PrimaLezione

MODELLI E SPERIMENTAZIONI
IN FISICA
IL LABORATORIO DI FISICA
Due idee sul laboratorio:
1)Il laboratorio diventa il luogo privilegiato della verifica delle leggi e
dell’addestramento al metodo sperimentale (talvolta ridotto a schemi
rigidi e a procedure standard);
2) Il laboratorio diventa il terreno privilegiato per costruire abilità
sperimentali e capacità di ragionamento che permettono di sviluppare
un pensiero critico, di distinguere tra evidenze e interpretazioni e
condividere il significato di concetti, modelli e teorie. Il laboratorio, se
ben progettato, integra momenti di analisi qualitativa, analisi
quantitativa e la costruzione/condivisione di modelli.
25/02/2013
S.Moretto
I LIMITI DEL LABORATORIO
“TRADIZIONALE”
Emerge che, in generale, anche se tecnologicamente avanzato (multimediale,
con sensori in linea, ecc.), il laboratorio tradizionale (di addestramento e di
misura) presenta i seguenti limiti:
- gli studenti trovano difficoltà nel legare le operazioni che riguardano gli
apparati di misura e la configurazione dell'esperimento con i modelli
concettuali che danno significato a tali operazioni. Quindi lavorano spesso
con procedure che si presentano come un insieme di azioni anche
complesse ma tra loro sconnesse;
- la presa e l’analisi dei dati e le elaborazioni richieste sono di frequente
guidate da automatismi (nell'applicare formule o nell'utilizzare software…)
senza che si comprendano i concetti di base sul senso dell'elaborazione. E
non si tratta solo dei concetti più avanzati.
25/02/2013
S.Moretto
UNA NUOVA IDEA DI LABORATORIO
D’altro canto da diverse ricerche e sperimentazioni emerge che tali
difficoltà tendono a diminuire in quelle situazioni in cui l'attività di
laboratorio:
- integra nell'analisi quantitativa diversi momenti basati su un
approccio fenomenologico nella ricerca delle regole, l’analisi
qualitativa, la descrizione a parole, la modellizzazione e la
costruzione della teoria;
- tende a privilegiare il protagonismo degli studenti nello svolgimento
di compiti che richiedono, in attività parzialmente assistite, la
progettazione dell'esperimento, il controllo della sua configurazione.
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Un esempio: Il pendolo
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S.Moretto
LABORATORIO DI FISICA
Perché: Obiettivi
Laboratorio
di fisica
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OBIETTIVI
Il ruolo del laboratorio di fisica ha i seguenti obiettivi:
di esercizio all’uso degli strumenti
“didattici” e di formazione
Vediamoli in dettaglio..
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OBIETTIVI DI ESERCIZIO
all’uso degli strumenti e degli apparati di misura e alle procedure di misura e analisi dei dati:
1 capire lo strumento di misura e le sue caratteristiche
(risoluzione, portata, “errore di zero”, scale, ecc.);
2 imparare a usare correttamente gli strumenti per
ridurre gli errori sistematici e gli “sbagli”
(es. errori di parallasse nella lettura, ecc.);
3 imparare a registrare correttamente i dati
(cifre significative, incertezza, unità di misura) ;
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OBIETTIVI DI ESERCIZIO(II)
all’uso degli strumenti e degli apparati di misura e alle procedure di misura e analisi dei dati:
4 Imparare a raccogliere i dati in tabelle e a
rappresentarli in grafici che aiutino a interpretare i
risultati
(es. decidere gli intervalli per le classi di una distribuzione, le scale per gli assi di
un grafico, l’organizzazione delle colonne di una tabella, ecc.)
5 imparare a tenere un registro di laboratorio: in cui
tutte le misure fatte (anche quelle sbagliate!) vengono
annotate in buon ordine, con indicazione della data,
delle condizioni sperimentali e con tutti i commenti.
6 imparare a lavorare in gruppo;
(non solo perché in molti casi non è possibile eseguire misure o predisporre
l’apparato sperimentale da soli, ma anche per l’opportunità di scambiare idee,
discutere, confrontarsi)
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OBIETTIVI DIDATTICI E FORMATIVI
nel campo delle conoscenze e delle competenze
La fisica è una disciplina sperimentale e il laboratorio di fisica deve
essere un momento di effettivo avvicinamento ai fenomeni reali, alle
loro caratteristiche e complessità.
