative knowledge)

เป็นที่ชัดเจนว่าทฤษฎีของการสอนจะต้องรับรู้ถึงวัตถุประสงค์ในการสอนทั้งความรู้เชิงบรรยายและความรู้เชิงกระบวนการ ตอนต่อไปจะได้กล่าวถึงความรู้แต่ละชนิดในรายละเอียดในตอนต่อไป


ความรู้เชิงบรรยาย(descriptive knowledge)
โดยทั่วไปความรู้เชิงบรรยายอยู่ในรูปของหน่วยการเรียนรู้หรือหน่วยคำสอนของเนื้อหาเชิงบรรยาย ที่ประกอบด้วยชุดต่างๆ ของมโนทัศน์และระบบมโนทัศน์ มีองศาของความซับซ้อน ความเป็นนามธรรม และความสำคัญ ต่างๆกัน จะเห็นว่ามโนทัศน์ไม่ได้อยู่โดดเดี่ยวแต่เพียงลำพัง แต่มีความสัมพันธ์กับระบบที่มีความหมาย มักมีโครงสร้างตามลำดับชั้นของมโนทัศน์ มโนทัศน์ที่อยู่เหนือกว่าและต่ำกว่าของระบบมโนทัศน์ นอกจากนั้นมโนทัศน์ยังอ้างถึงรูปแบบบางอย่าง มีการใช้เทอมต่างๆ ซึ่งแบ่งมโนทัศน์ออกได้ 3 ชนิดคือ 1. มโนทัศน์ตามความเข้าใจ ของสามัญสำนึกในทันที

2. มโนทัศน์เชิงบรรยาย เป็นเหมือนกับการมีปฏิสัมพันธ์กับโลกรอบตัว หรือการเปรียบเทียบเทียบเคียงโดยตรงกับวัตถุและเหตุการณ์ 3.มโนทัศน์เชิงทฤษฎี โดยการกำหนดเป็นข้อตกลงเบื้องต้นเหมืนอกับสัจพจน์ ในส่วนของลักษณะที่ไม่อาจรับรู้ได้ ไม่มีใครเข้าใจความหมายของมโนทัศน์เชิงทฤษฎีใดๆโดยปราศจากความเข้าใจบางอย่างและรู้ถึงระบบทฤษฎีที่เป็นอยู่ ซึ่งข้อมูลจากการปฏิบัตินั้นมีระบบทฤษฎีนั้นเป็นพื้นฐาน มีระบบมโนทัศน์อยู่ 2 ชนิดคือ

1. ระบบมโนทัศน์เชิงบรรยาย ประกอบด้วยมโนทัศน์ตามความเข้าใจ มโนทัศน์เชิงบรรยายซึ่งจะเกี่ยวข้องกับเฉพาะวัตถุที่สามารถรับรู้ได้ และการปฏิสัมพันธ์ของวัตถุเหล่านี้
2. ระบบมโนทัศน์เชิงทฤษฎีประกอบด้วยมโนทัศน์ตามความเข้าใจ เชิงบรรยาย และเชิงทฤษฎี

การเกิดขึ้นของมโนทัศน์เชิงบรรยาย
มโนทัศน์เชิงบรรยายเกิดขึ้นอย่างไร นั้นเป็นเหมือนกับกระบวนการสร้างความรู้ กระบวนการนี้มีรูปแบบเดียวกับการหาเหตุผลแบบนิรนัยเชิงสมมุติฐาตน (hypothetical-deductive reasoning) ที่นำให้เราไปสู่การทดสอบสมมุติฐาน การเกิดมโนทัศน์ไม่ใช่เรื่องใหม่ เป็นเหมือนกระบวนการทางนามธรรมโดยตรง และอยู่บนฐานของความสามารถที่จะสร้างและทดสอบสมมุติฐาน การเข้าใจแบบนี้ความรู้เชิงมโนทัศน์ที่มี (เป็นแง่หนึ่งของความรู้เชิงบรรยาย)ขึ้นอยู่กับความรู้เชิงกระบวนการของแต่ละคน ขณะที่แต่ละคนได้รับทักษะเพิ่มในการใช้ขั้นตอนนิรนัยเชิงสมมุติฐาน การเกิดมโนทัศน์ก็จะง่ายขึ้น

การเกิดมโนทัศน์เชิงทฤษฎี
การเกิดมโนทัศน์เชิงทฤษฎีเป็นที่เข้าใจได้ง่ายเมื่อพิจารณางานของชาร์ล ดาวิน (Charles Darwin) จากการที่เขาได้เปลี่ยนทัศน์จากนักสร้างสรรค์ ไปเป็นนักวิวัฒนาการ ยิ่งกว่านั้นเขาได้สร้างทฤษฎีวิวัฒนาการอันเป็นที่น่าพอใจผ่านทางการใช้การคัดเลือกตามธรรมชาติ (natural selection) ชาร์ล ดาวินได้ก้าวเข้ามาใช้มโนทัศน์การคัดเลือกตามธรรมชาติ โดยที่เขาได้เห็นงานเขียนของ Matthus เกี่ยวกับแนวคิดหลักสำคัญ ที่สามารถยืมมาใช้ในการอธิบายการวิวัฒนาการ แนวคิดหลักก็คือการเลือกที่คิดขึ้น โดยการเลือกพืชสัตว์พื้นเมือง นำไปเทียบเคียงกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นในธรรมชาติ และสามารถนับได้ถึงการเปลียนแปลงหรือการวิวัฒนาการของสปีชีซ์

การเทียบเคียงแสดงบทบาทหลักในการเกิดมโนทัศน์เชิงทฤษฎี Handson อ้างถึงกระบวนการที่ยืมแนวคิดเก่าและประยุกต์ใช้ในสถานะการณ์ใหม่ว่า abduction (Hanson, 1947) ยังมีคนอื่นๆอ้างถึงกระบวนการเรียกว่าการวิเคราะห์หาเหตุผลเชิงตรรกะ (analogical reasoning)(Karplus,1979 Lason & Lawson, 1979) โดยวิธีนี้แอปดักชั่น เป็นการใช้การเทียบเคียงยืมความคิดเก่าและประยุกต์ใช้ในสถานะการณ์ใหม่เพื่อสร้างมโนทัศน์ใหม่และคำอธิบายใหม่ การใช้วิธีการวิเคราะห์หาเหตุผลเชิงตรรกะเเป็นองค์ประกอบสำคัญที่มักจะอ้างถึงกันคือการคิดแบบสร้างสรรค์ สิ่งที่สำคัญคือจิตใต้สำนึก (subconscious mind) แสดงบทบาทสำคัญในการสร้างความคิดใหม๋ตามที่ Pierce อ้างอิงใน Hanson (1977) คือ ” All the ideas of science come to it by way of abduction. Abduction consists in studying the facts and devising a theory to explain them. It is only justification is that if we are ever to understand things at all, it must be that way: แนวคิดทั้งหมดของวิทยาศาสตร์มามีอยู่ได้โดยแนวคิดของแอปดักชัน แอปดักชั่นประด้วยการศึกษาความจริงและออกแบบทฤษฎีที่จะใช้อธิบายในเรื่องที่ศึกษา มันเป็นเพียงการปรับเปลี่ยนที่เมื่อถ้าเราจะเข้าใจสิ่งต่างๆหรือไม่ ซึ่งจะต้องเป็นไปตามนั้น”

