sensori on-line per la formazione iniziale di

SENSORI ON-LINE PER LA FORMAZIONE INIZIALE DI
INSEGNANTI IN FISICA A UDINE, MODENA E BOLZANO
Corni F.(1), Michelini M. (2), Santi L. (3), Stefanel A. (2)
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica
Università degli Studi di Udine
(1) sede di Modena; (2) sede di Udine, (3) sede di Trieste
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Le nuove tecnologie consentono l’utilizzo di strategie e metodologie
didattiche, che sono: efficaci nell’aggredire quei nodi concettuali
ostacolo all’apprendimento; risonanti con i modi propri con cui la
fisica indaga il mondo; motivanti per i ragazzi. Tali strategie
prevedono l’utilizzo di sensori collegati in linea con l’elaboratore per
la graficazione in tempo reale delle grandezze che descrivono
l’evoluzione del sistema in osservazione. Impiegano schede di lavoro
che favoriscono lo sviluppo di competenze metodologiche nel
formulare ipotesi, per metterle a confronto con i dati sperimentali.
Presso tre sedi SSIS sono state realizzate sperimentazioni di moduli
formativi per insegnanti di tipo esperienziale su stati e processi
termici e cinematica, che integrano attività sperimentali in laboratorio
e di riflessione disciplinare e didattica in presenza e in rete. I risultati
hanno evidenziato che gli specializzandi superano le difficoltà nel
passaggio dalla dimensione qualitativa a quella quantitativa per la
costruzione di relazioni a partire da esperimenti reali. Il
coinvolgimento in un personale processo di apprendimento attiva il
riconoscimento dell’efficacia di strategie basate sull’uso delle TIC e in
particolare dei sistemi di rappresentazione grafica in tempo reale.
Appare irrinunciabile nella formazione insegnanti una successione di
attività che li impegnino in questo compito.
1.
Introduzione
Le nuove tecnologie hanno permesso di portare in classe gli aspetti
metodologici più importanti della ricerca in fisica: da un lato hanno reso
significativa l’attività di modellizzazione ([1], [2], [3], [4]), dall’altro hanno
permesso l’introduzione delle misure con sensori collegati in linea con
l’elaboratore ([5], [6],[7], [8]). Queste ultime ampliano le potenzialità e l’efficacia
del laboratorio nella didattica della fisica, consentendo per esempio misure
anche di tipo avanzato, con modalità relativamente semplici, e il cosiddetto Real
Time Laboratori (RTL), reso possibile dalla graficazione in tempo reale delle
grandezze rilevate ([9], [10]). Le strategie adottate sono orientate a superare le
difficoltà tipiche nell’apprendimento della fisica ([11], [12], [13]) in relazione a:
aspetti nodali dei diversi ambiti ([14], [15], [16]) mancato raccordo tra sapere
scientifico e apprendimenti quotidiani o sensoriali ([11], [17]) aspetti
metodologici [18]. ([19], [20]) Coinvolgono metodologie proprie dell’indagine
scientifica e favoriscono lo sviluppo del pensiero formale ([3], [5], [7], [9], [21]).
Accanto ai documentati risultati di approcci didattici basati sul RTL ([22], [23],
[24], [25]), è stato messo in evidenza dalla ricerca, anche condotta nell’ambito
di progetti coordinati tra diverse università italiane1, che la diffusione
dell’innovazione didattica e in particolare quella legata all’uso delle nuove
tecnologie non può prescindere dalla formazione insegnanti e che tale
formazione richiede nuove modalità e strategie ([24], [26], [27], [28]). È
necessario prevedere consistenti parti di tipo esperienziale in cui i docenti sono
coinvolti personalmente a sperimentare esperimenti e proposte didattiche che
poi andranno a proporre in classe ([19], [26], [27], [28], [29]).
Nel presente lavoro si discute del ruolo sensori on – line per l’apprendimento, in
particolare documentando le sperimentazioni effettuate dall’Unità di Ricerca in
Didattica della Fisica dell’Università di Udine, nelle sedi SSIS di Udine, Bolzano
e Modena su stati e processi termici e sulla cinematica del moto con l’uso di
sensori on-line.
