หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ ๒ ตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัด กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. ๒๕๖๐) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช ๒๕๕๑ ลัทธพล ด่านสกุล วันวิสา ด่านสกุล ดร.ชัชญาภา วัฒนธรรม อาจารย์ดวงใจ จันทะเสน อาจารย์เสาวศักดิ์ ผาสุข รองศาสตราจารย์ ดร.ปณิตา วรรณพิรุณ ดร.ชวนพบ เอี่ยวสานุรักษ์ ผู้เรียบเรียง ผู้ตรวจ บรรณาธิการ เทคโนโลยี (วิทยาการคำานวณ)
สถาบันพัฒนาคุณภาพวิชาการ (พว.) ๑๒๕๖/๙ ถนนนครไชยศรี แขวงถนนนครไชยศรี เขตดุสิต กรุงเทพฯ ๑๐๓๐๐ โทร. ๐-๒๒๔๓-๘๐๐๐ (อัตโนมัติ ๑๕ สาย), ๐-๒๒๔๑-๘๙๙๙ แฟกซ์ : ทุกหมายเลข, แฟกซ์อัตโนมัติ : ๐-๒๒๔๑-๔๑๓๑, ๐-๒๒๔๓-๗๖๖๖ website : www.iadth.com * โปรแกรมและเว็บไซต์ที่อ้างถึงเป็นชื่อผลิตภัณฑ์เครื่องหมายการค้า และเป็นลิขสิทธิ์ของบริษัทนั้นๆ ตามกฎหมาย สงวนลิขสิทธิ์ สำานักพิมพ์ บริษัทพัฒนาคุณภาพวิชาการ (พว.) จำากัด พ.ศ. ๒๕๖๓ พิมพ์ครั้งที่ ๑ จำานวน ๒๐,๐๐๐ เล่ม คํานํา 101110 001010 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเทคโนโลยี(วิทยาการคำานวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 ได้จัดทำาขึ้นตามตัวชี้วัดและสาระการเรียนรู้แกนกลาง กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี(ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษา ขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551 โดยส่งเสริมให้นักเรียนมีความรู้กระบวนการคิดอย่างมีเหตุผล คิดสร้างสรรค์คิดอย่างมีวิจารณญาณ มีทักษะที่สำาคัญในศตวรรษที่ 21 ทั้งทักษะการเรียนรู้ และนวัตกรรม ทักษะสารสนเทศ และทักษะชีวิตและอาชีพ เป็นต้น หนังสือเรียนเล่มนี้ ประกอบด้วย 5 หน่วยการเรียนรู้โดยแต่ละหน่วยการเรียนรู้ได้นำาเสนอหัวข้อหลักด้วยแผนผัง มโนทัศน์ เพื่อให้เห็นภาพรวมของเนื้อหาก่อนการศึกษารายละเอียด มีการชี้ให้เห็นถึงประโยชน์ ความสำาคัญ และการเชื่อมโยงกับชีวิตประจำาวันเพื่อทำาให้นักเรียนได้เห็นคุณค่าในการศึกษา เนื้อหาส่วนนั้น ๆ มีการนำาเสนอสาระสำาคัญของเนื้อหาด้วยแผนภาพที่น่าสนใจและง่ายต่อการเรียนรู้ มีการสอดแทรกเกร็ดความรู้ที่เกี่ยวข้องในแต่ละเนื้อหา เนื้อหาสามารถเข้าใจได้ง่าย มีตัวอย่าง กิจกรรม คำาถามพัฒนากระบวนการคิด และกิจกรรมการเรียนรู้ที่ครูสามารถนำาไปใช้ในการ จัดการเรียนรู้ในชั้นเรียนเพื่อต่อยอดประสบการณ์ให้กับนักเรียนได้ ผู้จัดทำาหวังเป็นอย่างยิ่งว่าหนังสือเล่มนี้จะเป็นตัวจุดประกายให้กับนักเรียนตระหนักถึง ความสำาคัญ ประโยชน์และการนำาไปใช้ประโยชน์ในชีวิตจริงและอนาคตของนักเรียนได้ซึ่งจะช่วย ผลักดันให้นักเรียนเป็นกำาลังที่สำาคัญในการพัฒนาประเทศในอนาคต สถาบันพัฒนาคุณภาพวิชาการ (พว.)
