Natura della luce - Sezione di Fisica

Adotta Scienza ed Arte nella Scuola
Primaria: la luce e lo sviluppo professionale
dell'insegnante nel progetto.
Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Emanuela Vidic
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Università
degli Studi di Udine
Esera Conference - Helsinki: 03/09/2015
1
SVILUPPO PROFESSIONALE DEGLI INSEGNANTI DI
SCUOLA PRIMARIA IN AMBITO SCIENTIFICO
Un problema complesso in cui sono rilevanti almeno 3 aspetti:
- La mancanza di competenze su CK
(Davis, Smithy 2009, Metz 2009, Mikeska et al. 2009, Nilsson 2015; Garbett 2003,2007)
- Lo stile didattico dei docenti in servizio che privilegia il fare attività
respetto alla coerenza e allo sviluppo didattico
(Tu 2006; Fleer 2015)
- Necessità degli insegnanti di imparare a «capitalizzare i «momenti
insegnabili», le opportunità e situazioni (Lind 2000, Tu 2006) che
permettono di attivare apprendimento scientifico su contesti
fenomenologici (Klein 2007; Wayne et al. 2008; Davis, Smithey 2008; Koch 2015)
2
Dalle nostre ricerche (Michelini 2012) emerge la seguente
struttura per lo sviluppo professsionale (PD):
- Integrazione dei tre modelli per la formazione insegnanti:
 Multiprospettiva Metaculturale (costruzione culturale, visione
organica sui piani disciplinare e didattico sui contenuti principali)
 Experienziale (coinvolgimento
nell’esplorazione di percorsi
didattici basati sulla ricerca sviluppati attraverso esperimenti, giochi ed
utilizzando tutorial validati da ricerche empiricheric azione)
 Situata (PCK in action)
- Personale coinvolgimento sui nodi concettuali  PCK test
- Reflessione su differenti prospettive (personale, in gruppo)
- Progettazione percorsi didattici e sperimentazione
- Documentazione e discussione/analisi apprendimenti
3
In questa prospettiva, nel contesto del progetto
«Adotta scienza e arte nella primaria»
(http://www.esplica.it/adotta/adotta-scuola-primaria):
 Ricerca basata su Modulo di Intervento Formativo (FIM)
sull’ottica per lo sviluppo professionale degli insegannti in
servizio
 Proposta a 5 gruppi di insegnanti (79):
•
•
•
•
•
18 in Aquileia (UD)
20 in Codroipo (UD)
7 in Faedis (UD)
12 in Crema (CR)
22 in Trescore Cremasco (CR)
Ciascun gruppoinclude
insegnanti di: scuola infanzia
(K); primaria (P); secondaria di
primo grado (M)
4
Si sono integrati un modello meta-culturale, uno
esperienziale e questionari PCK nella proposta
formativa per gli insegnanti dell’infanzia e del I
ciclo, che hanno aderito alla sfida di innovazione
sul tema della luce per attività didattiche che
portassero i bambini a produrre un’opera artistica
illustrata anche sul piano scientifico.
Le scelte progettuali degli insegnanti sono state
analizzate alla luce delle proposte formative per
individuarne ruolo ed efficacia.
5
Il Modulo di Intervento Formativo (FIM)
I. Seminario con multiprospettiva metaculturale (3 h)
II. Fase sperimentale: gli insegnanti esplorano i
fenomeni attraverso simplici esperimenti (3+2 h)
III. PCK test centrato sui nodi concettuali (1 h)
IV. Fase di Riflessione (individuale e collettiva) (3 h)
V. Griglia di indicazioni per il progetto didattico
VI. Discussione
per/sulla
progettazione
(ricercatori/insegnanti
discutonoipercorsi
didattici
progettati
autonomamente dagli insegannti) (3
h)
VII.Implementazione in classe  interazione con
ricercatori
VIII. Documentazione
6
IV fase di RIFLESSIONE
 «Che cosa ho imparato»:
 Prospettiva storica
 Prospettiva dei Contenuti
 Prospettiva Didattica
 Nodi del test PCK:
 Analisi dei contenuti
 Insegnabilità di quesiti/situazioni
 Attività di Microteaching inframezzate con
incontri formativi di discussione degli esiti
7
Linee guida per la progettazione
delle attività didattiche con i ragazzi:
A) Studenti: A1) Ricerca libera di rappresentazioni (foto, immagini…) in
cui compaiono phenomeni della luce; A2) scrivere 3 frasi sulla luce
B) Studenti: raggruppamento spontaneo delle rappresentazioni raccolte
C) Nuova classificazione (secondo criteri basati sui fenomeni fisici e discussione
sul confronto dei criteri adottati)
D) Experimenti (sui fenomeni effettuati in classe con simplici apparati)
E) I ragazzi spiegano le rappresentazioni raccolte in A) (secondo i criteri
della fisica)
F) Visista Virtuale di una galleria on-line riconoscendo I fenomeni
luminosi in dipinti selezionati
G) Ogni ragazzo produce un disegno di un fenomeno con una frase che
sintetizza il fenomeni rappresentato
8
Domande di ricerca:
RQ1: Che ruole ha ogni parte/fase del FIM nello
sviluppoprofessionale?