2.
Contributo dei sensori on-line alla didattica scientifica
I sensori collegati in linea con l’elaboratore, offrono nuove opportunità per
l’apprendimento scientifico, rispetto a quelle realizzabili nel laboratorio didattico
con soli strumenti tradizionali ([8], [30], [31]). Se ne discutono i principali.
Grazie ad una buona qualità delle misure, caratterizzata da sensibilità,
affidabilità e riproducibilità superiore a quella degli strumenti manuali
ordinariamente disponibili in un laboratorio didattico, sono effettuabili in modo
relativamente semplice esperimenti avanzati per l’approfondimento di aspetti di
base o difficilmente affrontati con strumentazioni tradizionali [5]. Ne sono
esemplificazioni misure di: accelerazione di gravità con metodi diversi,
dipendenza del periodo di oscillazione di un pendolo dall’ampiezza di
oscillazione; coefficiente d’attrito radente statico e dinamico; forze d’attrito
agenti su un carrello in moto su un piano orizzontale o inclinato, a partire dalla
valutazione della sua accelerazione da grafici s=s(t) e v=v(t); distribuzioni
spaziali di intendità luminosa in fenomeni di ottica fisica; fenomeni non-lineari
([3], [20], [24], [32], [33]).
Viene reso possibile inoltre lo studio di fenomeni, che svolgono su scale di
tempo troppo diverse da quelle in cui si opera in modo ottimale manualmente:
fenomeni troppo veloci (transitori nei circuiti elettrici ([32], [33]) o nei processi di
interazione termica ([34], [35], [36]), moti rapidamente variabili correlati a
fenomeni d’urto ([16], [38])); fenomeni troppo lenti (l’evoluzione giornaliera dei
parametri fisici in una stazione meteorologica [39]). Consentono di effettuare
con semplicità misure avanzate per approcci fenomenologici ad ambiti altrimenti
affrontabili solo dopo una non banale preparazione teorica. É tipico il caso dello
studio dei fenomeni di propagazione della luce e della sua interazione con la
materia con sensori ottici per la costruizione di modelli di ottica fisica ([40], [41]).
1
O& O, Oscillatori e Oscillazioni – 1993-1995, a cui hanno partecipato le sedi di MI, NA, MO,
PA, PV, TO, UD; FISISS (Formazione degli insegnanti in Servizio nella Scuola Secondaria
Superiore), PRIN 1999 - Esperimento ESP B; IMOFI (Introduzione della MOdellizzazione Fisica
nell’Insegnamenti), prog. CNR-TIDIFI 2000-01, a cui hanno aderito le sedi di FE, MI, MO, NA,
PA, PV, TO, UD; FFC, Fisica per la Formazione Culturale, progetto MURST 2002-2003
Grazie allo sviluppo di apparati portatili, utilizzabili anche non direttamente in
linea con il computer, è possibile effettuare misure relative a fenomeni che
avvengono in luoghi inaccessibili o in generale in modo non controllato come
nel laboratorio [19]. Diventano possibili misure in ambienti naturali o in generale
fuori dal laboratorio (ad esempio in palestra). Si possono analizzare con grande
dettaglio fenomeni così come avvengono nella vita quotidiana ([7], [9],[16]).
Grazie alla possibilità di graficazione in tempo reale, offerta oramai da tutti i
sistemi in commercio, è possibile realizzare semplici, ma motivanti attività per la
riduzione immaginativa dei fenomeni, favorendo l’acquisizione di competenze
nella lettura di grafici per l’acquisizione di informazioni significative da essi, la
loro gestione e soprattutto la costruzione di interpretazioni ([16], [37])
scarsamente raggiunte con insegnamenti di tipo tradizionale, anche laddove
esistano suffienti competenze matematiche ([42]). Assumono, in questo senso
un ruolo importante, anche misure semplici, che coinvolgono processi non
artefatti e non controllati, in cui lo sperimentatore è parte integrante del
fenomeno analizzato e che riguardano aspetti concettuali importanti. Ne sono
esempi: la misura della temperatura della mano di una persona, in cui si rende
esplicito il significato di equilibrio termico, la natura di processo di interazione
della misura di temperatura e il ruolo, svolto in esso, del principio zero della
termodinamica [37]; la rilevazione della posizione di un soggetto che cammina
davanti ad un sensore di moto, tipo sonar ranger, per far riconoscere le
correlazioni tra fenomeno e rappresentazione delle grandezze che lo
descrivono (ad esempio: pendenza-velocità, punti critici-inizio/fine delle fasi di
moto, cambio di velocità) ([16]).
