SCUOLA ESTIVA DI FISICA MODERNA PER

SCUOLA ESTIVA DI FISICA MODERNA PER STUDENTI DI SCUOLE SECONDARIE
SUPERIORI. UDINE, 27-31 LUGLIO 2009
Cristina Cassan, Mario Colombo, Marisa Michelini, Alessandra Mossenta, Lorenzo Santi, Alberto
Stefanel, Stefano Vercellati, Rossana Viola
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università degli Studi di Udine
Introduzione
La valorizzazione dell’eccellenza nella scuola è stato
recentemente affrontato dalla ricerca didattica in
termini di modalità di attuazione e valutazione della
loro efficacia (Comer 2002; Reston 2003). In
particolare è stato evidenziato che l’eccellenza può
essere garantita solo se vi è un processo di continuo
rinnovamento, creatività e si pone gli studenti di
fronte a nuove sfide (Bowers 2008). Da un lato
pertanto è rilevante proporre temi che siano di forte
impatto e interesse per i ragazzi, come quelli di fisica
del ‘900 purtroppo non ancora entrati nella pratica
didattica delle scuole, e dall’altro è prioritario
prevedere un forte coinvolgimento personale degli
studenti con l’oggetto di studio, condizione necessaria
per garantire un effettivo apprendimento scientifico
(Bednar, et al 1991; Merrill 1992; Michelini, Cobal
2002) e per l’orientamento formativo (La porta 1996;
Bosio 1996; Burba et al 2004; Honsel et la 2004;
Disint et al 2005)
La Scuola Estiva di Fisica Moderna, progettata e
messa a punto dall’Unità di Ricerca in Didattica della
Fisica dell’Università di Udine (URDF), è nata come
proposta che traduce operativamente questi esiti di
ricerca ed esito essa stessa di ricerca in termini di
percorso formativo di eccellenza per studenti degli
ultimi anni delle scuole superiori italiane, con le
seguenti finalità generali: offrire come sfide, in
contesti ludici, significative proposte di percorsi
operativi, per la costruzione del pensiero formale su
rilevanti aspetti di fisica moderna; offrire esempi di
attività sperimentali realizzabili direttamente dai
ragazzi in laboratorio didattico; fornire quadri Figura 1. Il frontespizio del depliant della scuola estiva
concettuali di rifermento attraverso attività
seminariali; prevedere un equilibrato bilanciamento tra le diverse attività.
La Scuola Estiva è stata organizzata nell’ambito del Progetto Lauree Scientifiche (PLS) ed in
particolare nel contesto del Progetto IDIFO, meglio illustrato all’indirizzo
http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/index.htm
La prima scuola estiva nazionale di eccellenza è stata realizzata nel luglio 2007, come ricaduta del
master IDIFO per insegnanti di scuola secondaria superiore sulla fisica moderna. È stata riproposta
e rinnovata nel luglio 2009 nell’ambito del progetto IDIFO2 del PLS2, descritto alla pagina
http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/ftp/pls2/idifo2.pdf. L’ambiente web di gestione della
Scuola estiva è http://agenda.fisica.uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45
La scuola estiva IDIFO2 - 2009 è stata attuata in collaborazione con la Scuola Superiore, la Facoltà
di Scienze Matematiche Fisiche Naturali, la Facoltà di Scienze della Formazione dell’Università di
Udine, il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste, l’Area di Ricerca del Sincrotrone di
Trieste, il MIUR - Direzione Generale dello studente e degli Ordinamenti Scolastici.
Se ne presentano e discutono le principali caratteristiche progettuali, modalità attuative, fornendo
alcuni primi elementi sui suoi esisti, tuttora in corso di analisi.
Il bando
La Scuola Estiva è stata offerta a studenti del IV e V anno delle Scuole Secondarie di II grado
nell’a.s. 2008/2009, diffondendo sull’intero territorio nazionale il pieghevole con la presentazione
della scuola e la scheda da compilare per la domanda di ammissione alla scuola (fig1) e attivando il
sito web della scuola (http://agenda.fisica.uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45). Il numero
massimo di studenti ammessi, inizialmente fissato in 30 unità, è stato successivamente portato a 40
grazie ai contributi del MIUR e dei diversi enti locali collaboratori (l’Università di Udine,
L’Università di Trieste, L’ERDISU, la Fondazione CRUP, Il centro di simulazione numerica
Democritos).
La selezione è stata effettuata, da un’apposita commissione, sulla base dei seguenti criteri di
priorità: a) certificazione del profitto riportato dallo studente nelle materie scientifiche nell’anno
scolastico 2007-2008 e al termine del primo quadrimestre dell’anno scolastico 2008-2009, rilasciata
dall’Istituto di appartenenza; b) regione di residenza per la miglior distribuzione nazionale (ai sensi
del Progetto IDIFO2 il 20% dei posti è riservato a studenti residenti in Friuli Venezia Giulia); c)
tipologia di Scuola Secondaria; d) altri titoli eventuali (in particolare partecipazione a gare di fisica
e altre materie scientifiche); e) maggiore età anagrafica.