NON si tratta quindi di eseguire “ricette di cucina” ma di
 indagare e scoprire proprietà, leggi, relazioni, ecc.;
 verificare ipotesi e leggi;
 costruire modelli o validarli, verificandone i limiti di applicabilità;
 essere capaci di selezionare i “fatti buoni”, sui quali impostare l’attività, da
quelli non interessanti.
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ALTRI OBIETTIVI
 organizzare un lavoro sperimentale;
 lavorare in gruppo;
 comunicare i risultati del proprio lavoro;
 capire gli aspetti critici dell’esperimento;
 utilizzare abilità manuali e operative.
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PERCHÉ: OBIETTIVI
Per raggiungere tali obiettivi è necessario che:
 ci siano momenti significativi in cui lo studente abbia la possibilità di agire
in autonomia, fare scelte, sia pure minime, procedere per tentativi ed
errori, sviluppare strategie, ecc.; non tutto deve essere “confezionato” e
predisposto,
il laboratorio aiuti lo studente a padroneggiare concetti base della fisica,
affrontandoli attraverso la realtà sperimentale
 il laboratorio aiuti a capire le basi della conoscenza in Fisica, in particolare
il ruolo della sperimentazione diretta e il saper distinguere fra ciò che si
conosce perché lo si è osservato e misurato direttamente e ciò che si
deduce dalla conoscenza della legge o da una ipotesi teorica forte (es.
l’ipotesi della conservazione dell’energia) oppure semplicemente dal fatto
che “è ragionevole”
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OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO CLASSE
A038
 analizzare un fenomeno o un problema riuscendo ad individuare gli elementi significativi, le
relazioni, i dati superflui, quelli mancanti, e riuscendo a collegare premesse e conseguenze;
 eseguire in modo corretto semplici misure con chiara consapevolezza delle operazioni
effettuate e degli strumenti utilizzati;
 raccogliere, ordinare e rappresentare i dati ricavati, valutando gli ordini di grandezza e le
approssimazioni, mettendo in evidenza l'incertezza associata alla misura;
 esaminare dati e ricavare informazioni significative da tabelle, grafici ed altra documentazione;
 porsi problemi, prospettare soluzioni e modelli;
 inquadrare in un medesimo schema logico situazioni diverse riconoscendo analogie o
differenze, proprietà varianti ed invarianti;
 trarre semplici deduzioni teoriche e confrontarle con i risultati sperimentali;
 utilizzare o elaborare semplici programmi da verificare con l'elaboratore, per la risoluzione di
problemi o per la simulazione di fenomeni.
 lo scopo d’ introdurre gli allievi al concetto di energia.
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LABORATORIO DI FISICA
Perché: Obiettivi
Come
Laboratorio
di fisica
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Allestimento del laboratorio:
Il laboratorio non strutturato
• Disposizione dei tavoli di lavoro,
• Servizi (acqua, elettricità..)
• Scelta e controllo della
strumentazione.
• Utilizzare tutte le occasioni per far
eseguire misure e brevi
esperimenti
• Stimolare l'acquisizione e l’uso di
strumenti di misura personali,
• Individuare esperimenti e misure
che si fanno (o possono fare) nella
vita quotidiana.
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Cassetta degli strumenti
Modalità di conduzione
• una propria raccolta personale di
strumenti di misura per fare prove
fuori laboratorio e in classe
(cacciavite, scotch, metro a nastro,
righello, calibro, goniometro,
cronometro, termometro, lente di
ingrandimento,..)
• Strettamente guidata attraverso una
scheda di lavoro dettagliata,
• Completamente libera,
• Parzialmente guidata, attraverso
una scheda di lavoro di tipo
generale
25/02/2013
S.Moretto
Che cosa rende efficace il lavoro di
gruppo?
• L’interdipendenza positiva,, non
essendo possibile il successo
individuale senza il successo
collettivo;
• La responsabilità individuale e di
gruppo.
• L’interazione costruttiva.
• L’attuazione di abilità sociali
specifiche e necessarie nei rapporti
interpersonali all’interno del
piccolo gruppo (le competenze di
gestione dei conflitti)
Lavoro a gruppi
• sempre, come prassi generale
(cooperative learning),
• solo per la conduzione e la presa
dati e la discussione, ma con
elaborazione individuale.
