101° Congresso Nazionale
Roma 21-25 settembre 2015
Un’esperienza di ricerca sul
concetto di campo magnetico in una
classe quarta di liceo scientifico
Marisa Michelini1, Maria Moretti2, Stefano Vercellati1
1Università
degli studi di Udine, 2Liceo Statale Scientifico-linguistico “Cuoco-Campanella” di Napoli
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Ricerca in Didattica della Fisica
Ricerca vs Cambiamento Sistema Didattico
(obiettivi didattici e criteri di valutazione degli studenti)
Ricerca vs Innovazione Didattica vs Miglioramento Insegnamento
Mondo variegato di ricercatori: epistemologi, psicologi, esperti di
didattica, scienziati, filosofi della scienza, sociologi
I Domini di Ricerca
Didattica e
Sperimentazione
Didattica
Ricerca sul
Cambiamento
Concettuale
Sviluppo e
Validazione di
Percorsi Didattici
La sperimentazione Didattica
Sviluppare e verificare un percorso didattico
Come implementare il percorso affinché gli studenti acquisiscano conoscenze dei
contenuti disciplinari su entrambi i piani, metodologico ed epistemologico, in modo
che
(a)
siano in grado di applicare e utilizzare le loro conoscenze in nuovi contesti?
(b)
siano motivati a capire?
(c)
facciano esperienza di sviluppo formativo e ne siano consapevoli?
Il metodo di ricerca: Teaching Experiment
7
1
Ragionamento
scientifico
Esplorazione
2
6 Esplicitazione
regole di base
Descrizione
5
Identificazione
carenze o
misconcetti
3
Intuizioni
4
Esplicitazione
delle regole
d’inferenza
Claudia Von Aufschnaiter durante il convegno European
Science Education Research Association (ESERA) del 2009.
Quadro di riferimento della ricerca
1
Building vertical paths in exploring magnetic phenomena developing formal thinking1
Rappresentazione del campo2
Principio di sovrapposizione3
Relazione tra campo magnetico e correnti elettriche e sulla natura del campo stesso4
Sorgenti di campo e moto relativo nell’induzione elettromagnetica5
Identificazione del verso del campo magnetico indotto6
Marisa Michelini, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel and Stefano Vercellati, Unità di Ricerca in Didattica della Fisica - Università di Udine
(UNIUD)
2 Guisasola J, Almudi J M, and Ceberio M, (1999) Students ideas about source of magnetic field, II int.
3 Viennot L, (1996) Raisonner en Physique, De Boeck.
4 Thong WM, Gunstone R, (2008) Res. Sci. Educ. 38,31-44.
5 Maloney D P, O'Kuma T L, Hieggelke CJ, Van Heuvelen A, (2001), Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7), pp S12-S23.
6 Bagno E, Eylon B S, (1997) American Journal of Physics 65 (8) 726-736.
Implementazione della sperimentazione
•
Criteri per la scelta degli obiettivi didattici
• Nuovo ordinamento dei licei scientifici
• Risultati della ricerca didattica
•
Riferimenti per strutturare il percorso didattico
•
•
•
•
Individuazione dei nodi concettuali
Strategie didattiche
Interventi educativi
Materiali didattici
Il percorso didattico
Esplorazione proprietà sorgenti
Esplorazione proprietà interazioni
Costruzione del vettore campo magnetico
Rilevazione del campo magnetico con la bussola (magneti e correnti)
Misura dell’intensità del campo con sonda magnetica
Costruzione dei tubi di flusso e formalizzazione
Interazione tra dipolo elettrico e carica
Interazione tra dipolo magnetico e sferetta d’acciaio
Confronto fra le interazioni elettrica e magnetica
Confronto fra campi elettrico e magnetico
Il contesto
Struttura delle attività
•
Periodo marzo 2014
Esplorazioni fenomeni/esperimenti
•
18 studenti (nove femmine e nove
maschi) (una classe intera)
•
Livello scolastico: classe quarta
(indirizzo tradizionale)
•
Durata: 12 ore curricolari suddivise
in tre giorni consecutivi
•
Elaborazione ipotesi formulate
Discussioni collettive
Discussioni alla lavagna
Discussioni a piccoli gruppi
Ciclo PEC e compilazione delle schede di tipo IBL
Prerequisiti
• Elementi di elettrostatica e
meccanica classica
un esempio
Esplorazione fenomenologia
PROPRIETA’ INTERAZIONI/SORGENTI
PROPRIETA’ DEL VETTORE CAMPO
DEFINIZIONE OPERATIVA DI FLUSSO
CONFRONTO FRA C. ELETTRICO E MAGNETICO
• INDIVIDUARE MAGNETI TRA VARI OGGETTI
• INTERAZIONI TRA GEOMAG
Esperimenti
• Disegno delle linee di campo intorno al geomag
• Misure del modulo del campo con sonda magnetica
Progettazione/produzione schede IBL
• CICLO PEC
Costruzione del vettore campo magnetico
•
Esplorazione dello spazio intorno al
magnete con l’ago magnetico
•
Effetti del campo sull’ago magnetico
•
Direzione e verso di orientazione dell’ago
magnetico
•
Linee di campo nel piano e nello spazio
•
Costruzione del campo magnetico come grandezza
vettoriale
• Individuazione della direzione del campo
tangente alla linea di campo in un punto
• Individuazione del verso del vettore campo
• Unicità del valore del campo in un punto (linee
non intersecanti in alcun punto)
