พัฒนาการศึกษาด้วย IoT ( Education development with Internet of Things)

พัฒนาการศึกษาด้วย IoT ( Education development with Internet of Things)

IoT (Internet of Things) คืออะไร

เป็นเรื่องธรรมดาไปแล้วในปัจจุบันที่เราสามารถเชื่อมต่อสัญญาณอินเทอร์เน็ตได้ทุกที่ทุกเวลาผ่านสมาร์ทโฟน แทปเล็ท หรือ คอมพิวเตอร์ เราสามารถสืบค้นข้อมูล รู้การเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศทั่วโลก ตอนนี้รถติดที่ไหนบ้าง หรือดูข้อมูลว่าวันนี้ตัวเองเดินมาแล้วกี่ก้าว เผาผลลาญแคลอรี่ไปเท่าไหร่ นอนหลับเพียงพอไหม เช็คว่าที่บ้านปิดไฟแล้วหรือยัง

“ทุกอย่างดูเป็นเรื่องธรรมดาเพราะเราเชื่อมต่อกับทุกสิ่งทุกอย่างทุกที่ทุกเวลาภายใต้แนวคิดของ IoT (Internet of Things)”

IoT (Internet of Things) คือแนวความคิดที่ว่าสิ่งของทุกสิ่งทุกอย่าง (Things) ที่อยู่รอบตัวเราในชีวิตประจำวัน สามารถเชื่อมต่อกัน สื่อสารแลกเปลี่ยนข้อมูลกันได้ ผ่านเครือข่ายไร้สาย (Internet)

IoT กำลังเป็นเทรนด้านเทคโนโลยีที่น่าจับตาและเป็นที่สนใจทั้งภาครัฐและเอกชน บริษัทการ์ทเนอร์ ( Gartner, Inc.) ได้ทำนายว่าในปี 2020 จะมีอุปกรณ์สิ่งของต่างๆเชื่อมต่อกันไม่ต่ำกว่า 20.8 ล้านล้านชิ้นทั่วโลก รัฐบาลอังกฤษทุ่มงบลงทุนด้านการวิจัยและศึกษาด้าน IoT ไม่ต่ำกว่า 40 ล้านปอนด์ในปีที่ผ่านมา

ปัจจุบัน IoT ได้นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเช่น การขนส่ง (Logistics) การตลาด (Marketing) การตรวจสอบและควบคุมพลังงาน (Energy monitoring)  การเฝ้าสังเกตทางธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม (Environmental monitoring)  การบริหารจัดการโครงสร้าง (Infrastructure management) ระบบรักษาความปลอดภัย ระบบบ้านอัจฉริยะ (Home automation) และอื่นๆอีกมาก

แต่น้อยมากที่จะมีการกล่าวถึง IoT กับการศึกษา เราจะนำกรอบแนวความคิด และเทคโนโลยีนี้มาใช้ หรือมาพัฒนาการเรียนการสอนได้อย่างไรยังคงจะเป็นคำถามที่รอนักพัฒนา และนักวิจัย ช่วยกันตอบ…

การนำ IoT มาใช้กับการศึกษา

ปัจจุบันได้มีการนำ IoT มาใช้ในหลากหลายรูปแบบ แต่โดยส่วนใหญ่จะไม่ได้ใช้โดยตรงกับการเรียนการสอน แต่จะเป็นการนำมาประยุกต์ใช้เพื่อช่วยสร้างประสบการณ์ หรือนำเสนอข้อมูลในสถานการณ์นอกห้องเรียน Informal learning environment เช่น ผู้เข้าชมพิพิธภัณฑ์สามารถใช้สมาร์ทโฟนรับคำอธิบายต่างๆเกี่ยวกับวัตถุจัดแสดงได้ โดยไม่ต้องมีเจ้าหน้าที่มายืนอธิบายให้ฟัง เราสามารถใช้สมาร์ทโฟนสแกนที่สมาร์ทแท็ก Smart tags เช่น QR code, RFID (Radio-frequency identification), NFC (Near field communication) หรือ ใช้เทคโนโลยี AR (Augmented Reality) โดยเราสามารถเห็นข้อมูลส่วนขยายแบบสามมิติควบคู่ไปกับวัตถุจัดแสดงในเวลาเดียวกัน เราสามารถใช้สมาร์ทโฟนเข้าถึงข้อมูลประวัติศาสตร์ ของวัตถุโบราณ โบราณสถาน อาคาร สิ่งปลูกสร้าง