25/02/2013
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LA QUALITÀ DEL LABORATORIO
Il laboratorio di fisica può aiutare gli studenti a raggiungere le
competenze richieste se:
Disegnato e progettato con chiara finalità in testa;
Inserito all’interno del corso di fisica (non svincolato o come
esperienza “una tantum”)
Pensato per integrare la conoscenza dei contenuti scientifici
Organizzato con ampi spazi per le riflessioni e le discussioni tra e con
gli studenti
25/02/2013
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L’IMPORTANZA DELLA RIFLESSIONE E
DELLA DISCUSSIONE
[ …]Claims that typical laboratory experiences help students master science content rest largely on the
argument that opportunities to directly interact with, observe, and manipulate materials will help students to
better grasp difficult scientific concepts. It is believed that these experiences will force students to confront
their misunderstandings about phenomena and shift toward more scientific understanding. Despite these
claims, there is almost no direct evidence that typical laboratory experiences that are isolated from the flow of
science instruction are particularly valuable for learning specific scientific content[…] Clearly, most of the
evidence does not support the argument that typical laboratory experiences lead to improved learning of
science content. More specifically, concrete experiences with phenomena alone do not appear to force
students to confront their misunderstandings and revaluate their own assumptions. For example, VandenBerg,
Katu, and Lunetta (1994) reported, on the basis of clinical studies with individual students, that hands-on
activities with introductory electricity materials facilitated students’ understanding of the relationships among
circuit elements and variables. The carefully selected practical activities created conceptual conflict in students’
minds—a first step toward changing their naïve ideas about electricity. However, the students remained unable
to develop a fully scientific mental model of a circuit system.[..]
[..] Students tend to adjust their observations to fit their current beliefs rather than
change their beliefs in the face of conflicting observations[…]
[National Research Council. (2006). America’s Lab Report: Investigations in High School Science.]
25/02/2013
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LABORATORIO E REALTÀ
La realtà del mondo del laboratorio non è la realtà naturale; tuttavia le
risposte che si hanno dalle indagini in laboratorio non solo devono avere un
significato nella realtà ma devono aiutare a comprenderla sotto molteplici
altri aspetti.
Talvolta l'incomprensione tra queste due realtà può portare addirittura ad un
senso di frustrazione (“l’esperimento non riesce”) e a confondere piani e
difficoltà (sperimentali, strumentali, di interpretazione, ecc.). Ciò non riguarda
solo le indagini quantitative; sul piano esplorativo e qualitativo non è raro
assistere a fraintendimenti inerenti non solo il come interpretare ma anche
il cosa fare e il cosa osservare.
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S.Moretto
ESEMPIO DI COME CONDURRE
UN’ATTIVITÀ DI LABORATORIO
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Introduzione
descrizione sintetica dello sviluppo dell’attività con l’obiettivo di coinvolgere nella definizione del programma ed offrire elementi critici
Domande introduttive
far emergere le idee iniziali
far riflettere sul linguaggio e sulle definizioni
far nascere nuove domande
Esplorazione della fenomenologia
per imparare ad osservare fenomeni quotidiani lavorando in modo
qualitativo
ritrovare regolarità e regole
Esperimenti quantitativi
per mettere alla prova ipotesi
per padroneggiare metodi e
strumenti di misura
elaborare dati
per imparare a progettare
esperimenti
Discussione
per ricostruire in modo sintetico i concetti più importanti emersi
Commenti e riflessioni sull’attività svolta
sulla validità della proposta didattica
sulla conduzione dell’attività
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sulle interazioni nel gruppo
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LABORATORIO DI FISICA
Perché: Obiettivi
Come
Laboratorio
di fisica
Cosa
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CHE COSA: IL TIPO DI ESPERIENZE
 Esperimenti per studiare/verificare una legge fisica.
Sono gli esperimenti che tipicamente si fanno in un laboratorio attrezzato. La legge fisica generalmente è già
nota. Possono però essere svolti anche come introduzione o preparazione alla legge. Hanno valenze didattiche
prevalenti per la misura, l’analisi dei dati, la formalizzazione a posteriori e per gli aspetti addestrativi in generale.