สารบัญ </> C หน้า หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 เทคโนโลยีการสื่อสาร 148 • การสื่อสารข้อมูล 150 • องค์ประกอบของการสื่อสาร 152 • สื่อกลาง 155 • โพรโทคอล 162 • สัญญาณในการสื่อสาร 171 • รูปแบบในการส่งสัญญาณ 172 • การถ่ายโอนข้อมูล 173 • เครือข่ายคอมพิวเตอร์ 177 • อินเทอร์เน็ต 187 หน่วยการเรียนรู้ที่ 5 การใช้เทคโนโลยีเผยแพร่ผลงาน 192 • ทรัพย์สินทางปัญญา 194 • Creative Commons กับการสร้าง และแสดงสิทธิความเป็นเจ้าของผลงาน 197 • การใช้เทคโนโลยีสารสนเทศอย่างปลอดภัย 200 • ความเป็นส่วนตัว 202 C บรรณานุกรม 208 หน้า หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 แนวคิดเชิงคำ นวณ 6 • แนวคิดเชิงคำนวณ 8 • การแจกแจง 12 • การคิดหารูปแบบ 15 • การคิดเชิงนามธรรม 21 • การออกแบบขั้นตอนวิธี 24 หน่วยการเรียนรู้ที่ 2 การพัฒนาโปรแกรมเพื่อแก้ปัญหา 38 • วงจรการพัฒนาโปรแกรม 40 • ความรู้พื้นฐานสำหรับการเขียนโปรแกรมภาษาไพธอน 43 • การเขียนโปรแกรมแบบลำดับ 73 • การเขียนโปรแกรมแบบทางเลือก 76 • การเขียนโปรแกรมแบบวนซํ้า 85 • ฟังก์ชัน 89 หน่วยการเรียนรู้ที่ 3 คอมพิวเตอร์ 94 • คอมพิวเตอร์ 96 • ระบบคอมพิวเตอร์ 101 • หลักการทำ งานของคอมพิวเตอร์ 136 • การประยุกต์ใช้งานและการแก้ปัญหาเบื้องต้น 137 10111 00110 00110 00110 11011 11011
1 หนว่ ยการเรยีนรทู้่ี แนวคิดเชิงคำ�นวณ แผนผังหัวข้อหน่วยการเรียนรู้ • ออกแบบอัลกอริทึมที่ใช้แนวคิดเชิงคำ�นวณในการแก้ปัญหา หรือการทำ�งานที่พบในชีวิตจริง (ว 4.2ม.2/1) ตัวชี้วัด คำ ศัพท์ คำ อ่าน คำ แปล abstraction แอบสแทรค′ชัน การคิดเชิงนามธรรม algorithm design อัลกอริธึมดิไซนฺ′ การออกแบบขั้นตอนวิธี computational thinking คอมพิวเท′ชันแนลธิง′คิง แนวคิดเชิงคำ�นวณ decomposition ดีเคิมโพซิ′ชัน การแจกแจง pattern recognition แพท′ เทิร์นเรคเคิกนิช′ชัน การคิดหารูปแบบ ศัพท์เทคโนโลยีน่ารู้ แนวคิดเชิงคำ�นวณ (Computational Thinking) แนวคิด เชิงคำ�นวณ การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction) การออกแบบ ขั้นตอนวิธี (Algorithm Design) การแจกแจง (Decomposition) การคิดหารูปแบบ (PatternRecognition) การออกแบบขั้นตอนวิธีแบบบรรยาย การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยรหัสลำ�ลอง การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยผังงาน การออกแบบ ขั้นตอนวิธี การแจกแจง การคิดหารูปแบบ การคิด เชิงนามธรรม แนวคิด เชิงคำ�นวณ
8 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 9 แนวคิดเชิงคำ�นวณ การดำ�รงชีวิตของมนุษย์ในแต่ละวันนั้น จะมีการทำ�กิจกรรมต่าง ๆ อย่างมากมาย หากเราสังเกต กิจกรรมที่ทำ� เราจะพบว่ามีสถานการณ์หลาย ๆ สถานการณ์ในชีวิตประจำ�วันที่มนุษย์ต้องใช้การคิด อย่างเป็นขั้นตอนในการแก้ปัญหา เช่น ค้นหาเส้นทางการเดินทางที่รวดเร็วที่สุด เลือกซื้อวัสดุอุปกรณ์ ไปใช้ในการสร้างชิ้นงานอย่างเหมาะสมการรับฟังข่าวสารจากสื่อต่างๆ ภาพที่ 1.1 โต๊ะรับประทานอาหาร ในการจับคู่ช้อนส้อมเพื่อจัดชุดสำ�รับ รับประทานอาหาร ถ้าในบ้านของนักเรียน มีช้อนและส้อมที่คละสีแล้วเราต้องการจับคู่ ช้อนกับส้อมจำ�นวน6คู่นักเรียนจะมีวิธีการ อย่างไร ภาพที่ 1.2 ช้อนส้อมคละสี แนวคิดที่ 1 ทำ�ตามขั้นตอนข้างต้นจนครบ6คู่ สุ่มหยิบเฉพาะส้อมทีละคัน จนกว่าจะได้แบบที่คู่กัน 1 สุ่มหยิบช้อน1คัน 2 แนวคิดเชิงคำ�นวณคืออะไร คำ�ถามสำ�คัญ
