PLS2 per la scuola - Sezione di Fisica

Università degli Studi di Udine
Dipartimento di Fisica
Via delle Scienze 208, 33100 Udine – tel +39 0432 558210 – fax -8222
www.fisica.uniud.it
Prosecuzione del progetto Lauree Scientifiche 2008-09
Orientamento e Formazione degli Insegnanti – Area Fisica
Unità Operativa di Udine
Responsabile: Marisa Michelini
[email protected]
Comitato Scientifico (*) e Responsabili di Sede (°)
*Bochicchio Mario (Lecce), *Gagliardi Marta Paola Francesca e °Levrini Olivia (Bologna), *°Giliberti Marco Alessandro (Milano),
*°Guidoni Paolo (Napoli), *Giordano Enrica (Milano-Bicocca),*°De Ambrosis Anna (Pavia), *Michelini Marisa e °Santi Lorenzo (Udine e
Trieste), *Mineo Sperandeo Rosa Maria e °Fazio Claudio (Palermo), *°Rinaudo Giuseppina (Torino), *°Tarsitani Carlo (Roma1),
*Ottaviani Giampiero e Corni Federico (Modena e Reggio Emilia), °Stella Rosa (Bari), °Corni Federico (Bolzano), °Oss Stefano (Trento)
Sito del progetto
http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/index.htm
Piattaforma di e-learning
http://idifo.fisica.uniud.it/uPortal/render.userLayoutRootNode.uP
TITOLO DEL PROGETTO
IDIFO2 – Innovazione Didattica in Fisica e Orientamento
Introduzione
Il progetto IDIFO 1 si è concentrato sulla fisica del ‘900 (fisica quantistica, relativistica, statistica e della
materia) e l’orientamento formativo (Problem Solving per l’Orientamento Formativo disciplinare in fisica)
per la formazione degli insegnanti e le attività di laboratorio sperimentale e didattico . IDIFO2 propone
un’estensione delle attività progettuali di IDIFO 1 e una loro ricaduta in termini di trasferibilità e diffusione.
Prima tra esse la pubblicazione messa a disposizione dei materiali predisposti per la formazione degli
insegnanti per una seconda esperienza formativa a distanza più breve /annuale (Corso di Perfezionamento)
e la loro pubblicazione. Le competenze acquisite nella formazione a distanza di insegnanti su temi di fisica
moderna e la dimensione di formazione in prospettiva di ricerca didattica saranno messe in campo nel
Corso di Perfezionamento.
Saranno riproposte attività aggiuntive realizzate anche in IDIFO1 con fondi ulteriormente reperiti a livello
locale, come:
- Laboratori didattici e cognitivi per studenti secondari sui temi di elettrostatica, elettromagnetismo,
superconduttività e meccanica quantistica;
- Laboratori sperimentali con sensori on-line per l’acquisizione dei dati e l’analisi di fenomeni
meccanici, elettrici, termici ed ottici;
- Mostre interattive per l’educazione informale e la sperimentazione su base ludica;
- Attività di ricerca - azione in collaborazione con le scuole su fisica ed arte;
- Workshop intensivi per insegnanti;
- Una scuola estiva di eccellenza per ragazzi.
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Udine 31.5.08
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Poiché i finanziamenti preannunciati siano di entità ampiamente insufficiente alla riproduzione di tutte tali
esperienze, l’attuazione è condizionata al reperimento dei fondi necessari in termini di finanziamenti
aggiuntivi o cofinanziamenti. La scuola estiva in particolare potrà essere condivisa e sostenuta anche dal
PLS2 di Matematica e dalla Scuola Superiore dell’Università di Udine e dall’Università di Trieste. Si sta
cercando di ottenere il sostegno con risorse umane ed economiche anche dell’International Centre for
Theoretical Physics (ICTP), della Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) e dell’Area di Ricerca di
Trieste.
Si prevede una stretta collaborazione con il PLS2 di Matematica dell’Università di Udine in attività
laboratori ali di modellizzazione qualitativa e quantitativa per l’interpretazione di fenomeni e la costruzione
del pensiero algoritmico, accanto a quello fisico e matematico. Una metariflessione epistemica sulle attività
per abituare ad una visione sintetica di strumenti e metodi, sarà offerta in ogni laboratorio trasversale.
Tematiche come quella del tempo, aspetti interpretativi come quelli della meccanica quantistica e della
superconduttività e importanti applicazioni tecnologiche, accanto ai temi di fisica ed arte portano un
contributo di tipo trasversale più ampio di quello strettamente scientifico nelle proposte progettuali qui
illustrate.
Per l’orientamento si prevede di attivare specifici laboratori basati sulla metodica del Problem Solving per
l’Orientamento formativo disciplinare (PSO), messa a punto e sperimentata con successo per diversi anni.
