การใช้แนวคิด Force Concept Inventory (FCI) สำหรับการศึกษาวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน

18-04-2023 อ่าน 1,751


เครดิต https://www.talkphysics.org/wp-content/uploads/2015/07/fci-rv95_1.pdf


          ในการเรียนฟิสิกส์พื้นฐาน นักเรียน นักศึกษาบางคนมีปัญหากับการทำความเข้าใจเนื้อหาวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน แม้การฝึกทำโจทย์ แบบฝึกหัดบ่อย ๆ จะทำให้สามารถคำนวณได้คำตอบอย่างถูกต้อง แต่ผู้เรียนหลายคนยังไม่เข้าใจมโนทัศน์หรือเนื้อหาของฟิสิกส์อย่างถูกต้อง บางครั้งทำให้เกิดมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อน (misconception) เมื่อเรียนในเนื้อหาที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นก็จะเกิดปัญหาในการเรียน
 
 
ืิ          David Hestenes และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิชาการชื่อ “Force concept inventory” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อเดือนมีนาคม ค.ศ. 1992 อธิบายแนวคิด Force concept inventory เพื่อนำมาใช้ในการเรียนวิชาฟิสิกส์พื้นฐานในเรื่องกลศาสตร์คลาสสิก (classical mechanics) โดยรายการมโนทัศน์เรื่องแรงหรือ Force concept inventory คือแบบประเมินแบบเลือกตอบ (multiple-choice assessment) ที่ออกแบบสำหรับการวัดความเข้าใจของผู้เรียนเกี่ยวกับเนื้อหาวิชาฟิสิกส์เรื่องแรง (force) และการเคลื่อนที่ (motion) โดยมีหัวข้อหลักประกอบด้วย จลนศาสตร์ (kinematics) แรงกระตุ้น (impetus) แรง แรงกริยาและแรงปฏิกิริยา (action/reactions pairs) แรงหนีศูนย์กลาง (centrifugal force) เป็นต้น จุดเด่นของแบบประเมินนี้คือไม่มีคำนวณเชิงตัวเลข สมการ แต่เป็นข้อความอธิบายหรือรูปและให้เลือกตอบคำตอบ ซึ่งเมื่อผู้เรียนเข้าใจเนื้อหาวิชาฟิสิกส์อย่างถูกต้องก่อนแล้ว เมื่อต้องคำนวณ พบสมการความสัมพันธ์ต่างๆก็จะสามารถเข้าใจ ช่วยในการแก้ปัญหาทางคำนวณ (quantitative problems) ในวิชาฟิสิกส์ได้และยังทำให้ผู้เรียนตรวจสอบว่ามีมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อนในเรื่องใดหรือไม่ เมื่อพบแล้วก็สามารถศึกษาแก้ให้มโนทัศน์ให้ถูกต้องได้ อีกทั้งยังเป็นการประเมินเพื่อเปรียบเทียบหลังจากใช้การสอนที่แตกต่างกันเพื่อประเมินประสิทธิภาพวิธีการสอนต่าง ๆ 

ผลการทดลองพบมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อนของผู้เรียนตามหัวข้อต่าง ๆ
เครดิต Panprueksa, K. (2020). The upper secondary school students’ misconception of force and motion. Journal of Education Burapha University, 31(2), 189-206.

 
          ในประเทศไทยมีงานวิจัยที่ใช้ FCI เช่นในบทความของกิตติมา พันธ์พฤกษา เรื่อง “มโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อน เรื่อง แรงและการเคลื่อนที่ของนักเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย” พบว่าผู้เรียนมีมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อนในเรื่องมากที่สุดคือแรงกริยาและแรงปฏิกิริยา (Action/Reaction Pairs) การเรียงต่อกันของอิทธิพลอื่นๆ (Concatenation of influences) แรงกระตุ้น (Impetus) เป็นร้อยละ 24.58 22.5 20.58 ตามลำดับ 
 
 
 


ตัวอย่างโจทย์ FCI เรื่องการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
เครดิต https://www.talkphysics.org/wp-content/uploads/2015/07/fci-rv95_1.pdf