RQ2: Ruolo del questionario PCK-Q sui nodi
concettuali sulla formazione disciplinare e
didattica degli insegnanti
RQ3: Gli insegnanti come mettono a punto e
implementano i progetti didattici del FIM
9
Metodi di Ricerca
Dati del processo formativo attivato nel FIM raccolti con:
A) note scritte da ciascun insegnante sulla percezione
personale di che cosa ho imparato durante il FIM e quali
problemi sono rimasti aperti;
B) PCK-test, compilato dagli insegnanti sia durante il FIM sia
come lavoro a casa
C) Analisi critica del test (lavoro a casa)
D) Percorsi di microteaching progettati e implementati dagli
insegnanti coi propri studenti.
Differenti dimensioni dell’analisi
- Contenti secondo una specifica rubrica
- Esperimenti effettuati durante la fase sperimentale
- Prospettive (risonanti con quelle proposte nel FIM)
incluse negli artefatti didattici (portfolio dell’insegnante)
10
Analisi dei progetti didattici: Rubrica dei Concetti
A. Propagazione Rettilinea e
conseguenze
A1 – Propagazione Rettilinea
A2 – Formazione delle ombre
C. Fenomeni/processi interazione
Luce-materia
C1 – Fenomeni di Interazione Lucemateria
C2 - Assorbimento
B. fenomeni/processi di propagazione C3 – Dispersione
B1 - Riflessione
C4 - Colori (formazione dei colori)
B2 - Diffusione
B3 - Rifrazione
D. Oggetti/apparati ottici
B4 - Intersezione/sovrapposizione di D1 – Sorgenti di Luce
raggi senza interazione
D2 – Corpi trasparenti, opachi,
B5 – Trasmissione
traslucidi
B6 – Diffrazione
D3 - lenti, specchi
11
Analisi dei progetti didattici: Rubrica dei Concetti
E. Formazione Immagini
E1 – Meccanismo Visione
E2 - Formazione e simmetria delle
immagini riflesse da uno
specchio piano
E3 – Formazione immagine da lente
G. Natura della luce
G1 – Modelli sulla luce
G2 - Onde
G3 - Raggi
H. Costrutti Formali, leggi, principi
H1 –Cammino Ottico
F. Proprietà della luce
H2- Principio di Fermat
F1 – Luce come entità separata dalla H3 – Legge della Riflessione (angolo inc.
sorgente/concetto di luce
=angolo rifl)
F2 - Intensità (riduzione quando
H4 – Legge Rifrazione (Cartesio-Snell)
viene trasmessa attraverso un H5 – Legge delle lenti sottili (punti
mezzo)
coniugati)
12
Domande di Ricerca specifiche
RQ1a: Delle multiprospettive dalla formazione, quali
prospettive e aspetti sono risonanti nei progetti degli
insegnanti?
RQ1b: Quali aspetti vengono «arruolati» nella pratica?
Come?
RQ2a: Quale ruolo formativo hanno i nodi concettuali?
RQ2b: Quale ricaduta ha un PCK questionario?
RQ3: Negli interventi in classe basati sulla stessa
formazione e sulle stesse linee guida strategiche: Quale è
lo spettro delle caratteristiche ?
