Tuesday, May 31, 2011

หูและเสียง

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ
ถ้าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://kostuff.blogspot.com/ นะครับ
(คราวที่แล้วเรื่องตาและภาพลวงตาอยู่ที่นี่  เรื่องหูจากปีที่แล้วอยู่ที่นี่ครับ)

วันนี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนภูมิธรรม และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เรื่องหูและเสียง

เริ่มด้วยถามเด็กๆว่าเราใช้อะไรฟังเสียง เด็กๆก็บอกว่าใช้หู ใช้สมอง บางคนบอกว่าใช้ปากและจมูก ผมเลยบอกว่าให้อุดหูแน่นๆแล้วอ้าปากและจมูกลองฟังเสียงได้ไหม เด็กๆก็บอกว่าไม่ได้ยิน ดังนั้นผมเลยบอกว่าปากกับจมูกไม่น่าจะใช้ฟังเสียงได้  (แต่ความจริงถ้าเสียงตำ่และดังพอ หูเราอาจจะไม่ได้ยินแต่ร่างกาย หน้าอกและส่วนอื่นๆอาจใช้รู้สึกคลื่นเสียงต่ำๆเหล่านั้นได้แต่สมองเราจะไม่แปลความว่าเป็นเสียง มีคนทดลองเรื่องเสียงตำ่ๆเหล่านี้และบอกว่าอาจจะเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้คนรู้สึกว่ามีผีอยู่ใกล้ๆ ถ้าสนใจลองหาข้อมูลเรื่อง Infrasound ดูนะครับ)

พอเราตกลงกันว่าเราใช้หูและสมองฟังเสียง ผมก็เอาภาพส่วนประกอบของหูให้ดู:


เราก็จะเห็นใบหู รูหู เยื่อแก้วหู กระดูกสามชิ้น (ค้อน ทั่ง โกลน -- hammer, anvil, stirrup) ท่อยูสเทเชียนที่ต่อหูส่วนกลางกับปาก โคเคลีย (ที่เป็นรูปก้นหอย) และอุปกรณ์หลอดครึ่งวงกลมสำหรับการทรงตัว (vestibular apparatus + semicircular canls)  ส่วนประกอบเหล่านี้แบ่งเป็นหูชั้นนอก (ใบหูถึงเยื่อแก้วหู) ชั้นกลาง (ในเยื่อแก้วหู กระดูกสามชิ้น และท่อยูสเทเชียน) และชั้นใน (โคเคลียและอุปกรณ์ทรงตัว)

ถึงตอนนี้ผมก็แทรกข้อมูลที่ว่าเวลาเราขึ้นที่สูงเช่นขึ้นลิฟท์ ขึ้นเขา หรือขึ้นเครื่องบิน ความดันอากาศภายนอกจะน้อยลง อากาศที่อยู่ในหูชั้นกลางมีความดันมากกว่า ทำให้เราหูอื้อ พอเราอ้าปาก หาว หรือเคี้ยวหมากฝรั่ง อากาศในหูก็จะสามารถออกมาทางปากผ่านทางท่อยูสเทเชียนได้ ทำให้เราหายหูอื้อ

ขบวนการฟังเสียงก็คือ ความสั่นสะเทือนวิ่งผ่านอากาศหรือตัวกลางอื่นๆเช่นพื้น วิ่งเข้ามาในรูหู ทำให้เยื่อแก้วหูสั่นตาม เยื่อแก้วหูติดกับกระดูกค้อนเลยทำให้กระดูกค้อนสั่น กระดูกค้อนอยู่ติดกับกระดูกทั่งเลยทำให้กระดูกทั่งสั่น กระดูกทั่งติดกับกระดูกโกลนเลยทำให้กระดูกโกลนสั่น กระดูกโกลนติดอยู่กับผนังของโคเคลียเลยทำให้ผนังของโคเคลียสั่น ในโคเคลียมีของเหลวอยู่เลยมีคลื่นในของเหลว คลื่นนี้ทำให้ขนของเซลล์การได้ยินขยับไปมา ทำให้เซลล์การได้ยินส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมอง แล้วสมองก็ตีความว่าได้ยินอะไร มีวิดีโอคลิปให้เด็กๆดูครับ:



ส่วนอันนี้เป็นภาพขนของเซลล์การได้ยิน:

ขนของเซลล์การได้ยิน จะสั่นไปมาเวลามีเสียงมากระทบหู
ขนเหล่านี้มีจำนวนจำกัด ถ้าเราได้ยินเสียงดังมากๆ ขนอาจจะหักหรืองอได้ ทำให้เราหูตึงขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นเด็กๆควรจะระมัดระวังไม่ฟังเสียงดังมากๆเช่นเสียงประทัด เสียงเจาะถนน เสียงปืน เสียงเครื่องบินใกล้ เพื่อรักษาหูไว้ให้อยู่ในสภาพดีๆ

ผมให้เด็กๆลองเอาหูแนบพื้นแล้วฟังผมเคาะพื้นเบาๆ เมื่อเด็กเอาหูแนบพื้นก็ได้ยินเสียงอย่างชัดเจน ผมบอกว่าพื้นแข็งๆนำความสั่นสะเทือนได้ดีกว่าอากาศ เราจึงได้ยินชัดขึ้น 



จากนั้นผมก็บอกเด็กๆเรื่องค้างคาวปล่อยเสียงออกไปทางปากและจมูก แล้วฟังเสียงที่สะท้อนกลับมา สมองค้างคาวสามารถแปลผลได้ว่าเสียงไปกระทบอะไรถึงสะท้อนกลับมาอย่างนี้  ค้างคาวจึงใช้หู"มอง"สิ่งต่างๆได้  เราจะเห็นว่าหูและจมูกค้างคาวมีรูปแบบหลายอย่างต่างๆกัน ขึ้นกับประเภทของเสียงที่ส่งออกไปและลักษณะทำมาหากินของแต่ละพันธุ์ (ถ้าอยากฟังตัวอย่างเสียงร้องค้างคาว ลองเข้าไปที่ http://en.wikipedia.org/wiki/Animal_echolocation ดูนะครับ เรื่องจมูกและหน้าย่นๆของค้างคาวมีประโยชน์อย่างไรลองดูที่นี่หรือที่นี่นะครับ)

หน้าและหูค้างคาวแบบต่างๆ
จมูกค้างคาวทำหน้าที่โฟกัสเสียงได้ (ค้างคาวสองพันธุ์ใช้เสียงต่างกัน)

จากนั้นผมก็บอกเด็กๆว่าถ้าความสั่นสะเทือนสั่นเร็วมากๆหลายๆครั้งต่อวินาที เราก็อาจจะไม่ได้ยิน คนเราจะได้ยินความสั่นสะเทือนถึงประมาณ 20,000 ครั้งต่อวินาที (หรือความถี่เท่ากับ 20,000 เฮิรตซ์) แต่สัตว์อื่นๆอาจได้ยินความถึ่สูงกว่าหรือตำ่กว่าคนก็ได้ เช่นสุนัขฟังเสียงที่มีความถึ่ได้ถึงประมาณ 4-5 หมื่นครั้งต่อวินาที ดังนั้นเราจึงมีนกหวีดไล่สุนัขที่เวลาเราเป่าเสียงจะสูงมาก ความถึ่สูงกว่าสองหมื่นครั้งต่อวินาที แต่ไม่เกินสี่หมื่นทำให้เราไม่ได้ยินแต่สุนัขจะได้ยิน ค้างคาวฟังเสียงความถี่ได้ถึงประมาณแสนครั้งต่อวินาที ปลาวาฬและปลาโลมาก็ฟังได้สูงเป็นแสนเหมือนกัน แต่ไก่ฟังได้ถึงแค่สองพันเท่านั้น ผมเอาตารางช่วงการได้ยินของสัตว์ต่างๆมาจาก http://www.lsu.edu/deafness/HearingRange.html ให้เด็กๆดู ทำให้เด็กๆได้หัดอ่านชื่อสัตว์ภาษาอังกฤษไปด้วย:


จากนั้นผมก็เปิดเสียงที่ความถี่ต่างๆให้เด็กๆฟัง ให้เด็กเห็นว่าเสียงสูงเกิดจากการสั่นสะเทือนมากครั้งต่อวินาที (ความถี่สูง) และเสียงต่ำเกิดจากการสั่นสะเทือนน้อยครั้งต่อวินาที (ความถี่ต่ำ) และเพื่อให้เด็กๆเห็นการสั่นสะเทือนชัดๆผมจึงเอากระดาษไปใกล้ๆลำโพงให้เด็กๆเห็นการสั่นสะเทือนที่อากาศทำให้กระดาษสั่นตามชัดๆ



เราได้ดูรูปเสียงจากเครื่องดนตรีต่างๆด้วยโปรแกรมฟรีชื่อ Audacity พอเราอัดเสียงได้เราก็ซูมดูภาพคลื่นเสียงแล้วฟังไปด้วย เด็กๆจึงเห็นได้ว่าเสียงสูงมีคลื่นหยักๆมากกว่าเสียงตำ่ ซึ่งแปลว่าเสียงสูงมีความถี่สูงกว่าเสียงต่ำนั่นเอง

สุดท้ายผมถามเด็กๆว่าทำไมเรามีสองหู เด็กๆบอกว่าจะได้ยินเสียงเยอะๆ ผมเสริมว่าหูสองหูของเราจะฟังได้ยินเสียงไม่พร้อมกันและดังไม่เท่ากัน ทำให้เราสามารถบอกตำแหน่งว่าเสียงเกิดมาจากที่ไหนได้ และผมก็ให้เด็กๆฟังเสียงที่อัดมาด้วยไมโครโฟนสองอันที่ติดไว้ที่หูของหุ่นคน ทำให้เมื่อฟังเสียงเหล่านี้ผ่านหูฟัง เราจะรู้สึกได้ว่าแหล่งกำเนิดเสียงมาจากที่ไหน ถ้ายังไม่เคยลองผมแนะนำให้ลองตอนนี้เลยครับ ใช้หูฟังจะชัดที่สุด:


นี่คือตัวอย่างหน้าเด็กๆที่ฟังอยู่ครับ ภาพการเรียนการสอนทั้งหมดอยู่ที่นี่นะครับ:









Tuesday, May 24, 2011

ตาและภาพลวงตา


ถ้าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://kostuff.blogspot.com/ นะครับ
(คราวที่แล้วเรื่องสมดุลของร่างกายและกลหลอกลวงชาวบ้านอยู่ที่นี่  เรื่องตาจากปีที่แล้วอยู่ที่นี่ครับ)


วันนี้เป็นวันแรกของปีการศึกษาใหม่ที่ผมได้ไปสอนเด็กๆที่โรงเรียนอนุบาลบ้านพลอยภูมิและกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมครับ วันนี้คุยกันเรื่องตาและภาพลวงตา

เราเริ่มกันโดยการถามเด็กๆว่าเรามองเห็นได้อย่างไร เด็กๆก็บอกว่าต้องใช้ตา ผมก็ถามว่าใช้อย่างอื่นด้วยไหม ธีธัชบอกว่าใช้สมองด้วย ผมจึงบอกเด็กๆว่าลูกตารับแสงเข้าไปแล้วส่งสัญญาณไฟฟ้าตามเส้นประสาทไปยังสมอง สมองจะตีความสัญญาณไฟฟ้าว่าเห็นอะไรอยู่ เด็กๆบางคนถามว่าแล้วไฟไม่ชอร์ตเหรอ ผมก็บอกว่ากระแสไฟฟ้าที่ใช้ในร่างกายมีระดับต่ำ ไม่เป็นอันตราย และบอกว่าเราทุกคนต่างเป็นมนุษย์ไฟฟ้ากันทั้งนั้น ความคิดและการสื่อสารภายในร่างกายใช้ไฟฟ้าส่งสัญญาณเป็นส่วนใหญ่ส่วนหนึ่ง