10 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 11 แนวคิดที่ 2 จากแนวคิดการแก้ปัญหาข้างต้นพบว่า ทั้ง 2 แนวคิดสามารถแก้ปัญหาได้สำ�เร็จทั้ง 2 แบบแต่เมื่อ ทดสอบแล้วพบว่า แนวคิดที่ 2 ใช้เวลาน้อยกว่า เนื่องจากการสุ่มหยิบช้อนทั้งหมดมาวางแยกแต่ละสำ�รับ จนครบแล้วสุ่มหยิบส้อมทีละคัน ไม่ว่าจะได้ส้อมสีอะไรก็สามารถจับคู่ช้อนและส้อมที่เป็นสีเดียวกันได้ เร็วกว่าการสุ่มหยิบช้อน1คันและสุ่มหยิบส้อมทีละคันจนกว่าจะเจอส้อมสีเดียวกันกับช้อน 1 2 สุ่มหยิบช้อนมาวางแยกแต่ละสำ�รับ หยิบส้อมทีละคันถ้าหากสีของส้อมตรงกับช้อนคันไหนให้นำ�ส้อมไปวางกับช้อนสีนั้น สถานการณ์ข้างต้นเป็นสถานการณ์ตัวอย่างที่เป็นเรื่องใกล้ตัวและพบในชีวิตประจำ�วันแต่นักเรียน อาจจะไม่เห็นความสำ�คัญ ซึ่งถ้าหากคิดเพื่อแก้ปัญหาอย่างเป็นขั้นตอนแล้วจะทำ�ให้ปัญหาง่ายขึ้น และแก้ปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพ แนวคิดเชิงคำ�นวณ (Computational Thinking) เป็นกระบวนการคิดเชิงวิเคราะห์คิดอย่าง เป็นระบบด้วยเหตุผลอย่างเป็นขั้นตอนเพื่อแก้ปัญหาต่าง ๆ ทั้งปัญหาในชีวิตประจำ�วัน ปัญหาทางด้าน การพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์เป็นต้นโดยมีขั้นตอนในการคิดเชิงคำ�นวณอยู่4ขั้นตอนดังนี้ แผนภาพที่ 1.1 ขั้นตอนการคิดเชิงคำ นวณ 1 2 3 4 1 การแจกแจง (Decomposition) การคิด หารูปแบบ (Pattern Recognition) การคิด เชิงนามธรรม (Abstraction) การออกแบบ ขั้นตอนวิธี (Algorithm Design) แนวคิด เชิงคำ�นวณ
ใบมีด ทำ�จากโลหะแข็ง ลับผิวด้านนอก เพื่อเพิ่มแรงเฉือน ด้ามจับ ออกแบบให้สอดนิ้ว เพื่อจับได้ถนัดมือ หมุด ตรึงใบมีดเป็นจุดหมุน และล็อกให้ใบมีดทั้ง 2 แนบชิดกัน เป็นการแบ่งปัญหาที่ซับซ้อนออกเป็นส่วนย่อยๆซึ่งจะทำ�ให้ปัญหาที่กำ�ลังพิจารณา จัดการได้ง่ายขึ้นแก้ปัญหาได้ตรงประเด็นและครอบคลุมปัญหามากยิ่งขึ้น ตัวอย่างที่ 1 กรรไกร กรรไกรเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการตัดวัสดุบางๆโดยใช้แรงกดไม่มากเมื่อวิเคราะห์ แยกส่วนของกรรไกรจะสามารถอธิบายได้ดังนี้ การแจกแจง ทั้งนี้ในการออกแบบกรรไกรจะใช้หลักการคานอันดับที่1ซึ่งมีจุดหมุนอยู่ตรงกลาง ยิ่งวางวัสดุใกล้จุดหมุนจะยิ่งผ่อนแรง 12 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 13 เกมบันไดงูมีกติกาการเล่นเกมคือให้ผู้เล่นแต่ละคนทอยลูกเต๋าเพื่อสุ่มจำ�นวนช่องเดินหากผู้เล่น เดินไปตกในช่องทางขึ้นบันไดจะเลื่อนตัวเดินไปอีกฝั่งแต่ถ้าหากผู้เล่นเดินไปตกในช่องหัวงูจะเลื่อนตัวเดิน ไปที่หางของงูถ้าผู้เล่นเดินไปตกที่ช่องว่างจะเลื่อนไปช่องนั้น หากผู้เล่นคนใดไปถึงช่อง FINISH ก่อน จะเป็นผู้ชนะ การแยกส่วนปัญหาของเกมบันไดงูให้แบ่งเหตุการณ์ที่ตำ�แหน่งของตัวเดิน เดินไปถึงจุดหมาย เป็นส่วนย่อยดังนี้ เกม บันไดงู การดำ�เนินการเมื่อเดินไปหยุดที่ช่องว่าง การดำ�เนินการเมื่อเดินไปหยุดที่หัวงู การดำ�เนินการเมื่อเดินไปหยุดที่ทางขึ้นบันได ตัวอย่างที่ 2 เกมบันไดงูมหาสนุก เหตุใดจึงต้องมีการแจกแจงปัญหา คำ�ถามสำ�คัญ การแจกแจง (Decomposition)
14 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 15 กิจกรรมที่ 1.1 การแจกแจงปัญหาย่อย วัสดุอุปกรณ์ 1. กระดาษสำ�หรับทำ�กิจกรรม 1 แผ่น 2. ปากกา 1 ด้าม วิธีปฏิบัติ 1. นักเรียนเลือกเทคโนโลยีที่สนใจมา 1ชนิด 2. ศึกษาการทำ�งานของเทคโนโลยีที่เลือก 3. คิดแบบแยกปัญหาย่อยแล้วเขียนอธิบายด้วยแผนภาพ ดังตัวอย่าง กรรไกรเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการ ตัดวัสดุบาง ๆ โดยใช้แรงกดไม่มาก เมื่อ วิเคราะห์แยกส่วนกรรไกร จะสามารถ อธิบายได้ดังนี้ ใบมีด ทำ�จากโลหะแข็ง ลับผิวด้านนอก เพื่อเพิ่มแรงเฉือน หมุด ตรึงใบมีดเป็นจุดหมุน และล็อกให้ใบมีดทั้ง 