ธรรมชาติของวิทยาศาสตร์
ความรู้วิทยาศาสตร์และธรรมชาติของวิทยาศาสตร์
ความรู้วิทยาศาสตร์ เกิดจากความพยายามของมนุษย์ที่จะเชื่อมโยงโลกทางกายภาพ ชีวภาพ จิตวิทยาและสังคมเข้าไว้ด้วยกัน ความรู้วิทยาศาสตร์นี้จึงได้รับการพัฒนาภายใต้แนวคิดทางสังคม ปรัชญา และจิตวิทยาที่มนุษย์มีต่อการศึกษา การใช้และการอธิบายความรู้ที่ได้ค้นพบ การอธิบายถึงวิทยาศาสตร์ทั้งในด้านของความหมาย วิธีการได้มาซึ่งความรู้วิทยาศาสตร์ และการพัฒนาความรู้วิทยาศาสตร์ เช่น วิทยาศาสตร์คืออะไร วิทยาศาสตร์มีความเป็นมาอย่างไร และ นักวิทยาศาสตร์พัฒนาความรู้วิทยาศาสตร์ได้อย่างไรทั้งในฐานะที่เป็นนักวิทยาศาสตร์และในฐานะที่เป็นประชาชนคนหนึ่งในสังคม จึงเป็นการอธิบายถึงลักษณะพื้นฐานของความรู้วิทยาศาสตร์ หรืออาจกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นการอธิบายถึงธรรมชาติของวิทยาศาสตร์นั่นเอง (McComas และคณะ, 1998) สมาคมครูวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกา (AAAS, 1989) และสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) ประเทศไทย (IPST, 2003) ได้อธิบายถึง ความเข้าใจในธรรมชาติของวิทยาศาสตร์ ซึ่งถือเป็นเป้าหมายสำคัญของวิทยาศาสตร์ศึกษาที่จะช่วยให้ผู้เรียนเกิดการรู้วิทยาศาสตร์ (Scientific literacy) ดังนี้
ความเข้าใจเกี่ยวกับความรู้วิทยาศาสตร์ (Scientific knowledge) เนื่องจากความรู้วิทยาศาสตร์เป็นสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นจากการสังเกตและประสบการณ์ที่ได้รับเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ องค์ประกอบของความรู้วิทยาศาสตร์ คือ

1. ข้อเท็จจริง (Fact)
คือ การสังเกตปรากฏการณ์ธรรมชาติ หรือสิ่งใดๆ ที่เป็นอยู่จริงไม่เปลี่ยนแปลง และเป็นสิ่งที่ได้จากการสังเกตโดยตรง หรือโดยอ้อม (ข้อเท็จจริงในธรรมชาติย่อมถูกต้องเสมอ แต่การสังเกตข้อเท็จจริงอาจผิดพลาดได้) ความรู้ที่ได้นี้ เมื่อทดสอบในสถานการณ์หรือสภาวะเดียวกันจะได้ผลเหมือนเดิมทุกครั้งเช่น “น้ำไหลจากที่สูงสู่ที่ตำ" , "น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ณ บริเวณที่ระดับน้ำทะเล","เกลือมีรสเค็ม","สเปคตรัมของแสงอาทิตย์มี 7 สี คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง" (ใช้อุปกรณ์ช่วย),"น้ำแข็งลอยน้ำได้"
2. ความคิดรวบยอดหรือ มโนมติ (Concept)
คือ ความคิดหลัก (Main idea) ของแต่ละบุคคลที่มีต่อเหตุการณ์หรือปรากฏการณ์นั้นๆ มโนมติเกิดจากการนำข้อเท็จจริงมาศึกษาหรือเปรียบเทียบความแตกต่าง สรุปรวมลักษณะที่สำคัญ มองเห็นความสัมพันธ์ของสิ่งนั้นๆ สร้างเป็นความคิดหลักในรูปที่แสดงถึงความคิด ความเข้าใจ ทำให้นำไปใช้ในการบรรยาย อธิบาย หรือพยากรณ์เหตุการณ์ วัตถุ และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งแต่ละคนอาจมีนโนมติต่อสิ่งใดสิ่งหนึ่งที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับ ประสบการณ์ ความรู้เดิม วัยวุฒิ และ เหตุผลของบุคคลนั้นๆ

สรุป "มโนมติ คือ ความคิด ความเข้าใจที่สรุปเกี่ยวกับสิ่งใดสิ่งหนึ่งหรือเรื่องใดเรื่องหนึ่งอันเกิดจากการสังเกต หรือการได้รับประสบการณ์เกี่ยวกับสิ่งนั้นหรือเรื่องนั้นหลายๆ แบบ แล้วใช้คุณลักษณะของสิ่งนั้นหรือเรื่องนั้นนำมาประมวลเข้าด้วยกันเป็นข้อสรุปของเรื่องนั้น