La selezione
La selezione è stata effettuata sulle domande di iscrizione presentate da 290 studenti di 168 scuole
distribuite su tutto il territorio nazionale. Il maggior numero di domande si è avuto nell’ordine da:
Veneto, Friuli VG, Puglia, Lombardia, Lazio.
La commissione di ammissione ha stilato la graduatoria delle domande traducendo in punteggio i
criteri prima richiamati. La base del punteggio è stata data dalla media delle valutazioni sui due anni
indicati e dalla scuola di provenienza. Ad eventuali altri titoli documentati sono stati attribuiti
ulteriori punteggi a scalare per: partecipazione alle prove internazionali, nazionali, regionali, locali
delle olimpiadi della fisica, della matematica, delle scienze, della chimica; superamento di esami di
ammissione all’accademia militare; frequenza a corsi universitari di non meno di 25 ore. Sono stati
infine tenuti in conto i criteri territoriali, da un lato per garantire la presenza del 20% di studenti del
Friuli VG come da bando, e dall’altro per garantire la più ampia rappresentanza delle diverse
regioni italiane, compatibilmente con una elevata soglia di punteggio.
In figura 2 è illustrata la distribuzione geografica delle domande e dei 40 studenti ammessi alla
scuola di Fisica Moderna dell’Università di Udine 2009. I due studenti, che pure ammessi hanno
dovuto rinunciare alla partecipazione, sono stati integrati con i primi due studenti tra gli esclusi.
Un quadro della tipologia di studenti che hanno partecipato al bando è illustrata nella figura 3 dove
é stata rappresentata la distribuzione della somma delle valutazioni medie riportate dagli studenti
alla fine dell’a.s. 2007/08 e al termine del primo periodo di valutazione del 2008/2009. Tale
distribuzione ha una media sui due anni di valutazione di µ= 16,2/20 (8,1 per anno) con una
deviazione standard σ = 1,6. Essa evidenzia un livello decisamente alto della prestazione scolastica
degli studenti accompagnata da una notevole omogeneità del campione.
L’elevato numero di domande pervenute, nonostante il breve tempo in cui è stato aperto il bando,
l’alto livello degli studenti che hanno fatto domanda, l’elevata aspettativa dimostrata attraverso vari
canali comunicativi da moltissimi dei partecipanti al bando, sono tutti indicatori del fatto che la
Scuola Estiva proposta dall’Università di Udine risponde ad un ben preciso bisogno di alta
formazione su temi di fisica moderna espresso da studenti di tutta Italia.
Fig 2. Distribuzione geografica delle domande pervenute e tra
parentesi delle 40 domande accettate. In Friuli VG ai 6
studenti in graduatoria, sono stati ammessi in soprannumero in
qualità di valutatori due degli studenti che pur avendo fatto
domanda non erano rientrati tra i 40 ammessi ed uno studente
della Scuola Superiore dell’Università di Udine.
Figura. 3 Distribuzione della somma delle medie delle valutazioni
sui due anni considerati nel bando. Tale distribuzione ha una media
di µ= 16,2/20 (8,1 per anno) con una deviazione standard σ =
1,6 . Tale distribuzione è statisticamente simile a quelle scorporate
per gli studenti del 4 e del 5 anno.
Modello attuativo
Il modello attuativo della Scuola Estiva di fisica moderna è caratterizzato dall’integrazione delle
seguenti attività:
A. Percorsi esplorativi di apprendimento basati su attività di esplorazione operativa di contesti, con
metodologie tipiche dell’inquiry learning (McDermott 2001; Abd-El-Khalick et al. 2004;
Michelini 2006) e del problem solving (Munson 1988; Watts 1991) su tematiche di fisica
moderna;
B. Laboratorio sperimentale per gruppi a rotazione;
C. Esperimenti a grande gruppo;
D. Laboratori di simulazione;
E. Seminari formativi di esperti;
F. Gli studenti relazionano;
G. Gare;
H. Visite, attività complementari, attività sociali.
Esse vengono qui brevemente illustrate.
A.Percorsi esplorativi.
Sono stati proposti i tre percorsi:
MQ- L’esplorazione dei fenomeni di
polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi
alla teoria della Meccanica Quantistica;
Figura 4. Il kit per l’esplorazione della polarizzazione
SC - Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare
messo a punto nell’ambito del progetto IDIFO
fenomeni di superconduttività;
RBS - Rutherford Backscattering Spectroscopy - Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca
nella fisica dei solidi.