ผลจากแนวทางที่คนเรียนรู้เกี่ยวกับโลกของพวกเขานั้น กระบวนการเรียนรู้เหล่านี้ก็คือความรู้เชิงมโนทัศน์หรือเชิงบรรยาย(descriptive knowledge) ขั้นตอนวิธีที่แต่ละคนใช้ให้เกิดความรู้เชิงบรรยายโดยรวมๆเรียกกันว่าความรู้เชิงกระบวนการ(procedural knowledge) เช่นการขโมยความคิดผู้อื่น การอุปนัย การนิรนัย และการอนุมาณหรือลงความเห็น(inference) ฯลฯ รูปแบบการหาเหตุผลหรือกลวิธีทางความคิดเช่นการหาเหตุผลจากเส้นทางที่มากที่สุด (combinatorial reasoning) หรือการสร้างทางเลือกสมมุติฐานอื่นให้ได้มากที่สุด (the generation of combination of alternative hypothesis) การควบคุมตัวแปร (การทดลองในแนวที่การเปลี่ยนตัวแปรอิสระเพียงตัวแปรเดียว) การหาเหตุผลเชิงสัมพันธ์ (correlational reasoning) ที่เปรียบเทียบสัดส่วนที่จะสนับสนุนเหตุการณ์หรือไม่ นั้นฝังตัวอยู่ในกระบวนการนี้

สำหรับขั้นการพัฒนาความรู้เชิงกระบวนการดังปรากฏในทฤษฎีพัฒนาการของเปียอาเจต์ โดยเฉพาะในส่วนการคิดของผู้ใหญ่หรือ การคิดแบบฉบับ (formal operational thought) บุคคลใดที่ที่เข้าสู่ขั้นการพัฒนานี้ของการคิดแบบผู้ใหญ่ เป็นการคิดของแต่ละบุคคลที่ข้ามพ้นปัจจุบันและสร้างทฤษฎีขึ้นเองกับทุกสิ่งทุกอย่าง ลอร์สัน (1984) ได้ตั้งสมมุติฐานในส่วนสำคัญที่เปลี่ยนจากขั้นที่ต่ำกว่าของการพัฒนาไปสู่ขั้นการพัฒนาที่สูงขึ้นสะท้อนให้เห็นถึงความสามารถของผู้ใหญ่ที่จะถามคำถาม ไม่ใช่เพราะผู้อื่นแต่เพราะตัวเองที่สะท้อนให้เห็นต่อความถูกต้องหรือความไม่ถูกต้องของคำตอบของคำถามดังกล่าวเหล่านั้นในลักษณะการตั้งสมมุติฐานเชิงนิรนัย (hypothetical deductive)

Kuhn, Amsel และ O’Loughlin (1988) ได้ชี้ให้เห็นความสามารถหลัก 3ประการที่ได้มาโดยผู้ใหญ่บางคนคือ
1. ความสามารถที่จะคิดเกี่ยวกับทฤษฎีมากกว่าการคิดเฉพาะกับทฤษฎี ผู้ใหญ่ที่สามารถสะท้อนความคิดเพื่อพิจารณาทฤษฎีทางเลือกอื่น และถามต่อว่าอันไหนที่สามารถยอมรับได้มากที่สุด
2. ความสามารถที่จะพิจารณาหลักฐานที่จะถอนออกจากสิ่งที่แตกต่างออกจากทฤษฎีโดยตัวเอง สำหรับเด็กหลักฐานและทฤษฎีไม่สามารถที่จะแยกออกจากกันได้และเป็นเรื่องยากที่สุดที่จะทำให้เกิดขึ้นในห้องเรียน นั่นก็คือคำระหว่าง สมมุติฐาน การพยากรณ์ และหลักฐาน (Lawson, Lawson and Lawson, 1984)
3. เป็นความสามารถที่จะกันการยอมรับหรือปฏิเสธของตัวเองของทฤษฎีเพื่อประเมินอย่างอย่างมีจุดประสงค์ภายใต้การพยากรณ์และหลักฐานอ้างอิง

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ควรจะยอมรับว่าถูกต้อง เฉพาะตราบเท่าที่ยังดูมีเหตุผลภายใต้คำอธิบายและหลักฐานทางเลือกอื่น และหลักฐานที่นำไปสู่พฤติกรรมที่ประสบความสำเร็จในธรรมชาติ แม้ว่าการค้นพบหลายอย่างทางวิทยาศาสตร์ก้าวเข้ามาสร้างนักวิทยาศาสตร์ในขั้นต้นโดยโอกาสหรือบังเอิญ แม้ว่าจะมีเรื่องดังกล่าวปรากฏอยู่ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์เกือบทั้งหมดมาจากกลวิธีจากการใช้การคิดเชิงวิทยาศาสตร์ (scientific thinking) การสอนวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ส่วนมากแล้วมุ่งเน้นไปสิ่งที่เรียกว่ากระบวนการทางวิทยาศาสตร์ (process of science) โดยพิจารณาถึงอะไรที่เป็นแก่นกลางของพลังของวิทยาศาสตร์ ที่สามารถอธิบาย และสามารถทำนายปรากฏการณ์ได้จริง บางครั้งการอธิบายและการทำนายเป็นเรื่องหลักเป็นสิ่งเดียวกัน ที่แตกต่างกันก็คือการพยากรณ์เกิดขึ้นก่อนที่เหตุการณ์จะเกิดขึ้น และคำอธิบายอาจเกิดขึ้นหลังจากที่ปรากฏการณ์เกิดขึ้น)

การสืบเสาะหาความรู้ทางวิทย์

Trowbridge (1990) ได้กำหนดการสืบเสาะหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ (scientific inquiry)เป็นกิจกรรมเชิงระบบและการศึกษาค้นคว้าด้วยจุดประสงค์ที่เปิดเผยและอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุและปรากฏการณ์ การปฏิบัติในการสืบเสาะหาความรู้รวมเอา การสังเกต การถามคำถาม การทดลอง การเปรียบเทียบ การอนุมาน สามัญการ (generalization) การสื่อสาร การประยุกต์ และอื่นๆ ในแนวทางที่ช่วยผู้เรียนได้สะท้อนประเมินและปรับปรุงความคิดของพวกเขาเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ การใช้กิจกรรมต่างๆซึ่งนักเรียนได้ศึกษาค้นคว้าจริงๆ และพยายามที่จะสร้างความรู้ของตัวเองขึ้นมาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ธรรมชาติ ซึ่งอำนวยความสะดวกได้ดีที่สุดทั้งการสร้างมโนทัศน์เฉพาะทางและระบบมโนทัศน์ รวมทั้งการพัฒนาทักษะการคิดโดยทั่วไป

การสอนวิทยาศาสตร์โดยการสอนทักษะกระบวนการ มีทักษะที่จำเป็นในการศึกษาค้นคว้าโลกธรรมชาติ เช่นการสังเกต การวัด การอนุมาณ และอื่นๆ เช่นกิจกรรมการปฏิบัติการที่ลงมือปฏิบัติ (hand-on laboratory) ที่ควรจะได้ให้การฝึกฝนและปฏิบัติในทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ การสืบเสาะหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์นั้นเป็นความพยายามที่จะอธิบายว่าทำไมและอย่างไรที่เหตุการณ์เกิดขึ้นเหมือนดังที่เกิดขึ้นในโลกธรรมชาติ ครูควรดึงผู้เรียนเข้ามาเกี่ยวข้องในกิจกรรมหลักของวิทยาศาสตร์ และครูควรจะใช้ขั้นตอนสำคัญที่จะเชื่อมโยงสารสนเทศในหน่วยการเรียนรู้วิทยาศาสตร์กับความรู้เดิมที่นักเรียนมีอยู่

