metodologie applicate alla didattica della fisica

METODOLOGIE APPLICATE ALLA
DIDATTICA DELLA FISICA
TFA
I ciclo
2012-13
Italo Testa
[email protected]
TFA I ciclo – Didattica della Fisica 2012-2013
DF IN BREVE
36
h, classi A049 / A038
A049: matematica e fisica ai licei (5 anni)
A038: fisica istituti tecnici e professionali (≤ 2° anno)
Attività
carta e penna in aula
Modalità
di esame: resoconto su
implementazione di un percorso didattico nel
tirocinio
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2
TESTI CONSIGLIATI, APPUNTI E LINKS
A. Arons Guida all’insegnamento della fisica
Zanichelli Bologna 1992
Slides e materiali relativi al corso sono reperibili
all’indirizzo: https://www.docenti.unina.it/ITALO.TESTA
http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/materiali/index.htm
Progetto FFC - Fisica per la Formazione Culturale
Sottoprogetto FORM - Formazione Insegnanti
http://www.fisica.uniud.it/URDF/
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3
TEMI GENERALI DEL CORSO
Conoscenze degli studenti
schemi di ragionamento
idee innate/alternative
Strategie di insegnamento
Inquiry
Modelli
Tempo Reale
Design
Argomentazione
Tecnologie didattiche
Conoscenza
pedagogica
del
contenuto
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4
CONTENUTI DISCIPLINARI
Cinematica
Dinamica
Termodinamica
Elettricità
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5
QUESTIONARIO INIZIALE
45 min
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DOVE ERAVAMO RIMASTI?
COSA È CAMBIATO IN 5 ANNI?
ELEMENTI DI NOVITÀ
Rilevazioni Invalsi
PISA - TIMMS
Nuovi Licei
Nuovi Istituti Tecnici
Cosa sapete voi di questi temi?
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8
Ricerca in didattica della fisica
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9
Ricerca in didattica della fisica
(adattato da R.Duit, 2007)
Epistemologia
Fisica
Storia della
Fisica
Pedagogia
Didattica
della Fisica
Psicologia
Ulteriori discipline di riferimento: e.g.
Sociologia / Antropologia / Linguistica / Etica
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10
Temi fondamentali in ricerca in didattica della fisica
(adattato da R.Duit, 2007)
Riflessione sui contenuti:
Concetti, principi, modelli
Laboratorio e TD
Sviluppo di:
Buone pratiche didattiche
Moduli di formazione insegnanti
Conoscenze innate degli studenti
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BREVE STORIA DEI CURRICULA SCIENTIFICI
Fine anni ‘50: Physical Science Study Committee
Anni ‘60: Nuffield
insegnamento basato su risultati della ricerca
2000’s: Advancing Physics, Salters Horners
relazioni tra Scienza, Tecnologia e Società
Anni ’80-’90: Physics by Inquiry
conoscenza approfondita di pochi argomenti;
fisica moderna
Anni ’70: movimento Science – Technology – Society
attenzione alla struttura concettuale della fisica;
molti esperimenti = “studenti come scienziati per un giorno”
Scienza nel contesto delle applicazioni tecnologiche della fisica
2010’s: Socio Scientific Issues
Scienza in contesti sociali controversi
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12
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Personale
Sociale
Globale
Salute
Alimentazione
Controllo delle
malattie
Epidemie, ricerca
Risorse
naturali
Consumi di
materie prime
Qualità della
vita, sicurezza
Risorse
rinnovabili
Ambiente
Comportamenti
individuali
Impatto
ambientale
Biodiversità,
inquinamento
Rischi
Naturali o dovuti
all’uomo
Cambiamenti
rapidi e lenti
Cambiamento
climatico
Nuovi materiali,
OGM
Origine
dell’universo,
estinzione delle
specie
Frontiere
della S e T
Hobby, musica
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Lezione del 27/02/2013
Contesti per le prove di PISA 2006
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COME REAGISCONO GLI INSEGNANTI AI
TEST PISA
A. Ritiene che gli argomenti trattati sono importanti
e implementati nella propria pratica
B. Ritiene che gli argomenti trattati sono importanti
ma ci sono ostacoli per implementarli
C. Non ritiene che gli argomenti trattati siano di
sua competenza
D. Si oppone esplicitamente all’introduzione degli
argomenti trattati nella propria pratica
E. Ritiene che gli argomenti trattati debbano essere
di competenza di tutti gli insegnanti e le materie
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7%
39%
14%
37%
3%
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POSSIBILI CAUSE
Confusione tra prove PISA/INVALSI e temi/terze
prove della maturità –> molti insegnanti dicono
di essere abituati a questo tipo di valutazione
anche se non è assolutamente vero
Contenuti di epistemologia della Scienza non
vengono affrontati
Domande “impossibili” da rispondere per gli
studenti poiché non vengono forniti dati per poter
rispondere
Secondo te, la scienza è dannosa per la vita?