Si tratta di laboratori didattici che hanno in comune i seguenti elementi:
1) utilizzo di strategie PEC (Michelini, Santi, Sperandeo 2002; Lawson 2008),
nell’esplorazione di contesti fenomenologici semplici per riconoscere operativamente
concetti e grandezze, pianificando ed effettuando misure significative spesso con sensori online con il computer;
2) analisi di dati per la costruzione di leggi fenomenologiche;
3) costruzione di ipotesi interpretative e confronto con gli esiti sperimentali, anche mediante
analisi di simulazioni che propongono situazioni ideali o effettuando attività di computer
modeling;
4) utilizzo di schede di lavoro aperte basate sul metodo dell’inquiry learning (McDermott
2001; Martongelli et al. 2001; Michelini, Santi, Stefanel 2008);
5) questionari di valutazione, secondo le modalità di valutazione variazionale
dell’apprendimento (Aiello et al 2000).
I tre percorsi attuati si caratterizzano per i seguenti aspetti:
Il percorso MQ (Ghirardi et al 1997; Michelini et al 200; Michelini, Stefanel 2004; Michelini
2008) mira alla costruzione del pensiero formale a partire dall’analisi della fenomenologia della
polarizzazione ottica (Michelini, Stefanel 2006), per la costruzione dei concetti fondanti della
meccanica quantistica: il concetto di stato quantico e il ruolo del principio di sovrapposizione, i
concetti di incompatibilità e indeterminismo, il ruolo giocato dal formalismo nell’attribuire
significato agli enti fisici. In tale attività sono stati impiegati i kit sperimentali sulla polarizzazione
messi a punto nel contesto di IDIFO (fig. 4).
Il percorso SC sulla superconduttività, si avvale
delle proposte sviluppate nell’ambito del progetto
MOSEM per l’introduzione dello studio della
superconduttività nella scuola secondaria
superiore
a
partire
dal
contesto
dell’elettromagnetismo (Engstrom et al. 2008; Figura 5. Levitazione di un magnete su un superconduttore
Viola et al. 2008). Un’attività preliminare di
esplorazione dei fenomeni magnetici mira alla costruzione della rappresentazione delle linee di
campo magnetico come strumento per la descrizione e identificazione della fenomenologia
elettromagnetica. Lo studio dell’induzione elettromagnetica viene approfondito anche in termini
interpretativi prima di affrontare i fenomeni tipici prodotti da superconduttori coma la levitazione
dovuta all’effetto Meissner o all’effetto pinning (fig. 5).
Il percorso RBS si propone come laboratorio di
preparazione ad un problem solving sperimentale per
l’analisi di tipici spettri RBS (Corni et al. 1996)
Costruisce concetti di base per l’analisi del processo di
interazione, come quello di sezione d’urto, energie di
processo, coefficiente cinematico e potenza di arresto
(stopping power). Si affronta si esplorano semplici
esperimenti di urti meccanici per costruire ponti analogici
tra situazione esplorata in laboratorio e processo di
scattering colombiano. L’analisi di spettri RBS incogniti,
proposta con modalità tipiche del problem solving,
diviene una sfida in cui la dimensione ludica attiva il Figura 6. L’interpretazione degli spettri RBS
gioco interpretativo.
B. Laboratorio sperimentale per gruppi a rotazione.
Una delle attività qualificanti della scuola è il laboratorio sperimentale su esperimenti cruciali della
fisica moderna, proposto a gruppi di 4-5 studenti a rotazione. Per consentire a tutti i gruppi di
realizzare le esperienze sono stati proposti i sei percorsi di attività sperimentali realizzati a gruppi su
due mezze giornate di lavoro: A) Diffrazione ottica con sensori on-line; B) Misura della velocità
della luce; C1) Misure di resistività ed C2) effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori;
D1) Esperimento di Franck & Hertz e D2) determinazione del rapporto e/m. Si tratta di una
selezione di esperimenti tra quelli messi a punto e proposti nel contesto di IDIFO e delle due scuole
estive e elencati in tabella 1. La maggior parte delle altre proposte sperimentali è stata presentata o a
grande gruppo o inserita nei percorsi didattici esplorativi come specificato nel seguito.
Titolo
Descrizione
Frank e Hertz
Misura delle energie di transizione atomica del mercurio
Spettri di emissione
Analisi con reticolo di diffrazione di spettri di emissione di elementi diversi
Rapporto e/m per l’elettrone
Misura del rapporto tra la carica e la massa dell’elettrone con il metodo delle
bobine di Helmoltz
Diffrazione ottica
Acquisizione con sensori on line e analisi della distribuzione di intensità luminosa
Polarizzazione
Introduzione operativa alla polarizzazione come proprietà della luce e suo ruolo
per comprendere lo stato quantico
Trasmissione ottica
Sensori on line per leggi di Malus e trasmittività di polaroid
Effetto Hall
Misura della costante di Hall per materiali diversi
Resistività
Misura della resistività di metalli, semiconduttori e superconduttori in funzione
della temperatura.