2 แนบชิดกัน ด้ามจับ ออกแบบให้สอดนิ้ว เพื่อจับให้ถนัดมือ การคิดหารูปแบบ (Pattern Recognition) การคิดหารูปแบบเป็นการสังเกตสิ่งที่มี ความคล้ายคลึงกัน ทั้งในด้านลักษณะการทำ�งาน หรือพฤติกรรม ซึ่งสิ่งที่มีรูปแบบเดียวกัน มีแนวโน้มที่จะใช้แนวคิดเดียวกันในการอธิบาย ทำ�ให้ลดจำ�นวนของปัญหาและลดระยะเวลา ในการทำ�งานได้ ตัวอย่างที่ 1 ตัวเลขดิจิทัล การคิดหารูปแบบช่วยให้เรา แก้ไขปัญหาได้อย่างไร การแสดงผลตัวเลขดิจิทัล จะเกิดจากการเปิด-ปิดของหลอดไฟ LED ทั้ง 7 ดวง ในรูปแบบ ที่แตกต่างกันซึ่งหลอดไฟแต่ละดวงจะถูกควบคุมการเปิด-ปิดด้วยสัญญาณทางไฟฟ้า 7bit ดังนั้น การแสดงผลตัวเลขแต่ละตัวจัดเป็นรูปแบบที่เกิดขึ้น เพื่อจะส่งข้อมูลแสดงผลเป็น ตัวเลขดิจิทัลตามต้องการ ถ้าหากมีการส่งสัญญาณ 1111111คือการส่งสัญญาณให้เปิดไฟ LED พร้อมกันทั้ง 7ดวงจะแสดงเป็นตัวเลข8 0110000 1101101 1111001 0110011 1011011 1011111 1110000 1111111 1111011 1111110 a g d e f c b g f com a b e d com c dot หลอด a b c d e f 1 1 1 1 1 1 เลข 1 คือการส่งสัญญาณไฟฟ้า เลข 0 คือการไม่ส่งสัญญาณไฟฟ้า g 1 คำ�ถามสำ�คัญ
16 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 17 หลังจากที่ทำ�การคิดแยกส่วนปัญหาแล้ว จากนั้นทำ�การวิเคราะห์เพื่อค้นหารูปแบบที่เกิดขึ้นในเกม จะพบพฤติกรรมที่มีลักษณะซํ้า ๆกล่าวคือ 1. เมื่อเดินไปตกที่ทางขึ้นบันไดจะต้องเลื่อนตัวเดินขึ้นไปทางลงบันได 2. เมื่อเดินไปตกที่หัวของงูจะต้องเลื่อนตัวเดินลงมาที่หางของงู 3. เมื่อตกที่ช่องว่างจะไม่เกิดเหตุการณ์ใดๆ ซึ่งจะทำ�ให้เราเข้าใจการทำ�งานของเกมได้รวดเร็วขึ้น เนื่องจากมีการจัดหมวดหมู่ของความคิด และการทำ�งานเป็นส่วนๆ ตัวอย่างที่ 2 เกมบันไดงูมหาสนุก กิจกรรมที่ 1.2 การคิดหารูปแบบ วัสดุอุปกรณ์ 1. กระดาษสำ�หรับทำ�กิจกรรม 2 แผ่น 2. ปากกา 1 ด้าม วิธีปฏิบัติ 1. นักเรียนแบ่งกลุ่มกลุ่มละ 3คน 2. นักเรียนร่วมกันอภิปรายเพื่อวิเคราะห์หารูปแบบและตอบคำ�ถามของสถานการณ์ต่อไปนี้ 1. 2. 3. 4. 3 4 6 9 ? 4 1 2 3 0 ? 7 D A O C C E T G O ? 5 ?
18 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 19 5. 6. 62 69 8 4 3? ? 7. 8. ??
คำ�ถามสำ�คัญ การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction) 20 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 21 10. 6 7 9 12 9 ? 12 15 11 ? ? 17 12 13 15 ? 9. 4 5 12 18 20 21 ? 40 36 24 10 8 เป็นกระบวนการคิดแก้ปัญหาโดยการคัดเลือกสิ่งที่จำ�เป็นต่อปัญหาไว้และคัดเลือกสิ่งที่ไม่จำ�เป็น ต่อปัญหาออกไป ซึ่งทำ�ให้เหลือเฉพาะส่วนที่สำ�คัญและจำ�เป็นต่อปัญหาเท่านั้น โดยในขั้นตอนนี้จะทำ�ให้ กรอบของปัญหาแคบลงและมีความชัดเจนขึ้นทำ�ให้แก้ปัญหาได้ตรงจุดมากยิ่งขึ้น ในการปฏิบัติการคิดเชิงนามธรรม นักเรียนสามารถสรุปเป็นสาระสำ�คัญด้วยข้อความหรือสามารถ ถ่ายทอดสาระสำ�คัญให้เป็นแผนภาพที่แสดงข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการหาความสัมพันธ์ได้ รถยนต์เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัวได้ระยะทาง100เมตรในเวลา 10วินาทีจงหาอัตราเร็วในการ เคลื่อนที่ของรถยนต์คันนี้ อัตราเร็ว = ระยะทาง (เมตร) เวลา (วินาที) แทนค่า = 100 (เมตร) 10 (วินาที) = 10 เมตร/วินาที สรุปได้ว่า รถยนต์คันนี้มีอัตราเร็วเคลื่อนที่10 เมตรต่อวินาที ระยะทาง = 100 เมตร เวลา = 10 วินาที อัตราเร็ว = ? ตัวอย่างที่ 1 การคำ�นวณหาอัตราเร็ว การคิดเชิงนามธรรมมีลักษณะอย่างไร