Misure di questo tipo permettono una prima confidenza con i sistemi, ma anche
di effettuare esplorazioni via via più dettagliate e quantitative su potenzialità,
limiti e modalità di risposta dei sensori con il dettaglio necessario. Si acquisisce
consapevolessa della risposta e del ruolo nel processo di misura che hanno gli
apparti on-line, anche quando li si propone come scatole nere. I sensori on-line
possono essere allora vissuti come estensione dei propri sensi nella
esplorazione delle proprietà dei sistemi e dei fenomeni. In questo modo sono
stati utilizzati anche con bambini della scuola di base, facendo emergere la loro
capacità di formalizzazione e di utilizzare in modo naturale i grafici ([25], [43]).
Carenze nel prevedere l’evoluzione nel tempo di grandezze derivate (ad
esempio velocità e accelerazione), spesso legate al mancato superamento di
nodi concettuali e riscontrate anche in soggetti in possesso di soddisfacenti
conoscenze di analisi matematica ([46], [49]), possono essere efficacemente
superate con misure on-line ([11], [12]).
La facilità con cui viene acquisito un alto numero di dati su scale di tempi anche
piuttosto differenziate (in genere da 500 hz a qualche frazione di hz, con
diverse possibilità di uscire da tale campo), facilita la flessibilità di utilizzo e la
raccolta di un numero di dati statisticamente significativo, laddove ciò si renda
necessario, scaricando l’utente da attività ripetitive e noiose. Si favorisce invece
la concentrazione sugli aspetti progettuali e di controllo della misura e sul
problema fisico specificamente affrontato ([5], [36]). Attività di calibrazione dei
sistemi, solitamente piuttosto ripetitive e ben poco efficaci con strumentazione
tradizionale, possono diventare interessanti, in quanto eseguibili in tempi
relativamente rapidi, con possibilità di problematizzare l’approfondimento dei
concetti e non solo delle procedure ([16], [36].
Diventano facilmente eseguibili esplorazioni di situazioni diverse (variazione di
parametri o di sistemi analizzati) per metterle a confronto e per trovare leggi
generali. Ad esempio si può misurare l’accelerazione di un carrello in discesa
su un piano inclinato al variare della sua massa o della sua inclinazione [16], o
effettuare contemporaneamente misure di transione di fase di sostanze diverse
o di quantità diverse di una stessa sostanza [45].
I dati acquisiti on-line possono essere facilmente utilizzati con software diversi
per: la loro elaborazione, il confronto con simulazioni basate su teorie, la
modellizzazione per la costruzione graduale di interpretazioni con livelli diversi
di formalizzazione a partire dalle ipotesi degli allievi [3]. Per il raggiungimento di
queste finalità vengono studiati sistemi multimediali che integrano la
misurazione con sensori on-line, con quella effettuata a partire da filmati e con
opzioni per la simulazione e modellizzazione dei fenomeni analizzati [50]. Una
ulteriore potenzialità dell’uso di sensori on-line, non ancora realizzata in modo
significativo, è costituita dallo sviluppo di sistemi di controllo remoto.
3.
Impostazione della didattica
Numerose proposte didattiche sono state sviluppate grazie all’ampia gamma di
possibilità offerta dai sensori on-line. Prevedono familiarità con gli strumenti di
misura, comprensione del loro ruolo e del processo di misura, elementi
considerati importanti anche nel caso di misure on-line per realizzare quel
coinvolgimento personale del discente con l’oggetto di studio, necessario per
l’apprendimento [3]. Si differenziano in almeno tre tipologie principali, cui
obiettivi si caratterizzano proprio per la modalità con cui si realizza tale
coinvolgimento e il grado di familiarizzazione con gli strumenti: a) studio
prevalentemente sul piano tecnico della catena di acquisizione sensoreinterfaccia-eleboratore; b) focalizzazione sull’estensione delle potenzialità del
laboratorio didattico, per innalzare il livello degli esperimenti; c) focalizzazione
su esperienze, che favoriscono l’apprendimento ([3], [5], [7]. [33]).