เราสามารถที่จะสรุปสามด้านหลักของการสืบเสาะความรู้ทางวิทยาศาสตร์คือ

1. กิจกรรมโดยรวมๆเช่น การสังเกต การวัด การทดลอง และการสื่อสาร และกิจกรรมทางความคิดอันได้แก่ทักษะการคิด เช่นการอุปนัย การนิรนัย ตั้งสมมุติฐาน สร้างทฤษฎี การวิเคราะห์ การสังเคราะห์ การสำรวจ การประเมินค่า การประมาณค่า การคาดคะเน การเทียบเคียง การเลียนแบบความคิด (abduction)
2. ความใน 3 ด้านคือ 1)เกี่ยวกับธรรมชาติที่มีความฉลาดล้ำลึก มีสาเหตุที่เกิดไม่ใช่การลังเลสงสัย 2) เกี่ยวกับวิธีการที่เป็นจริงเป็นจังมีวัตถุประสงค์แน่ชัด 3) เกี่ยวกับความรู้ที่เป็นโครงสร้าง การอธิบาย การทำนาย และการทดลองดูก่อนยังไม่เป็นที่แน่นอน
3. ลักษณะของบุคคลที่อยากรู้อยากเห็น สร้างสรรค์และมีข้อผู้มัดเป็นพันธะสัญญา

ทัศนะการสร้างความรู้ที่ใช้ในวิทยาศาสตร์ศึกษา

ผู้เรียนจะแลเห็นไม่โครงสร้างความคิด (schemata)ที่มีอยู่ที่จัดให้ใช้อธิบายประสบการณ์อย่างพอเพียง หรือยังมีบางอย่างที่ไม่พอเพียงที่ประสบการณ์ที่มีไม่สามารถอธิบายได้อย่าง สมบูรณ์ ผู้เรียนอาจจะแลเห็นถึงโครงสร้างความคิดที่มีที่จัดคำอธิบายประสบการณ์อย่าง เพียงพอ แต่ตามทัศนะของผู้สอนผู้เรียนยังมีไม่เพียงพอ ที่อาจเกิดขึ้นได้ถ้า ตามความตั้งใจของครู โครงสร้างความคิดที่เหมาะสมนำมาใช้ในการตีความประสบการณ์ หรือถ้ามีบางแง่มุมของประสบการณ์ที่ไม่เข้ากับโครงสร้างความคิดที่มีอยู่ ถ้าสังเกตไม่พบหรือละเลยไป ผู้เรียนจำนวนมากได้ออกไปจากสถานะการณ์ที่จะเรียนรู้ โดยโครงสร้างความคิดเดิมสนับสนุน (Apoleton,1989)

โดยการให้ได้มาซึ่งสารสนเทศมากขึ้นช่วยลดความขัดแย้งความไม่สมดุลย์ (dissonance) ขณะที่ผู้เรียนขยายขอบเขตโครงสร้งความคิดที่มีอยู่ การขยายโครงสร้างความคิดดังกล่าวหรือเป็นการสร้างโครงสร้างความคิดใหม่ขึ้น (Osborne&Witrock,1983) เป็นประสบการหนึ่งเดียวที่มีการปรับโครงสร้างความคิดใหม่เพิ่มเติม (accomodation) (Piaget, 1978) ดังที่อธิบายไว้อาจจะไม่เพียงพอสำหรับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างความคิดหลัก ของผู้เรียน (cognitive structrue) ดังนั้นโครงสร้างใหม่คงจะจำเป็นนำไปใช้และทดสอบในหลายๆ สถานะการณ์ที่มีประโยชน์และสามารถจัดการได้ (Osborne&Witrock,1983) ผู้เรียนมากมายอาจต้องการความช่วยเหลือในการเข้าไปตีความสารสนเทศใหม่ที่ อยู่ในประเด็นของประสบการณ์ ดังนั้นการขยายของเขตที่เหมาะสมต่อโครงสร้างความคิดและความเชื่อมโยงระหว่าง โครงสร้างความคิดต่างๆ ควรจัดให้มีขึ้น

เมื่อผู้เรียนรอเพื่อการปรับแก้สารสนเทศให้ถูกต้อง การจัดโดยหนังสือเล่มหนึ่ง โดยครู หรือผู้มีอำนาจศักยภาพอื่น และให้ผู้เรียนเรียนแบบท่องจำกับสิ่งที่จัดให้ดังกล่าว ผู้เรียนสามารถจำสารสนเทศได้ง่ายในบริบทที่ใกล้เคียงกับที่ได้จัดให้ และไม่อาจจัดการเข้าถึงได้ในบริบทอื่นๆ เป็นลักษณะของการปรับโครงสร้างทางความคิดที่ผิดพลาด (False accommodation) ซึ่งมักจะใช้กันมากในโรงเรียนในการเตรียมสำหรับการสอบไล่

ผู้เรียนบางคนอาจจะไม่พิจารณาที่จะพยายามต่อไป ที่จะไปเกี่ยวข้องที่จะดำเนินการแบบเดิมต่อไป ไม่ว่าปรับโครงสร้างความคิดที่ผิด หรือแม้แต่การปรับโครงสร้างความคิดให้ถูกว่าเป็นสิ่งที่มีคุณค่า และดังนั้นเขา จึงออกไปจากประสบการณ์การเรียนรู้ ดังเช่นผู้เรียนบางคนอาจจะมีประสบการล้มเหลวซ้ำแล้วซ้ำเล่าในทางวิทยาศาสตร์ และเพื่อหลีกเลี่ยงความผิดพลาดที่จะเกิดอีก จึงออกจากสถานะการเรียนรู้คือไม่ยอมเรียนรู้ใดๆ

การสอนเพื่อความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์

การสอนวิทยาศาสตร์ในแนวทางที่ช่วยผู้เรียนสะท้อนผลการคิดและการเรียนรู้เกี่ยวกับโลกธรรมชาติ คือส่วนที่มีความหมายในการสอนเพื่อความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ โดยที่ยุทธวิธีในการสอนขึ้นอยู่กับเพียงความเข้าใจว่านักเรียนเรียนรู้อย่างไร กล่าวคือ

1. การเรียนรู้มีทิศทางมีเป้าหมาย ผู้เรียนที่มีทักษะการเรียนรู้จะเข้ามาเกี่ยวข้องอย่างกระตือรือร้นในการสร้างความหมาย และเป็นผู้เรียนที่เป็นอิสระ
2. การเรียนรู้เชื่อมโยงส่วนที่เป็นอิสระไม่ได้ขึ้นอยู่กับอะไร
3. การเรียนรู้ทำให้มีการจัดโครงสร้างความรู้
4. การเรียนรู้เป็นยุทธวิธี ผู้เรียนที่มีทักษะจะพัฒนาความชำนาญ ซึ่งให้ผลเท่าๆกับการควบคุมกิจกรรมต่างๆ ของตัวเอง
5. การเรียนรู้เกิดเป็นด้านๆ (in phase) ไม่เป็นเชิงเส้น และต้องการให้ผู้เรียนคิดเชิ่อมโยงเกี่ยวกับสิ่งที่รู้แล้วนำเข้ามาร่วมกับอะไรก็ตามที่กำลังจะเรียนรู้ใหม่ และทำให้ความรู้นั่นมั่นคงขึ้น
6.การเรียนรู้ได้รับอิทธิพลจากการพัฒนาการ กำหนดขึ้นเป็นเหมือนกับความหมายของการเรียนรู้ที่มีเหตุผลเข้าใจได้ การรู้อะไรที่มีคุณค่านั้นครูวิทยาศาสตร์ต้องตัดสินได้ว่าอะไรที่จะให้เรียนรู้