จากนั้นผมก็เอารูปตาให้เด็กๆดู และถามเด็กๆว่าส่วนต่างๆคืออะไร ทำไมตาดำถึงสีดำ (เพราะแสงวิ่งผ่านเข้าไปทางตาดำเข้าไปในลูกตาแล้วไม่สะท้อนออกมา) ทำไมในตาถึงมีเส้นเลือด (เพราะตามีชีวิต และต้องการอาหาร อากาศ และขจัดของเสีย) มีเลนส์ไว้ทำไม (ไว้รวมแสงให้ภาพไปตกที่ม่านรับแสงในดวงตาด้านในข้างหลัง ให้ภาพชัด)



จากนั้นผมก็บอกเด็กๆว่าตาของสิ่งมีชีวิตมีหลายแบบ แบบง่ายที่สุดสำหรับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวก็คือมีโปรตีนไวต่อแสงติดไว้บนเซลล์ สิ่งมีชีวิตตัวนั้นก็สามารถรู้ว่ารอบๆตัวสว่างหรือมืด แต่มันจะไม่เห็นเป็นภาพละเอียดแบบตาของเรา ตาของสิ่งมีชีวิตบางอย่างเป็นหลุมลึกเข้าไปในหัวหรือตัวและมีเซลล์รับแสงที่ก้นหลุม ดังนั้นสิ่งมีชีวิตพวกนี้จะสามารถขยับหัวให้แสงตกลงไปในก้นหลุมพอดี ดังนั้นนอกจากจะรู้ว่ามืดหรือสว่างแล้ว ยังสามารถบอกทิศทางว่าแสงมาจากทางไหนได้ด้วย (ตัวอย่างที่น่าสนใจก็คือรูรับความร้อนของงูบางชนิดเช่น Viper ที่ทำงานทำนองนี้ ถ้าสนใจเพิ่มดูหน้านี้สำหรับงูอื่นๆ) ตาของสัตว์บางชนิดจะทำงานเหมือนกล้องรูเข็ม มีรูเล็กๆให้แสงเข้าไปตกบนม่านรับแสงได้คมชัดแม้ว่าจะไม่ไวแสงนักเช่นหอยงวงช้าง นอกจากนี้ยังมีตาแบบที่เราคุ้นเคยในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ตาปลาหมึก และตาของแมลง (ถ้าต้องการข้อมูลเพิ่มเติมแนะนำหน้า Evolution of the Eye นะครับ)

หอยงวงช้างและตาของมันที่เหมือนกล้องรูเข็ม
จากนั้นผมก็บอกเด็กๆว่าส่วนที่สำคัญมากในการมองเห็นก็คือสมองที่ต้องคอยตีความว่าเห็นอะไร ถ้าสมองส่วนตีความเสีย คนก็จะตาบอดได้แม้ว่าดวงตาจะใช้ได้ดีอยู่ ในคนปกติสมองก็ยังมีจุดอ่อนในการมองเห็น มักจะเห็นอะไรที่อยากเห็นและไม่เห็นสิ่งที่ไม่สนใจ มีความสามารถจำกัดในการตีความ ถ้าข้อมูลเข้ามาจากดวงตามากเกินไป สมองก็จะเลือกตีความบางส่วนและเดาว่าส่วนอื่นๆเป็นอะไร ดังตัวอย่างภาพลวงตานี้ ถ้าเรามองจุดสีขาวตรงกลาง เราจะไม่ค่อยเห็นการเปลี่ยนแปลงของสีรอบๆ ตอนที่วงสีรอบนอกหมุนไปด้วย ถ้าเราไม่มองจุดสีขาวตรงกลางและคอยมองตามจุดสี เราจะเห็นว่าจุดสีเปลี่ยนแปลงเวลาวงสีรอบนอกหมุนด้วย



(สำหรับท่านที่สนใจ นักวิจัยมีลิงค์เกี่ยวกับเรื่องนี้อยู่ที่ http://visionlab.harvard.edu/silencing/ และ http://jwsu.ch/ow/docs/suchow2011silencing.pdf นะครับ)

จากนั้นผมก็ให้เด็กดูภาพลวงตาหอเอนพิซ่าดังรูปนี้:


คนส่วนใหญ่จะเห็นว่าภาพด้านขวาจะเอนมากกว่า ทั้งๆที่ภาพทั้งซ้ายและขวาเป็นภาพเดียวกัน ที่เราเห็นอย่างนี้ก็เพราะว่าสมองคิดว่าทั้งสองภาพรวมกันเป็นภาพของหอคอยสองอันคู่กัน และเมื่อเรามองหอคอยจริงๆตั้งคู่กันอยู่ เราจะเห็นยอดของมันลู่เข้าหากัน (เรื่อง perspective) เมื่อเราไม่เห็นมันลู่เข้าหากัน เราจึงคิดว่าหอคอยด้านขวาต้องเอียงอยู่แน่ๆ  ปรากฏการณ์นี้แสดงถึงการที่สมองตีความหมายตามสมมุติฐาน(หรือโปรแกรม)ที่มีอยู่แล้วในสมอง ไม่ใช่เห็นในสิ่งที่เป็น (สำหรับผู้ที่สนใจ เข้าไปดูลิงค์ของนักวิจัยที่ http://www.scholarpedia.org/article/Leaning_tower_illusion ได้ครับ)

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆดูภาพลวงตาที่แสดงว่าเราตัดสินความสว่างของสิ่งของต่างๆเมื่อเทียบกับความสว่างรอบๆ ภาพลวงตาอยู่ที่ http://illusioncontest.neuralcorrelate.com/2011/grouping-by-contrast/ เมื่อเรากดปุ่มเอาภาพพื้นหลังสีดำ/เหลืองออก เราจะเห็นวงกลมเปลี่ยนความสว่างแบบหนึ่ง แต่ถ้าเราแสดงพื้นหลังด้วย วงกลมจะเปลี่ยนความสว่างอีกแบบหนึ่ง ถ้าเราเจาะรูบนกระดาษเพื่อบังภาพหลัง เราก็จะเห็นว่าจริงๆแล้ววงกลมเปลี่ยนความสว่างอย่างไร:


จากนั้นผมก็แสดงภาพลวงตาว่าของโค้งๆที่ขนาดเท่ากัน ถ้าเอามาเรียงกันแล้วจะเห็นว่าอันหนึ่งยาวกว่า ของโค้งๆที่ว่าอาจจะเป็นกล้วยที่ขนาดเท่าๆกัน หรือตัดกระดาษแข็งให้เป็นรูปโค้งๆก็ได้ (วิธีทำง่ายๆก็คือเอาอะไรกลมๆเช่นถ้วย กระป๋อง แผ่น CD มาเป็นแบบวาดบนกระดาษ ลากสองเส้นโดยเลืื่อนแบบห่างออกไปสักสองสามเซ็นติเมตรก็ได้) แล้วเอามาเลียงสลับกัน



จากนั้นเด็กๆก็ได้ตัดกระดาษทำของเล่นนี้กัน เพื่อเอาไปหลอกคุณพ่อคุณแม่ สำหรับเด็กเล็กที่ตัดกระดาษให้โค้งไม่ได้ เขาก็จะได้ตัดรูปหอเอน มาเล่นดูที่ละรูป และดูที่ละสองรูปคู่กัน



Monday, May 16, 2011

หนังสือแนะนำครับ

คราวนี้ชื่อ Live & Learn โดยวรากรณ์ สามโกเศศ ครับ เป็นหนังสือรวมบทความสั้นๆน่าสนใจในหลากหลายสาขาของอาจารย์วรากรณ์ครับ แต่ละเรื่องสั้นพอที่จะอ่านได้ในไม่กี่นาที หนังสือมี 211 หน้า ราคา 180 บาทครับ

ดูสารบัญเรื่องราวต่างๆในรูปนะครับ



Wednesday, May 11, 2011

I've Just Learned About Bloom Filter

Although the algorithm was invented at about the same time that I was born, I've just understood how Bloom filter works today :-)

From Wikipedia page, the Bloom filter "is a space-efficient probabilistic data structure that is used to test whether an element is a member of a set. False positives are possible, but false negatives are not. Elements can be added to the set, but not removed (though this can be addressed with a counting filter). The more elements that are added to the set, the larger the probability of false positives."

Here's a discussion about a 22-line Python implementation of the filter.