In particolar modo in quest’ultima tipologia, non viene prevista la conoscenza
del sw di gestione delle misure e dell’hw, interfacciamento. La maggiore o
minore familiarità col sistema è sempre funzionale alla costruzione di elementi
concettuali inseriti in percorsi formativi.
Tali percorsi, proprio grazie alla versatilità dei sistemi di misura on-line, possono
essere personalizzati seguendo e favorendo lo sviluppo di stili differenziati di
apprendimento. Sono allora attuabili strategie differenziate risonanti con i modi
propri di ragionare dei discenti ([15], [16]. [19]). Consentono inoltre l’attivazione
di modalità formative per gli insegnanti personalizzate in grado di dare risposta
a esigenze formative differenziate e stili personali di insegnamento ([28], [51]).
In precedenti ricerche è emerso che i docenti hanno rappresentazioni
concettuali rigide, basate su impostazioni disciplinari spesso acquisite in modo
acritico, in cui il ruolo dei principi fisici è quelli di assiomi matematici, senza un
nesso effettivo con il reale. Non c’è chiarezza, in generale, sul significato fisico
delle leggi e il loro legame con i dati sperimentali. Non c’è chiarezza sul modo in
cui i dati possono essere guardati in termini di relazioni empiriche o di modelli
interpretativi propri della fisica. La matematica viene usata senza riconoscerne il
significato fisico o viceversa senza sapere come analizzare un processo fisico
in termini formali. Esistono in altre parole tre ambiti che nei docenti sono di fatto
separati: il sapere matematico; il sapere scientifico; il sapere sensoriale e
dell’esperienza quotidiana. Questo comporta, che spesso si manifestino errori
che la valutazione accademica, proprio perchè indaga separatamente i diversi
saperi, non riesce a mettere in evidenza. Ci si è posti pertanto l’obiettivo di
individuare qual è il contributo dell’utilizzo dei sensori on line nella formazione
insegnanti in merito ai seguenti tre punti, che sintetizzano i problemi delineati:
- Rappresentazioni concettuali e flessibilità
- Significato fisico delle leggi e legame con i dati sperimentali.
- Uso della matematica
4.
Il contesto
Qui in particolare si fa riferimento a due moduli finalizzati alla formazione
insegnanti su proposte didattiche basate sull’uso di sensori collegati in linea con
il PC su Stati e Processi Termici (SPT), progettato dall’URDF dell’Università di
Udine [52], sulla cinematica del moto (RTEI), progettato dall’Unità di Ricerca
dell’Università di Napoli [53].
La strategia formativa adottata in entramdi i casi, consiste nel mettere in
situazione i formandi attraverso attività sperimentali e di riflessione disciplinare
e didattica. Si affrontano esperimenti incentrati su singoli nodi concettuali, che
costituiscono tipiche difficoltà di apprendimento per gli studenti, utilizzando
schede di lavoro di poche pagine (1-2), strutturate con domande che attivano il
ciclo PEC (previsione, esperimento, confronto): si fa prevedere il grafico di una
grandezza descrittiva (cinematica) per uno specifico fenomeno; si osserva il
grafico sperimentale nel mentre avviene il fenomeno; lo si confronta con quello
previsto ([16], [20]). Test sui proncipali obiettivi completano gli strumenti usati.
SPT prevede l'esplorazione prima sensoriale, poi con sensori di temperatura
collegati in linea con l'elaboratore, di semplici situazioni in cui si raggiunge
l'equilibrio termico, si produce il riscaldamento di sistemi, si realizzano
transizioni di fase. La sequenza delle attività proposta trova esplicitazione in 21
schede, raggruppate in 17 unità monoconcettuali [52].