ตามทัศนะการสอนของครู้จะเป็นการนำเสนอความรู้ ส่วนทัศนะที่ให้ผู้เรียนคนพบด้วยตัวเองครู้เป็นเพียงผู้จัดประสบการณ์ ซึ่งในทัศนะการสร้างความรู้จะต้องนำทั้งสองทัศนะดังกล่าวมรวมกัน ซึ่งครู้จำเป็นต้องจัดประสบการณ์ที่จำเป็นให้นักเรียนได้เข้าใจวิทยาศาสตร์ โดยสร้างความสัมพันธ์ระหว่างเหตุการณ์และปรากฏการณ์ โดยการแทรกแซง การพูดคุยเจรจา เป็นหลัก และถือว่าการสอนเป็นกระบวนการเรียนรู้อย่างหนึ่ง

ส่วนที่เป็นหัวใจของประสบการณ์การสอนและการเรียนรู้ที่ดีก็คือความสัมพันธ์เชิงวิกฤติก็คือความสัมพันธ์ที่ครูและนักเรียนแสวงหาคำถามและคำตอบจากความคิดระหว่างกัน เพื่อที่จะตีความความคิดใหม่ ในแนวทางที่จะปรับปรุง หรือแม้แต่จะล้มเลิกความคิด (Rowland,1984 p1)

การคิดในวิทยาศาสตร์ศึกษา

นับหลายศตวรรษที่จุดประสงค์ของการศึกษาขั้นพื้นฐานอย่างหนึ่งก็คือการพัฒนาความสามารถในการคิด ซึ่งโรงเรียนน่าจะได้ใช้เป็นแนวทางนำ ในทางวิทยาศาสตร์ศึกษาการพัฒนาความสามารถในการคิดจึงเป็นหนทางให้นักเรียนในการเรียนรู้ทุกวัย และแนวทางการพัฒนาให้แต่ละคนมีสมรรถนะสูงในการคิดอย่างมีเหตุผลนั้น เป็นเป้าหมายสำคัญของวิทยาศาสตร์ศึกษา

เมื่อถามว่าการคิดหมายถึงอะไรในทางวิทยาศาสตร์ศึกษา นั้น ความหมายเปลี่ยนแปลงตามเวลาที่ผ่านไป นับเกือบศตวรรษมาแล้วที่วิธีการทางวิทยาศาสตร์ได้ตั้งมั่น แล้วกลายเป็นจุดเน้นของการคิดทางวิทยาศาสตร์ศึกษา และตอนกลางศตวรรษที่แล้วมา คำว่าการแก้ปัญหา (problem solving) และการสืบเสาะความรู้ (inquiry) ได้รับความนิยมเพื่อใช้อธิบายการคิดทางวิทยาศาสตร์ และเวลาต่อมาได้ลงลึกในรายละเอียดว่าเป็นเช่น การสังเกต การจัดแบ่งประเภท การอนุมาณหรือลงความเห็น การนิยามเชิงปฏิบัติการ และการควบคุมตัวแปร เป็นต้น

โดยสรุปกล่าวได้ว่าหลังปี 1920 จุดเน้นหลักของงานวิจัยที่เกี่ยวกับการคิดทางวิทยาศาสตร์ก็คือ วิธีการทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นการคิดทางวิทยาศาสตร์ที่กว้างและยืดหยุ่นเกินไป ที่ต่อมาการแก้ปัญหาและการสืบเสาะหาความรู้ได้เข้ามาแทนที่วิธีการทางวิทยาศาสตร์ ขณะเดียวกันมีการนำเทอมอื่นๆ มาใช้ เช่น critical thinking, Productive thinking และ scientific thinking ซึ่งแต่ละเทอมก็เน้นย้ำถึงวิธีการทางวิทยาศาสตร์หรือด้านอื่นด้วย ซึ่งยังมองว่ามีประโยชน์ในกระบวนทัศน์ทางการสอนและวิจัย ส่วนการสอนแบบสืบเสาะหาความรู้เดิม ก็มองว่าได้ผลน้อยเข้าใจเนื้อหาได้น้อยกว่าที่ควรจะเป็น (unproductive) หลังปี 1960 การคิดมุ่งไปที่ ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ (science process skill) เป็นมโนทัศน์ที่สำคัญมีผลกระทบสูงตลอด 30 กว่าปีที่ผ่านมา โดยเน้นทักษะที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการแก้ปัญหา เป็นพฤติกรรมจริงๆ ของนักวิทยาศาสตร์ เป็นการเรียนรู้วิทยาศาสตร์เหมือนกับที่นักวิทยาศาสตร์ปฏิบัติอยู่

โดยจัดให้ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์แบ่งออกได้สองส่วนหลักคือ ทักษะพื้นฐาน (Basic science process) และทักษะบูรณาการ (Integrated science process) สำหรับทักษะพื้นฐาน คือ การสังเกต การจัดประเภท การสื่อสาร การวัด การใช้ความสัมพันธ์สเปสซ์และเวลา การใช้ตัวเลข การอนุมาณ และการทำนาย ทักษะเหล่านี้ได้ให้พื้นฐานสำหรับการเรียนรู้ทักษะขั้นสูง หรือบูรณาการ ส่วนทักษะบูรณาการได้แก่ การควบคุมตัวแปร การนิยามเชิงปฏิบัติการ และการทดลอง

หลังสุดแนวคิดเพิ่มเติมที่ให้ทุกคนเป็นคนมีความรู้วิทยาศาสตร์ (Scientifically literate person) โดยที่ความรู้อยู่บนฐานของ ความจริง (facts), มโนทัศน์ (concepts) และกลุ่มหรือระบบมโนทัศน์ (conceptual schemes) ยังคงมีทักษะกระบวนการ (process skills) ที่ทำให้แต่ละคนเรียนรู้และคิดอย่างมีตรรกะ มีเหตุผล

ความสำคัญของวิทยาศาสตร์

จากรัฐธรรมนูญได้ชี้ให้รัฐต้องเร่งรัด และพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเพื่อการพัฒนา ประกอบกับองค์การยูเนสโกในปี 2000 ได้ออกมาเสนอให้พลโลกรู้วิทยาศาสตร์อย่างเพียงพอเพื่อการดำรงชีวิตอย่างเป็นสุขและปลอดภัยในโลกยุคโลกาภิวัฒน์ การพัฒนาให้ทุกคนรู้วิทยาศาสตร์จึงมีความสำคัญในการดำรงชีวิต ช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการพัฒนาเศรษฐกิจ

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ช่วยให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยี และเทคโนโลยีก็มีส่วนสำคัญในการค้นคว้าความรู้ทางวิทยาศาสตร์ได้เร้วขึ้น ดังในความรู้ในการแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ วิทยาศาสตร์จึงเป็นวัฒนธรรมของโลกสมัยใหม่ซึ่งเป็นสังคมแห่งการเรียนรู้ การเรียนรู้วิทยาศาสตร์ อันมีความรู้ ทักษะ(กระบวนการทางวิทยาศาสตร์) เจตคติทางวิทยาศาสตร์ การสร้างสมประสบการณ์ในการจัดการ การบำรุงรักษา และการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อมอย่างสมดุลย์และยั่งยืน ทั้งนี้เพราะวิทยาศาสตร์ช่วยพัฒนาความคิดที่มีเหตุผล สร้างสรรค์ คิดวิเคราะห์และวิจารย์ และมีทักษะที่สำคัญในการศึกษาค้นคว้าหาความรู้ ในการแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ

ตามพระราชบัญญัติการศึกษาดังที่ระบุในมาตรา 22 ให้ผู้เรียนทุกคนมีความสามารถในการเรียนรู้และพัฒนาตนเองได้ การเรียนรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีความสำคัญมากเช่นเดียวกับการเน้นผู้เรียนเป็นสำคัญที่สุด จึงจะส่งเสริมให้ผู้เรียนพัฒนาตามธรรมชาติและเต็มศักยภาพได้ และในมาตรา 23 ที่ให้มีการบูรณาการความรู้ คุณธรรม กระบวนการเรียนรู้ สอดคล้องกับเน้นให้ผู้เรียนมีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ควบคู่ไปพร้อมกับการพัฒนาการทางความคิดในระดับสูงแล้ว จากการศึกษาในสาขาวิทยาศาสตร์ศึกษามีส่วนส่งเสริมให้ผู้เรียนมีคุณธรรมจริยธรรมมากขึ้นด้วย

ความหมายของวิทยาศาสตร์

วิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับความจริง และมีเหตุผล ในรายละเอียดเกี่ยวข้องกับการจำแนกประเภท การจัดหมวดหมู่ มีระบบ มีขั้นตอน และสรุปได้เป็นกฏหรือหลักการทั่วไป

ความหมายวิทยาศาสตร์
วิทยาศาสตร์มาจากคำภาษาอังกฤษว่า Science ที่มาจากภาษาลาตินว่า Scientia ซึ่งหมายถึงความรู้ทั่วๆ ไป แต่วิทยาศาสตร์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันหมายถึงความรู้ที่แสดง หรือพิสูจน์ว่าถูกต้องเป็นจริง ความรู้ดังกล่าวนี้มักได้มาโดยเริ่มต้นจากการสังเกต และการทดลองที่เป็นระเบียบ มีขั้นตอนปราศจากอคติ แล้วเปรียบเทียบ จัดหมวดหมู่ สรุปเป็นทฤษฎี หรือกฏขึ้น แล้วใช้ทฤษฎีหรือกฏที่ได้เป็นหลักการในการค้นคว้าต่อๆ ไป ถ้าผลที่ได้ไม่เป็นไปตามทฤษฎีหรือกฏที่ตั้งไว้ ก็จะเปลี่ยนแปลงทฤษฎีหรือกฏเสียใหม่ แล้วนำไปใช้ในการสังเกตใหม่ ทำอยู่แบบนี้จนหมดข้อขัดแย้ง ทฤษฏีหรือกฏนั้นจะเป็นที่ยอมรับกันทั่วไป แต่เมื่อใดที่พบว่าทฤษฎีหรือกฏนั้นขัดแย้งกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตหรือการทดลองก็จะต้องปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงทฤษฎีหรือกฏให้อธิบายได้กว้างขวางขึ้น กรรมวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่ากระบวนการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งไม่จำเป็นว่าจะต้องเริ่มต้นด้วยการสังเกตหรือการวัดเสมอไป อาจจะเริ่มด้วยจินตนาการ แล้วทดลองดูว่า เป็นไปตามที่คิดไว้หรือไม่ และที่เริ่มด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ก็มีไม่น้อย
กล่าวโดยสรุป วิทยาศาสตร์เป็นวิชาที่ค้นหาความจริงเกี่ยวกับธรรมชาติ โดยใช้กระบวนการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งมีความหมายว่าที่เรียกว่าวิทยาศาสตร์นั้นไม่ใช่ตัวความรู้ทางวิทยาศาสตร์เพียงอย่างเดียว แต่ยังประกอบด้วยกระบวนการแสวงหาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งทำให้ได้ความรู้นั้นๆ อีกด้วย

กำเนิดวิทยาศาสตร์

เท่าที่มีการบันทึกเริ่มจากอารยธรรมของกรีกที่ยังคงหลงเหลือถึงปรัชญาที่มีเหตุผลอันคิดได้ว่าเป็นบรรพบุรุสของวิทยาศาสตร์ทั้งปวงรวมทั้งวิทยาศาสตร์สมัย โดยปรัชญาศึกษาถึงระบบที่รวมรวมเอาความรู้จากกิจกรรมการให้เหตุผลของมนุษย์เพียงอย่างเดียว ความพยายามที่จะหาเหตุผลเพื่อความเข้าใจโดยไม่ใช้ลางสังหร การบอกกล่าวให้รู้ การดลบันดาลใจ แหล่งสารสนเทศทั้งหลายที่ไม่มีเหตุผล โดยศึกษาจากภายใน ของพฤติกรรมของมนุษย์ ศิลธรรม จริยศาสตร์ การกระตุ้นเร้าและการตอบสนอง และการศึกษาเรื่องภายนอกที่ไม่เกี่ยวข้องกับจิตใจที่ไม่มีตัวตน ที่เกี่ยวกับการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับธรรมชาติ

การศึกษาทางปรัชญาในประการหลังนี้เรียกว่าปรัชญาธรรมชาติ (natural philosophers) และเรียกนักปรัชญาที่ศึกษาเรื่องดังกล่าวว่าปรัชญาธรรมชาติ (natural phylosophy) และเป็นเวลาหลายศตวรรษหลังจากสมัยกรีกยุคแรกๆ การศึกษาปรากฏการณ์ธรรมชาติยังคงเรียกว่าปรัชญาธรรมชาติต่อไป ซึ่งคำสมัยใหม่ที่ใช้แทนคำปรัชญาธรรมชาติคือวิทยาศาสตร์ (science)

อย่างไม่ต้องสงสัยที่ว่ายังมีคนที่ฉลาด และเป็นผู้ที่มีเหตุผลก่อนสมัยกรีก แต่ยังไม่เป็นที่รู้จักกัน มีเพียงวัฒนธรรมกรีกเท่านั้นที่ทิ้งไว้ ได้แก่ปรัชญาที่มีเหตุผลจัดได้ว่าเป็นบรรพบุรุสของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
วิทยาศาสตร์เป็นคำในภาษาลาตินแปลว่าเพื่อรู้ (to know) ซึ่งคำนี้ไม่ได้เป็นที่นิยมจนกระทั่งก้าวเข้าสู่ศตวรรษที่ 19 แม้กระทั่งปัจจุบันการจบการศึกษาปริญญาสูงสุดจากมหาวิทยาลัยโดยทั่วไปจะเรียกว่า ดุษฏีบัณฑิตปรัชญา (Doctor of Philosophy)

คำว่าธรรมชาติ (natural)มีที่มาจากภาษาลาติน ดังนั้นเทอม ปรัชญาธรรมชาติ (natural philosophy) จึงมีรากศัพท์ครึ่งหนึ่งจากภาษาลาติน และครึ่งหนึ่งจากภาษากรีก ส่วนคำว่า ธรรมชาติ ในภาษากรีกคือ phsikos ดังนั้นอาจเรียกปรัชญาธรรมชาติให้ละเอียดลงไปว่าเป็นงปรัชญากายภาพ (physical phylosophy) และความหมายอันเป็นจุดกำเนิดจะรวมเอาวิทยาศาสตร์ทั้งหมดไว้ด้วยกัน

อย่างไรก็ตามขณะที่ทุกสาขาของวิทยาศาสตร์ขยายขอบเขตออกไปในเชิงลึก ขณะที่มีการรวบรวมสารสนเทศไว้อย่างมากมาย นักปรัชญาธรรมชาติจำเป็นต้องทำให้เป็นเฉพาะทางมากขึ้น โดยนำบางส่วนหรือส่วนอื่นๆของความพยายามทางวิทยาศาสตร์ ขณะเลือกสาขาเฉพาะในการศึกษาหรือทำงาน การเป็นเฉพาะทางได้รับชื่อแตกต่างกันเป็นการเฉพาะ และมักจะตัดออกจากสาขาใหญ่ที่รวมทั้งหมดคือสาขาฟิสิกส์ในสมัยนั้น