Effetto fotoelettrico
Esplorazione dell’effetto fotoelettrico e misura di h
Avogadro
Misura del numero di Avogadro
Effetto termoionico
Esplorazione dell’effetto termoionico con un diodo a vuoto
Velocità della luce
Misura della velocità della luce in mezzi diversi
Effetto Ramsauer
Assorbimento quantistico risonante degli elettroni da parte di atomi di Ar e
determinazione del raggio medio di tali atomi
Tabella 1. Esperimenti di fisica moderna messi a punto e proposti nel Master IDIFO e nelle scuole estive di Fisica
Moderna.
Per ciascun esperimento hanno operato due tutor, ciascuno seguiva un gruppo di studenti. Il tutor
aveva il compito di introdurre la fisica dell’attività proposta, presentando il principio della misura,
le caratteristiche dell’apparato, gli obiettivi della misura e fornire il supporto tecnico ai ragazzi
laddove si rendesse necessario. Effettuata l’introduzione doveva però lasciare che ciascun gruppo
conducesse l’esperimento in autonomia, basandosi sulle indicazioni delle schede proposte per la
raccolta dati. Le schede per l’attività di laboratorio fornivano stimoli e indicazioni operative, più
che guidare i ragazzi nel lavoro.
C. Esperimenti a grande gruppo.
Per offrire un quadro completo degli esperimenti cruciali per le nuove teorie fisiche del Novecento
(Tabella 1) sono stati effettuati esperimenti dalla cattedra. Con particolare dettaglio sono stati
effettuati gli esperimenti sull’effetto Ramsauer e l’effetto fotoelettrico, con presa dati in tempo reale
e discussione di dati campione.
D. Laboratorio di simulazione.
Il laboratorio di simulazione “Fare fisica con il computer (il moto browniano)” ha offerto
un’occasione per vivere in prima persona un’esperienza di fisica computazionale. Ha permesso di
esperire un modo di fare fisica, che si è sviluppato con l’avvento dei computer: studiare fenomeni
basandosi su simulazioni numeriche, che riproducono situazioni sperimentali. Organizzato dal
Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste (Peressi Maria e Pastore Giorgio), con la
collaborazione del Gruppo di Fisica Computazionale dell’Università di Udine (Giannozzi P), tale
laboratorio si è incentrato sulla simulazione del moto browniano al computer. Esso ha consentito di
passare dall’analisi di processi aleatori allo studio della distribuzione di Boltzmann, allo studio di
micro particelle in sospensione in un liquido introducendo in modo operativo il concetto di libero
cammino medio.
E. Seminari culturali.
Per offrire quadri culturali di ampio respiro, legati alle attività di ricerca in corso, sia nell’ambito
della fisica, che in quello dell’informatica e della matematica, sono stati integrati nella scuola estiva
seminari condotti da responsabili di progetti di studio e ricerca.
Le ricerche di punta nel campo delle alte energie condotte con i grandi acceleratori o telescopi di
nuova concezione sono stati il cuore delle prospettive di ricerca in fisica illustrate. Sono state in
particolare illustrati gli esperimenti ATLAS, che sta cominciando la raccolta dati al grande
acceleratore LHC al CERN e l’esperimento MAGIC che ormai da alcuni anni a Las Palmas fa
osservazioni ai confini dell’universo, avendo il cosmo come laboratorio. Altri seminari hanno
riguardato tematiche di confine tra matematica e fisica su evoluzione e complessità, modelli e
ontologie, i gruppi di simmetrie sul piano. I problemi della relatività dal punto di vista storico è
stato un seminario di approfondimento alle misure, di completamento all’attenzione data nella
Scuola alla fisica quantistica e della materia.
F. Gli studenti relazionano.
Uno degli obiettivi più importanti della scuola è quello di offrire occasioni formative in cui non solo
è previsto il coinvolgimento attivo degli studenti, ma è anche prevista l’esplicitazione da parte degli
studenti di quali sono gli apprendimenti. È questo un obiettivo considerato centrale anche in termini
di valutazione della qualità dell’offerta formativa con la Scuola. Sulla scorta di analoga esperienza
realizzata nella prima scuola, è stato effettuato un seminario finale in cui gli studenti hanno
relazionato a piccoli gruppi sull’analisi di spettri RBS, i concetti di Meccanica Quantistica, le
attività di laboratorio. I diversi gruppi in cui erano stati suddivisi gli studenti partecipanti alla scuola
hanno relazionato sui segmenti principali in cui erano suddivisi i percorsi esplorati. Due gruppi per
ciascun segmento di percorso hanno proposto presentazioni a confronto analizzate e valutate sia dai
docenti della scuola sia dai ragazzi partecipanti alla scuola.
Così si sono avuti due gruppi che hanno relazionato su ciascuno degli esperimenti proposti in
laboratorio evidenziando i problemi sperimentali e concettuali inerenti le misure, sottolineando
aspetti e prospettive diverse sugli esperimenti svolti. Nel caso della diffrazione in particolare in cui
sono stati proposti due diversi tipi di apparati, gli studenti si sono anche misurati in una gara di
analisi delle potenzialità dei rispettivi strumenti utilizzati.