Le attività esplorative sono state condotte con l’utilizzo del Termografo, un
sistema hardware e software con quattro canali di ingresso, che permette di
convertire l'elaboratore in uno strumento per la misura e registrazione della
temperatura in più punti di misura. Usa come sensori diodi in polarizzazione
inversa [36].
RTEI MOTO si focalizza sui moti rettilinei in una dimensione. Segue un
approccio dal “reale all’ideale”, partendo dalla conoscenza percettiva del moto
realizzato da una persona per ricercare regolarità, che consentano di
riconoscere regole generali. Si articola in quattro sezioni (denominate CAMM,
OSC, COMP, INV), ciascuna delle quali è strutturata in tre attività di lavoro
sperimentale, di riflessione disciplinare e didattica, e gestita da un’apposita
scheda [53]. Per le misure misure sono stati usati sensori tipo sonar ranger
commerciali, che consiste in un emettitore e ricevitore di impulsi ultrasonori alla
frequenza di circa 50 kHz.
I moduli formativi SPT e RTEI sono stati oggetto di sperimentazioni incrociate
nelle sedi SSIS di Napoli, Palermo, Udine, Modena, Bolzano. In tabella 3 e 4
sono riprotate quelle attuate dall’URDF nell’anno accademico 2002/03,
indicando in grassettro quelle di cui qui si riferisce.
Tabella 3 Sperimetazioni effettuate dall’URDF dell’Università di Udine di SPT
Sede
UD
UD
UD
UD
MO
Struttura didattica
SSIS
CDL – Sc. Form.
Prim.
Form. in servizio
“Fisicando”
Form. in servizio
“Tripagna”
SSIS
Corso
A059
Lab. Did. Fisica
2° anno
Lab. Did. Fisica
Ins. scuola elem. e
infanzia
Ins. scuola elem. e
infanzia
A049-A038
N°
8
110
40
6
8
Schede utilizzate
U.O.
Quadro
14
1-2-3-4-5-6-7.1-7.2-8
Quadro
13
1-2-3-4
Quadro,
1-2-3-4-5-6- 16
7.1-7.2-8-9-10
Quadro
18
1-2-3-4-5-6-7.1-7.2-8-9
Quadro 1-2-3-4-5
20
Periodo
marzo
03
maggio 03
dicembre 02
gen 03
dicembre 02
gennaio 03
Febbraio 03
Aprile 03
Maggio 03
Tabella 4 Sperimetazioni effettuate dall’URDF dell’Università di Udine di RTEI
Sede
Strut. did.
Corso
N°
Schede utilizzate
U.O. Periodo
UD
SSIS
A059 - Lab.Did.Fis.
9
CAMM-OSC-COMP
10
gen-febb
aprile 03
UD
SSIS
10
CAMM-OSC-COMP
11
dic 02-gen 03
UD
UD
2
110
38
CAMM, OSC e COMP
11
CAMM, INV 1-2, OCS 1- 12
2
CAMM, OSC e COMP
12
dic 02-gen 03
febb – apr 03
BZ
CDL Mat.
CDL
Sc.F.Prim.
SSIS
MO
SSIS
A038-A049
Lab.Mecc. e PED
4° anno - Lab.Did.Fis.
2° anno - Did.Fis e Lab
Did.Sci.
A059–A049
Lab.Did.Fis.
A038-A049 Lab.Did.Fis.
8
CAMM-OSC-COMP- INV 10
maggio 03
5.
03
gen – mar 03
Dati
L’analisi dei test evidenzia risposte corrette nel 95% dei casi, da cui emerge
una conoscenza di tipo teorico, formale adeguata. Si evidenziano solo difficoltà
nella previsione dell’evoluzione della temperatura in situazioni quotidiane. Nel
seguito si riportano i dati relativi alla rappresentazione di grafici per le attività
condotte.
5.1.
L’uso delle scale grafiche
Nell’istogramma di Figura 1, sono riportate le percentuali di quanti riportano:
entrambe le scale sugli assi (in grigio); almeno la sola scala delle ordinate (in
nero), nei diversi quesiti previsti nelle diverse schede, ordinate secondo la
sequenza temporale con cui sono state utilizzate.