22 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 23 ภาพที่ 1.3 ระบบย่อยอาหาร เมื่อเรารับประทานอาหารเข้าไป อาหารจะผ่านเข้าสู่ช่องปาก ผ่านการย่อยเชิงกลด้วยการบดเคี้ยว ของฟันและเชิงเคมีด้วยการหลั่งเอนไซม์จากต่อมนํ้าลาย จากนั้นอาหารจะเคลื่อนที่เข้าสู่หลอดอาหาร โดยผ่านคอหอย เพื่อเดินทางไปยังกระเพาะอาหารซึ่งมีการย่อยโปรตีนและเคลื่อนที่ไปยังลำ�ไส้เล็ก ในส่วนนี้จะมีการย่อยและดูดซึมสารอาหารมากที่สุด แล้วไปที่ลำ�ไส้ใหญ่เพื่อดูดซึมนํ้าและเกลือแร่ จนเหลือเพียงกากอาหารแล้วขับออกทางทวารหนักให้นักเรียนเขียนอธิบายบทความนี้เป็นรูปแบบแผนภาพ ตัวอย่างที่ 2 ระบบย่อยอาหาร อัตราเร็วกับความเร็ว อัตราเร็ว คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณที่มีขนาดเพียงอย่างเดียว ใช้สัญลักษณ์V ความเร็วคือการกระจัดที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา ใช้สัญลักษณ์ตัว มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที(m/s) เด็กควรรู้ เมื่อทำ�การคิดแบบนามธรรมเพื่อจับประเด็นสำ�คัญแล้วสรุปได้ว่า 1. เมื่อเดินไปตกที่ทางขึ้นบันไดจะต้องเลื่อนตัวเดินขึ้นไปทางลงบันได 2. เมื่อเดินไปตกที่หัวของงูจะต้องเลื่อนตัวเดินลงมาที่หางของงู 3. เมื่อตกที่ช่องว่างจะไม่เกิดเหตุการณ์ใดๆ กิจกรรมที่ 1.3 การคิดเชิงนามธรรม วัสดุอุปกรณ์ 1. กระดาษสำ�หรับทำ�กิจกรรม 1 แผ่น 2. ดินสอ 1 แท่ง 3. ยางลบ 1 ก้อน วิธีปฏิบัติ นักเรียนวาดแผนที่สถานที่สำ�คัญในชุมชนหรือท้องถิ่น ระบุชื่อที่อยู่ของสถานที่นั้นพร้อมกับ เส้นทางการเดินทาง ตัวอย่างที่ 3 กติกาของเกมบันไดงู
24 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 25 การออกแบบขั้นตอนวิธี(Algorithm Design) ขั้นตอนวิธี (Algorithm) เป็นแนวทางที่ชัดเจนที่ใช้ในการแก้ปัญหาหรือการทำ�งานต่างๆเช่นวิธีการ ทำ�ส้มตำ� วิธีการยืม-คืนหนังสือจากห้องสมุด วิธีการจัดเรียงข้อมูล ซึ่งขั้นตอนวิธีจะเป็นตัวกำ�หนด การทำ�งานให้เป็นลำ�ดับขั้นตอน การออกแบบขั้นตอนวิธีเป็นการถ่ายทอดความคิดที่ใช้ในการแก้ปัญหาหรือการทำ�งาน เพื่อทำ�ให้ สามารถนำ�แนวคิดที่ออกแบบไปปฏิบัติตามและสามารถศึกษาในภายหลังได้ เครื่องมือที่นิยมใช้ในการออกแบบขั้นตอนวิธีได้แก่ 1. การออกแบบขั้นตอนวิธีแบบบรรยาย(Narrative Description) 2. การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยรหัสลำ�ลอง (Pseudo Code) 3. การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยผังงาน(Flowchart) 1. การออกแบบขั้นตอนวิธีแบบบรรยาย (Narrative Description) เป็นการอธิบายขั้นตอนด้วยคำ�พูดที่เข้าใจง่ายเป็นลำ�ดับ 1. ฉีดนํ้าใส่รถให้ทั่วเพื่อล้างขจัดฝุ่น เศษดินและทรายต่างๆออก 2. ผสมนํ้ายาล้างรถ1ฝาต่อนํ้าครึ่งถัง 3. นำ�ฟองนํ้าชุบนํ้าที่ผสมนํ้ายา เช็ด ทำ�ความสะอาดให้ทั่วตัวรถ 4. ฉีดนํ้าล้างให้สะอาด ใช้ผ้านุ่ม ๆ หรือผ้าชามัวร์ที่สะอาดเช็ดให้แห้ง ภาพที่ 1.4 การล้างรถยนต์ ตัวอย่างที่ 1 ขั้นตอนวิธีการล้างรถยนต์ 1. รับคะแนนสอบ 2. ตรวจสอบว่าคะแนนสอบมากกว่า 50หรือไม่ ถ้าใช่แสดงข้อความ“ผ่าน” ถ้าไม่ใช่แสดงข้อความ“ไม่ผ่าน” 2. การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยรหัสลำ�ลอง (Pseudo Code) เป็นการอธิบายขั้นตอนการทำ�งานของโปรแกรมโดยใช้ถ้อยคำ�ผสมระหว่างภาษาอังกฤษ และภาษาการเขียนโปรแกรมแบบมีโครงสร้าง ตัวอย่างที่ 2 ขั้นตอนวิธีการตัดเกรดอย่างง่าย 1. ใช้คำ�เฉพาะ (reserved word) ได้แก่ SET หมายถึง กำ�หนดค่า READ, INPUT, GET หมายถึง การรับข้อมูลนำ�เข้า OUTPUT,PRINT, WRITE หมายถึง การแสดงผล GOTO หมายถึง ข้ามไปที่ขั้นตอน IF หมายถึง การกำ�หนดเงื่อนไข THEN หมายถึง การกำ�หนดให้ทำ�งานเมื่อเงื่อนไขเป็นจริง ELSE หมายถึง การกำ�หนดให้ทำ�งานเมื่อเงื่อนไขเป็นเท็จ END IF หมายถึง กำ�หนดว่าจบเงื่อนไข CASE หมายถึง กำ�หนดกรณีของเงื่อนไข FOR หมายถึง ทำ�ซํ้าแบบรู้จำ�นวนรอบการทำ�งาน 2. ข้อมูลต่างๆที่ใช้จะกำ�หนดเป็นตัวแปร 3. มีความชัดเจนกระชับได้ใจความ หลักการเขียนรหัสลำ�ลอง ทำ�ไมจึงต้องมีการออกแบบขั้นตอนวิธี คำ�ถามสำ�คัญ
