หน่วย2_กระบวนการเชิงวิศวกรรม

การออกแบบและเทคโนSโlideลPPT6ย1-NEWี ชน้ั มัธยมศกึ ษาปีที่ 4 กลมุ่ สาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ หนว่ ยการเรยี นรู้ที่ 1 หนว่ ยการเรียนร้ทู ่ี 2 หนว่ ยการเรียนรูท้ ่ี 3 Slide PowerPoint_สอ่ื ประกอบการสอน บรษิ ทั อกั ษรเจริญทศั น์ อจท. จำกดั : 142 ถนนตะนำว เขตพระนคร กรงุ เทพฯ 10200 Aksorn CharoenTat ACT.Co.,Ltd : 142 Tanao Rd. Pranakorn Bangkok 10200 Thailand โทรศัพท์ : 02 622 2999 โทรสำร : 02 622 1311-8 [email protected] / www.aksorn.com

2หนว่ ยการเรียนรทู้ ี่ กระบวนการเชงิ วิศวกรรม ตัวช้ีวัด • ระบปุ ญั หำหรือควำมต้องกำรท่มี ีผลกระทบตอ่ สงั คม รวบรวม วิเครำะห์ขอ้ มูล และแนวคดิ ท่ีเกี่ยวขอ้ งกับปญั หำท่มี คี วำมซับซ้อนเพ่อื สงั เครำะห์วธิ กี ำร เทคนคิ ในกำร แกป้ ญั หำ โดยคำนึงถึงควำมถกู ตอ้ งด้ำนทรัพย์สินทำงปญั ญำ • ออกแบบวิธีกำรแก้ปัญหำ โดยวเิ ครำะหเ์ ปรยี บเทยี บ และตดั สินใจเลือกข้อมูลทจี่ ำเปน็ ภำยใตเ้ ง่ือนไขและทรพั ยำกรทีม่ ีอยู่ นำเสนอแนวทำงกำรแก้ปญั หำให้ผูอ้ น่ื เขำ้ ใจ ด้วยเทคนคิ หรอื วธิ กี ำรท่หี ลำกหลำย โดยใช้ซอฟต์แวร์ชว่ ยในกำรออกแบบวำงแผนข้ันตอนกำรทำงำนและดำเนินกำรแกป้ ญั หำ • ทดสอบ ประเมนิ ผล วิเครำะห์ และใหเ้ หตุผลของปญั หำหรือขอ้ บกพร่องท่ีเกิดขน้ึ ภำยใต้กรอบเงอ่ื นไข หำแนวทำงกำรปรับปรงุ แกไ้ ข และนำเสนอผลกำรแก้ปญั หำ พร้อมท้งั เสนอแนวทำงกำรพัฒนำต่อยอด • ใช้ควำมรูแ้ ละทักษะเกยี่ วกับวสั ดุ อุปกรณ์ เครือ่ งมือ กลไก ไฟฟำ้ และอเิ ลกทรอนิกส์ และเทคโนโลยีทซี่ บั ซอ้ นในกำรแกป้ ญั หำหรอื พัฒนำงำน ไดอ้ ย่ำงถกู ตอ้ งเหมำะสม และปลอดภัย

กระบวนการออกแบบเชิงวศิ วกรรมกับการแกป้ ัญหา การออกแบบเชงิ วศิ วกรรมมีสองสว่ น คอื ส่วนทใี่ ช้วทิ ยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ให้เป็นประโยชน์ กับสว่ นทีอ่ อกแบบเพอ่ื ให้ไดผ้ ลงานตามทต่ี ้องการ เพอ่ื ใหไ้ ดค้ าตอบท่ดี ีทสี่ ดุ และเกดิ เป็นเทคโนโลยี การออกแบบเชิงวิศวกรรม วทิ ยาศาสตร์ เทคโนโลยี คณติ ศาสตร์ เทคโนโลยี คอื ส่ิงที่มีกระบวนการทางานเพอ่ื ตอบสนองความต้องการของมนุษย์ เครือ่ งซักผ้า โทรทศั น์ โทรศพั ท์มอื ถอื

กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม (The Engineering Design Process) การทาซ้า (Iterative proces คือ กระบวนกำรคดิ สร้ำงสรรคเ์ ทคโนโลยที เ่ี ปน็ ระบบ เนน้ กำรทำซำ้ เพอื่ หำทำงออกทตี่ อบโจทย์ คอื กำรเรยี นรู้จำกกำรทดลอง ปรับและพฒั นำแนวคดิ แล้วทำกำรทดลองซำ้ เพอ่ื หำทำงออก ควำมต้องกำรของมนษุ ย์ ที่ดกี ว่ำเดิม แผนภูมิกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม ความแตกตา่ งของกระบวนการออกแบบทางวศิ วกรรม และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ ตัวปอ้ น ( Input ) กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ มองหาปัญหาหรอื โอกาส ตั้งคาถาม ระบุปญั หา หรือความตอ้ งการ ผลสะทอ้ น (Feedback) กระบวนการออกแบบ กระบวนการ (Process) ทำกำรวิจยั ทำกำรวจิ ยั จะวนเปน็ วัฏจักรจนกว่า วำงแผน ตัง้ สมมตุ ิฐำน นาผลตอบรับ ผผู้ ลติ จะพอใจกับเทคโนโลยี ระดมความคดิ สรำ้ งตน้ แบบ ทำกำรทดลอง มาปรับปรงุ และ และหาวธิ ีแกป้ ัญหา พฒั นาเพ่ิมเตมิ ทส่ี รา้ งสรรค์ออกมา ผลลัพธ์ (Output) ทดลองต้นแบบ ประเมินผล นำเขำ้ ตลำด/วำงจำหนำ่ ย สรุปผล เทคโนโลยี ท่ีสรา้ งสรรค์ออกมา เพ่ือแกป้ ัญหา

ตวั ปอ้ น (Input) กระบวนการออกแบบทางวศิ วกรรมเร่มิ ตน้ ทกี่ ารกาหนดนิยามของปญั หา การระบปุ ัญหาหรอื ความตอ้ งการจะต้องเปน็ กระบวนการท่ีเน้นมมุ มองแบบ “Outside in” หรอื การมอง ปญั หาจากมุมมองของผบู้ รโิ ภค มากกวา่ การมองแบบ “Inside out” หรอื การคิดข้ึนเองของผสู้ รา้ งสรรคเ์ ทคโนโลยี Core Users (กลมุ่ เปำ้ หมำยหลกั ทีเ่ ป็นกลำง) Extreme Users Extreme Users (กลุ่มเปำ้ หมำยสดุ โตง่ ทส่ี นับสนนุ ) (กลุ่มเปำ้ หมำยสุดโตง่ ทต่ี ่อตำ้ น) ในการทาความเข้าใจกลุ่มเปา้ หมายหรอื ผใู้ ชง้ านน้ัน มกี ลุม่ คนกลมุ่ หนึ่งท่เี ราควรทาความเข้าใจ นัน่ คือ กลุ่มเปา้ หมายสุดโตง่ (Extreme Users) ที่มพี ฤตกิ รรมสดุ โตง่