13
FIM – Fase Metaculturale
- Problematizzazione (Stimoli Problematici) focalizzata
sulla fenomenologia inquadrata in un percorso storico:
- Integrazione di diverse prospettive:
 Aspetti didattici, principlmente riguardanti i
fenomeni di propagazione della luce discusse in
termini di attività per i bambini
 Aspetti Culturali
 Teorie, modelli, spiegazioni e interpretazioni
 Aspetti quotidiani, artistici e sperimentali
14
Prospettive offerte nel seminario metaculturale
1. Natura della luce: rappresentazione artistica, atomisti (eidola),
raggi visivi, aristotelica di fluido, geometrica e modello di raggio,
cartesiana e dei vortici, particellare
2. Tipologia di fenomeni nell’esperienza comune e nell’arte
3. Un carattere (propagazione rettilinea) come modello per
le spiegazioni di più fenomeni (ente indefinito con propagazione
rettilinea e ombre, riflessione, rifrazione)
4. La visione e i relativi meccanismi, le immagini formate nei
diversi fenomeni, il ruolo del tipo di radiazione nella
visione e le conseguenze cromatiche con esempi nell’arte
15
Prospettive offerte nel seminario metaculturale
5. Fenomeni di Propagazione nell’interazione lucemateria
6. Processi energetici dell’interazione luce-materia ed
i vari tipi di assorbimento (elettronico, strutturale e nanostrutturale)
7. Spiegazioni geometriche di alcuni fenomeni di
propagazione (il minimo percorso di Erone per la riflessione, la
camera oscura ed Alhazen, la rifrazione di Cartesio e Fermat)
8. Applicazioni ottiche: specchi, lenti, fibre ottiche
9. Sorgenti di luce (incandescenti, a scarica di gas, chemio
e bioluminescenti, fluorescenti, fosforescenti, diodi, laser)
e caratteristiche della luce prodotta, raccordo con
la dispersione
10.Esperimenti, curiosità e giochi
16
Aspetti Geometrici e formali
Natura della luce
Fenomeni
Applicationi
1. Separation light-darkness (Sistine Chapel)
3. The vision as tactile sensation
12
Euclid and the geometry of
the vision
11
Hero and reflection law
(minimum)
Esperimenti Didattici
2. Phenomena known by the Greeks
5 and 22: Images reflected in the lake
(Narcissus myth)
4. Reflection
6. Pythagoreans and
perspective
7. Rectilinear propagation of light beam
Different imagess
8.Features of bodies in interaction with light
(opaque, transparent, reflective, translucent ....)
9. Educational explorations
with candle and sheets
+ smokebox
10. Reconstruction optical paths in the smoke box
13. Refraction
14. Fermat, Descartes and the laws of refraction
15. The light-matter interaction phenomena: reflection,
refraction, diffusion, absorption
16. Refracted images
17. Optical paths
18. Didactic
experiments
19. Nature of radiation
20. The mechanism of vision
21. The different types of absorption
(electronic, structural, nanostructural)
23. Analysis of the physical
characteristics of the reflection
24. Symmetries in reflection
25. Applet image reconstruction reflected
29. Light sources
22. Reflections and refractions
in nature and in experiments
26. Applications of reflection
28. Refraction and lenses
27. Experiments and analysis
17 of
the characteristics of refraction
Il questionari CK-PCK sull’ottica
20 quesiti (Q1-Q20)
Ognuno: uno o due nodi concettuali (dalla letteratura)
• Q8: meccanismo della visione (Guense 1985, Galili 1991)
• Q1, Q4, Q9, Q12: propagazione rettilinea e ombre; sorgente
puntiforme, due sorgenti puntiformi, sorgente estesa; la luce diffusa
in una giornata nuvolosa (Wosilait et al. 1998)
• Q3, Q5, Q7, Q13: andamento rettilineo e luce riflessa
• Q3, Q13, Q17: come si forma l’imagine riflessa da uno
specchio piano (Bouwens 1987, Chauvet et al. 1999, Ronen,
Eylon);
• Q11: Stanza con pareti perfettamente riflettenti illuminata
con una lampadina (Ronen, Eylon 1993; Viennot 1996)
18
Il questionari CK-PCK sull’ottica
• Q6, Q7, Q18: percorso della luce che passa da un mezzo di
propagazione a un altro
• Q2, Q6, Q14, Q16, Q19, Q20: immagini formate per
rifrazione
 Contesti della vita quotidiana (un tiratore spara a un pesce che si
trova in una piscine)
 Rappresentazioni schematiche (l’imagine di una matita parzialmente
immerse in acqua)
 Rappresnetazione simbolica (un pesce in a lago e un pescatore con
laser e fiocina)
 Foto di situazioni reali (una moneta posta nel fondo di una tazza riempita
di acqua, una matica immerse nell’acqua contenuta in un bicchiere) (Linder 2014)
• Q15: Formazione dell’immagine da lente sottile coperta
parzialmente con uno schermo (Goldberg, McDermot 1987). 19
Q11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre
- N zone illuminate
- Forma delle zone illuminate
in relazione alla forma del
foro
- Forma delle zone illuminate
luminose e tipo di sorgente
Da McDermott et al.