Nel caso della MQ le coppie di gruppi a confronto hanno relazionato su: A) fenomenologia della
polarizzazione e sua interpretazione in termini di processi a singolo fotone; B) polarizzazione come
proprietà quantistica dinamica dei fotoni, proprietà mutuamente esclusive e incompatibili; C)
impossibilità di attribuire una traiettoria alle particelle quantistiche; D) introduzione del formalismo
vettoriale per la rappresentazione dello stato quanto- meccanico.
Per l’RBS gli studenti a coppie di gruppi hanno ripercorso l’introduzione dei concetti di stopping
power, sezione d’urto e coefficiente cinematico e gli elementi di analisi degli spettri RBS.
G. Gare.
Un aspetto che ha caratterizzato la scuola estiva del 2009 rispetto alla prima edizione del 2007 è
stata la proposta di competizioni come attività di sintesi e valutazione affiancate alle citate relazioni
finali a confronto. Sono state proposte competizioni sui diversi temi: 1) Laboratorio; 2) Meccanica
quantistica; 3) Superconduttività; 4) RBS.
La gara relativa al laboratorio sperimentale si è svolta contestualmente alle presentazioni finali sui
diversi esperimenti degli studenti. I premi sono andati alle presentazioni migliori per: analisi e
presentazione della situazione sperimentale considerata; qualità dei dati presentati e loro
elaborazione; significatività delle considerazioni sviluppate in merito alla conduzione
dell’esperimento.
La gara di MQ è stata proposta sempre nel contesto della presentazione a gruppi avendo
preventivamente specificato per ciascun gruppo il nodo da affrontare nello sviluppare il tema
assegnato: l’analisi del passaggio tra gli esperimenti fenomenologici sulla polarizzazione e quelli
ideali a singolo fotone; l’attribuzione di proprietà e il nodo dell’indeterminismo non-epistemico
nella misura in MQ; la perdita di significato del concetto di traiettoria in MQ; il ruolo del
formalismo vettoriale nel definire il significato dello stato quantistico.
Figura10. Da sinistra a destra: Gli studenti premiati della gara sulla RBS e quelli della gara di SC con alcuni dei docenti.
La gara di SC ha riguardato “Il treno MAGLEV a levitazione magnetica”. Ai ragazzi è stato
richiesto di rispondere in forma aperta sui seguenti tre punti: 1) Descrivere il treno; 2) Descrivere il
suo funzionamento; 3) Spiegare il suo funzionamento. Per la valutazione sono stati considerati: la
significatività e completezza degli elementi descritti in merito ai punti 1) e 2); gli elementi
interpretativi messi in gioco nella spiegazione del punto 3.
La gara di RBS ha previsto l’analisi di spettri di film sottili di 50 nm di Au, Ag, Cu e T, non
necessariamente di elementi puri. su un substrato di silicio. Agli studenti è stato dato il compito di
determinare per ciascun campione gli elementi costituenti e la stechiometria. La valutazione è stata
fatta in base al numero di analisi corrette effettuate.
H. Visite e attività sociali.
La presenza del sincrotrone Elettra nell’area di ricerca situata nel carso triestino a poche decine di
chilometri da Udine, offre una interessante occasione di visita da parte degli studenti della scuola a
una rilevante struttura di ricerca dove si incontrano sia ricerche di ambito prettamente accademico,
sia ricerche di tipo applicativo e industriali.
La struttura di Elettra, il suo funzionamento, la caratteristica della luce da esso prodotta e i suoi
sviluppi appena attuati e futuri sono stati presentati agli studenti ella scuola estiva dal vicedirettore
di Elettra prof. G. Comelli e da M. Bertolo, project manager della rete fra i laboratori di luce di
sincrotrone e i free electron laser europei. Una breve rivista di alcune tra le principali ricerche
condotte con Elettra ha fornito una panoramica sull’attività del centro costituendo una rilevante
attività di orientamento per i ragazzi.
Le attività sociali organizzate sono state poche, per l’intenso impegno richiesto nelle numerose
attività formative, ma gli studenti le hanno apprezzate e vissute intensamente. Esse sono le seguenti:
la visita alla città di Trieste, abbinata alle attività formative condotte nel capoluogo giuliano e la
cena di fine scuola, alla sera dell’ultima giornata.
Organizzazione e modalità attuative.
Le attività della scuola sono tutte state organizzate presso il polo scientifico dell’Università di
Udine, eccetto che una conferenza serale ospitata presso il prestigioso Centro Internazionale di
Scienze Meccaniche (CISM) di Udine e la giornata a Trieste svoltasi tra l’area di ricerca del
sincrotrone, i laboratori informatici del Dipartimento di Matematica dell’Università di Trieste, il
centro cittadino.
Gli studenti sono stati alloggiati presso il collegio universitario dell’ERDISU di Udine.