A) Nella prima attività in cui agli specializzandi è stato richiesto di rappresentare
un grafico di previsione (grafico orario di una persona che si allontana davanti al
sensore di moto), solo il 6 % del campione riporta entrambe le scale sugli assi,
o quantomeno qualche riferimento numerico che comunque le identifichi.
B) La percentuale di chi indica le scale sugli assi dei grafici cresce
progressivamente fino ad attestarsi sui valori di 89-90% dal settimo al 14 grafico
rappresentato. Si riduce notevolmente, negli ultimi grafici relativi alle attività di
cinematica, nel primo grafico sui fenomeni termici e in quelli relativi alle
previsioni di fenomeni non del tutto conosciuti (esperienza di Look, oggetto
posto in ambienti diversi), in cui è stata riportata la sola scala delle temperature.
C) Vi è una sistematica tendenza a indicare la scala delle ordinate (posizione,
velocità, temperatura), tralasciando più spesso di precisare o definire la scala
temporale.
Figura 1. Percentuali con cui sono state indicate entrambe le scale sugli assi (in grigio) o almeno la
sola scala delle ordinate (in nero), per ciascuna delle schede utilizzate.
5.2. Rappresentazione
cinematiche
dell’evoluzione
temporale
delle
grandezze
In relazione alle modalità con cui vengono
rappresentate i grafici dell’evoluzione
prevista e osservata delle grandezze
cinematiche si sono riscontrate quattro
tipologie di grafici, indicate con un nome
evocativo:
GM) curve di tipo matematico (fig.2): sono Figura 2. Esempio di grafico GM - La
costituite da spezzate in cui le parti relative linea continua rappresenta la previsione
ad evoluzioni temporali della grandezza dell’evoluzione della temperatura nel
rappresentata sono segmenti rettilinei. riscaldamento di una massa d’acqua.
Sono più spesso manifestate in circa nel 50%
dei casi delle prime previsioni effettuate,
prevalnetmente in laureati in matematica,
ingegneria.
GC)
curve
che
accentuano la continuità
(fig. 3): si tratta di linee a
tangente definita in ogni
Figura 3. Esempio di grafico GC – Il
punto,
in
cui
si
grafico rappresenta la temperatura
T rilevata da un sensore spostatato
accentuano gli elementi
successivamente in due termostati.
di
continuità,
senza Figura 4. Esempio di
Si enfatizzata la continuità nelle fasi
differenziare le fasi che grafico GP, in cui
in cui comincia a crescere T.
vengono enfatizzati i
caratterizzano
rispetto a
cambiamenti nelle condizioni esterne, da quelli di transitori
quelli di equilibrio.
evoluzione all’equilibrio. Sono tipiche dei laureati in
ambito biologico e naturalistico e sono state rilevate, a seconda dei casi, con
una frequenza del 10% - 30%.
GP) Curve che privilegiano i processi (fig. 4): sono curve sostanzialmente
compatibili con quelle che si osservano sperimentalmente, in cui però si
rappresentano o enfatizzano solo alcune parti dei grafici previsto o osservato, in
genere privilengando i processi rispetto agli stati. Sono in genere i grafici
maggioritari (fino all’80%) nelle previsione di fenomeni semplici.
GS) Curve di tipo sperimentale – si tratta di curve, in buon accordo con quelle
che si osservano sperimentalmente in relazione a: andamento globale, punti
critici, valori significativi delle grandezze rappresentate.
Alle
precedenti
tipologie,
che
caratterizzano
i
primi
grafici
rappresentati, se ne
devono aggiungere
le due seguenti (fig.
5):
GR)
curve
con Figura 5. Grafici di tipo: GR (a sinistra), in cui viene accentuata la
presenza del rumore, e GF (a destra), in cui prevale una riproduzione
accentuazione del fedele del grafcio osservato.
rumore
–
sono
curve che rappresentano andamenti, classificabili in altre tipologie, in cui si
accentuata il rumore;
GF) curve fedeli – sono riproduzioni fedeli e non formalizzate, in genere di
grafici osservati, in cui si ha grande cura nella rappresentazione dei particolari.