ดังนั้นการศึกษาความสัมพันธ์เชิงนามธรรมของรูปแบบ (form) และตัวเลขจะกลายเป็นวิชาคณิตศาสตร์ (mathematics) การศึกษาเกี่ยวกับตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าจะเป็นวิชาดาราศาสตร์ (astronomy) การศึกษาเชิงกายภาพของโลกจะกลายเป็นวิธีธรณีวิทยา (geology) การศึกษาเกี่ยวกับองค์ประกอบและปฏิกิริยาของสารจะเป็นวิชาเคมี (chemistry) การศึกษา โครงสร้าง ฟังก์ชัน และความสัมพันธ์ภายในสิ่งมีชีวิตกลายเป็นวิชาชีววิทยา (biology) และอื่นๆ ส่วนคำว่าฟิสิกส์นำมาใช้อธิบายการศึกษาส่วนของธรรมชาติที่เหลือนอกเหนือจากที่กล่าวมาแล้ว จะเห็นว่าครอบคลุมหลายสาขา เช่นปรากฏการณ์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ ความร้อน แสง เสียง ไฟฟ้า และแม่เหล็ก ทั้งหมดที่กล่าวมาเป็นรูปหนึ่งของพลังงาน ดังนั้นกล่าวได้ว่าการศึกษาในสาขาฟิสิกส์โดยหลักใหญ่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์กันและกันระหว่างพลังงานและสสาร

การแบ่งแยกย่อยสาขาทางวิทยาศาสตร์เป็นเฉพาะทางมีส่วนที่ประดิษฐ์สร้างสรรขึ้นจากมนุษย์ และการแบ่งเป็นสาขาระดับความรู้ยังไม่มากนัก การแบ่งทำให้ดูว่ามีประโยชน์และง่ายต่อการศึกษา เป็นไปได้ที่ใครจะศึกษา ดาราศาสตร์หรือชีววิทยาอย่างโดดเดี่ยวโดยไม่อ้างอิงถึงวิชาเคมีหรือฟิสิกส์ แต่เมื่อเวลาผ่านไปการสะสมของสารสนเทศและความรู้แต่ละสาขา ทำให้ของเขตความเป็นเฉพาะทางแต่ละสาขามาบรรจบและคาบเกี่ยวกัน ทำให้เทคนิคของสาขาหนึ่งได้กลายเป็นการจุดประกายและมีความหมายยิ่งในอีกสาขาวิชาหนึ่ง จนกล่าวได้ว่าการศึกษาเรื่องหนึ่งเรื่องใดในปัจจุบันเป็นการบูรณาการหลายสาขาเข้าด้วยกั

ธรรมชาติของความรู้

ความรู้ทั้งหลายในโลกนี้สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลักคือ ความรู้เขิงประกาศอันได้แก่ความจริงทั้งหลายที่เรารู้ว่าเป็นอะไร และความรู้เชิงกระบวนการได้แก่ทักษะต่างๆที่เรารู้ว่าทำอย่างไร ในแง่มุมของความรู้เชิงประกาศของสารวัตถุและตามศาสตร์วิชาต่างๆ ประกอบด้วยชุดของมโนทัศน์ที่มีองศาของความซับซ้อน ความเป็นนามธรรม และความสำคัญต่างๆ กันนั้น โดยทั่วไปมองเป็นหน่วยพื้นฐานของคำสอนรายวิชาต่างๆ
มโนทัศน์ (concept) จะเกิดขึ้นได้เมื่อไรก็ตามที่แบ่งแยกความแตกต่างได้ระหว่างวัตถุหรือเหตุการณ์ตั้งแต่ 2 ชนิดหรือมากกว่า ที่ได้จัดกลุ่มหรือแบ่งประเภทไว้ด้วยกัน และจัดไว้แตกต่างจากวัตถุ เหตุการณ์ สถานะการณ์อื่นๆ บนรากฐานของการมีลักษณะรูปแบบหรือคุณสมบัติบางอย่างร่วมกัน
มโนทัศน์สามารถพิจารณาให้เป็นหน่วยของความคิด (unit of thought) ซึ่งคงอยู่ในใจของมนุษย์สามารถนึกคิดออกมาได้ ปกติเราจะใช้คำว่า เทอม (terms) เมื่ออ้างถึงหน่วยความคิดนี้ การสร้างมโนทัศน์หรือการเกิดมโนทัศน์เกี่ยวข้องกับทั้งการจำได้ถึงรูปแบบร่วม หรือลักษณะจากปรากฏการณ์บางอย่างและรวมทั้งเทอมบางเทอม หรือการจัดหมู่ของเทอม (combination of terms)
มโนทัศน์ไม่สามารถที่จะคงอยู่ตามลำพัง แต่มีความสัมพันธ์กันเป็นระบบที่มีความหมาย มักจะมีโครงสร้างตามลำดับชั้น (hierarchical concept)ของมโนทัศน์รองและมโนทัศน์หลัก (subordinate and superordinate: Ausubel,1963; Bruner,1963; Gagne’, 1970: Lason,1958; Novak Gowin and Johansen, 1983) ระบบดังกล่าวเรียกว่า ระบบมโนทัศน์ (conceptual system)
ระบบมโนทัศน์ดังกล่าวเช่นนั้นก็คือก็คือระบบนิเวศ (eco-system) โครงสร้างมโนทัศน์ตามลำดับชั้นประกอบด้วยหน่วยพื้นฐาน เช่นต้นไม้ กบ แสงอาทิตย์และอื่นๆ อยู่ส่วนล่างที่มีระบบนิเวศอยู่ด้านบนของโครงสร้างมโนทัศน์ตามลำดับชั้น ซึ่งเกิดเป็นระบบมโนทัศน์ อันได้แก่ความรู้ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกับระบบนิเวศนั่นเอง

มุมมองให้ได้ความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์

มีแนวคิด 4 ประการในการทำความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ ที่นักเรียนอาจตีความมโนทัศน์ผิดทั้ง 4 ด้านคือ

1. ด้านเนื้อหาประกอบด้วยความจริง คำนิยาม และอัลกอริธึมที่เกี่ยวข้องกับเนื้อหาวิชา
2. ด้านการแก้ปัญหา ที่มีส่วนการแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการคิด (พุทธิวิสัย) โดยเฉพาะ และโดยทั่วไป และความเชื่อในการแก้ปัญญา กระบวนการการจัดระเบียบเป็นไปโดยอัตโนมัติ เพื่อให้แต่ละคนจัดระเบียบตนเองในระหว่างการแก้ปัญหา
3. ด้านบ่อเกิดความรู้ที่มุ่งเน้นแนวกลางๆ ทั่วไป ไปถึงพื้นฐานของมโนทัศน์และข้อจำกัดในช่วงใดช่วงหนึ่ง4. ด้านการสืบเสาะหาความรู้ ประกอบด้วยความรู้และทัศนคติที่จำเป็นเพื่อที่จะท้าทาย ขยายขอบเขตของความรู้ ส่วนการยืนยันและการถอนการยืนยันของข้อสรุปทางวิทยาศาสตร์ไม่ได้เป็นกระบวนการที่สมมาตร