Nella sua globalità il progetto prevede pertanto attività sia con insegnanti, sia con studenti.
La ricerca didattica costituisce fonte e strumento di materiali e metodi di lavoro.
Azioni proposte
A0. Ricaduta della formazione effettuata con il Master IDIFO. La formazione personale e le
sperimentazioni didattiche effettuate saranno analizzate e documentate per essere messe a disposizione
sia in web, sia in convegni e congressi.
A1. Pubblicazione materiali Master IDIFO. I materiali prodotti da docenti e corsisti nel Master IDIFO
saranno pubblicati in un volume.
A2. Riorganizzazione e aggiornamento piattaforma web. La piattaforma di e-learning utilizzata nel Master
è stata predisposta per lo specifico compito di formazione degli insegnanti a partire dall’ambiente U-Portal
americano. Essa è stata più volte modificata in corso d’opera. L’integrazione delle modifiche effettuate in
una struttura organica è necessaria per il suo riuso.
A3. Corso di Perfezionamento per insegnanti
Verrà emesso un bando di partecipazione in autunno. La quota di adesione è gratuita, fatte salve le tasse di
certificazione (300,00€).
L’attività formativa durerà da gennaio a dicembre 2009 per un totale di 15 cfu, da effettuarsi a distanza in
rete telematica. Saranno offerte 50 ore di attività seminariale e di laboratorio in presenza.
Ciascuno potrà scegliere uno dei seguenti argomenti da affiancare al Problem Solving per l’Orientamento
formativo disciplinare (PSO): A. Meccanica Quantistica, B. Relatività, C. Superconduttività. Nei vari casi si
otterrà un perfezionamento “IDIFO in … A/B/C”. Il Corso prevede la sperimentazione con ragazzi di moduli
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didattici progettati nell’ambito dell’attività formativa. La prova finale consisterà nella discussione dei
project work sul PSO e sull’argomento scelto.
La prova finale rilascia un titolo con valore legale di Perfezionamento.
L’intera attività docente in rete viene effettuata a titolo gratuito dalle 15 Unità di Ricerca in Didattica della
Fisica che aderiscono al progetto. I corsisti pagheranno le spese di amministrazione e certificazione.
A4. Laboratorio didattico avanzato
Il progetto europeo sulla superconduttività e Mosem finanziano la realizzazione di sistemi di misura della
resistività in funzione della temperatura per metalli, semiconduttori e superconduttori e del coefficiente di
Hall (a temperatura ambiente) per i primi due materiali, che la nostra unità di ricerca realizzerà con
acquisizione dati on-line mediante connessione alla porta USB. Nuovi esperimenti significativi si
affiancheranno così a quelli già messi in campo per il progetto Master IDIFO e i relativi Workshop.
Corrispondentemente verranno offerte alle scuole attività sperimentali da condurre sia all’Università di
Udine che in classi delle scuole stesse.
A5. kit didattici sperimentali a disposizione delle scuole
Saranno messi a disposizione delle scuole (prestito a titolo gratuito) kit didattici comprensivi di:
- Opuscoli illustrativi di percorsi didattici, adatti ai ragazzi;
- Indicazioni per l’insegnante, schede di lavoro per ragazzi basati sulla strategia PEC;
- Materiale per gli esperimenti proposti;
per lo studio delle seguenti tematiche:
-
polarizzazione ottica: semplici esperimenti, che permettono di esplorare gli stati di polarizzazione
di pennelli laser che interagiscono con polaroid e cristalli birifrangenti; sono così analizzabili i
macrostati di un sistema quantistico descrivibile in uno spazio a due dimensioni; le schede
didattiche associate ne fanno uno strumento originale, semplice e significativo per la costruzione
delle basi della meccanica quantistica. I materiali sono stati validati da esperti di didattica a livello
nazionale ed internazionale. Il prossimo anno saranno usati per la formazione degli insegnanti in
Austria e in Croazia.
-
fenomeni elettromagnetici: esperimenti significativi realizzati con materiali a basso costo, anche se
tecnologicamente avanzati, per rendere chiari i fenomeni e i relativi processi; particolare
attenzione è posta negli esperimenti di base di carattere magnetico, in quelli elettromagnetici che
evidenziano le caratteristiche della Forza di Lorenz e dell’Induzione Elettromagnetica. Il
comportamento dia- ferro- e para- magnetico è proposto in termini propedeutici all’esplorazione di
fenomeni superconduttivi. I materiali sono stati validati da esperti a livello internazionale
nell’ambito del progetto Europeo MOSEM.