26 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 27 รูปแบบการเขียนรหัสลำลอง Algorithm (ชื่อของ Algorithm) start 1. ... 2. ... 3. ... end Algorithm SUM start 1. INPUT NValueA 2. INPUT NValueB 3. NSummaryValue = NValueA + NValueB 4. OUTPUT NSummaryValue end Algorithm start 1. INPUT NTestscore 2. IF NTestscore>=50 3. THEN OUTPUT “Pass” 4. ELSE OUTPUT “Fail” end ตัวอย่างที่ 1 ขั้นตอนวิธีการคำ�นวณ A + B ตัวอย่างที่ 2 ขั้นตอนวิธีการตัดเกรดอย่างง่าย 3. การออกแบบขั้นตอนวิธีด้วยผังงาน (Flowchart) เป็นการอธิบายขั้นตอนวิธีโดยการใช้สัญลักษณ์ที่มีความหมายแตกต่างกันเป็นลำ�ดับขั้นเพื่อใช้ ในการแก้ปัญหา โดยสถาบันมาตรฐานแห่งชาติอเมริกา (The American NationalStandardInstitute : ANSI) ได้กำ�หนดสัญลักษณ์มาตรฐานเพื่อให้สื่อสารได้ตรงกันดังตารางนี้ ตารางที่ 1.1 ตารางแสดงสัญลักษณ์มาตรฐานของผังงาน สัญลักษณ์ ชื่อ ความหมาย การนำ�เข้า/ส่งออก (input/output) ใช้ในการรับข้อมูลหรือแสดงผลโดยไม่ระบุ อุปกรณ์ การแสดงผลทางหน้าจอ (display) ใช้เมื่อต้องการให้แสดงผลทางหน้าจอ การปฏิบัติงาน (process) ใช้เมื่อต้องการประมวลผลข้อมูลกำ�หนดค่า หรือคำ�นวณทางคณิตศาสตร์ การนำ�เข้าข้อมูลด้วยมือ (manual input) ใช้ในการรับข้อมูลจากคีย์บอร์ด การตัดสินใจ (decision) ใช้ในการเปรียบเทียบเงื่อนไขหรือตัดสินใจ ทิศทาง (flow line) ใช้ในการกำ�หนดทิศทางขั้นตอนการทำ�งาน จุดเริ่มต้นและสิ้นสุด (terminal) ใช้แสดงจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการ ทำ�งาน จุดเชื่อมต่อในหน้าเดียวกัน (onpage connector) จุดเชื่อมต่อของผังงาน จุดเชื่อมต่อหน้ากระดาษ (offpage connector) จุดเชื่อมต่อผังงานที่อยู่คนละหน้ากระดาษ
28 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 29 ตัวอย่าง การหาค่าที่มากกว่า จากข้อมูล 2 จำ�นวน start NNumber 1 NNumber 2 NNumber 1> NNumber 2 NNumber 1 NNumber 2 end True False ผังงานแสดงการหาข้อมูลที่มีค่ามากกว่า 2 การออกแบบขั้นตอนวิธีมีโครงสร้างควบคุมหลัก3 รูปแบบดังนี้ 1. โครงสร้างแบบลำ�ดับ(sequential structure) 2. โครงสร้างแบบทางเลือก(selectionstructure) 3. โครงสร้างแบบวนซํ้า (repetitionstructure) 1. โครงสร้างแบบลำ�ดับ (sequential structure) start INPUTx y=x+2 OUTPUTy end ผังงานแสดงโครงสร้างแบบลำ�ดับ เด็กควรรู้ 1. ข้อความที่เขียนด้วยสัญลักษณ์ผังงานอาจเขียนด้วยภาษาไทยและภาษาอังกฤษ 2. ทิศทางของผังงานนิยมเขียนจากบนลงล่าง 3. สัญลักษณ์แทนการรับเข้าข้อมูลนำ�เข้าอาจใช้เป็น INPUTnum 1 4. สัญลักษณ์แทนการแสดงข้อมูลอาจใช้เป็น OUTPUTnum 1 แต่ต้องระบุว่าเป็น OUTPUT 5. ในการตัดสินใจผลจากการตัดสินใจจะต้องแยกเป็น2ทางเท่านั้นโดยเขียนT/จริงและF/เท็จกำ�กับเส้นทางด้วย 6. ในการรวมหลายเส้นทางเข้าด้วยกันจะต้องมีการรวมด้วยสัญลักษณ์ 7. ทุกผังงานจะต้องมี start และ end เพียงจุดเดียว 2. โครงสร้างแบบทางเลือก (selection structure) มีการตรวจสอบเงื่อนไขแยกเป็นทางเลือก สองทางคือT(จริง)หรือF(เท็จ) ผังงานแสดงขั้นตอนโครงสร้างแบบทางเลือกทางเดียว ผังงานแสดงขั้นตอนโครงสร้างแบบทางเลือกสองทาง start INPUT NTestscore NTestscore>=50 OUTPUT“Pass” end False True start INPUT NTestscore NTestscore>=50 OUTPUT“Pass” end False True OUTPUT“Fail”