• Dipendenza del campo dalla distanza dal
magnete e linee di campo
Esperimento
Intensità del campo magnetico
Esaminiamo un pattern sperimentale e la relativa lettura in termini fisici
1. Misuriamo l’intensità del campo magnetico lungo alcune linee.
Riportiamo sulle linee disegnate i valori misurati nei vari punti.
2. In quali zone il campo è più intenso?
3. In quali zone il campo è meno intenso?
1. Riportiamo i dati delle nostre misure del diametro e
dell’intensità del campo magnetico al centro di alcuni tubi
delimitati dalle linee ricavate su un piano mediante
l’esplorazione con la bussola.
Definizione operativa del flusso del c.m.
Alcuni esempi di domande di ricerca
Come fanno gli studenti a riconoscere
•
la struttura del campo mediante linee di forza?
•
se la struttura è continua o discreta?
•
il pattern completo attraverso la simmetria e l’addensamento e
rarefazione delle linee?
•
nei vettori, elementi essenziali della rappresentazione?
•
caratterizzazione dei campi (a divergenza nulla oppure no) e
delle sorgenti (separabili oppure no)?
Raccolta e analisi dati
Lettura critica delle schede IBL
Categorizzazione delle risposte
Modi di ragionare
Analisi dati
Intensità del campo e distribuzione delle linee di campo
Categorie risposte
1 Vicino al magnete l'intensità aumenta
2 Nei punti simmetrici l'intensità è uguale
3 Lontano dal magnete l'intensità diminuisce
Risposte
Esempi di risposte
56%
1. Nelle vicinanze del magnete l'intensità del campo aumenta, in
particolare in prossimità dei poli l'intensità raggiunge i valori
massimi.
2. Il campo è più intenso nelle vicinanze del magnete. L'intensità è
simile per i punti simmetrici.
28%
44%
1.
Nei punti simmetrici l'intensità sembra essere uguale.
1.
Il campo è meno intenso nelle linee esterne (più lontano dal
magnete) + formula del flusso: d quadro moltiplicato il modulo di
B=costante … il valore dell'area è indipendente dalla forma
Evidenze:
gli studenti hanno generalmente compreso che la densità delle linee è legata all’intensità del campo,
misurata direttamente. Il 44% tiene conto anche della formula, manifestando capacità di sintesi e
formalizzazione.
L’esito di queste risposte conferma la validità del segmento, ma soprattutto che approcci e metodi integrati
sono l’unico modo per sviluppare in modo coerente e organico contenuti che altrimenti risulterebbero semplici
dogmi della fisica, come è successo quando è stato trattato il campo elettrico usando unicamente il libro.
Analisi dati
Proprietà delle linee di campo
Categorie risposte
Linee chiuse
Anche tutte quelle che sembrano aperte
sono chiuse
Solo le 2 rette sono (o possono essere)
aperte
Proseguono anche dentro il magnete
Le linee non si intersecano tra di loro
Risposte
78%
56%
22%
0,1%
0,1%
Esempi di risposte basate sulla combinazione di quelle della prima
colonna
Tutte le linee sembrano orientate in modo da potersi chiudere, solo due
sembrano rette.
Ci sono alcune linee che vanno da un polo all'altro, altre linee sono dirette
verso l'esterno.
Tutte le linee sono simmetriche e si chiudono, tranne le due assiali, che
pare non possano mai incontrarsi.
Le linee si orientano in modo da chiudersi (proseguono nel magnete) e
sono simmetriche. Due linee solamente sembrano rette.
Le linee non s'incontreranno mai tra loro.
Evidenze:
Acquisizione da parte degli studenti del significato delle proprietà locali del campo. Manca la descrizione globale del campo
mediante il pattern completo di linee.