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A6. Scuola Estiva di eccellenza per studenti
Il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Udine, in collaborazione con la Facoltà di Scienze
Matematiche Fisiche e Naturali e la Scuola Superiore della stessa Università di Udine e l’Università di Trieste
organizzerà una Scuola estiva di Fisica Moderna per studenti secondari maggiorenni allo scopo di offrire
agli studenti interessati una base per lo studio di argomenti di Fisica Moderna, quali la Meccanica
Quantistica, la Relatività, la Meccanica Statistica e la Fisica della Materia.
La scuola sarà residenziale e si svolgerà nel luglio 2009.
La partecipazione alla Scuola prevede una serie di attività in presenza, organizzate in lezioni, seminari ed
attività di laboratorio presso i locali del Dipartimento di Fisica dell’Università di Udine e l’ICTP di Trieste.
Con i fondi attualmente disponibili è possibile l’ospitalità di 15 giovani su 50 posti. Fino ad un massimo di 25
posti sarà data priorità alle domande di residenti in Regione FVG.
La selezione dei partecipanti sarà effettuata, da apposita commissione, sulla base dei seguenti criteri di
priorità:
- certificazione del profitto riportato dallo studente nelle materie scientifiche negli ultimi due anni
scolastici;
- tipologia di Scuola Secondaria.
parità di punteggio, la preferenza sarà accordata allo studente anagraficamente più anziano.
Le attività della Scuola Estiva prevedono:
- un ciclo di conferenze e seminari, tenuti dai docenti delle Università collaboranti al Progetto IDIFO2 e
personalità straniere
- attività laboratoriali e di modellizzazione
- attività didattiche guidate da insegnanti.
- visita guidata a centri di ricerca, quale il Sincrotrone ELETTRA dell’Area di Ricerca di Trieste.
Conferenze e Seminari saranno tenuti sui seguenti argomenti di Fisica Moderna:
Fondamenti di Relatività ristretta. La crisi della Fisica Classica e i fondamenti della Fisica Quantistica.
Meccanica Statistica e Fisica della Materia. Tecniche di analisi nella Fisica della Materia. Superconduttività.
Le attività sperimentali comprenderanno i seguenti esperimenti:
- Esperimento di Frank e Hertz. Misura delle energie di transizione atomica del mercurio
- Diffrazione ottica. Acquisizione con sensori collegati in linea con l’elaboratore della distribuzione di
intensità luminosa prodotta su uno schermo da fenditure, analisi dei dati e discussione
delle leggi fenomenologiche caratteristiche
- Polarizzazione. Introduzione operativa alla polarizzazione come proprietà della luce e suo ruolo per
comprendere lo stato quantico
- Le leggi di trasmissione per i polaroid. Misure per il riconoscimento delle leggi di Malus e trasmittività di
polaroid effettuate con sensori collegati in linea con l’elaboratore.
- Effetto Hall. Misura della costante di Hall per materiali diversi
- Effetto fotoelettrico. Esplorazione quantitativa dell’effetto fotoelettrico e misura della costante h
- Effetto termoelettronico. Esplorazione dell’effetto termoelettronico con un diodo a vuoto
- Misura della velocità della luce
- Effetto Ramsauer . Valutazione delle dimensioni di un atomo di Xenon a partire da effetti quantistici
sull’interazione atomo-fascio di elettroni
- Proprietà elettriche e magnetiche di vari materiali
- Il magnete che cade
- L'anelo che salta
- Gli anelli magnetici impilati
- Levitazione magnetica
- Misura della resistenza di un superconduttore in funzione della temperatura.
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Udine 31.5.08
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Uno specifico momento di approfondimento sulla matematica vedrà affrontare gli spazi vettoriali a più
dimensioni, le simmetrie e le basi dell’algebra lineare.
Negli ultimi 30 anni, un terzo paradigma si è aggiunto a quelli tradizionali della Fisica sperimentale e
teorica: quello della Fisica computazionale. Tra i suoi scopi, la Scuola si propone anche di mostrare agli
studenti come grazie all'ausilio dei computer e' oggi possibile non solo risolvere equazioni che non
potrebbero altrimenti essere affrontate, ma persino eseguire veri e propri esperimenti virtuali (simulazioni)
in cui le proprietà della materia, i fenomeni naturali, ambientali, sociali... sono studiati in condizioni non
accessibili in laboratorio o non facilmente osservabili e verificabili nella realtà.
Durante sessioni assistite in laboratorio informatico, si cercherà di stimolare l'interesse degli studenti e
promuovere l'attitudine alla soluzione di problemi specifici, e di insegnare nel contempo ad utilizzare gli
strumenti tecnici necessari per modellizzare e risolvere in modo numerico alcuni semplici problemi reali.