30 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 31 ผังงานแสดงขั้นตอนโครงสร้างแบบทางเลือกหลายทาง start INPUT NTestscore NTestscore>100 or NTestscore<0? OUTPUT “Invalidnumber” end False True OUTPUT“Pass” NTestscore>=50 OUTPUT“Fail” False True 3. โครงสร้างแบบวนซํ้า (repetition structure) มีการวนซํ้าถ้าหากเงื่อนไขนั้นเป็นจริง ผังงานแสดงโครงสร้างวนซํ้าแบบ While ผังงานแสดงโครงสร้างวนซํ้าแบบ Until start NCounter<100 OUTPUT NCounter+1 NCounter=0 NCounter=NCounter+1 end False True start NCounter<100 OUTPUT NCounter+1 NCounter=0 end False True NCounter=NCounter+1 ตัวอย่างที่ 1 เกมบันไดงูมหาสนุก ผังงานแสดงการทำ�งานของเกมบันไดงู start end False True เดินตามแต้มบนหน้าลูกเต๋า ไม่มีผู้ถึงFinish Player=1 ทอดลูกเต๋า เป็นทางขึ้นบันได เลื่อนตัวเดินไปตำ�แหน่งช่องปลายบันได เป็นหัวงู เลื่อนตำ�แหน่งไปช่องที่หางของงูชี้อยู่ เปลี่ยนเป็นPlayerถัดไป False False True True
32 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 33 ตัวอย่างที่ 2 โปรแกรมการหาปริมาตรโดยประมาณของทรงกลม r ข้อมูลนำ�เข้า คือรัศมี(radius) ข้อมูลแสดงออกคือปริมาตร (volume) ALGORITHM sphere start 1. INPUTradius 2. VOLUME 22 7 4 3 * * radius3 3. OUTPUTvolume end start VOLUME= 22 7 4 3 * * radius3 OUTPUTvolume end INPUTradius ผังงานแสดงโปรแกรม การหาปริมาตรโดยประมาณของทรงกลม Pseudo Code เด็กควรรู้ ปริมาตร = 4πr 3 3 พื้นที่ผิว =4πr 2 โดยที่ r เป็นรัศมี(r) π ≈ 22 7 ≈ 3.14 ทรงกลม r สวนสนุกแห่งหนึ่งคิดค่าบริการกับคนที่มีส่วนสูงมากกว่า 150 เซนติเมตรคิดค่าบริการ 200บาท ข้อมูลนำ�เข้า คือ ความสูง (height) ข้อมูลแสดงออก คือ ข้อความอธิบายคือ“Pay 200Baht” ALGORITHM themepark start 1. INPUTheight 2. IFheight>150 3. THEN OUTPUT“Pay 200Baht” end ตัวอย่างที่ 3 โปรแกรมคำ�นวณค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุกแบบทางเลือกทางเดียว Pseudo Code start OUTPUT“Pay 200Baht” end height>150 INPUTheight True False ผังงานแสดงขั้นตอน โปรแกรมคำ�นวณ ค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุก แบบทางเลือกทางเดียว
34 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 35 สวนสนุกคิดค่าเข้าบริการ โดยพิจารณาจากความสูงของลูกค้า ดังนี้ ถ้ามีส่วนสูง มากกว่า 150 เซนติเมตร คิดค่าบริการ 200บาท น้อยกว่า 150 เซนติเมตร ไม่คิดค่าบริการ ข้อมูลนำ�เข้า คือความสูง (height) ข้อมูลแสดงออก คือข้อความอธิบายได้แก่ “Pay 200Baht”, “Free” ALGORITHM themepark start 1. INPUTheight 2. IFheight>150 3. THEN OUTPUT“Pay 200Baht” 4. ELSE OUTPUT“Free” end ตัวอย่างที่ 4 โปรแกรมคำ�นวณค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุกแบบทางเลือกสองทาง ผังงานแสดงขั้นตอน โปรแกรมคำ�นวณ ค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุก แบบทางเลือกสองทาง Pseudo Code start OUTPUT“Pay 200Baht” end height>150 INPUTheight True False OUTPUT“Free” สวนสนุกคิดค่าเข้าบริการเพิ่มเติมโดยพิจารณาจากอายุและความสูงของลูกค้า ดังนี้ 1. ถ้ามีอายุตํ่ากว่า 6ขวบหรือมากกว่า 60ปีจะไม่คิดค่าบริการ 2. ถ้ามีส่วนสูงมากกว่า 150 เซนติเมตรคิดค่าบริการ 200บาท 3. ถ้ามีส่วนสูงน้อยกว่า 150 เซนติเมตร