20
Q11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre
29/54 NA
8/25
Ragionamento : proiezione della
sorgente attraverso il foro utilizzando
ila propagazione rettilinea
21
Q11. Sorgente puntiforme e sorgente estesa e formazone delle ombre
Triangolo, due triagoli
1 triangolo (5/25)
Il modello ad alone
(12/25)
22
Riepilogo CK-PCK – Intero campione di insegnanti in servizio
Uso del modello a propag rettilinea per rendere conto ombre: 8/54
Parziale (soloin situazioni standard):
50/54
Uso del modello a propagazione rettilinea per rendere conto
Dell’immagine riflessa:
29/54
Analisi del fenomeno della Rifrazione:
36/54
Immagine formata da una lente
Immagine formata da una lente parzialmente coperta
28/54
20/54
Immagini di oggetti in acqua
16/54
Identificazione ragionamento/probl. apprendimento ragazzi
Interventi didattici sui nodi concettuali dei ragazzi
26/54
15/54
23
Dati: Che cosa hoimparato (N=15) (percezione esplicita dell’insegnante)
Contributi alla propria formazione GENERALE su: A) contenuti (12/15)
B) metodologie di didattica attiva (3/15)
C) didattica dell’ottica ( 5/15)
Contributi su:
prospettiva generale/culturale/storica: 2/15 (generico)
prospettiva didattica:
6/15 (apprendimento attivo)
Prospettiva degli esperimenti:
4/15 (did basata su exp)
Prospettiva disciplinare:
9/15 (esplicito, focalizzato)
Prospettiva della connessione interdisciplinare Phys-Mat/Bio: 5/15 (esempi)
Focus su nodi specifici (12/15):
Meccanismo della visione:
Propagazione rettilinea:
Interazione luce-materia:
Moto delsole e ombre:
Colori:
5/15
7/15
5/15
4/15
5/15
Diffusione:
4/15
Riflessione:
9/15
Rifrazione:
10/15
Interazione luce-materia: 5/15
24
Quesiti del questionario PCK più usabili in classe
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
9
6
7
4
7
1
3
18
Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20
2
2
2
4
7
5
4
11
10
Q1
9
Q13
7
Q3
7
Q16
11
Q5
7
Q17
10
Q8
18
Q18
7
7
5
2 elementi:
Q20
8
Il contesto proposto nel quesito è chiaro
Il contestoproprosto nelquesito è realizzabile con oggetti quotidiani
25
8
Aspetti Problematici
Q1
Q2
2
Q3
2
Q4
3
Q5
1
Q6
5
Q7
2
Q8 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20
5
5
5
1
4
1
4
3
Q6
5
Q10
5
Q11
una stanza con le pareti, il
pavimento, il soffitto ricoperti
totalmente di specchi
perfettamente riflettenti
Q19
Q3
Q12
5
5
Q14
5
4
Q15
4
2
26
Analisi dei progetti didattici messi a punto dagli insegnanti
25 insegnanti in servizio:
 4 insegnanti dis scuola infanzia
 18 insegnanti scuola primaria (1 con laurea in
Scienze Formazione Primaria)
 3 insegnanti scuola media (laurea in Sci Naturali)
27
5/14 – Farsi dei bambini sulla luce
(documentando le frasi in 2 casi)
Attività introduttiva non la base per
le attività successive
14/14 – Raccolta immagini
14/14 – Classificazione Spontanea immagini
12/14 – Gli studenti esplicitano i criteri usati
6/14 – Individuazione di criteri condivisi
9/14 – Formulazione di criteri scientifici
Attività preliminari senza
connessione la parte
sperimentale
Classificazione in base a criteri scientifici:
5/14 da parte dei bambini
4/14 da parte dell’insegnante
14/14 – Esplorazione degli esperimenti
28
Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25)
29
Aspetti inclusi piùdi frequente nei progetti
A1. Propagazione rettiline
B1. fenomeno della riflessione
Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25)
B3. fenomeno della rifrazione
E1. Meccanismo della visione
D2. Oggetti trasparenti, opachi, traslucidi
C1: Fenomeni di interazione luce.materia
30
Tipici punti di partenza
Contenuti inclusi nei progetti degli insegnanti (N=25)E1. Meccanismo della
visione
D1.lSorgenti di luce
A1. Propagazione rettilinea
A2 Formazione ombre
31
Contenuti fisici
Esperimenti
didattici proposti
32
Contenuti fisici
Esperimenti
didattici proposti
La camera a fumo
Il fascio di luce passa attarverso
cartoncini con fori allineati
Fascio di luce riflesso da uno specchio
La moneta sul fondo di
una tazza piena d’acqua
33
Contenuti fisici
Esperimenti
didattici proposti
Ridondanza di esperimenti
Proposti sullo stesso tema
34
Principali prospettive della parte Metaculturale del FIM
Frequenza nei
progetti insegnanti
N=25
1. Natura della luce: rappresentazione artistica, atomisti (eidola), raggi visivi, fluido
aristotelico, modello geometrico e a raggio, vortici cartesiani, particellare
0o1
2.