การใช้สมาร์ทแท็ก และ AR ในการจัดการเรียนการสอนนั้นจริงๆแล้วได้มีการศึกษาและวิจัยกันมาอย่างต่อเนื่อง เพราะจริงๆแล้วการจัดการเรียนการสอนด้วยเทคโนโลยีดังกล่าวแตกแขนงออกมาจากการศึกษาในกลุ่มของ Ubiquitous computing/ Pervasive computing ที่พูดถึงการเชื่อมต่อสื่อสารของคอมพิวเตอร์ที่ฝังตัวอยู่ในสิ่งต่างๆรอบตัวในชีวิตประจำวัน คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กนี้จะเชื่อมต่อกับเซนเซอร์ Sensors เพื่อเก็บข้อมูลสิ่งต่างๆรอบตัวเรา จะสื่อสารกันได้ทุกที่ ทำให้เราไม่หลุดจากการเชื่อมต่อและสามารถใช้ประโยชน์จากข้อมูลและการเชื่อมต่อนี้ได้ตลอดเวลา

เมื่อเรานำ Ubiquitous computing มาประยุกต์กับการเรียนการสอน จึงเกิดคำจำกัดความใหม่คือ Ubiquitous learning มีความหมายถึงการจัดการเรียนการสอนผ่านเครือข่ายไร้สายกับของทุกสิ่ง ทุกที่ ทุกเวลา  (anything, anywhere, anytime)ด้วย Ubiquitous computing เช่น คอมพิวเตอร์ สมองกลฝังตัว (Embedding computer) ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) สมาร์ทโฟน แท็ปเล็ต และรวมถึงการใช้ประโยชน์จากข้อมูลของสมาร์ทแท็กด้วย

เมื่อเรามาถึงยุกต์ของ IoT กับการเน้นการเชื่อมต่อสื่อสารกับของสิ่งของต่างๆ (physical objects) ที่สามารถคิดเองได้ ผ่านระบบเครือข่ายอินเทอร์เน็ต ดังนั้น IoT จึงสามารถขยายขอบเขตของการเรียนรู้ได้มากขึ้น ทั้งในด้านการใช้ประโยชน์ของข้อมูลที่กระจายอยู่ที่ต่างๆ (pervasive data integration) และ การเชื่อมโยงข้อมูลแบบไร้ข้อจำกัดผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ต หรือเครือข่ายไร้สายอื่นๆในอนาคต (modern network communication) เช่น Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) หรือที่เรารู้จักกันว่า LoRa

http://www.microchip.com/design-centers/wireless-connectivity/embedded-wireless/lora-technology

การใช้ประโยชน์ของข้อมูลด้วยการเก็บข้อมูลจากเซนเซอร์ ได้มีการนำมาใช้ในการพัฒนาการเรียนการสอนในประเทศอังกฤษ โดยรัฐบาลอังกฤษให้งบประมาณ 1.2 ล้านดอลล่า เพื่อสนับสนุนการศึกษาเพื่อนำ IoT มาใช้พัฒนาการศึกษาในโรงเรียนด้านวิชาวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ ออกแบบ เทคโนโลยี และ ภูมิศาสตร์ มีโครงการสร้างเครื่องตรวจจับสภาพภูมิอากาศขึ้น (weather station) เพื่อให้ครูและนักเรียน เรียนรู้การสังเกต วัดค่า เก็บข้อมูล วิเคราะห์ผล ประมวลผล เปรียบเทียบและแบ่งปันข้อมูลระหว่างโรงเรียนต่างๆทั่วประเทศ นักเรียนสามารถเรียนรู้ความแตกต่างของข้อมูลสภาพดินฟ้าอากาศในภูมิประเทศที่แตกต่างกันกระจายอยู่ทั่วประเทศ รู้เหตุปัจจัยที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลง รู้เรื่องกราฟ และตัวเลข การศึกษาค้นพบว่าการใช้ IoT สามารถสนับสนุนการเรียนรู้แบบบูรณาการ (Integrated Instruction) เช่น STEM หรือ การใช้ปัญหาเป็นหลัก PBL (Problem-based learning)

การจัดการเรียนการสอนโดยใช้ IoT (IoT-based learning)

1. การสอนด้านการเขียนโปรแกรม(Programming/ Coding)