Chi di voi conosce una famiglia in cui è nato un
bambino malformato? Spiega
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RISOLVIAMO UN PROBLEMA DI PISA
Disegnare il circuito lungo il quale è stata guidata
l’auto per produrre il grafico della velocità sopra
riportato
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POSSIBILI SOLUZIONI
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FINE I PARTE
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PARTE II
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DIFFICOLTÀ DI APPRENDIMENTO
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CONCEZIONI ALTERNATIVE
Possono essere legate a:
conflitti tra conoscenza comune e scientifica;
libri e approcci inadeguati;
ambienti di apprendimento scadenti;
carenza di analisi fenomenologica;
lacune in comprensione e/o uso della matematica;
inefficaci tecniche di insegnamento
sono comuni, robuste, resistenti ad un
insegnamento tradizionale e trasversali ai
contesti.
vanno evidenziate e superate con attività basate
su risultati di ricerca
Insegnanti in servizio spesso inconsapevoli della
loro stessa esistenza
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DIFFICOLTÀ DI APPRENDIMENTO
Materiali
inadeguati
Fisica
innata
CDL
....
Mancanza di
prerequisiti
Complessità
della fisica
Inadeguati
ambienti di
apprendimento
Insegnamento
versativo
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LE DUE CONOSCENZE
Realtà
Conoscenza Senso Comune
Conoscenza Scientifica
•Valori pratici
•Linguaggio naturale
•Qualitativo
•Persistente
•Basato sulle capacità
•Contestuale
•Contraddittorio
•Incompleto
•Valori speculativi
•Linguaggio formale
•Quantitativo
•Dinamico
•Rappresentativo
•Auto consistente
•Completo
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CONCEZIONI ALTERNATIVE
Si abbandona la visione dello studente che arriva
a scuola come “tabula rasa”
Si abbandona la convinzione che dopo
l’insegnamento schemi di ragionamento errati
sono necessariamente superati
Si abbandona la convinzione che la sola
esposizione (chiara!) dei fenomeni e delle teorie
sia sufficiente agli studenti per apprendere la
fisica
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QUALE SPIEGAZIONE PER LE CONCEZIONI
ALTERNATIVE?
Consenso su un moderato costruttivismo: chi
apprende costruisce attivamente una propria rete
di conoscenze integrando le nuove con quelle preesistenti
Cosa vuol dire imparare scienza da una
prospettiva costruttivista?
Since science students generally will have constructed
some alternative conceptions about the scientific
concepts that are to be taught, students need to modify
their existing conception into scientifically accepted
conceptions during the course of receiving science
instructors. This process is called conceptual change
(CC)
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COMPORTAMENTISMO VS.