Programma
Lunedì 27 luglio
8.30-10.30 Saluto Rettore Università di Udine e autorità. Presentazione delle attività
10.30-13.00 Seminari: Evoluzione e complessità, L. C. Piccinini, Dir. Scuola Superiore, Univ. Udine; Modelli e ontologie, E.
Toppano, Resp. PLS Matematica, Univ. Udine; Osservazioni ai confini dell’universo, A. De Angelis, Resp. Naz. esperimento
Magic,
14.00-18.30 Lab. Didattico: Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività – Parte I e Parte II R.
Viola, Università di Udine
Martedì 28 luglio
8.30-13.00 Lab. Didattico: L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria della
Meccanica Quantistica – Parte I e Parte II, M. Michelini, A. Stefanel, Università di Udine
14.00-18.30 LSG – Laboratorio Sperimentale a Gruppi: A) Diffrazione ottica con sensori on-line, B) Misura della velocità della
luce, C) Misure di resistività ed effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori; D) Esperimento di Franck & Hertz e
determinazione del rapporto e/m, URDF
Mercoledì 29 luglio
8.30-13.00 LSG – Laboratorio Sperimentale a Gruppi: A) Diffrazione ottica con sensori on-line, B) Misura della velocità della
luce, C) Misure di resistività ed effetto Hall in semiconduttori, metalli, superconduttori; D) Esperimento di Franck & Hertz e
determinazione del rapporto e/m, URDF
14.00-18.30 lab Didattico: RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella
fisica dei solidi. Parte I –Parte II, M. Gervasio, A. Mossenta, Università di Udine
21.00-22.00 Fare fisica con il computer, M. Peressi e G.Pastore, Università di Trieste
Giovedì 30 luglio
9.15-10.45 Visita guidata al Sincrotrone a cura di G. Comelli, vicepresidente di Elettra, e M. Bertolo, project manager della rete
fra i laboratori di luce di sincrotrone e i free electron laser europei
11.00-13.00/14.00-15.30 Fare fisica con il computer: il moto browniano. Parte I/Parte II Attività proposta da M. Peressi e G.
Pastore, Università di Trieste, e P. Giannozzi, Università di Udine, e Centro Nazionale di Simulazione Numerica CNRINFM
Democritos.
15.30-17.30 Visita a S. Giusto, Piazza della Borsa e Piazza Unità a Trieste
Venerdì 31 luglio
8.30-10.30 Seminari: I gruppi di simmetrie sul piano, P. Corvaja, Università di Udine; I problemi della relatività visti dal punto
di vista storico, G.L. Michelutti, Università di Udine
11.00-13.00 Lab. Sperimentale a grande gruppo: Risonanza di spin ed esperimento Ramsauer, L. Santi, Università di Udine;
Effetto fotoelettrico, I. Sciarratta, Sezione AIF di Pordenone
14.00-18.30 Gli studenti relazionano su: Analisi degli spettri RBS, Coordina: A. Mossenta, Università di Udine; i concetti di
Meccanica Quantistica, Coordina: M. Michelini, Università di Udine; Attività di laboratorio, Coordina: L. Santi, Università di
Udine
Tabella 2. Il programma della scuola estiva
Per ciascuna attività c’è stata: 1) una preliminare discussione per individuazione degli obiettivi
disciplinari e metodologici specifici cui si mirava e parallelamente di domande di ricerca a cui si
voleva dare risposta; 2) la messa a punto della proposta tematica e/o operativa (proponendo
differenziate modalità di lavoro che garantissero la multidimensionalità richiamata e
soddisfacessero ai vincoli di contesto); 3) la preparazione degli strumenti didattici con cui far
lavorare i ragazzi (esperimenti, schede, test, questionari), costruiti anche per poter raccogliere
informazioni da cui estrarre risposta alle domande di ricerca che erano state individuate; 4) la
conduzione dell’attività da parte di almeno due ricercatori o un docente esperto; 5) il monitoraggio
di un tutor che da un lato fungeva da osservatore dell’attività, raccogliendo, in base a griglie aperte,
indicazioni sulle modalità di lavoro del conduttore, sui nodi emersi e i processi cognitivi attivati
dagli studenti, e dall’altro aveva il compito di coadiuvare il conduttore soprattutto nella fase
riepilogativa del lavoro e in quelle in cui gli studenti svolgevano attività in gruppo; 6) raccolta dei
prodotti realizzati dagli studenti (schede, test e questionari lasciandone copia agli studenti); 7) prima
analisi di tali materiali per dare un feedback immediato agli studenti indirizzando la discussione
riepilogativa di ciascuna attività sui nodi che si sono riscontrati come maggiormente problematici.
I materiali
Agli studenti ammessi alla scuola, insieme allo zainetto della scuola contenete le documentazioni
informative (invito alla Scuola Estiva, lettera di benvenuto, programma, informazioni turistiche sul
territorio friulano) e il materiale illustrativo della Scuola Superiore, sono stati consegnati documenti
di studio e tutorato sulle attività: presentazione delle attività sperimentali; schede operative; schede
stimolo del tipo PEC; illustrazioni dei percorsi e relative schede di lavoro; libretto di presentazione
del la proposta di modulo. In tabella 3 sono elencati i materiali di studio forniti agli studenti.