Tipologia di fenomeni nell’esperienza comune e nell’arte
20 and 7
3. Un carattere (propagazione rettilinea) come modello per le spiegazioni di più
fenomeni (ente indefinito con propagazione rettilinea e le ombre, la riflessione e la
rifrazione)
25 (2)
4. Visione e relativi meccanismi, le immagini formate nei diversi fenomeni, il ruolo
del tipo di raiazione nella visione e conseguenze cromatiche (esempi nell’arte)
17
5. Fenomeni di propagazione nell’interazione luce materia
23
6. Processi energetici dell’interazione luce-materia ed i vari tipi di assorbimento
(elettronico, strutturale e nanostrutturale)
1 (0)
7. Spiegazioni geometriche di alcuni fenomeni di propagazione: il minimo percorso
di Erone per la riflessione, la camera oscura ed Alhazen, la rifrazione di Cartesio e
Fermat
0-6-1
8. Applicazioni ottiche: specchi, lenti, fibre ottiche
2-6-1
9. Sorgenti di luce (incandescenti, a scarica di gas, chemio e bioluminescenti,
fluorescenti, fosforescenti, diodi, laser) e caratteristiche della luce prodotta,
raccordo con la dispersione
12 (0)
10. Esperimenti, curiosità e giochi
25-20
35
Conclusioni.
Il punto di vista (esplicito) degli insegnanti:
 La parte esperienziale del FIM
(esperimenti+ PCK test) la più importante per:
- CK
- Cambiamento concettuale nella propria visione
di come insegnare scienze
 La parte metaculturale: importante per la
formazione culturale ma non per specifici
obiettivi di apprendimento
36
Conclusioni.
RQ1a: Delle multiprospettive della formazione, quali prospettive e
aspetti sono risonanti nei progetti degli insegnanti?
2. Tipologia fenomeni nell’esperienza commune
Nell’arte solo in
pochi casi
3. Propagazione rettilinea (come modello reconosciuto
Nelle ombre, nella riflessione,nella rifrazione)
4. Il meccanismo della vision
5. Fenomeni di propagazione nell’interazione
luce-materia
Non come
modello per
spiegare…
Come sorgenti
primarie
9. Sorgenti di Luce
10. Esperimenti, curiosità e giochi
1. Natura della luce
6. Processi energetici
7. Spiegazione geometrica di
alcuni fenomeni
8. Applicazioni
37
Conclusioni.
RQ1b: Quali aspetti vengono «arruolati» nella pratica? Come?
•
•
•
•
•
Propagazione Rettilinea
Fenomeni di riflessione (in qualche caso simmetria immagine)
Fenomeni di refrazione
Meccanismo della visione
Oggetti trasparenti, opachi, traslucidi & fenomeni di interazione
Light-materia
RQ2a: Quale ruolo formativo hanno i nodi concettuali? RQ2b:
Quale ricaduta ha un PCK questionario?
- Formazione sui CK-PCK (analisi approfondita dei nodi concettuali)
- Selezione dei contenuti (ciò che è conosciuto  è insegnabile)
 Gli aspetti problematici superati  aspetti da implementare in un
percorso didattico come problem solving
38
RQ3: Negli interventi in classe basati sulla stessa formazione e sulle
stesse linee guida strategiche: Quale è lo spettro delle caratteristiche ?
L’approccio per quasi tutti: esplorazione dei fenomeni per:
- Riconoscerli nel loro manifestarsi (in situazioni differenti)
- e/o esplorare alcuni aspetti caratteristici (es simmetria dell’imagine
riflessa)
- o correlate ai nodi concettuali (es: la moneta nella tazza)
• Soplo 6/25 include anche come unico aspetto l’esplorazione della
legge della riflessione (l’angolo di incidenza è uguale all’angolo riflesso)
39
 Solo in 2 progetti:
Le strutture concettuali costruite, sono utilizzate per riconstruire la fenomenologia
(es.: reconstruzione della simmetria dell’immagine riflessa, partendo legge della
riflessione; ricostruzione della formadell’ombra utilizzando il concetto di raggio)
Il processo di attribuzione di significato per costruire le
categorie concettuali in termini empirici influenza le
scelte operative e prelude alla identificazione dei
fenomeni in termini scientifici.
Grazie per la
vostra attenzione
40