Solo uno studente sembra aver chiaro che le linee sono chiuse in quanto si orientano in modo da chiudersi e sono simmetriche.
Confronto fra campo elettrico e magnetico
Domanda: Riesamina le linee di campo nel caso elettrostatico e nel caso
magnetico. Indica analogie e differenze
• Il numero di linee che esce da una
superficie gaussiana dipende dalle cariche
racchiuse dalla superficie (campo a
divergenza non nulla)
• Sorgenti separabili – cariche elettriche
• Campo radiale o centrale e parallelo alla
forza
• Il numero di linee che esce da una
superficie gaussiana è sempre uguale al
numero di linee entranti (campo a
divergenza nulla)
Sorgenti non separabili - dipoli magnetici
• Campo sempre perpendicolare alla forza
•
Analisi dati
Confronto fra campo elettrico e magnetico
1. Descrivi le linee di campo nel caso elettrico e magnetico
2. Quali analogie e differenze noti?
3. Cosa puoi dire delle sorgenti?
Categorie risposte
1 Le linee vanno dal positivo al negativo in
entrambi i casi
Risposte
61%
2 L'unica differenza è nel tipo di sorgenti
22%
3 In entrambi i casi le linee sono chiuse
4 Nel caso dei magneti non ci sono sorgenti
50%
22%
Esempi di risposte (combinate)
La figura (A) (linee di campo del dipolo elettrico in figura) e la nostra sono molto
simili poiché hanno i versi uguali. Le linee si chiuderanno in entrambi i casi (elettrico
e magnetico). Entrambi (in entrambi i casi) non s'incontrano mai (le linee).
Nel caso del dipolo elettrico abbiamo le cariche, nel caso del magnetico abbiamo la
barretta. In entrambe le figure le linee vanno dal positivo al negativo, le linee sono
chiuse in un caso tra polo e polo, nell'altro tra carica e carica
Evidenze: sovrapposizione del modello carica elettrica e carica/monopolo magnetico e conseguente sovrapposizione del
modello di campo elettrico e magnetico. Rinunciano all’analisi critica di quanto appreso in precedenza (linee sempre uscenti o
entranti dalle cariche/separabilità, linee uscenti da un polo e entranti nell’altro/non separabilità dei poli).
Analisi dati
Forza e campo
Rappresenta la
tua proprietà
ipotesi in merito
alla direzione
Effettuiamo
l’esperimento.
La direzione
Evidenze: identificazione
della
non radiale
della forza
magnetica
(campo magnetico
nondel campo
della bussola (a matita) e (con una biro) la
magnetico in un punto del piano coincide con la
parallelo alla dell’ago
forza magnetica);
significato di linea di forza e linea
di campo. Manca ancora una modalità
direzione di partenza di tre sfere di materiale
direzione della forza agente nel punto
organica nel trattare
il problema
separatamente
funzionare.
ferromagnetico
poste confrontando
come in figura. i modelli, che però
considerato?
(Spiegaresembrano
e fare il confronto
con il
Infine qualcuno ancora confonde tra forza e magnete, cioè tracaso
effetto
e sorgente, infatti prima descrive il
elettrico)
verso della forza e poi lo associa al moto della pallina d'acciaio, rivelando le ben note difficoltà di tradurre
Rappresenta la tua ipotesi in merito alla direzione La direzione del campo elettrico in un punto del
sul piano formale
quello che sembra accadere nel mondo reale: un conto è descrivere quello che
della forza (a matita) e (con una biro) la direzione
piano coincide con la direzione della forza agente
effettivamente
si
constata
con
l’esperimento,
un
altro
è
ricorrere
a un ragionamento
basatoesu
concetti
di partenza di tre cariche di prova (positive) poste
nel punto
considerato? (Spiegare
fare
il
opportunamente
interiorizzati.
come in figura.
confronto con il caso magnetico).
Categorie risposte
1 F tangente a linee di campo
Risposte
44%
Esempi di risposte (combinate)
Disegno con frecce correttamente disegnate tangenzialmente alle linee con campo e forza
parallela + formalizzazione e spiegazione corretta nel caso elettrostatico.
2 Il caso di B è diverso, non è parallelo
0,1%
Il campo magnetico non è parallelo alla forza
3 F è tangente alla linea di forza, non alla linea di
campo
22%
Nel disegno forza e campo elettrico sono paralleli, forza e campo magnetico no
4 La linea di campo non è parallela al campo
39%
Non è tangente alla linea di forza quindi non è parallelo al campo
5 F diretta prima verso il magnete e poi verso i poli
6 Non risponde
0,1%
39%
No, la forza, indipendentemente dalla posizione del punto preso in considerazione sarà rivolta
prima verso il magnete e poi si avvicinerà ad uno dei poli
Analisi dati
Post test
Confronto fra campi e teorema di Gauss
1. Quali delle seguenti linee delimitano delle superfici il cui flusso del rispettivo campo è
Evidenze
nullo? Motiva la tua risposta.
