Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il

Superconduttività: esperimenti e modelli. Il
laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel
Progetto Supercomet 2
Marisa Michelini, Rossana Viola1, Vegard Engstrom2
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine
Via Delle Scienze n 208, 33100 Udine
[email protected]
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Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine
Via Delle Scienze n 208, 33100
[email protected]
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M. Sc, CEO, Norvay
[email protected]
Nell’ambito del Progetto Supercomet 2 dell’Unione Europea
volto all’introduzione del tema della superconduttività nei
curricula di fisica delle Scuole Secondarie Superiori si è
sviluppato un CD-Rom di applicazioni multimediali con
animazioni interattive che guida lo studente in un percorso
che parte dall’elettromagnetismo per arrivare alla
superconduttività:
attraverso il laboratorio virtuale lo
studente acquisisce il sapere, con quello reale il saper fare.
1. Introduzione
L’impiego delle nuove tecnologie per l’attività sperimentale e la
modellizzazione in fisica è il terreno sul quale si sviluppano molte proposte
didattiche originali volte al superamento dei nodi concettuali disciplinari.
Specifiche proposte disciplinari basate sull’attività sperimentale e su un
impiego multimediale dell’elaboratore si propongono in tale contesto come
materiali su cui costruire percorsi e moduli sia per studenti che per la
formazione in servizio degli insegnanti.
Il personale coinvolgimento del soggetto nell’oggetto di studio è
irrinunciabile: in questa prospettiva nasce e si sviluppa l’idea della centralità del
ruolo dello studente che apprende.
L’applicazione multimediale sviluppata nell’ambito del Progetto
Supercomet 2 è espressione piena di quanto si può raggiungere sui diversi
piani: scoprire, apprendere, accrescere la propria professionalità.
Il laboratorio virtuale da un lato facilita l’apprendimento (per immagine),
il laboratorio reale dall’altro dà unità tramite sintesi e chiude il cerchio, che
difficilmente si realizza, tra sapere e saper fare. È questo un approccio
innovativo ed ha caratteri di trasversalità.
In questo lavoro si presentano i risultati di una ricerca, condotta
nell’ambito del Progetto Supercomet 2, che ha come obiettivo l’introduzione di
A. Andronico, T. Roselli, B. Lamborghini (Eds.): DIDAMATICA 2008, ISBN: 978-88-902981-2-7
DIDAMATICA 2008
un tema di fisica moderna, la superconduttività, nei curricula di fisica della
Scuola Secondaria Superiore.
La superconduttività è un argomento significativamente introdotto per
due ragioni: per la sua attualità teorica e tecnica e perché dimostra che non
sempre è necessario conoscere l’intera fisica per comprendere un argomento di
fisica moderna. Da qui l’esigenza di un aggiornamento e di uno sfoltimento dei
programmi scolastici in funzione dell’attuale.
2. Il Progetto Supercomet 2
Università e Scuole Secondarie di 15 Paesi europei sono stati coinvolti
in Supercomet 2 (SUPERCOnductivity Multimedia Educational Tool phase 2),
un Progetto biennale che si è sviluppato all’interno del Programma Leonardo da
Vinci fase II dell’Unione Europea.
Obiettivo del Progetto è la messa a punto di una applicazione
multimediale per l’insegnamento della superconduttività rivolta in particolar
modo a studenti di Scuola Secondaria Superiore per la creazione di una
comunità internazionale a livello europeo per il rinnovamento dell’insegnamento
della fisica.
L’introduzione del tema della superconduttività nel curriculum di fisica
delle Scuole Superiori avviene per mezzo di:
una applicazione interattiva su CD-Rom (animazioni, film di esperimenti
dimostrativi, testi esplicativi);
metodi pedagogici moderni come, per esempio, apprendimento
collaborativo e problem solving.
In Italia l’Università di Udine ha guidato e coordinato la sperimentazione
che ha coinvolto studenti di Scuola Superiore, dalla Sicilia alle regioni del Nord.