ทัศนความหมายของวิทยาศาสตร์

ได้มีผู้ได้ให้ความหมายของวิทยาศาสตร์ในเชิงที่นิ่งและเคลื่อนไหว (static and dynamic) เป็นต้นว่าเซอร์วิลเลี่ยม แคมเปียร์ (Sir William Dampier) ได้ให้ความหมายวิทยาศาสตร์ไว้ว่าเป็น “ความรู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์ธรรมชาติที่มีระเบียบแบบแผนการศึกษาที่มีเหตุผลซึ่งบอกถึงความสัมพันธ์ระหว่าง ความคิดรวบยอดที่แสดงถึงปรากฏการณ์ดังกล่าวแล้ว” อีกท่านหนึ่งคือเบอร์ทรานด์ รัสเซลล์ (Bertrand Russell) ได้ให้ความหมายวิทยาศาสตร์ว่า “เป็นความรู้ที่มีหลักเกณฑ์อันนำไปสู่การสร้างกฏทั่วไป ที่ซึ่งเชื่อมโยง ความจริงจำเพาะ ในอีกด้านหนึ่งความรู้จะเป็นพื้นฐานที่ผลักดันให้มนุษย์มีอำนาจที่จะควบคุมจัดการธรรมชาติ
ตามความหมายของแคมเปียร์เกี่ยวข้องโดยตรงกับความรู้ทางวิทยาศาสตร์ แต่ไม่ได้คำนึงถึงการประยุกต์ใช้ความรู้ดังกล่าวตลอดจนอำนาจที่จะนำไปประยุกต์ในทางที่จะเปลี่ยนแปลง ควบคุมธรรมชาติของมนุษย์ อย่างไรก็ตามความหมายนี้ของวิทยาศาสตร์ถือเสมือนว่าอยู่นิ่ง เพราะว่าสิ่งที่สำคัญที่สุดของวิทยาศาสตร์ไม่ใช่ตัวความรู้ แต่เป็นความสามารถที่จะรับเอาความรู้ นอกจากนี้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์นั้นยังจำกัดไม่สมบูรณ์ ยังไม่ถูกต้องทุกแง่ทุกมุม มักจะได้รับการปรับเปลี่ยนและทบทวนกันใหม่ นั่นก็คือวิทยาศาสตร์สามารถที่จะเพิ่มความรู้ขึ้นได้โดยไม่จำกัด
เจ จี โกรเทอร์ (J. G. Growthers) ได้ให้ความหมายของวิทยาศาสตร์ว่าเป็น “ระบบของพฤติกรรมซึ่งมนุษย์ได้มาเพื่อจะควบคุมสิ่งแวดล้อมของตนเอง ตามความหมายนี้ได้ชี้ให้เห็นด้านที่เสมือนว่าเป็นการเคลื่อนไหวของวิทยาศาสตร์ ความหมายที่ครบถ้วนของวิทยาศาสตร์จะต้องรวมเอาส่วนที่จริงแท้ของวิทยาศาสตร์ แม้ว่าในสาขานั้นจะเพิ่งเริ่มต้นขึ้นก็ตาม นอกจากนี้จะต้องรวมเอาเครื่องมืออันจะเป็นมาตรวัดความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ ที่สามารถวัดออกมาได้ และจะต้องไม่เพียงแต่นำวิทยาศาสตร์ในเชิงเคลื่อนไหวเท่านั้น ยังจะต้องคำนึงถึงความจริงที่ว่า ธรรมชาติโดยตัวเองแล้วไม่ได้หยุดนิ่ง และกฏหลักเกณฑ์ต่างๆ ไม่ใช่ว่าจะเปลี่ยนแปลงไม่ได้ แต่จะต้องเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

ธรรมชาติวิทยาศาสตร์

วิทยาศาสตร์เริ่มมาจากปัญหาความสงสัยกระหายใคร่รู้ อำอธิบายที่มีอยู่ใช้อธิบายไม่ได้ ต้องใช้ความคิดมากขึ้น สังเกตอย่างละเอียดระมัดระวังมากขึ้นจึงจะสามารถแก้ปัญหาได้ ถ้ายังคงมีปัญหาหลงเหลืออยู่จะเป็นตัวกระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์มีจินตนาการ บางครั้งได้วิธีการใหม่ในการมองปัญหา มองที่วัตถุที่เป็นสิ่งจำเป็น นักวิทยาศาสตร์พยายามหาคำอธิบายที่ดีที่สุดอย่างไม่มีที่สิ้นสุด
คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ที่เห็นได้ชัดคือทฤษฎีซึ่งสามารถอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ได้สำเร็จ ทฤษฎีที่ดีบอกว่าอะไรเกิดขึ้นในชุดของสถาระการณ์ที่กำหนด โดยวิธีนี้ทฤษฎีใหม่จะเป็นที่ยอมรับในชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ ถ้าสามารถที่จะอธิบายการสังเกตการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ได้จัดไว้แล้ว และยังพยากรณ์ผลใหม่ๆที่ไม่เคยทำมาก่อนได้ การทดลองอย่างเอาจริงเอาจัง อย่างแข็งขันจากความคิดใหม่ๆ ทางวิทยาศาสตร์ เป็นลักษณะสำคัญที่ทำให้แยกวิชาออกจากวิชา เช่นประวัติศาสตร์ เศรษฐศาสตร์ และจากไสยาศาสตร์

วิทยาศาสตร์คืออะไร

วิทยาศาสตร์คือสิ่งที่เป็นอยู่ตามสภาพปกติ นิยาม ความจริง หลักการและทฤษฎีที่พบในตำรา
เป็นคำกล่าวอีกครั้งของทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่กำหนด สัมพันธ์กับปรากฏการณ์ธรรมชาติ
เป็นการศึกษาสืบส่วนภายใต้กฏของธรรมชาติ
สามารถเข้าใจได้เฉพาะผู้ที่มีความสามารถ มีพรสวรรค์ เฉพาะนักวิทยาศาสตร์ นักคณิตศาสตร์ อัจฉริยะ และวิทศวกรเท่านั้น
เป็นทางหนึ่งที่จะเข้าใจปรากฏการณ์ธรรมชาติ นี่คือการมีวัฒนธรรมเป็นข้อตกลงของตัวเอง กรอบอ้างอิงความคิด ทัศนะและ การแปลกแยกที่มีอิทธิพลต่อการสร้างความรู้ทางวิทยาศาสตร์
เกี่ยวข้องกับการสร้างสรรค์รูปแบบเพื่อเข้าใจปรากฏการณ์ธรรมชาติ รวมทั้งการเจรจาสำหรับความหมายทางวิทยาศาสตร์ เป็นองคาพยบทางสังคมสร้างขึ้นโดยคน สร้างการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ เป็นการสะท้อนย้อนกลับของผู้รู้ เกี่ยวข้องกับการประมาณการเกี่ยวกับโลก และทำงานอย่างไร รวมทั้งคณิตศาสตร์และเทคโนโลยี