Permane un’idea di fondo legata al movimento di qualche tipo di quantità (concezione
primitiva e pre-scientifica della carica come fluido). In contraddizione con alcune risposte
da cui si evince che
– gli studenti hanno imparato a distinguere tra sorgenti elettriche e magnetiche, almeno
ragionando sulle linee di campo e flusso.
– sebbene, nel caso della superficie che racchiude entrambi i poli magnetici, permanga ancora
qualche difficoltà a seguire correttamente il ragionamento in base a ciò che possiamo dire del flusso
sulla base di quello che leggiamo usando la rappresentazione grafica delle linee di campo.
Caso elettrico flusso non nullo
Nel complesso potremmo dire che i ragazzi, una volta acquisite certe regole, le applicano
senza riorganizzarle concettualmente
– infatti proprio nelle risposte del post test, relative al confronto tra campo elettrico e magnetico,
manca l’idea unificatrice, e cioè che nel caso statico, campi a divergenza nulla (campi magnetici
dei magneti fermi) descrivono effetti diversi da quelli a divergenza non nulla (campi elettrici delle
cariche ferme), e che i campi magnetici non sono generati da sorgenti puntiformi assimilabili alle
cariche elettriche.
Caso magnetico: flusso sempre nullo
Caso elettrico flusso nullo
Sintesi dei risultati relativi all’indagine sui nodi concettuali
difficoltà a riconoscere e usare correttamente le proprietà del campo in quanto vettoriali
generalizzata e riconducibile ad altri casi in cui si ricorre ai vettori (analogo dinamica)
riconoscere che le linee di campo non coincidono con la traiettoria (analogo spostamento e traiettoria)
difficoltà nello sviluppare un ragionamento coerente con cui costruire e concatenare tutti gli elementi
necessari per descrivere vettorialmente il campo magnetico/elettrico come grandezza significativamente
vettoriale:
–
–
–
–
Linee tangenti e direzione del campo
Densità delle linee e modulo del campo
Linee non intersecantesi e unicità del campo
Orientazione delle linee e verso del campo
– Linee aperte e chiuse e cariche separate (divergenza non nulla) e poli non separati (divergenza nulla)
Conclusioni
I dati relativi alle attività esplorative, condotte dagli studenti hanno
evidenziato come le attività di tipo hands on facilitino il passaggio dal piano
descrittivo a un primo livello interpretativo e rappresentativo del fenomeno.
I dati relativi alla descrizione/trascrizione di ciò che imparano a fare, porta gli
studenti a superare le difficoltà iniziali per arrivare a
– Familiarizzare con il linguaggio e il simbolismo scientifici calandoli in contesti esperenziali
basati sull’operatività senza limitarsi solo a ciò che si studia dal libro.
– Trasformare in conoscenza scientifica e strutturata le considerazioni iniziali degli studenti
sostenendoli nel dare forma ai loro modi di pensare
– Facilitando il cambiamento concettuale rendendoli consapevoli dei passaggi cruciali
L’esperienza formativa
Coinvolgente e motivante
Desiderio di innovare ma soprattutto rinnovarsi e mettersi in gioco
Maggiore slancio e passione
ma …
Ha evidenziato
– divario tra pratica consueta e potenzialità dell’innovazione didattica
– esigenza di rivedere il concetto di professionalità del docente.
In letteratura troviamo numerose riflessioni su
– Cosa deve sapere e saper fare un insegnante
– Non solo i contenuti disciplinari sono alla base della pratica didattica
Revisione dei concetti appresi e insegnati alla luce dei processi d’apprendimento e insegnamento
Formazione insegnanti di fisica
Occorre portare la Ricerca Didattica a scuola
– Coinvolgere il maggior numero d’insegnanti
No formazione/aggiornamento senza sperimentazione
Occorre un lavoro sistematico e non occasionale su
–
–
–
–
Come gli studenti vivono la propria esperienza formativa
Quali sono i loro interessi e attitudini
Quali sono le loro conoscenze pregresse su un dato argomento
Quali le modalità d’apprendimento
– Occorre creare momenti di crescita professionale
Collaborazione nell’ambito della ricerca didattica
– Per mettere a fuoco e trattare con competenze difficoltà d’apprendimento
– Per focalizzarsi sulla propria formazione per superare dubbi e incertezze
Scambio e condivisione con altri docenti