การเขียนโปรแกรมเป็นทักษะที่นักเรียนสมัยใหม่จำเป็นที่จะต้องรู้เนื่องจากเป็นการช่วยให้ฝึกคิดอย่างมีระบบ Critical Thinking  ในประเทศอังกฤษได้มีการบรรจุวิชาทางด้านคอมพิวเตอร์และการเขียนโปรแกรมไว้ในหลักสูตรชั้นประถมศึกษา เพื่อพัฒนาศักยภาพ ด้านภาษา (Literacy) การอ่าน การเขียน และแก้ปัญหา นักเรียนสามารถเริ่มเรียนรู้ง่ายๆด้วยโปรแกรมภาษาภาพก่อน เช่น โปรแกรม Scratch โดยการนำบล็อกคำสั่งต่างๆมาเรียงต่อกันเป็นโปรแกรมสั่งให้ตัวละครเกิดกรเคลื่อนไหวเป็นต้น เมื่อนักเรียนมีพื้นฐานที่ดี มีความเข้าใจมากขึ้น ก็สามารถศึกษาการเขียนโปรแกรมที่มีความซับซ้อนเพิ่มมากขึ้นได้ เช่นการเขียนโปรแกรมบนคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก single-board computers เช่น Raspberry Pi (RPi) หรือ ไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น Arduino หรือ Intel Galileo การเขียนโปรแกรมบนอุปกรณ์ขนาดเล็กนี้สามารถทำให้นักเรียนได้เห็นผลลัพธ์ที่เป็นรูปธรรมได้ทันที เมื่อเราเชื่อมต่อเข้ากับเซนเซอร์ มอเตอร์ จอแสดงผล ลำโพง เช่นการเขียนโปรแกรมปิดไฟเมื่อไม่มีแสงสว่างเปิดไฟเมื่อมีแสงสว่าง เขียนโปรแกรมควบคุมมอเตอร์ เขียนโปรแกรมตรวจผู้บุกรุกบ้าน หรือควบคุมหุ่นยนต์ เป็นต้น

https://www.raspberrypi.org/

2. การเรียนการสอนด้าน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Science & technology

ดังที่กล่าวมาข้างต้นว่าเราสามารถใช้ประโยชน์จากข้อมูลต่างๆจากเซนเซอร์ นักเรียนสามารถเรียนรู้ในการเก็บข้อมูลในรูปแบบต่างๆ ที่เป็นตัวเลข กราฟ ภาพถ่าย อีกทั้งยังสามารถใช้ RPi หรือ Arduino ช่วยสอนเพื่อเรียนวิชาทาง อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ สมารถช่วยกระตุ้นความสนใจในการเรียนรู้ของเด็กนักเรียน อธิบายความคิดที่ซับซ้อน Complex concept ได้

การบันทึกข้อมูล Data logging นักเรียนสามารถใช้ IoT ช่วยในการเก็บ บันทึกข้อมูล และวิเคราะห์ผล เช่น การใช้แอพลิเคชั่น Google Science Journal เป็นการใช้ประโยชน์จากเซนเซอร์ตรวจจับความเข้มของแสงสว่าง ระดับเสียง วัดระยะห่าง การเคลื่อนไหว ที่อยู่บนสมาร์ทโฟนเพื่อเก็บข้อมูล หรือมาประยุกต์สร้างการทดลองทางวิทยาศาสตร์ https://makingscience.withgoogle.com/science-journal/activities หรือการนำข้อมูลมาใช้ควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ เช่นใช้เซนเซอร์ตรวจสอบความชื้นในดิน เมื่อในดินไม่มีความชื้นเพียงพอก็ใช้ข้อมูลนั้นๆไปควบคุมหรือสั่งงานให้เครื่องรดน้ำต้นไม้ทำงาน

Google Science Journal mobile application

3. การเรียนรู้แบบนักประดิษฐ์ (Tinkering/ Making)

เนื่องจากปัจจุบันเครื่องมือที่สนับสนุนนักประดิษฐ์ มีหลากหลาย มากมาย และราคาถูก นักเรียนสามารถคนหาข้อมูล หรือตัวอย่างได้สะดวกรวดเร็วจากอินเทอร์เน็ต หรือจากกลุ่มนักประดิษฐ์ หรือเราเรียกว่า Makers เช่นกลุ่มเชียงใหม่เมกเกอร์คลับ http://cmmakerclub.com/ 