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Materiali relativi alle attività didattiche
Michelini M., Stefanel A., Avvicinarsi alla teoria della Fisica Quantistica. Una proposta per la didattica, Università degli
Studi di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004
Michelini M., Stefanel A., Esplorare con gli oggetti di ogni giorno i Fenomeni Elettromagnetici, Università degli Studi di
Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004
Michelini M., Stefanel A., La polarizzazione della luce. Catalogo di esperimenti, Università degli Studi di Udine – Unità di
Ricerca in Didattica della Fisica, Forum, 2006
Asimmetrie – Rivista dell’Istituto nazionale di Fisica, Anno 4, N. 8, 2009 - Il Bosone di Higgs
Viola R., La superconduttività – La fisica – La storia – Le applicazioni
Mossenta A., Rutherford Backscattering Spectrometry
Santi L., Schede Esperienze con le relative Schede di Lavoro:
Viola R., curatore, Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività
Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria
della Meccanica Quantistica
Mossenta A., RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica
dei solidi.
Viola R., curatore, Mettersi in gioco nell’esplorare e interpretare fenomeni di superconduttività
Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sfida per avvicinarsi alla teoria
della Meccanica Quantistica
Mossenta A., RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica
dei solidi
Piccinini, Evoluzione e complessità
P. Corvaia, Simmetrie del Piano
Tabella 3. I materiali forniti agli studenti.
Rai – Educational
Il Ministero ha deciso di valorizzare l’iniziativa, segnalandola alla RAI. Un regista di RAIEducational ha curato la videoregistrazione di tutte le attività della scuola, effettuate da ricercatori e
tecnici del Dipartimento di Fisica, del Centro Linguistico Audiovisivi dell’Università di Udine.
L’ultima giornata è stata interamente ripresa dalla troupe di RAI-Educational, in presenza del
regista Bruno R con l’obiettivo di realizzare una trasmissione appositamente dedicata alla scuola
estiva in cui venissero documentate sia le diverse attività sia soprattutto le relazioni effettuate dai
ragazzi.
Il monitoraggio e la valutazione
La presenza di valutatori esterni, suggerita dal Ministero per garantire una valutazione il più
oggettiva e differenziata possibile, è stata ampia e differenziata. Sono stati valutatori esterni: 1
responsabile MIUR; 1 ricercatore ANSAS di Palermo; 1 segretario di Sezione dell’Associazione per
l’Insegnamento della Fisica; 2 studenti. Il gruppo di valutatori esterni ha dato un riscontro da più
punti di vista: quello organizzativo - istituzionale, quella della ricerca didattica, quello della scuola,
quello dei ragazzi.
Sul piano della valutazione degli apprendimenti con strumenti specifici, sono state utilizzati i
seguenti strumenti:
- le schede di lavoro che hanno accompagnato le diverse attività;
- questionari aperti utilizzati come strumenti di riepilogo di ogni modulo;
- i materiali prodotti dagli studenti a seguito di ogni attività;
- i documenti prodotti dagli studenti nelle gare;
- le relazioni finali presentate anche oralmente dai ragazzi.
Le diverse attività della scuola sono state inoltre valutate dagli studenti sulla base di schede di
monitoraggio che prevedevano per ciascun seminario, modulo formativo, attività sperimentale,
visita le voci previste nel monitoraggio REQUS del PLS.
Non potendo qui documentare per esteso quanto emerso dal monitoraggio, per evidenti motivi di
spazio, si riportano qui di seguito solo i commenti finali aperti da parte degli studenti:
• Complimenti a tutti
• è stata un'esperienza BELLISSIMA e i docenti sono preparatissimi! Forse il lavoro è stato
troppo intenso e andrebbe fatta più teoria, ma questi sono dettagli! Esperienza formativa
unica, davvero un privilegio!
• I materiali scritti sono stati probabilmente la cosa più utile di questo corso perché anche a
distanza di tempo potrò riguardare dettagliatamente le esperienze fatte. Bellissimi i coffee
breack!!!! SIMPATICISSIMI E DISPONIBILI I PROFESSORI !!!!!GRAZIE
• Ho apprezzato l'iniziativa per l'organizzazione precisa che ha permesso lo svolgimento di
un programma intenso e di altissimo valore, grazie anche soprattutto alla professionalità,
disponibilità e passione dei docenti, dei tutor e degli altri organizzatori
• Distendere le attività su più giorni. BELLISSIMA esperienza, complimenti!