 Esperimenti dimostrativi.
Sono usati per attirare l’attenzione e stimolare la riflessione su una particolare fenomenologia, prima di iniziare la
discussione dettagliata sull’argomento.
 Esperimenti di scoperta.
Sono esperimenti che hanno la caratteristica di stimolare l’interesse e la curiosità e quindi di trascinare a trovare
spiegazioni, chiarendo così, generalmente a livello solo qualitativo, i concetti fisici coinvolti
 Esperimenti con oggetti o fenomeni della vita di tutti i giorni.
Partono dalla conoscenza e memoria di cose familiari e ben note, o che si crede di conoscere bene, e che si è
abituati a descrivere con il linguaggio quotidiano. Aiutano a sviluppare il “pensiero critico” e il passaggio dal
linguaggio quotidiano a quello scientifico.
 Uso del computer nel laboratorio di fisica.
Simulazioni: costruzione di vari tipi di simulazioni per osservare fenomeni altrimenti inaccessibili (troppo costosi,
infattibili o pericolosi).
Il computer può poi essere usato sia per l’analisi dei dati che per la raccolta on-line di dati di un esperimento,
mediante opportuni sensori e interfacce di collegamento al computer. Sono utili in particolare per raccogliere dati
che variano molto rapidamente o molto lentamente nel tempo
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ESPERIENZE E OSSERVAZIONI
Assume molta importanza sia il realizzare concretamente
esperimenti, ma anche e semplicemente l’osservare i fenomeni,
così da mettere in relazione l’osservazione effettuata con le
proprie conoscenze teoriche, confrontando le previsioni con i
dati raccolti e, se necessario, modificando le proprie conoscenze
concettuali in funzione dei dati sperimentali osservati.
E’ infine importante aggiungere che quanto più l’esperimento
sarà accattivante, divertente e ricco di particolarità, tanto più
sarà facile coinvolgere gli alunni in ragionamenti di tipo
concettuale.
25/02/2013
S.Moretto
L’ATTIVITÀ DI LABORATORIO
L'attività di laboratorio spazia quindi dalla individuazione di un
problema al progetto preliminare per la sua soluzione, all'indagine di
fattibilità, alla esecuzione di esperienze, alla loro validazione, alla
valutazione di coerenza dei risultati.
L'obiettivo è quello di far acquisire atteggiamenti, come parti di un
metodo, di una mentalità, che possano divenire patrimonio dello
studente
25/02/2013
S.Moretto
LABORATORIO DI FISICA
Perché: Obiettivi
Come
Laboratorio
di fisica
Cosa
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Valutazione
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VALUTAZIONE
[..]Le principali fonti informative su cui basare un giudizio di
competenza Per quanto riguarda, in generale, le fonti informative sulla
base delle quali esprimere un giudizio di competenza, possono essere
classificate secondo tre grandi ambiti specifici: quello relativo ai
risultati ottenuti nello svolgimento di un compito o nella realizzazione
del prodotto; quello relativo a come lo studente è giunto a conseguire
tali risultati; quello relativo alla percezione che lo studente ha del suo
lavoro.[..]
(da “LINEE GUIDA PER IL PASSAGGIO AL NUOVO ORDINAMENTO (d.P.R. 15 marzo
2010, n. 87, articolo 8, comma 6)
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VALUTAZIONE
1)
“[..]Il primo ambito riguarda i compiti che devono essere svolti dallo studente e/o
i prodotti che questi deve realizzare[...]”
Relazione di un’esperienza di laboratorio
2.
“[..] Il secondo ambito implica una osservazione sistematica del comportamento
dello studente mentre svolge il compito; [...]”
Quaderno di laboratorio
3. “[..] Il terzo ambito evoca una qualche forma di narrazione di sé da parte
dello studente [...]”
Riflessioni Personali
25/02/2013
S.Moretto
ESPERIENZA DIRETTA DI LABORATORIO
Come studenti, ricordo del laboratorio di fisica e impressioni
 Cosa avete imparato, quali erano le vostre maggiori difficoltà, il maggior
interesse..
Come docenti, avete mai preparato un “laboratorio”
• Come l’avete progettato, valutazione e ricaduta didattica per gli studenti…
25/02/2013
S.Moretto