มีเครื่องมือสนับสนุนนักประดิษฐ์ที่น่าสนใจเช่น

• เครื่องพิมพ์สามมิติ 3D printer เข้ามามีบทบาทมากในปัจจุบัน สนับสนุนให้เมกเกอร์สามารถสร้างสรรค์ผลงานได้ตามต้องการได้ง่ายดายขึ้น อีกทั้งยังสนับสนุนการเรียนการสอนทางด้านวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ ได้อีกด้วย นักเรียนสามารถศึกษาถึงกระบวนการการทำงาน ศึกษาเรื่องพลาสติกที่นำมาพิมพ์ เรื่องการออกแบบโครงสร้างก่อนพิมพ์ด้วยสมการคณิตศาสตร์ เรียนรู้เรื่องสองมิติ และสามมิติ เรื่องโครงสร้างสะสาร อะตอม โมเลกุล ที่เป็นรูปธรรมจับต้องได้ เพราะสามารถพิมพ์ออกมาจริงๆได้

BS Toy 3D printer by Bonsai Lab

• เทคโนโลยีสวมใส่ (Wearable technology) เป็นสิ่งที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักเรียนถ้าพวกเขาสามารถทำให้เสื้อผ้า สร้อยข้อมือ รองเท้าสามารถเปล่งแสง แสดงข้อความ หรือส่งเสียงออกมาได้ นักเรียนจะได้พัฒนาความคิดสร้างสรรค์ ควบคู่กับได้ความรู้ในด้านการออกแบบ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเขียนโปรแกรม

Mover Kit: wearable tech for kids

• หุ่นยนต์ เป็นโปรเจคที่ถูกนำมาใช้ในการเรียนการสอนในระดับมหาวิทยาลัย แต่ในปัจจุบันสามารถนำมาให้นักเรียนในระดับประถมและมัธยมศึกษาเรียนรู้กันได้แล้ว เนื่องจากมีอุปกรณ์ช่วยเหลือมากมายด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ พัฒนาเด็กนักเรียนให้ทำงานเป็นกลุ่ม รู้จักแก้ปัญหา ส่งเสริมการเรียนบูรณาการ และ STEM

OZO Bot

นักเรียนได้อะไรจากการเรียนด้วย IoT

• ส่งเสริมการเรียนรู้ร่วมกัน (Collaborative learning) เนื่องจากโครงงาน IoT จำเป็นจะต้องใช้ความสามารถหลากหลายร่วมกันจึงจะสำเร็จ นักเรียนร่วมกันคิด ออกแบบ คนหนึ่งอาจจะเขียนโปรแกรม อีกคนต่อวงจร อีกคนออกแบบกราฟิกแอพลิเคชั่น จะเห็นได้ว่านักเรียนจะต้องเรียนรู้การทำงานร่วมกัน รู้จักเป็นผู้นำ ผู้ตาม และผู้ฟังที่ดี
• รู้จักการแก้ไขปัญหาโดยใช้ปัญหาเป็นหลัก (Problem-based learning) ปัญหาเป็นจุดเริ่มต้นของการสร้างสรรค์ นักเรียนจะได้คิดว่าจะเริ่มแก้ปัญหาอะไร เช่นจะทำอุปกรณ์ให้อาหารแมวเมื่อเราไม่อยู่บ้านอย่างไร ระหว่างการทางการทำงานปัญหามักเกิดขึ้นเสมอ นักเรียนจะได้ฝึกความอดทน หาข้อมูลแก้ปัญหาเป็นขั้นเป็นตอน จนประสบความสำเร็จ หรือถ้าไม่สำเร็จนักเรียนจะเรียนรู้ข้อผิดพลาดซึ่งนำไปสู่การแก้ปัญหาครั้งใหม่ในการพัฒนางานต่อไปในอนาคต
• กระตุ้นการเรียนรู้ด้วยตนเองและยั่งยืน (Self-directed learning) เมื่อนักเรียนประสบความสำเร็จจากการสร้างสรรค์ จากโจทย์ที่มีความซับซ้อนไม่มากด้วยตนเองได้ และจะทำให้นักเรียนมีกำลังใจพัฒนาทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นไปได้โดยไม่ย่อท้อ เช่นเขียนโปรแกรมควบคุมสวิทช์ เมื่อทำได้แล้วอาจจะสามารถนำไปพัฒนาระบบปิดเปิดประตูบ้าน เปิดปิดการทำงานของมอเตอร์ ปั้มน้ำ เครื่องให้อาหารสัตว์ผ่านระบบอินเทอร์เน็ต
• ส่งเสริมเรียนรู้ผ่านพหุประสาทสัมผัส (multisensory learning) IoTจะเปิดโอกาสให้นักเรียนสร้างสรรค์สิ่งต่างๆด้วยประสาทสัมผัสหลากหลาย ใช้มือจับ ประกอบ ควบคุมเครื่องมือ หูฟัง สายตาสังเกต เมื่อประสาทสัมผัสต่างๆถูกกระตุ้นไปพร้อมกัน จะทำให้สมองพัฒนาการได้รวดเร็วขึ้นกว่าการกระตุ้นประสาทสัมผัสพียงอย่างเดียว เปรียบเสมือนเวลาที่เราเล่นเครื่องดนตรี มือจะต้องเคลื่อนไหวเพื่อควบคุม สายตาดูโน้ต หูฟังเสียง ปากเปล่งเสียง
• สร้างความเท่าเทียมกันระหว่างเพศ (Gender equality) จากผลการวิจัยต่างๆจะพบว่าเด็กชายจะสนใจหรือให้ความสำคัญกับเทคโนโลยี คอมพิวเตอร์ มากกว่าเพศหญิง แต่การประยุกต์ IoT ในการเรียนการสอนอาจจะทำให้นักเรียนหญิงมีความสนใจทางด้านเทคโนโลยีมากขึ้น เช่นการบูรณาการ IoT กับการออกแบบ และแฟชั่น การให้นักเรียนหญิงช่วยกันออกแบบเครื่องนุ่งห่ม สร้อยข้อมือ สร้อยคอ ที่สามารถแสดงไฟหลากสีเมื่อเราเคลื่อนไหว (FLORA https://www.adafruit.com/product/659) ผลการศึกษาจาก Intel แสดงให้เห็นว่าเด็กผู้หญิงที่สนใจในการออกแบบและประดิษฐ์ สิ่งต่างๆกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จะสามารถพัฒนาทักษะ และความสามารถ ความเป็นเลิศทางวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ได้ดีในอนาคต