In questo contesto sono stati sviluppati molti e diversi materiali:
animazioni interattive, testi, video, materiali hands-on per esperimenti qualitativi
e quantitativi relativi ai fenomeni, di elettromagnetismo ed elettrostatica,
connessi con la superconduttività, una guida per l’insegnante e un seminario
per il training degli insegnanti [Michelini et al, 2007].
Questi materiali sono stati utilizzati sia nei seminari per il training degli
insegnanti che nella sperimentazione in classe. Dopo un primo periodo di
sperimentazione e disseminazione, i materiali sono stati integrati con nuove
proposte allo scopo di mettere a punto quella che è la versione finale della
applicazione.
In particolare, durante il primo anno del Progetto sono stati prodotti:
• un CD-ROM con materiali didattici;
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Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto
Supercomet 2
una guida per l’insegnante per chiarire caratteristiche e ruoli dei
materiali di supporto
(testi, worksheets e presentazioni
multimediali) e spunti per percorsi didattici.
Durante il secondo anno:
• i materiali sono stati tradotti nelle lingue dei paesi partecipanti
al progetto;
• l’applicazione è stata sperimentata in classi di Scuola Superiore
dei paesi coinvolti nel Progetto;
• il corso di aggiornamento e la guida per l’insegnante sono stati
testati con un gruppo di insegnanti di riferimento.
Il gruppo italiano, guidato dalla Prof. Marisa Michelini dell’Università di
Udine, nel primo periodo
• ha tradotto e adattato tutti i materiali per la sperimentazione,
• ha collaborato alla definizione di proposte didattiche incluse
nella guida per l’insegnante,
• ha curato l’adattamento dei materiali ai curricula dei vari tipi di
scuola in Italia,
e durante il secondo anno e un periodo di estensione, ha condotto varie
tipologie di sperimentazione.
Alla fine del periodo di sperimentazione e disseminazione sono state
apportate modifiche e correzioni ai materiali ed essi sono stati integrati fino a
produrne un versione finale.
•
3. L’applicativo multimediale
Magnetismo, Conduzione elettrica, Induzione elettromagnetica,
Introduzione alla superconduttività, Spiegazione della superconduttività,
Materiali superconduttori, Attività coi superconduttori, Applicazioni, Storia della
superconduttività: questi i nove moduli in cui si snoda il percorso del CD-Rom di
Supercomet 2. I materiali sono fruibili all’indirizzo http://online.supercomet.no.
Ogni schermata dell’applicativo offre una animazione interattiva e una
parte di testo esplicativa più vari tasti per la navigazione tra i moduli, la
possibilità di scegliere una delle lingue dei paesi coinvolti nel progetto,
informazioni sul Progetto Supercomet, Risorse (risposte alle Faq, un Glossario
con la spiegazione di concetti notevoli coinvolti, accesso a documenti di testo,
video e audio supplementari, filmati di esperienze, Referenze con links, testi,
articoli).
Attraverso i suddetti temi lo studente viene condotto in una sistematica
scomposizione-ricomposizione del fenomeno legata all’elettromagnetismo
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DIDAMATICA 2008
prima e alla superconduttività poi. Lo scomporre e il ricomporre in modi diversi il
fenomeno e gli aspetti ad esso connessi ha come obiettivo il far prospettare e
raggiungere diverse visualizzazioni che tutte insieme danno completezza ed
organicità al sapere [Michelini e Viola, 2007].
Emblematico il caso, per esempio, in cui si tratta il fenomeno dell’effetto
Meissner.
Viene presentato il fenomeno con una animazione interattiva in cui lo
studente, facendo click sulle parti attive delle schermata, raffredda il disco di
materiale superconduttore immergendolo in azoto liquido e osserva la
levitazione. Il percorso poi si snoda considerando dapprima la possibilità di
avere correnti che scorrono senza resistenza, introducendo il caso dei materiali
superconduttori, facendo osservare che però non si tratta di un moto perpetuo.
È introdotta poi la temperatura critica e, con grafici della resistenza in funzione
della temperatura che si ottengono in tempo reale, lo studente scopre alcune
caratteristiche dei superconduttori legate alle sue proprietà elettriche. Poi si
pone attenzione alle proprietà magnetiche dei superconduttori osservando i
fenomeni di levitazione instabile e stabile dovuti agli effetti di pinning.