วิทยาศาสตร์คือแนวทางการคิด

นักวิทยาศาสตร์แสวงหาคำตอบจากคำถามที่ตั้งขึ้น โดยที่งานของนักวิทยาศาสตร์อยู่บนฐานของทักษะที่ฝึกฝนมาอย่างดีในการตอบคำถาม การรู้ว่าจะถามคำถามอย่างไรเป็นสิ่งสำคัญเท่าๆกับการรู้ว่าจะค้นหาคำตอบได้อย่างไร ใจความสำคัญของวิทยาศาสตร์คือกระบวนการที่ระมัดระวังและรอบคอบในการตั้งคำถาม แล้วแสวงหาคำตอบอย่างมีระบบเพื่อให้มีความเข้าใจที่ดีขึ้นในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ ซึ่งโดยกระบวนการนี้วิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับกระบวนการสืบเสาะหาความรู้ (process of inquiry) อ้นเป็นแนวทางในการคิดเป็นการเฉพาะ จากกระบวนการสืบเสาะหาความรู้ ได้ก่อให้มีการสร้างเครื่องมือและผลผลิตความรู้ที่เป็นประโยชน์ ดังเช่นอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการ วิธีการทางสถิติ คอมพิวเตอร์และโปรแกรมคอมพิวเตอร์ การเดินทางไปในอวกาศ ตัวยารักษาโรคใหม่ สารทำความสะอาดที่มีพลังสูงขึ้น และในทางที่กลับกันแม้แต่อาวุธก็จะมีพลังอำนาจสูงขึ้น เครื่องมือและการประยุกต์ใช้ผลผลิตทางวิทยาศาสตร์บ่อยๆ ที่ได้ทำให้เกิดความผิดเพี้ยนไปจากหลักการสำคัญทางวิทยาศาสตร์ หลักสำคัญทางวิทยาศาสตร์นั้นได้แก่แนวการคิดแบบนักวิทยาศาสตร์ ที่มีตรรกะเป็นระบบในการตั้งคำถามและการตอบคำถาม นักวิทยาศาสตร์สามารถที่จะปฏิบัติการอย่างเป็นวิทยาศาสตร์ทุกหนทุกแห่ง ไม่ว่าจะนั่งอยู่ใต้ต้นไม้ในป่า การคิดผ่านทางปัญหา และการใช้อุปกรณ์ เครื่องมือที่ไม่ได้ใช้เทคนิคมากไปกว่าการใช้กระดาษและดินสอ ความรู้ในสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์เช่นวิชาเคมีไม่ได้มีความเป็นวิทยาศาสตร์มากกว่าสาขาอื่นๆ เช่นจิตวิทยา เพราะว่า วิชาเคมีก็มีอุปกรณ์เครื่องไม้เครื่องมือ เช่นเดียวกับสาขาวิชาอื่นๆ ที่มีเครื่องมือแตกต่างกันไป การรู้วิธีการใช้เครื่องมือ โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ก็ไม่ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์หมดความเป็นช่างของการทดลองปฏิบัติการ
อีกรูปแบบหนึ่งที่เป็นภาพของนักวิทยาศาสตร์ที่สวมชุดขาว เสื้อกาวขนาบห้อมล้อมด้วยเครื่องมืออุปกรณ์ที่กำลังแสดงผลการทำงาน ในการคิดคำนวณและประมวลข้อมูล อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้ไม่ได้แสดงให้เห็นถึงการเป็นนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันมากไปกว่าการใช้คำ เช่นว่าตึกลอยฟ้า (skyscraper) ซึ่งไม่ได้ไต่ขึ้นไปบนฟ้าจริงๆ หลักใหญ่ใจความของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่นั้นก็คือวิธีในการคิด กลวิธีในการถามและตอบคำถาม อันเป็นกระบวนการทางปัญญาและตรรกะในการคิด ที่จะต้องหาหลักฐานอ้างอิงซึ่งไม่ใช่เทคโนโลยีที่แสดงลักษณะของวิทยาศาสตร์

สำนึกรู้นิเวศวิทยา

บทความนี้ถอดความจากบทความเมื่อ 5 ปีที่แล้ว Fritjof capra ได้เคยเสนอไว้ในบทความเรื่อง The language of nature ที่ชี้ให้เห็นความท้าทายที่จะสร้างสังคม วัฒนธรรม และสิ่งแวดล้อมทางกายภาพที่ยั่งยืนนั้น ซึ่งทำให้เราพอใจกับกับความต้องการ และความหวังโดยไม่ได้ทำลายหลายหลากหลายของโลกธรรมชาติ ซึ่งจะเป็นโอกาสให้กับคนรุ่นใหม่ในอนาคต

เขาได้เสนอแนะว่าการจะดูแลให้ชุมชนอยู่กันอย่างยังยืนได้ สามารถเรียนรู้จากระบบนิเวศ ที่พืชสัตว์ และจุลินทรีย์อยู่ร่วมด้วยช่วยกันอย่างผสมกลมกลืน การเข้าใจระบบนิเวศจำเป็นต้องเรียนรู้หลักการพื้นฐานของนิเวศวิทยา นั่นคือภาษาแห่งธรรมชาติ เราทั้งหลายจำเป็นต้องเป็นผู้รู้นิเวศวิทยา (eco-literate) เป็นผู้สำนึกรู้เชิงนิเวศ เราจะต้องคิดในเทอมของความสัมพันธ์ ความเชื่อมโยงและปริบทแวดล้อม

ในทางวิทยาศาสตร์ก็คือการคิดอย่างเป็นระบบ โดยคิดให้สิ่งมีชีวิตทั้งหลาย ระบบนิเวศ และระบบสังคม และเป็นที่รู้กันว่าระบบดังกล่าวจะต้องบูรณาการเป็นองค์รวม ซึ่งคุณสมบัติของระบบทั้งหมดไม่สามารถจะลดรูปลงเป็นส่วนเล็กย่อยทฤษฏีใหม่ของระบบสิ่งมีชีวิตคือรากฐานทางทฤษฏีสำนึกรู้นิเวศวิทยา นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าในโลกวัตถุ สุดท้ายแล้วก็เป็นเครือข่ายรูปแบบของความสัมพันธ์ เมื่อมององค์รวมที่เป็นดาวเคราะห์ ก็เป็นเหมือนสิ่งที่มีชีวิต เป็นระบบที่ปรับความสมดุลย์ของตัวเองได้

การมองร่างกายและจิตใจแยกจากกันจะต้องแทนที่ด้วย ไม่เฉพาะสมอง ระบบภูมิคุ้มกัน และเนื้อเยื่อ และแม้แต่ แต่ละเซลก็เป็นสิ่งมีชีวิต รวมทั้งระบบทางความคิด การวิวัฒนาการไม่ได้มองเป็นการแข่งขันเพื่อการอยู่รอดที่จะคงอยู่ แต่อยู่ร่วมกันร่วมมือกันทำร่วมกัน (co-operative dance) ที่ซึ่งการสร้างสรรค์ให้เกิดสิ่งใหม่เป็นแรงผลักดันด้วยทัศนะใหม่ของสำนึกรู้นิเวศวิทยา จะเป็นรากฐานของเทคโนโลยี ระบบเศรษฐกิจและสถาบันทางสังคม เกี่ยวข้องกับทางการศึกษาอย่างลึกซื้ง ต้องการ การสอนที่ให้ความเข้าใจชีวิตที่เป็นศูนย์กลางที่ไม่ให้แปลกแยกไปจากโลกธรรมชาติ จำเป็นต้องมีหลักสูตรที่สอนเด็กๆ ของเราให้เข้าใจความจริงเบื้องต้นของชีวิต

ยินดีต้อนรับเข้าสู่วิชาปรัชญาและวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ

การวิวัฒนาการของมนุษย์เข้าสู่การมมีอารยธรรมด้วยการเพิ่มพูนความรู้มากขึ้น มีการสั่งสมของความรู้มากขึ้น จากเนื้อหาความรู้จะเรียกว่าเป็นปรัชญาธรรมชาติ เมื่อความรู้มากขึ้นทำให้ยากต่อการศึกษา จึงแยกออกมาเป็นสาขาวิชาต่างๆ ดังที่เห็นอยู่ในปัจจุบัน สาขาของความรู้ต่างๆ ที่แยกออกมานั้นจะมีระเบียบวิธีการของตนเองชัดเจนมากขึ้น พิสูจน์ยืนยันเป็นกฏของธรรมชาติ ซึ่งทำให้ปรัชญาลงลึกไปในทางการใช้ศิลปะการหาเหตุผลล้วน โดยอาศัยวิธีการทางตรรกะเพื่อที่จะให้เข้าถึงซึ่งความจริง พยายามหาความจริงแท้ของสิ่งทั้งปวง และเข้าสู่เป้าหมายสูงสุดของชีวิตและของสิ่งทั้งปวง