ไม่คิดค่าบริการ ข้อมูลนำ�เข้า คือความสูง (height)และอายุ(age) ข้อมูลแสดงออก คือข้อความอธิบายได้แก่ “Pay 200Baht”, “Free” ALGORITHM themepark start 1. INPUTheight 2. INPUTage 3. IFage>=6และ age <=60 4. THEN GOTO 7 5. ELSE OUTPUT“Free” 6. END IF GOTO end 7. IFheight>150 8. THEN OUTPUT“Pay 200Baht” 9. ELSE OUTPUT“Free” 10. END IF GOTO end end ตัวอย่างที่ 5 โปรแกรมคำ�นวณค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุกแบบหลายทางเลือก ผังงานแสดงขั้นตอน โปรแกรมคำ�นวณ ค่าบริการเข้าเล่นสวนสนุกแบบหลายทางเลือก Pseudo Code start OUTPUT“Pay 200Baht” end age>=6และ age<=60 INPUTheight True False OUTPUT“Free” INPUTage height>150 OUTPUT“Free” True False
36 เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 แนวคิดเชิงคำนวณ 37 กิจกรรมที่ 1.4 การแก้ปัญหา วัสดุอุปกรณ์ 1. กระดาษสำ�หรับทำ�กิจกรรม 2 แผ่น 2. ปากกา 1 ด้าม วิธีปฏิบัติ นักเรียนออกแบบขั้นตอนวิธีเพื่อแก้ปัญหาสถานการณ์ต่อไปนี้ 1. ปัญหาการแปลงอุณหภูมิของหน่วยองศาเซลเซียสเป็นหน่วยองศาฟาเรนไฮต์องศาโรเมอร์ และเคลวิน F-32 9 C 5 = = K-273 5 R 4 = 2. ปัญหาการนับจำ�นวนเต็มแล้วตรวจสอบว่าเป็นเลขคู่หรือเลขคี่ 3. ปัญหาการคำ�นวณค่า (BMI/Body Mass Index) โดยนับค่านํ้าหนัก(กิโลกรัม)และความสูง (เมตร) และคำ�นวณค่า BMIจากสูตรBMI= นํ้าหนัก(กิโลกรัม) (ความสูง (เมตร))2 แล้วสรุปว่า ถ้าน้อยกว่า 18.5หมายถึงนํ้าหนักน้อยกว่ามาตรฐาน เกณฑ์นํ้าหนักมาตรฐาน 18.5-22.9 หมายถึง ปกติ 23-24.9 หมายถึง อ้วนระดับ1 25-29.9 หมายถึง อ้วนระดับ2 มากกว่าหรือเท่ากับ30 หมายถึง อ้วนระดับ3 4. ปัญหาการรับราคาสินค้า 10อย่างแล้วสรุปการรวมราคาสินค้าที่ซื้อ 5. ปัญหาการแสดงสูตรคูณแม่nโดยรับnจากผู้ใช้ทางคีย์บอร์ด 6. ปัญหาการลำ�ดับเลขฟีโบนัชชี 1. นักเรียนคิดว่าจะนำ�แนวคิดเชิงคำ�นวณไปใช้ในชีวิตประจำ�วันอย่างไร 2. “ในการวางแผนไปเที่ยวทะเล”แยกส่วนปัญหาได้อย่างไรบ้าง 3. หากนักเรียนไม่คิดแจกแจงส่วนปัญหา จะเกิดผลอย่างไร 4. การคิดหารูปแบบมีประโยชน์อย่างไร 5. การทำ�งานของนาฬิกาเข็มสั้นเข็มยาวมีรูปแบบอย่างไร 6. จงยกตัวอย่างการคิดเชิงนามธรรมที่นักเรียนเคยพบเห็นมา 5ตัวอย่าง 7. จงใช้แนวคิดเชิงนามธรรมเพื่อศึกษาปัญหาต่อไปนี้ “ซุงท่อนหนึ่งลอยอยู่ในแม่นํ้าที่มีความหนาแน่นของนํ้า 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ถ้าหาก ซุงมีลักษณะเป็นทรงกระบอกรัศมี10เซนติเมตรยาว120เซนติเมตรมีส่วนที่ลอยพ้นนํ้า 1ใน3 ของทั้งหมดจงหาแรงลอยตัว” 8. ในการออกแบบขั้นตอนวิธีควรคำ�นึงถึงปัจจัยใดบ้าง 9. จงออกแบบขั้นตอนวิธีของการเลือกซื้ออาหารกลางวัน 10. จงออกแบบขั้นตอนวิธีของสถานการณ์ต่อไปนี้ “การคํานวณหาด้านตรงข้ามมุมฉากของสามเหลี่ยมมุมฉากโดยใช้ทฤษฎีบทพีทาโกรัส” คำ�ถามพัฒนากระบวนการคิด 1. นักเรียนพิจารณาแจกแจงส่วนของอุปกรณ์ที่กำ�หนดให้แล้วนําแต่ละส่วนย่อยมาร่วมกันสร้าง นวัตกรรม 2. นักเรียนสำ�รวจและจัดทำ�แผนผังเพื่อถ่ายทอดแนวคิดเชิงนามธรรมบริเวณภายในโรงเรียน 3. นักเรียนแบ่งกลุ่มศึกษาสถานการณ์ที่แตกต่างกัน ออกแบบแผนภาพเพื่อถ่ายทอดแนวคิด เชิงนามธรรมจากสถานการณ์ที่ได้รับ 4. นักเรียนร่วมกันออกแบบวิธีการรณรงค์รักษาสิ่งแวดล้อม โดยเขียนเป็นผังงานและนำ�เสนอ หน้าชั้นเรียน พร้อมร่วมกันอภิปรายถึงข้อดีและข้อเสียแล้วคัดเลือกวิธีที่เห็นชอบร่วมกันมา 1 วิธี กิจกรรมการเรียนรู้ โครงงานสร้างสรรค์ นักเรียนร่วมกันออกแบบจัดทำ�เกมและอธิบายแนวคิดการแก้ปัญหา โดยใช้ แนวคิดเชิงคำ�นวณทั้ง 4ขั้นตอน ?