หน่วย2_กระบวนการเชิงวิศวกรรม

การออกแบบและเทคโนโลยี 2หนว่ ยการเรยี นรู้ท่ี

ช้นั มธั ยมศึกษาปีท่ี 4 กลมุ่ สาระการเรียนรวู้ ทิ ยาศาสตร์และเทคโนโลยี กระบวนการเชิงวศิ วกรรม

ตัวช้วี ัด

• ระบุปญั หาหรอื ความตอ้ งการทม่ี ผี ลกระทบตอ่ สังคม รวบรวม วเิ คราะห์ขอ้ มลู และแนวคิดทเี่ ก่ียวขอ้ งกับปัญหาทม่ี ีความซับซอ้ นเพอ่ื สงั เคราะห์วธิ กี าร เทคนิคในการ
แกป้ ัญหา โดยคานึงถึงความถกู ตอ้ งดา้ นทรพั ย์สินทางปญั ญา

• ออกแบบวิธกี ารแกป้ ญั หา โดยวิเคราะห์เปรียบเทยี บ และตัดสินใจเลือกข้อมลู ทจี่ าเป็นภายใต้เง่อื นไขและทรพั ยากรทม่ี อี ยู่ นาเสนอแนวทางการแก้ปญั หาใหผ้ ู้อ่ืนเข้าใจ
ด้วยเทคนคิ หรอื วิธกี ารทห่ี ลากหลาย โดยใช้ซอฟต์แวรช์ ว่ ยในการออกแบบวางแผนข้ันตอนการทางานและดาเนินการแกป้ ัญหา

• ทดสอบ ประเมินผล วิเคราะห์ และใหเ้ หตุผลของปญั หาหรอื ข้อบกพรอ่ งทเ่ี กิดขึน้ ภายใต้กรอบเง่อื นไข หาแนวทางการปรบั ปรุงแกไ้ ข และนาเสนอผลการแกป้ ัญหา
พรอ้ มทง้ั เสนอแนวทางการพฒั นาต่อยอด

• ใช้ความรแู้ ละทักษะเกีย่ วกบั วัสดุ อปุ กรณ์ เครอื่ งมอื กลไก ไฟฟ้า และอิเลกทรอนิกส์ และเทคโนโลยีที่ซับซอ้ นในการแกป้ ัญหาหรอื พฒั นางาน ได้อยา่ งถกู ตอ้ งเหมาะสม
และปลอดภยั

กระบวนการออกแบบเชิงวศิ วกรรมกับการแกป้ ัญหา

การออกแบบเชิงวิศวกรรมมสี องสว่ 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 ส่ิงทม่ี กี ระบวนการทางานเพอ่ื ตอบสนองความต้องการของมนุษย์

เครือ่ งซักผ้า โทรทศั น์ โทรศพั ท์มอื ถอื

กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม (The Engineering Design Process) การทาซ้า (Iterative proces

คือ กระบวนการคดิ สร้างสรรคเ์ ทคโนโลยที เ่ี ปน็ ระบบ เนน้ การทาซา้ เพอื่ หาทางออกทตี่ อบโจทย์ คอื การเรยี นรู้จากการทดลอง ปรับและพฒั นาแนวคดิ แล้วทาการทดลองซา้ เพอ่ื หาทางออก
ความต้องการของมนษุ ย์ ที่ดกี ว่าเดิม

แผนภูมิกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม ความแตกตา่ งของกระบวนการออกแบบทางวศิ วกรรม และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

ตัวปอ้ น ( Input ) กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม กระบวนการทางวิทยาศาสตร์
มองหาปัญหาหรอื โอกาส ตั้งคาถาม
ระบุปญั หา
หรือความตอ้ งการ

ผลสะทอ้ น (Feedback) กระบวนการออกแบบ กระบวนการ (Process) ทาการวิจยั ทาการวจิ ยั
จะวนเปน็ วัฏจักรจนกว่า วางแผน ตัง้ สมมตุ ิฐาน
นาผลตอบรับ ผผู้ ลิตจะพอใจกับเทคโนโลยี ระดมความคดิ สรา้ งตน้ แบบ ทาการทดลอง
มาปรับปรงุ และ และหาวธิ ีแกป้ ัญหา
พฒั นาเพ่ิมเตมิ ทส่ี รา้ งสรรค์ออกมา

ผลลัพธ์ (Output) ทดลองต้นแบบ ประเมินผล
นาเขา้ ตลาด/วางจาหนา่ 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 เปา้ หมายหลกั ทีเ่ ป็นกลาง)

Extreme Users Extreme Users
(กลุ่มเปา้ หมายสดุ โตง่ ทส่ี นับสนนุ ) (กลุ่มเปา้ หมายสุดโตง่ ทต่ี ่อตา้ 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 ัญหาท่ีชดั เจนขนั้ ตอนตอ่ ไป คอื การระดมสมองคิดหาทางแกป้ ัญหา โดยการระดมสมองท่ดี ีมีหลักการดงั น้ี