COSTRUTTIVISMO
Behaviourism
Knowledge
Constructivism
Knowledge
Knowledge
Knowledge
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CAMBIAMENTO CONCETTUALE
Insoddisfazione con le concezioni esistenti
Una nuova concezione deve essere comprensibile
e plausibile
Una nuova concezione deve servire a spiegare
“meglio” quello che si vuol comprendere ed
apprendere
Strategie:
Mostrare risultati contro- intuitivi, anomali e/o
inadeguatezza di conoscenze pregresse (conflitto
cognitivo)
Riconoscere quelle che sono le intuizioni valide degli
studenti e sostituire il concetto appropriato ad uno
usato in maniera non appropriata (sostituzione di
concetti)
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ESEMPI DI STRATEGIE
Far emergere conoscenza
intuitiva: porre un cubetto di
ghiaccio su due tavolette, una di
legno, una di metallo. Chiedere
dove il ghiaccio si scioglierà prima
Far emergere conoscenza
intuitiva: chiedere perché un
corpo spinto dal basso sale su un
piano inclinato liscio
Idea intuitiva NON corretta:
[…]
Far riconoscere conflitto: il
corpo mentre sale è soggetto solo
alla forza peso
Risoluzione del conflitto: il
corpo sale perché la spinta dal
basso gli fornisce una velocità
iniziale ≠ 0
Idea intuitiva NON corretta:
[…]
Far riconoscere conflitto: il
metallo ed il legno sono alla stessa
temperatura ma il ghiaccio si
scioglie prima sul…
Risoluzione del conflitto: ruolo
della conducibilità
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OCCORRE FAR EMERGERE CONCEZIONI
ALTERNATIVE. COME?
Questionari a risposta aperta con richiesta di
commenti e/o spiegazioni
Questionari a risposta chiusa con distrattori
opportuni che emergono dalla ricerca
Nelle domande adoperare “linguaggio comune” e
riferimenti a eventi familiari per gli studenti
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PERCHÉ NON EMERGONO LE CONCEZIONI
ALTERNATIVE?
Esempio di prova “strutturata” (di una docente)
La superficie terrestre, riscaldata dal….…….…, emette…...……che viene trattenuto dalle
molecole di…………….……….…e di………………………..…...….. Di conseguenza, la
temperatura media al suolo si mantiene intorno ai …. o centigradi. Questo fenomeno è
detto …………… …………..
La conseguenza principale dell’aumento dell’effetto serra
è…..……….…………………………………………
I danni che ne derivano sono………………………………………………...………………………
Pensi di essere anche tu responsabile dell'aumento dell'effetto serra ed in che modo?
……………………………
L’aumento dell’effetto serra può essere contrastato mediante il risparmio ……………., la
riforestazione e riducendo le emissioni di ……….. ……………. facendo ricorso alle fonti
…………… rinnovabili o alternative quali ……………………………….
La differenza di temperatura che si riscontra nel corso dell’anno è
detta…………..…...……. …………… annua
Le …………………... sono linee che uniscono sulla carta i punti della superficie terrestre
dove la temperatura media è la stessa
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QUESTIONARI CINEMATICA
Risposte tipiche e commenti
B
C
distanza
distanza
distanza
A
tempo
tempo
distanza
distanza
D
tempo
tempo
E
tempo
Quale o quali di questi grafici rappresenta:
un corpo fermo ___ un moto uniforme ___
il moto di un corpo che si allontana dal rivelatore ___
il moto di un corpo che inverte la sua direzione di moto ___
il moto di un corpo che si avvicina al rivelatore ___
un moto a velocità crescente? ___ un moto accelerato? ___
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33
’
B
0
0
tempo
0
D
tempo
0
ve l oc i t a
ve l oc i t a ’
ve l oc i t a ’
’
tempo
E
F
0
tempo
C
tempo
ve l oc i t a ’
0
ve l oc i t a
ve l oc i t a
’
ve l oc i t a ’
A
G
0
tempo
tempo
Quale o quali di questi grafici rappresenta:
il moto di un corpo che si allontana uniformemente dal rivelatore? __
un moto che cambia verso? ___
il moto di un corpo che si avvicina uniformemente al rivelatore? ___
il moto di un corpo la cui velocità aumenta uniformemente? ___
un moto in cui la velocità cambia segno? ___
un moto accelerato? un corpo fermo? ___
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CONCETTO DI VELOCITÀ
Pallina A
Pallina B
Studente
Docente
Vediamo se queste due
palline hanno la stessa
velocità
E come puoi dirlo?