          ยกตัวอย่างเช่นในหัวข้อการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ (projectile motion หมายถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวเส้นโค้งพาราโบลา ประกอบด้วยการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและแนวระดับที่เป็นอิสระต่อกัน การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเป็นการเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลกเพียงแรงเดียว หรือการตกแบบเสรี ซึ่งมีความเร่งคงตัวมีค่าเท่ากับความเร่งโน้มถ่วง ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวระดับไม่มีแรงกระทำ จึงเป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วคงตัว วัตถุที่เคลื่อนที่ในลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า โพรเจกไทล์) โจทย์ FCI คือวัตถุตกจากเครื่องบินที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ในแนวระนาบ เมื่อผู้สังเกตที่อยู่บนพื้นสังเกตเห็นเครื่องบินและวัตถุตก จะเห็นวัตถุตกเคลื่อนที่เป็นแบบใด คำตอบที่ถูกต้องคือวัตถุจะมีแนวการเคลื่อนที่แบบพาราโบลาไปทางด้านหน้าของเครื่องบิน (คำตอบข้อ D) แต่พบว่าผู้เรียนร้อยละ 57.78 มีมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อนเชื่อว่า วัตถุจะตกเป็นแนวโค้งไปทางด้านหลังของเครื่องบิน  โดยเชื่อว่าขณะที่เครื่องบินกำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้า วัตถุไม่ได้เคลื่อนที่ไปด้วยเพราะอยู่นิ่งบนเครื่องบินก่อนถูกปล่อย ร้อยละ 12.22 เชื่อว่าวัตถุจะตกเป็นเส้นตรงในแนวดิ่งตามแรงดึงดูดของโลก โดยให้เหตุผลว่าวัตถุอยู่นิ่งบนเครื่องบินและตกภายใต้แรงดึงดูดของโลกเพียงแรงเดียว

          สรุปผลจะพบว่า FCI มีประสิทธิภาพในการวินิจฉัยมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อนได้อย่างดี ในการเรียนวิชาฟิสิกส์ความสามารถในการใช้คณิตศาสตร์มาแก้ปัญหาปัญหาในวิชาฟิสิกส์มีความสำคัญ แต่การเข้าใจเนื้อหาฟิสิกส์อย่างถูกต้องก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยผู้สอนอาจจะนำแนวคิดนี้ไปประยุกต์ในวิชาอื่น ๆ ได้เช่น กลศาสตร์ควอนตัม แม่เหล็กไฟฟ้า อุณหพลศาสตร์ เป็นต้น 

 ตัวอย่างการใช้แชทจีพีที (ChatGPT) ของโอเพนเอไอในการเรียนการสอนสร้าง FCI ในเรื่องการตกอย่างอิสระของวัตถุ
เครดิต ผู้เขียน

 
          และในปัจจุบันช่วงต้นปี ค.ศ. 2023 เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ได้พัฒนาก้าวหน้าไปจากอดีตมากเช่น แชทจีพีที (ChatGPT) ของโอเพนเอไอ เป็นแชทบอทปัญญาประดิษฐ์ที่มีความสามารถในการสนทนาโต้ตอบ ตั้งคำถาม ตอบคำถามในเนื้อหาในหลายๆด้าน รวมถึงเนื้อหาในด้านวิชาฟิสิกส์ เช่นในบทความของ Colin G. West มีการใช้ มาช่วยในการสร้างคำถาม คำตอบของ FCI ซึ่งเป็นการนำเทคโนโลยีใหม่ปัญญาประดิษฐ์มาประยุกต์ใช้ในการเรียนการสอน ซึ่งแม้เป็นเรื่องที่น่าสนใจและมีประโยชน์แต่ผู้สอนควรตรวจสอบเนื้อหาให้ถูกต้องเหมาะสมก่อนเสมอ
 
ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์

นักศึกษาระดับปริญญาเอก
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
 
อ้างอิง
  • Hestenes, D., Wells, M., & Swackhamer, G. (1992). Force concept inventory. The physics teacher, 30(3), 141-158.
  • Panprueksa, K. (2020). The upper secondary school students’ misconception of force and motion. Journal of Education Burapha University, 31(2), 189-206.
  • West, C. G. (2023). AI and the FCI: Can ChatGPT Project an Understanding of Introductory Physics?. arXiv preprint arXiv:2303.01067.