Queste tipologie non devono considerarsi mutuamente esclusive. É frequente
trovare curve contemporaneamente di tipo GM per un aspeto, e GC per un
altro. É stata fatta comunque una ripartizione dei grafici includendo ciascuno in
un’unica categoria, quella che ne rappresenta il maggior numero di aspetti
peculiari.
In figura 6 viene rappresentato l’istogramma delle percentuali con cui si sono
Figura 6. Percentuali con cui, si sono manifestate le tipologia di grafici: consistenti con quelli
sperimentali (GS) o con solo parti di essi (GP), della tipologia denominata matematico (GM)
evidenziati grafici delle tipologie GP, GS e GM. Emerge una sorta di
complementarietà tra i grafici del primo tipo e quelli deli altri due tipi.
I grafici GS, che riproducono l’intero grafico sperimentale, prevalgono infatti
nelle attività centrali sul moto e in quelle finali sui fenomeni termici.
I grafici di tipo matematico si riscontrano in modo significativo, solo per le
attività di previsione sull’evoluzione temporale della velocità di un sistema, in
quelle dove si rappresentano nello stesso grafico processi termici che
avvengono in successione, nei casi in cui vengono rappresentati singoli punti
sperimentali (in genere raccordati con linee spezzate).
Prevale l’attenzione soltanto su alcune parti dei fenomeni osservati: nelle prime
e nelle ultime attività sul moto, si tendono ad evidenziare le fasi in cui cambia la
posizione del sistema osservato, a scapito delle situazioni statiche; nelle prime
previsioni sui fenomeni termici, è stata dimostrata maggiore attenzione agli stati
iniziale e finale, piuttosto che sui processi coivolti.
6.
Risultati
Sui contenuti si evidenzia una conoscenza adeguata per quello che riguarda gli
aspetti cinematici del moto, con le sole carenze nella rappresentazione grafica
dell’evoluzione temporale della temperatura di fenomeni quotidiani.
Quest’ultimo aspetto si correla a carenze di tipo metodologico in particolare
correlate alla gestione di grafici e alla formalizzazione in generale, come meglio
emerge quando si considerano gli elementi presentati nei paragrafi 5.1 e 5.2.
Quando gli specializzandi sono posti di fronte ad un compito nuovo o all’analisi
di un fenomeno complesso (perchè ad esempio esito di due processi diversi),
prevale la tendenza a non riportare le scale sui grafici e a rappresentare quindi
solo figurativamente e qualitativamente l’evoluzione della grandezza
considerata, piuttosto che fornirne una sua rappresentazione formale
quantitativa. A seconda della familiarità con il contesto esplorato prevale
l’attenzione a rappresentare la sola fase transiente (ad esempio nel moto),
trascurando la fasi statiche, o al contrario, soprattutto nel caso dei fenomeni
termici si rappresentano correttamente le fasi di equilibrio, con andamenti non
realistici delle fasi in cui la temperatura evolve.
Si riscontra inoltre il ricorso a principi generali mutuati dai rispettivi ambiti di
formazione universitaria, senza la necessaria critica in merito alla loro
applicabilità o modalità di applicazione al caso specifico, piuttosto che ad una
analisi delle condizioni, che si realizzano negli specifici processi analizzati. Per
esempio i laureati dell’area delle scienze biologiche tendono spontaneamente a
costruire grafici in cui vengono enfatizzati gli aspetti di continuità, senza però
distinguere tra situazioni in cui si hanno condizioni esterne profondamente
diverse. Nei laureati in matematica o ingegneria si riscontra invece lo spontaneo
ricorso a prevedere andamenti con linee spezzate o in generale all’uso di enti
matematici ideali. Rumore, insieme a rappresentazioni fedeli dei grafici
sperimentali, è presente laddove l’esito sperimentale si discosta
drammaticamente da quello previsto, come soprattutto è accaduto in relazione
ai grafici v=v(t) delle sezione sulla composiizone dei moti.