• Molto interessante ma sarebbe necessario più tempo per svolgere al meglio le attività al di
fuori del laboratorio
• è stata davvero una bella esperienza, ne è veramente valsa la pena, non solo dal punto di
vista formativo, ma anche umano
• L'attività è stata bellissima, 10 e lode
Un ruolo importante è stato svolto dai due studenti-valutatori esterni. Essi hanno messo a punto
prima dell’inizio della scuola un protocollo di monitoraggio delle attività ed un altro di intervista
dei partecipanti, hanno partecipato loro stessi alle attività ed hanno intervistato da pari gli altri
studenti partecipanti alla scuola.
Sul piano della ricerca didattica e della qualità di materiali ed attività è stata soprattutto la
valutazione esterna dell’ANSAS. Si riportano qui solo alcune frasi del nutrito rapporto consegnato
dal ricercatore incaricato: “…..A conclusione dei lavori, si esprime un giudizio altamente positivo
sia sulle singole professionalità impegnate nella Scuola, sia sull’impegno davvero eccezionale
profuso dal gruppo dei referenti scientifici. Le attività sono state sempre dense e costruttive, i
metodi e le tecniche scelte in tutte le fasi sono stati sempre strettamente funzionali agli obiettivi
della Scuola e singolarmente efficaci. Il gruppo di Progetto ha inoltre dato prova di intelligente
duttilità nell’adattare le soluzioni via via ipotizzate alle condizioni operative riscontrate sul
terreno, senza mai perdere di vista gli obiettivi del progetto, garantendone un’alta validità
scientifica. Perfetto, rapido ed efficiente il lavoro; fluida e funzionale la comunicazione, sia
orizzontale che verticale, all’interno del gruppo..”
Conclusioni
La Scuola Estiva IDIFO2 progettata e realizzata dall’URDF dell’Università di Udine ha offerto agli
studenti degli ultimi due anni delle scuole secondarie superiori italiane una opportunità formativa di
alto livello, rivolta alla valorizzazione delle eccellenze nell’ambito della fisica moderna. Essa ha
offerto ai giovani un ambiente stimolante di approfondimento scientifico e matematico, basato sul
personale coinvolgimento in sfide ludiche da vivere in cooperazione tra giovani e docenti
universitari. Un ambiente in cui l’atmosfera, i metodi e gli strumenti della ricerca scientifica sono
direttamente esplorati da ciascun partecipante.
Essa ha costituito una risposta efficace a una esigenza delle scuole sia per quello che riguarda la
valorizzazione delle eccellenze sia per quello che riguarda i temi di fisica moderna, in generale
tuttora assenti dai programmi effettivamente svolti nelle classi. La risposta al bando da parte di un
elevato numero di studenti in entrambe le edizioni (nonostante i brevi tempi di apertura) testimonia
che c’è una forte esigenza e richiesta sia di una formazione di qualità in particolare sulla fisica
moderna
I temi di fisica moderna scelti come proposte di esplorazione concettuale di 6 u.o. sono stati la
Meccanica Quantistica, data la sua rilevanza come teoria guida della fisica moderna e base per la
costruzione nel pensiero teoretico, la superconduttività, per la sua rilevanza sul piano applicativo e
la possibilità di proporla in termini esplorativi attraverso semplici proposte sperimentali; la
Rutherford Backscattering Spettroscopy (RBS) come esemplificazione di tecnica di analisi della
fisica dei materiali, che impiega essenzialmente apparati concettuali classici. Altre tematiche
rilevanti, come la relatività, le particelle elementari, ricerche di informatica e matematica di
raccordo con la fisica sono state oggetto di attività seminariali. Un nucleo di 6 proposte di attività di
laboratorio sperimentale su esperimenti cruciali della fisica moderna è stato effettuato a rotazione
dagli studenti per un totale di 8 ore. In questo modo è stato possibile offrire una proposta equilibrata
di piano orario che consentisse lo svolgimento dei micro percorsi garantendo adeguati tempi di
lavoro, prevedendo opportuni momenti e modalità di valutazione degli apprendimenti, fornendo
esemplificazione delle metodiche tipiche dell’indagine fisica moderna. L’integrazione di differenti
proposte e attività mirava anche a dare occasioni di orientamento formativo in fisica in particolare
con esemplificazioni di metodologie e modalità tipiche di lavoro della fisica.
Gli esiti degli apprendimenti, la cui analisi è tuttora in corso, verranno pubblicati successivamente
per le diverse tematiche. Il monitoraggio diretto e in particolare l’alto livello riscontrato nelle
presentazioni effettuate dai diversi gruppi di studenti nella giornata conclusiva e riprese per essere
trasmesse su RAIEDUCATIONAL, oltre a confermare l’eccellenza degli studenti selezionati hanno
fornito utili indicazioni sui possibili percorsi di apprendimento dei ragazzi e i nodi su cui anche
studenti di eccellenza trovano in merito ai temi trattati.
La valutazione effettuata dagli studenti partecipanti ha indicato che la scuola estiva ha risposto alle
loro attese, superandole in non pochi casi. Nei report dei valutatori esterni è stato rimarcato il ruolo
giocato dalla ricerca didattica nel progetto della scuola e nella sua attuazione.
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