กระบวนการ (Process) เมอ่ื ไดป้ ัญหาทีช่ ัดเจนข้นั ตอนตอ่ ไป คอื การระดมสมองคิดหาทางแกป้ ัญหา โดยการระดมสมองท่ดี ีมีหลักการดงั น้ี 1 เน้นปริมาณมากกว่าคณุ ภาพ 3 เลอื กวิธกี ารแก้ปัญหาโดยคานงึ ผลลัพธ์ คือ กำรแยกกำรคดิ และกำรประเมนิ ออกจำกกันโดยคดิ และเสนอแนว พิจำรณำว่ำวธิ กี ำรแกป้ ญั หำที่คิดค้นมำนั้นจะนำไปสคู่ ุณภำพกำรทำงำนที่ดีขึ้น หรอื ไม่อยำ่ งไร วิธีกำรหนง่ึ ที่ทำได้ ทำงกำรแกป้ ญั หำออกมำใหม้ ำก ๆ แลว้ จงึ คอ่ ยเร่มิ ประเมนิ และคดั เลือก คือกำรประเมนิ ดว้ ยตำรำงประเมิณคณุ ภำพดงั ตัวอย่ำงน้ี วธิ ีแกป้ ญั หำทเี่ หมำะสมกบั ปญั หำนั้น แนวคดิ ที่ 1 ความเร็ว ความสะดวก ความเป็นไปได้ รวมคะแนน 2 ต่อยอดความคิดจากส่งิ รอบตัว แนวคิดที่ 2 +1 +1 +1 +3 แนวคดิ ท่ี 3 +1 0 -1 0 เช่น รถไฟควำมเร็วสูง (Shinkansen) ในประเทศญ่ปี นุ่ ไดพ้ ัฒนำทำง 0 +1 +1 +2 หวั รถมำจำกทรงจะงอยปำกของนกกระเตน็ ซ่งึ เปน็ ทรง Aerodynamic ทำใหน้ ้ำไม่กระจำยตัวเวลำบินลงมำกนิ ปลำ ผอู้ อกแบบไดน้ ำมำเปน็ จำกตำรำงข้ำงต้น หำกเรำใชค้ วำมเรว็ ควำมสะดวก และควำมเปน็ ไปได้มำเป็นเกณฑใ์ นกำรคดั เลือกแนวคดิ และ ตน้ แบบของหัวรถไฟควำมเรว็ สงู เพอ่ื จะไดไ้ ม่เกดิ คลื่นเสยี งรบกวนขณะ กำหนดว่ำ รถไฟวิ่ง +1 หมายถงึ ดี 0 หมายถึง ปานกลาง -1 หมายถงึ ไมด่ ี จะเห็นว่ำแนวคดิ ที่ 1 นนั้ ตอบโจทยค์ วำมตอ้ งกำรในดำ้ นตำ่ งๆ มำกกวำ่ แนวคดิ ท่ี 2 และ 3 ดงั น้นั จึงควรเลือก ใชแ้ นวคิดท่ี 1 เป็นวิธแี ก้ปญั หำ

วธิ ีการระดมสมอง มหี ลำยรปู แบบ 2 การคดิ ตามทฤษฎีหมวก 6 ใบ หรือ The Six Thinking Hats 1 การสร้าง Mind map หรือ แผนผงั ความคดิ หมวกสีขำว การคิดถึงขอ้ มลู และขอ้ เทจ็ จรงิ ต่างๆ กำรเขยี นแผนผังควำมคดิ เรอ่ื ง หมวกสีแดง ความรู้สึกและสัญชาติญาณ “Time Management” หมวกสีดำ หมวกสเี หลือง การคดิ ถงึ ข้อบกพร่อง ข้อเสีย และจุด 3 การสร้างแผนภมู ิ Lotus Blossom หรือ หมวกสเี ขียว อ่อนตา่ งๆ แผนภมู ดิ อกบัวบาน การคดิ ในแง่บวก คิดถงึ คุณค่าและ ส่งิ ท่ีเป็นประโยชน์ เป็นวธิ ีกำรระดมสมองที่คิดคน้ ขน้ึ โดย ยาซูโอะ มตั สึมรุ ะ (Yasuo Matsumura) ความคดิ สร้างสรรค์และแนวคิดใหม่ๆ หมวกสีฟำ้ การจัดกระบวนการคิด

ผลลัพธ์ (Output) • เทคโนโลยีทสี่ ร้างสรรคอ์ อกมาเพอื่ แกป้ ญั หา สามารถเร่มิ ตน้ ได้จากการสรา้ งต้นแบบง่ายๆ แลว้ นาไปทดลองกับกลมุ่ เป้าหมาย แลว้ พฒั นาต่อไปจนเปน็ ผลงานท่สี มบูรณ์แบบข้นึ • ต้นแบบ หรือ Prototype คอื การสร้างแบบจาลองของเทคโนโลยีเพอ่ื ตรวจสอบว่าตรง กับความตอ้ งการของกลมุ่ เปา้ หมายหรอื ไม่ • การสรา้ งต้นแบบมขี ้อดี คอื ทาใหเ้ ราไดท้ ดสอบสมมุติฐานทม่ี กี อ่ นการลงทนุ ท่จี ะสรา้ ง เทคโนโลยอี อกมาอย่างเตม็ รปู แบบ กรำฟแสดงควำมสัมพนั ธร์ ะหว่ำงระยะเวลำโครงกำรและมูลค่ำท่เี กดิ จำกควำมผิดพลำด กรำฟแสดงควำมสมั พันธ์ระหว่ำงจำนวนรอบของกำรทดสอบและควำมเสย่ี ง