Dove?
E complessivamente, come è la
loro velocità?
Siete d’accordo
con lo
studente?
Sì, No?
Perché?
Mi sembra che abbiano la stessa
velocità due volte. Una è circa ad ¼
del percorso, l’altra a circa ¾
Perché le due palline raggiungono
la stessa posizione sui due piani
Qui (marca i punti)
Mah, entrambe raggiungono il primo
segno allo stesso tempo: prima A va più
veloce, dopo B è più veloce. Al secondo
segno hanno di nuovo la stessa velocità
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Osserva le seguenti situazioni in cui due palline A e B
rotolano su due guide. Le posizioni successive sono
mostrate come apparirebbero in una fotografia fatta
con luce stroboscopica
ESERCIZIO
Schizza il grafico della legge
oraria e della velocità delle
due palline A e B quando,
rispettivamente, un sensore di
moto è posto a sinistra o a
destra delle due guida
Pallina A
Pallina B
s
v
Sensore a
sinistra
s
t
v
t
Sensore a
destra
t
t
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RAGIONAMENTI TIPICI NON CORRETTI - S(T)
Ragionamenti tipici
Difficoltà/ confusione
L’oggetto fermo dovrebbe essere - confusione
legge
oraria
rappresentato da un punto
traiettoria;
- confusione fra grafici d(t) e v(t)
e
Un corpo fermo ha velocità nulla - definizione dimensionale (v = d/t)
e quindi la sua posizione e’ nulla
Il moto uniforme deve partire
dall’origine del riferimento
cartesiano
- relazione di linearità completa
y=mx+b
Nell’allontanamento la velocità - definizione dimensionale d = vt
deve essere crescente: se d cresce
allora cresce pure v
Quando la s(t) è crescente il - confusione legge oraria e
corpo sale, quando è decrescente traiettoria
il corso scende
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RAGIONAMENTI TIPICI NON CORRETTI - V(T)
Ragionamenti tipici
Difficoltà/ confusione
Se la posizione aumenta, la v e’ - Definizione dimensionale v= d/t;
positiva crescente
- Confusione fra grafici d(t) e v(t)
Anche se la distanza prima
aumenta e poi diminuisce la
velocità + sempre constante
- Velocità negativa
Se la distanza diminuisce la
velocità diminuisce
- Definizione dimensionale di v =d/t;
Se il corpo si avvicina
uniformemente la velocità e’
linearmente decrescente
-Velocità negativa
- Definizione dimensionale di v =d/t;
Quando vi è un’ accelerazione, la - L’accelerazione e’sempre positiva;
velocità cresce sempre
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CONCEZIONI ALTERNATIVE IN
CINEMATICA
Confusione legge oraria – traiettoria
Confusione tra velocità e posizione
Confusione tra velocità e accelerazione
Se ad un certo istante due corpi raggiungono la stessa
posizione allora hanno anche la stessa velocità
Velocità negativa non può esistere
Incapacità di leggere un grafico in cui sugli assi vi siano delle
osservabili fisiche
Difficoltà di tipo iconico che nascono nella lettura di un
grafico (elementi come le frecce sugli assi, didascalie, forma
del grafico, unità di misura, etc…)
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ORIGINE E RIMEDI DELLE
DIFFICOLTÀ OSSERVATE
Diverso significato di alcuni termini nel “linguaggio
naturale” rispetto a quello della fisica. Esempi sono:
velocità, accelerazione, uniforme, …
Far scrivere su un cartellone i termini cinematici che si usano
comunemente ed aggiornarne il significato via via che esso si
perfeziona
E’ necessario distinguere i vocaboli “posizione”, “cambio di
posizione”, “distanza percorsa” spesso chiamati indistintamente
“distanza”
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ORIGINE E RIMEDI DELLE DIFFICOLTÀ
OSSERVATE
Difficoltà a relazionare
descrizione formale
piano
percettivo
con
Mettere un traguardo su un tavolo e chiedere agli studenti di
riprodurre con la mano i grafici che sono indicati.