4. Il laboratorio per trasformare il sapere in saper fare
Quello proposto dalla applicazione Supercomet 2 è un nuovo uso del
laboratorio: attraverso il laboratorio virtuale lo studente acquisisce il sapere, con
quello reale il saper fare.
In questa prospettiva l’idea dell’attività laboratoriale si amplia in quanto
il laboratorio virtuale contiene l’analisi vivisezionata dell’esperimento attraverso
la scomposizione-ricomposizione del fenomeno per poi dare unità tramite
sintesi alle conoscenze nel laboratorio reale.
Questo tiene conto sempre più del ruolo centrale dello studente che
tende a non accettare affermazioni astratte e apparentemente svincolate dalla
realtà: in questa prospettiva si può chiudere il cerchio virtuale-tradizionale che
difficilmente si realizza.
Un tale uso del laboratorio facilita sicuramente l’apprendimento, in
quanto avviene per immagini, ma se usato correttamente sollecita lo studente a
proporre, in una prospettiva di ricostruzione concettuale, il suo, personale
manuale che sarà più stimolante.
Questa è un approccio innovativo ed è trasversale per tutte le materie,
è una metodologia interdisciplinare.
I risultati della sperimentazione Supercomet 2 mostrano una forte
correlazione tra training degli insegnanti e approcci adottati in classe riguardo
alle strategie da utilizzare per il superamento dei nodi concettuali degli
insegnanti, prima, e degli studenti poi. I percorsi progettati e proposti
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Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto
Supercomet 2
differiscono in angoli di attacco, nei contenuti, nell’attenzione ai diversi aspetti
disciplinari e nelle applicazioni tecnologiche. Le strategie e le metodologie
utilizzate sono state caratterizzate non solo per livello scolare e tipo di scuola,
ma anche per il modo di integrare gli esperimenti e gli strumenti multimediali. È
emerso il ruolo centrale degli esperimenti che si sono dimostrati efficaci nel
trattare la complessa e innovativa tematica della superconduttività sia nel
training degli insegnanti che nelle attività con gli studenti di scuola secondaria.
5. Conclusioni
Le applicazioni multimediali del CD-Rom sviluppato nell’ambito del
Progetto Supercomet 2 costituiscono un valido esempio di laboratorio virtuale
che utilizza le nuove tecnologie.
Le sperimentazioni già attuate in classi di Scuola Secondaria Superiore
hanno dato risultati positivi in termini di coinvolgimento, crescita dell’interesse
per temi di fisica moderna e contemporanea, aumento delle abilità e delle
competenze pratiche in laboratorio, curiosità per le applicazioni tecnologiche
della superconduttività. Sulla base di uno dei moduli del CD-Rom che tratta
appunto delle applicazioni, infatti, alcune sperimentazioni sono state progettate
e pianificate avendo come filo conduttore applicazioni come la produzione di
campi magnetici intensi nella risonanza magnetica nucleare, acceleratori e
rilevatori di particelle, reattori a fusione nucleare, treni Maglev, trasformatori per
la media e alta tensione, cavi per il trasporto di impulsi, limitatori di corrente,
alternatori, filtri superconduttori per la telefonia mobile, rilevatori ultra sensibili di
campi magnetici (SQUID) ..: partendo dalla loro analisi si estrapolano e si
forniscono gli elementi di teoria.
Bibliografia
1.
Michelini M., Viola R., Prospective Primary Teachers And Electromagnetic
Phenomena: A Teaching/Learning Research, in Selected Contrib. Girep Conference:
Frontiers of Physics Education, edited by R. Jurdana-Sepic, M. Zuvic-Butorac, Rijeka:
Girep, Rijeka University, 2007.
2. Michelini M., Viola R., Santi L., Corni F., The secondary school experimentation of
supercomet materials in Italy, in Selected Contrib. Girep Conference: Frontiers of
Physics Education, edited by R. Jurdana-Sepic, M. Zuvic-Butorac, Rijeka: Girep, Rijeka
University, 2007.
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