การประดิษฐ์เครื่องมือวิทยาศาสตร์ด้านเคมีไฟฟ้าเพื่อการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ในชั้นเรียนระดับมัธยมศึกษา

Abstract

การได้รับประสบการณ์ตรงจากการฝึกทดลองใช้เครื่องมือวิทยาศาสตร์จริง เป็นสิ่งสำคัญในกระบวนการเรียนรู้แม้แต่ในระดับมัธยมศึกษา แต่เนื่องจากเครื่องมือวิทยาศาสตร์ทั่วไปมีราคาแพง จึงมักเกิดปัญหาอุปกรณ์ไม่เพียงพอต่อจำนวนนักเรียน ด้วยเหตุนี้ ผู้วิจัยจึงได้พยายามพัฒนาเครื่องมือวิทยาศาสตร์ด้านเคมีไฟฟ้า ได้แก่ มาตรวัดพีเอชและโพเทนชิโอสแตท เพื่อการเรียนการสอนที่มีราคาประหยัดราคาต้นทุนไม่เกิน 5,000 บาทต่อชิ้นขึ้นมา เพื่อให้ใช้งานได้จริงกับการเรียนการสอนทางวิทยาศาสตร์ โดยอาศัยแนวคิดของชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเปิดและถอดประกอบได้ (modular and open-source hardware) ซึ่งทางโรงเรียนสามารถจัดหาจัดซื้อได้ในราคาถูก และซ่อมแซมเองได้ง่าย โดยเป็นการต่อยอดจากชิ้นส่วนแบบโมดูลหรือข้อมูลวงจรอิเล็กทรอนิกส์เผยแพร่แบบเปิด จากนั้นจึงทำการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องมือที่พัฒนาขึ้นมา ซึ่งผลจากการทดสอบพบว่า ค่าของปริมาณที่ต้องการวัด ได้แก่ ค่ากระแสไฟฟ้า-ค่าศักย์ไฟฟ้า ในกรณีโพเทนชิโอสแตท และค่าพีเอชในกรณีมาตรวัดพีเอช มีความใกล้เคียงในระดับที่ยอมรับได้ทางสถิติ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือมาตรฐานสำหรับวิจัยในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้ยังได้พัฒนาส่วนของซอฟท์แวร์หรืออินเตอร์เฟสที่จำเป็นต่อการควบคุมและทำการทดลองอุปกรณ์ดังกล่าว เพื่อให้ใช้งานที่สะดวก และเพื่อปรับแก้ไขข้อผิดพลาดของข้อมูลดิบที่ทำการวัด นอกเหนือจากเครื่องมือทั้งสองชนิดที่ได้พัฒนาขึ้น ผู้วิจัยยังได้พัฒนาชุดการทดลองเพื่อประกอบการใช้งานมาตรวัดพีเอช จำนวน 5 เรื่องได้แก่ การทดลองที่ 1 การวัดค่าพีเอชของสารละลายต่างๆ การทดลองที่ 2 การหาค่าความจุบัฟเฟอร์ (buffer capacity) การทดลองที่ 3 การศึกษาผลของความเข้มข้นสารละลายบัฟเฟอร์ต่อค่า buffer capacity การทดลองที่ 4 การสร้างกราฟการไทเทรต การทดลองที่ 5 การหาชนิดและความเข้มข้นของกรดที่อยู่ในสารละลายตัวอย่างโดยใช้กราฟการไทเทรต สำหรับเป็นสื่อการเรียนรู้สำหรับครู และนักเรียน เมื่อนำชุดการทดลองนี้ไปทดสอบกับกลุ่มนักเรียนระดับมัธยมศึกษา พบว่า นักเรียนได้รับความรู้ความเข้าใจในหัวข้อทางเคมีไฟฟ้าดีกว่าเดิมและมีความพึงพอใจกับประสบการณ์การใช้เครื่องมือและการทดลองทางเคมีไฟฟ้าที่ได้เรียนรู้ ผู้วิจัยคาดว่า หากมีการเผยแพร่แนวคิดการพัฒนาเครื่องมือดังกล่าวในวงกว้าง ก็น่าจะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ในหัวข้อเคมีไฟฟ้าระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย ต่อความเข้าใจของนักเรียนในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง และมีประโยชน์ต่อการทำโครงงานวิทยาศาสตร์ในระดับโรงเรียน

Direct hands-on experience on using scientific instruments excite students and have a lasting positive impression on high-school students. However, the high cost of research grade scientific instruments generally discourage many Thai schools to own them. We explore the possibility of using modular and open-source hardware which is inexpensive and easy to assemble and to repair to construct electrochemical teaching instruments such as pH meter and potentiostat. The performance testing indicates that the measured quantities such as the current-voltage and the pH value from potentiostat and pH meter respectively are in agreement with those obtained from scientific instruments used in research laboratory. To enhance user experience, we developed a software or graphical user interface that is easy for teacher and student to conduct experiments. Furthermore, we also designed electrochemical experiments or activities that are suitable for high-school learning. They are Expt. 1 Introduction to pH measurements Expt. 2 Determination of buffer capacity Expt. 3 Effects of buffer concentration on the buffer capacity Expt. 4 Construction of Titration curve Expt. 5 Quantitative and Qualitative determination of acidic species in unknown solution by using titration curve From our trial with a group of high-school students, we found that students gain a better understanding in pH concepts and are very satisfied with their exposure to our developed electrochemical experiments. We believe that if the concept of building inexpensive instruments is adopted by community of high school teachers, those instruments will help enhancing student’s understanding in science and be a useful tool for high-school science teaching and high-school research project.