Far riprodurre agli studenti, con il loro movimento, i grafici di
posizione e velocità
Stampare un grafico d(t) e chiedere agli studenti di
a) mettere opportune unità di misura;
b) segnare sul grafico una origine del loro moto e un
orientamento degli assi;
c) camminare, su una traiettoria rettilinea riproducendo
il moto rappresentato dal grafico
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CICLO PREVISIONE – ESPERIMENTO –
CONFRONTO (PEC)
Fase I: gli studenti esprimono previsioni su
quanto accadrà in un esperimento o
lavorando con una simulazione (ma senza
usare le equazioni prima!!!)
Fase II: svolgono l’esperimento o usano la
simulazione, raccolgono e analizzano i dati.
Fase III: confrontano le loro previsioni con i
dati e spiegano somiglianze e differenze.
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CICLO PREVISIONE – ESPERIMENTO –
CONFRONTO (PEC)
Scelta di
contenuto
Obiettivi
condivisi
Idee degli
studenti
Predizione
Esperimenti
Simulazioni
Confronti
43
ESPERIMENTI ED IMMAGINI IN TEMPO
REALE
interfaccia
implementare strategie non realizzabili con metodi tradizionali (ciclo PEC)
ripetere rapidamente gli esperimenti
investigare punti di vista globali/locali nel fenomeno
studiare transienti/evoluzione temporale di processi
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45
ORIGINE E RIMEDI DELLE
DIFFICOLTÀ OSSERVATE
Problemi con grandezze “istantanee”
Introdurre il concetto di “grandezza istantanea” a partire da “lettura
dell’orologio” e “istante”.
Non introdurre la velocità istantanea se non si è parlato di “posizione
istantanea”
Far osservare con esperimenti poveri il moto di una macchinina e
misurare le posizioni istantanee.
Riferirsi al concetto di istantanea in fotografia per sottolineare gli
aspetti di linguaggio che esprimono un concetto disciplinarmente
corretto
Passare a definire cosa e’ un intervallo come differenza tra due istanti,
due posizioni istantanee, velocità istantanee, ecc…
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COME AFFRONTARE CONCEZIONI
ALTERNATIVE
Le riconosciamo (dalla nostra esperienza, dalla ricerca
didattica, ecc..)
Capiamo perché nascono: mancata integrazione
conoscenza di senso comune e conoscenza disciplinare
Riconosciamo da dove derivano: esperienza, convinzioni,
ambiente familiare, ambiente culturale, contesto sciale
Capiamo le ragioni della loro “robustezza”: la conoscenza da
cui derivano è utile per interpretare la realtà
Cerchiamo dei rimedi per superarle (attività, sequenze
didattiche, percorsi, esperimenti, …)
TFA I ciclo – Didattica della Fisica 2012-2013
tra
47
RICORDARE QUINDI …
… di utilizzare domande che richiedono ragionamenti
qualitativi e spiegazioni scritte
… di discutere le risposte non corrette e le possibili origini
(ad es. problemi di linguaggio, di interpretazione grafici, di
mancanza di comprensione di concetto, ecc…)
… di chiedere agli studenti di sintetizzare i concetti e le
relazioni matematiche con parole proprie
… che difficoltà concettuali “robuste” possono essere
affrontate da più punti di vista in differenti contesti
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48
FINE II PARTE