FLORA: wearable electronics platform

• สร้างห้องเรียนอัจฉริยะ (Creating smart classroom) เทคโนโลยี IoT สามารถช่วยให้ครูและนักเรียนตรวจสอบ ติดตามถึงการพัฒนาการ และผลการเรียนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นใช้สมาร์ทแท็กตรวจสอบกิจกรรมการเรียนของนักเรียน การเข้าเรียน การเข้าใช้งานห้องสมุด หรือใช้แอพลิเคชั่นติดตามผลการเรียนและจัดบทเรียนที่สอดคล้องกับสไตล์การเรียนของเด็กนักเรียนแต่ละคนที่สนใจในสิ่งที่ต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น จากการศึกษาที่ประเทศอังกฤษโดยใช้เซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว ทำให้ครูและผู้ปกครองรู้พัฒนาการของเด็ก ผลการทดลองพบว่าครึ่งนึงของเด็กนักเรียนอายุ 7 ขวบ นั่งเรียนยาวนานถึง 6.4 ชั่วโมงต่อวันโดยไม่เคลื่อนไหว ส่งผลเสียของสุขภาพและการพัฒนาการ

จะเห็นได้ว่า IoT สามารถนำมาประยุกต์ หรือใช้ควบคู่กับการเรียนการสอนและพัฒนาการศึกษาได้อีกมากมาย เพียงแค่ว่าตอนนี้ยังไม่ได้มีการศึกษาหรือวิจัยอย่างจริงจังถึงวิธีการและขั้นตอนการนำมาใช้งานในวงการการศึกษาอย่างเป็นรูปธรรม

บทความต่อไปเราคงจะลองมาดูว่าถ้าเราจะออกแบบระบบการเรียนการสอนโดยอาศัยหลักการของ IoT ให้เหมาะสมกับบริบทในพื้นที่ห่างไกลจากความเจริญ (Underdeveloped areas)และผู้เรียนที่ขาดแคลนโอกาส เราจะทำอย่างไร

บทความโดย: นายพฤทธิ์ พุฒจร
–> My Google Scholar
–> My Linkedin

อ้างอิง (References)

• Education and the Internet of Everything – Cisco, http://www.cisco.com/c/dam/en_us/solutions/industries/docs/education/education_internet.pdf
• TRANSFORMING EDUCATION WITH THE INTERNET OF THINGS, Intel Education, https://mikelloydtech.files.wordpress.com/2016/01/intel-clwb-iot-vision-paper.pdf
• Kopetz, H. (2011). Internet of things. In Real-time systems (pp. 307-323). Springer US.
• Atzori, L., Iera, A., & Morabito, G. (2010). The internet of things: A survey. Computer networks, 54(15), 2787-2805.
• Pruet, P., Ang, C. S., Farzin, D., & Chaiwut, N. (2015, June). Exploring the Internet of “Educational Things”(IoET) in rural underprivileged areas. In Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2015 12th International Conference on (pp. 1-5). IEEE.