3. หลักการ (Principle)
เป็นความจริงที่ใช้เป็นหลักในการอ้างอิงได้ โดยนำกลุ่ม มโนมติที่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ซึ่งได้รับการทดสอบว่าเป็นจริงแล้วว่าเป็นจริง แล้วนำไปใช้อ้างอิงและพยากรณ์เหตุการณ์หรือปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องได้ (หลักการต้องเป็นความจริงที่สามารถทดสอบได้ และได้ผลเหมือนเดิม มีความเป็นปรนัย และเป็นที่เข้าใจตรงกัน)

4. สมมติฐาน (Hypothesis)
หมายถึง ข้อความที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นเพื่อคาดคะเนคำตอบของปัญหาล่วงหน้าก่อนที่จะดำเนินการทดลอง สมมติฐานใดจะเป็นที่ยอมรับหรือไม่ขึ้นอยู่กับหลักฐาน เหตุผลที่จะสนับสนุนหรือคัดค้าน (ข้อความที่เป็นสมมติฐานต้องเป็นข้อความคาดคะเนคำตอบโดยที่บุคคลนั้นยังไม่เคยรู้หรือเรียนมาก่อน)

5. ทฤษฎี (Theory)
เป็นข้อความที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้น เป็นคำอธิบายหรือความคิดที่ได้จากสมมติฐานที่ผ่านการตรวจสอบหลายๆ ครั้ง และใช้อ้างอิงได้ หรือ ทำนายปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างกว้าง สามารถใช้อธิบายกฎ หลักการ และการคาดคะเนข้อเท็จจริงในเรื่องทำนองเดียวกันได้ (ทฤษฎี เป็นความคิดของนักวิทยาศาสตร์ อาจจะถูกหรือผิดก็ได้ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงได้ เมื่อได้รับข้อเท็จจริงเพิ่มขึ้นและน่าเชื่อถือมากขึ้น)
- เป็นข้อความซึ่งเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในการอธิบายกฎ หลักการ หรือข้อเท็จจริง
- เป็นข้อความที่ใช้อธิบายหรือทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้น
- เป็นที่น่าเชื่อถือได้และสามารถอนุมานไปเป็นหลักการ กฎ บางอย่างได้

6. กฎ (Law)
เป็นหลักการอย่างหนึ่งซึ่งเป็นข้อความที่ระบุความสัมพันธ์กันระหว่าง เหตุกับผล และอาจเขียนในรูปสมการแทนได้ ผ่านการทดสอบจนเป็นที่น่าเชื่อถือได้มาแล้ว (กฎ มีความจริงในตัวของมันเอง ไม่มีข้อโต้แย้ง สมารถทดสอบได้เหมือนเดิมทุกประการ)
กฎอาจเกิดมาได้ 2 ทาง ด้วยกัน
- จากการอุปมานข้อเท็จจริง โดยการรวบรวมจากข้อเท็จจริงหลายๆ ข้อเท็จจริงมาสรุปเป็น มโนมติ หลักการ
- จากการอนุมานทฤษฎี โดยการดึงส่วนย่อยของทฤษฎีมาเป็นกฎ เช่น กฎสัดส่วนพหูคูณ แยกย่อยมาจากทฤษฎีอะตอม
คุณค่าของธรรมชาติของวิทยาศาสตร์ต่อการเรียนรู้วิทยาศาสตร์
Driver และคณะ (1996) อธิบายว่าคุณค่าและความจำเป็นของการมีความเข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติของวิทยาศาสตร์ไว้ว่า ความเข้าใจธรรมชาติของวิทยาศาสตร์จะช่วยให้นักเรียน
1. ทราบถึงขอบเขต ข้อจำกัด ของความรู้วิทยาศาสตร์ ซึ่งจะช่วยให้นักเรียนสามารถเข้าใจเกี่ยวกับการจัดการทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในชีวิตประจำวัน
2. สามารถเข้าไปมีส่วนร่วมในการตัดสินใจเกี่ยวกับประเด็นปัญหาทางสังคม ที่เป็นผลสืบเนื่องมาจากวิทยาศาสตร์ได้
3. ชื่นชมวิทยาศาสตร์ในแง่ของการมีจริยธรรมและวัฒนธรรมของการเรียนรู้อย่างมีเหตุมีผล ซึ่งจะช่วยให้นักเรียนอยู่ในสังคมได้อย่างรู้เท่าทัน
4. ตระหนักถึงคุณค่า และความจำเป็นของการศึกษาวิทยาศาสตร์ ซึ่งจะช่วยให้นักเรียนสามารถพัฒนาการเรียนรู้เนื้อหาวิทยาศาสตร์ของตนได้ดียิ่งขึ้น