1 เน้นปริมาณมากกว่าคณุ ภาพ 3 เลอื กวิธกี ารแก้ปัญหาโดยคานงึ ผลลัพธ์

คือ การแยกการคดิ และการประเมนิ ออกจากกันโดยคดิ และเสนอแนว พิจารณาว่าวธิ กี ารแกป้ ญั หาที่คิดค้นมานั้นจะนาไปสคู่ ุณภาพการทางานที่ดีขึ้น หรอื ไม่อยา่ งไร วิธีการหนง่ึ ที่ทาได้
ทางการแกป้ ญั หาออกมาใหม้ าก ๆ แลว้ จงึ คอ่ ยเร่มิ ประเมนิ และคดั เลือก คือการประเมนิ ดว้ ยตารางประเมิณคณุ ภาพดงั ตัวอย่างน้ี
วธิ ีแกป้ ญั หาทเี่ หมาะสมกบั ปญั หานั้น
แนวคดิ ที่ 1 ความเร็ว ความสะดวก ความเป็นไปได้ รวมคะแนน
2 ต่อยอดความคิดจากส่งิ รอบตัว แนวคิดที่ 2 +1 +1 +1 +3
แนวคดิ ท่ี 3 +1 0 -1 0
เช่น รถไฟความเร็วสูง (Shinkansen) ในประเทศญ่ปี นุ่ ได้พัฒนาทาง 0 +1 +1 +2
หวั รถมาจากทรงจะงอยปากของนกกระเตน็ ซ่งึ เปน็ ทรง Aerodynamic
ทาใหน้ ้าไม่กระจายตัวเวลาบินลงมากนิ ปลา ผอู้ อกแบบได้นามาเปน็ จากตารางข้างต้น หากเราใชค้ วามเรว็ ความสะดวก และความเปน็ ไปได้มาเป็นเกณฑใ์ นการคดั เลือกแนวคดิ และ
ตน้ แบบของหัวรถไฟความเรว็ สงู เพอ่ื จะไดไ้ ม่เกดิ คลื่นเสยี งรบกวนขณะ กาหนดว่า
รถไฟวิ่ง

+1 หมายถงึ ดี

0 หมายถึง ปานกลาง

-1 หมายถงึ ไมด่ ี

จะเห็นว่าแนวคดิ ที่ 1 นนั้ ตอบโจทยค์ วามตอ้ งการในดา้ นตา่ งๆ มากกวา่ แนวคดิ ท่ี 2 และ 3 ดงั น้นั จึงควรเลือก
ใชแ้ นวคิดท่ี 1 เป็นวิธแี ก้ปญั หา

วธิ ีการระดมสมอง มหี ลายรปู แบบ 2 การคดิ ตามทฤษฎีหมวก 6 ใบ หรือ The Six Thinking Hats

1 การสร้าง Mind map หรือ แผนผงั ความคดิ หมวกสีขาว การคิดถึงขอ้ มลู และขอ้ เทจ็ จรงิ ต่างๆ

การเขยี นแผนผังความคดิ เรอ่ื ง หมวกสีแดง ความรู้สึกและสัญชาติญาณ
“Time Management” หมวกสีดา
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 ีการระดมสมองที่คิดคน้ ขน้ึ โดย
ยาซูโอะ มตั สึมรุ ะ (Yasuo Matsumura) ความคดิ สร้างสรรค์และแนวคิดใหม่ๆ

หมวกสีฟา้ 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

กราฟแสดงความสัมพนั ธร์ ะหว่างระยะเวลาโครงการและมูลค่าท่เี กดิ จากความผิดพลาด

กราฟแสดงความสมั พันธ์ระหว่างจานวนรอบของการทดสอบและความเสย่ี ง

ผลสะท้อน (Feedback)

หลังจากนาเอาเทคโนโลยีไปนาเสนอหรือทดลองใชก้ ับกลุ่มเป้าหมายแล้ว เราจะได้รบั ผลตอบรับหรอื ความคดิ เห็นจากผู้ทดลองใชง้ านเพอื่ นามาปรับปรงุ

และพฒั นาเพิ่มเตมิ 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 ิท่ีบอกลักษณะเฉพาะตวั ที่เกยี่ วกบั โครงสรา้ ง เป็นสมบัติเฉพาะของวสั ดทุ เ่ี กีย่ วกบั การเกิดอันตรกิริยา
และองค์ประกอบของธาตตุ ่างๆ ที่เป็นวัสดุนัน้ ของวัสดุนน้ั กบั พลงั งานในรูปต่างๆ กัน

3 สมบตั เิ ชงิ กล (Mechanical properties) 4 สมบัตเิ ชิงมิติ (Dimensional properties)
เปน็ สมบตั เิ ฉพาะตัวของวัสดทุ ี่ถูกกระทาด้วยแรงเกย่ี วกบั เชน่ ขนาด รปู ร่าง ความคงทน ตลอดจนลกั ษณะของผิว
การยืดและหดตัวของวัสดุ และการดูดกลนื พลังงาน วา่ หยาบ 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 + การเคล่อื นไหว เปลย่ี น หรือ ปลดปลอ่ ยพลงั งาน แรง + การเคลือ่ นไหวท่ีตรงความต้องการ

กลไกอยา่ งง่าย มี 5 ประเภทซง่ึ เป็นกลไกพื้นฐานของเคร่อื งจกั รกล ตัวอยา่ งของกลไก

ระนาบเอยี ง สกรู ล้อและเพลา ลิม่ คาน เครอ่ื งหนีบ กญุ แจ กรรไกร

อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์ 2 ตัวตา้ นทาน (resistor)
3 ตวั เก็บประจุ
LED 1 4 ทรานซสิ เตอร์
(Light Emitting Diode)

บซั เซอร์ 6
แบตเตอร่ี 5