Il ciclo PEC migliora questi aspetti, anche se non fa superare in tutti la crisi
cognitiva che si manifesta nell’incapacità di selezionare gli aspetti da
rappresentare. Così il grafico osservato in tempo reale sullo schermo, viene
rappresentato da una larga maggioranza (85%) con andamento coerente con
quello registrato sperimentalmente, in cui prevale l’attenzione sugli aspetti
previsti, nei casi più semplici, in cui gli aspetti confermati sperimentalmente
superano quelli difformi, o l’accentuazione delle differenze laddove vi sia
notevole differenza tra previsione ed esperimento. I due atteggiamenti sono
spesso comparsi negli stessi soggetti evidenziando che nel primo caso la
semplicità dell’attività e il risultato ottenuto, qualitativamente in accordo con le
pevisioni, non ha fatto emergere gli elementi di crisi, che poi sono invece
esplosi nel momento in cui sono state analizzate situazioni più complesse e
sono state fatte richieste più complesse come quelle di disegnare grafici di
grandezze correlate (grafico v=v(t) a partire da un diagramma orario).
7.
Conclusioni
I risultati indicano che anche laddove vi sia una formazione adeguata di tipo
disciplinare e formale, emergono esigenze formative in merito al passaggio
dalla dimensione qualitativa a quella quantitatvia per la costruzione di modelli a
partire da esperimenti reali, Le principali riguardano l’analisi dati e l’utilizzo di
grafici sperimentali, per il riconoscimento di comportanemnti e proprietà, la loro
gestione per costruire modelli.
Il coinvolgimento, in un personale processo di apprendimento, attiva il
riconoscimento dell’efficacia degli strumenti utilizzati, in particolare del
contributo delle nuove tecnologie e del laboratorio RTL. La capacità di
analizzare un grafico, per ricavare informazioni puntuali, andamenti globali,
riconoscere la sistematica presenza di elementi di secondo ordine è
gradualmente guadagnata con l’esperienza.
Gli insegnanti novizi, presentano difficoltà di apprendimento spesso simili a
quelle dei loro studenti, a volte specificamente derivanti dal tipo di formazione,
unicamente astratta e prevalentemente di taglio qualitativo, a seconda
dell’ambito disciplinare. Soprattutto di fronte a situazioni vissute come
problematiche, concetti e principi vengo utilizzati senza una riflessione sul
significato fisico delle grandezze. La costruzione di interpretazioni risulta allora
attività astratta, che nulla o poco ha a che fare con quella sperimentale. L’uso
delle misure con sensori aiuta a legare le conoscenze matematiche a quelle
fisiche facendo riconoscere in che senso gli aspetti formali traducono quelli
fisici.
La scarsa dimestichezza a leggere e discutere grafici sperimentali porta a
focalizzare
l’attenzione
sull’andamento
qualitativo
della
grandezza
rappresentata, in una dimensione pittorica, in cui la scala grafica assi non risulta
importante, si privilegia la rappresentazione di andamenti, o aspetti specifici o al
contrario la rappresentazione fedele dei grafici osservati, senza saper
selezionare gli aspetti importanti da riprodurre. Prevale inoltre l’attenzione ad
aspetti secondari, spesso correlandoli alla matematica, più che hai fatti fisici.
Le misure con sensori on-line giocano un ruolo importante nell’acquisire
competenza ad analizzare grafici reali, riconoscendo le fluttuazioni dovute al
rumore e quelle dovute a cause accidentali o sistematiche, capendo qual è il
processo con cui si costruiscono relazioni fra le variabili rappresentate, per
descrivere con una legge empirica il fenomeno osservato o per interpretarlo
sulla base di fit basati su modelli teorici.
L’utilizzo di strategie di tipo PEC in attività di laboratorio didattico con sensori
on-line favorisce il superamento di alcuni degli atteggiamenti indicati. Apre
tuttavia il problema dell’eccessiva attenzione ad aspetti particolari, che possono
far perdere di vista la strategia didattica e i nodo principali e da affrontare,
soprattutto nelle situazioni nuove o impreviste. Il riconoscimento della strategia
richiede uno step successivo di maturazione, che prevede riflessione personale
e il coinvolgimento in attività di progettazione didattica.
8.
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