ผลสะท้อน (Feedback) หลังจำกนำเอำเทคโนโลยีไปนำเสนอหรือทดลองใชก้ ับกลุ่มเป้ำหมำยแล้ว เรำจะได้รบั ผลตอบรับหรอื ควำมคดิ เห็นจำกผู้ทดลองใชง้ ำนเพอื่ นำมำปรับปรงุ และพฒั นำเพิ่มเตมิ โดยจะต้องพจิ ารณาสง่ิ ต่อไปนป้ี ระกอบดว้ ย 1 ข้อจากดั หรือปจั จัยตา่ งๆ 2 ทรัพยส์ ินทางปญั ญา ทาให้เรามขี อบเขตในการพฒั นาท่ีแคบลง โดยสว่ นใหญ่ แนวคิดหรือเทคโนโลยีท่ีคดิ ไดน้ น้ั จะต้องจดทะเบยี นเปน็ ขอ้ จากัดทพี่ บบอ่ ย ๆ มกั จะเปน็ เรื่องของความปลอดภัย สิทธิบัตร (Patent) หรอื ไม่อย่างไร เวลา และงบประมาณ

การเลอื กใช้ วัสดุ เคร่อื งมอื และอปุ กรณ์ และความรทู้ เ่ี ก่ยี วขอ้ ง สมบัตแิ ละการเลอื กใช้วสั ดุ 1 สมบัติทางเคมี (Chemical properties) 2 สมบัตทิ างกายภาพ (Physical properties) เปน็ สมบตั ิท่ีบอกลักษณะเฉพำะตวั ที่เกยี่ วกบั โครงสรำ้ ง เป็นสมบัติเฉพำะของวสั ดทุ เ่ี กีย่ วกบั กำรเกิดอันตรกิริยำ และองค์ประกอบของธำตตุ ่ำงๆ ที่เป็นวัสดุนัน้ ของวัสดุนน้ั กบั พลงั งำนในรูปต่ำงๆ กัน 3 สมบตั เิ ชงิ กล (Mechanical properties) 4 สมบัตเิ ชิงมิติ (Dimensional properties) เปน็ สมบตั เิ ฉพำะตัวของวัสดทุ ี่ถูกกระทำด้วยแรงเกย่ี วกบั เชน่ ขนำด รปู ร่ำง ควำมคงทน ตลอดจนลกั ษณะของผิว กำรยืดและหดตัวของวัสดุ และกำรดูดกลนื พลังงำน วำ่ หยำบ ละเอียด หรือเรยี บ เป็นตน้

กลไก (Mechanisms) กลไกมสี ่วนปอ้ นขอ้ มูล คอื การเคล่อื นไหว สว่ นประมวลผลของข้อมูล คือ กระบวนการในการจัดการเปลย่ี นแปลงแรง จากนน้ั ได้ผลลัพธอ์ อกมา คอื สภาพการเคลอ่ื นไหว สภาพการเคลื่อนท่ี ตัวปอ้ น กลไก ผลลพั ธ์ แรง + กำรเคล่อื นไหว เปลย่ี น หรือ ปลดปลอ่ ยพลงั งำน แรง + กำรเคลือ่ นไหวท่ีตรงควำมต้องกำร กลไกอยา่ งง่าย มี 5 ประเภทซง่ึ เป็นกลไกพื้นฐานของเคร่อื งจกั รกล ตัวอยา่ งของกลไก ระนำบเอยี ง สกรู ล้อและเพลำ ลิม่ คำน เครอ่ื งหนีบ กญุ แจ กรรไกร

อปุ กรณอ์ ิเลกทรอนกิ ส์ 2 ตัวตา้ นทาน (resistor) 3 ตัวเก็บประจุ LED 1 4 ทรานซิสเตอร์ (Light Emitting Diode) บัซเซอร์ 6 แบตเตอร่ี 5