Un laboratorio di fisica computazionale a cura dell’Unità Operativa di Trieste sarà affrontato a partire dal
moto browniano per aprire il campo delle problematiche di meccanica statistica: uno dei settori della fisica
che ha registrato la più lunga evoluzione concettuale lungo tutto il corso dello scorso secolo, di grande
rilievo applicativo anche interdisciplinare (un esempio per tutti le applicazioni in economia). L’attività
computazionale sarà accompagnata da lavoro sperimentale ed approfondimenti dal punto di vista storico.
Si affronteranno argomenti con ampie ricadute concettuali (p.es. il concetto di casualita', probabilita',
fluttuazioni, dissipazione, equipartizione dell' energia...) ed aspetti legati all’utilizzo di metodi numerici e
simulazioni.
L' idea di fondo e' di permettere una comprensione teorica qualitativa ma soprattutto quantitativa del
fenomeno ed in particolare:
-delle proprietà qualitative del moto diffusivo delle particelle;
- della forma quantitativa della dipendenza temporale degli spostamenti in media e come questa sia legata
al coefficiente di diffusione;
- dell'intimo legame tra fluttuazioni ed effetti dissipativi, condensato nella relazione di Einstein tra
coefficiente di diffusione e coefficiente di attrito viscoso.
La realizzazione della scuola a carattere residenziale è condizionata dal reperimento di fondi aggiuntivi e di
collaborazioni ulteriori.
A7. Laboratori didattici
L’importante contributo derivante dal personale coinvolgimento del soggetto nell’oggetto di studio viene
realizzato con una serie di laboratori didattici e sperimentali.
LABORATORI DIDATTICI PER STUDENTI
L1_Maturità e Fisica moderna. Si offrono laboratori di 2 ore sui temi della meccanica quantistica e
della superconduttività per studenti che desiderino preparare tesine di maturità su questi temi.
Ciascuno studente potrà scegliere di effettuare un percorso di 2-6 ore per trattare le tematiche
proposte.
L2_Arte e scienza. In collaborazione con le scuole, si propongono attività di teatro scientifico e di
rappresentazione coreutica di fenomeni elettrici e magnetici. Vengono inoltre predisposti ed offerti
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laboratori su fisica, musica e percezione. Si effettueranno laboratori di 2-6 ore a richiesta delle
scuole.
L3_Modellizzazione quantitativa e qualitativa di artefatti e processi fisici (in collaborazione con
l’UOI del PLS2 di Matematica). Si affronteranno:
a) le basi matematiche del ragionamento qualitativo;
b) metodi e modelli qualitativi (reti di vincoli qualitativi, simulazione qualitativa, teoria dei processi
qualitativi)
c) relazioni tra modelli quantitativi e qualitativi; uso combinato dei due tipi di modelli
d) modellizzazione qualitativa con VnR: processi meccanici, fluidodinamici, termici ed elettrici che
evolvono verso l’equilibrio. Studio delle variabili di processo e dei modelli che li descrivono.
Confronto dei modelli implementati.
L4_Elettromagnetismo. Laboratori concettuali offerti a ragazzi secondari su base sperimentale di
approfondimento della Forza di Lorenz e dell’induzione elettromagnetica. Casi critici e proprietà
magnetiche della materia.
L5_Superconduttività. Laboratori associati ad attività con insegnanti di ricerca azione, con
sperimentazione in laboratori scolastici a cura degli stessi insegnanti di percorsi sul tema della
superconduttività. Utilizzo dei materiali didattici prodotti nell’ambito del progetto europeo
Supercomet.
L6_Fenomeni termici on-line ed energia. Attività sperimentali con sensori on-line con il computer
per ragazzi. Esplorazione di fenomeni termici e loro modellizzazione.
L7_Il tempo e la sua misura. In collaborazione con scuole e il museo dell’orologio di Pesariis si
effettueranno diversi laboratori didattici sul tempo e la sua misura dai tempi più antichi ai nostri
giorni.
L8_La matematica per la meccanica quantistica (in collaborazione con il PLS2 di Matematica): vettori
e spazi vettoriali, operatori lineari, fitting di dati raccolti con esperimenti eseguiti direttamente dai
ragazzi anche con sensori collegati all’elaboratore.
L9_Simulazione numerica al calcolatore (in collaborazione con il PLS2 di Matematica): Analisi
teorica, implementazione e sperimentazione pratica di semplici tecniche computazionali per la
simulazione di sistemi dinamici a tempo continuo. Andamenti ciclici, comportamenti asintotici,
transizioni ordine/caos. Esempi di relazioni diadiche: amore/odio tra due amanti,
conflitto/distensione tra due nazioni, interazioni di tipo predatore/preda in biologia
LABORATORI PER INSEGNANTI di ricerca-azione
Essi sono organizzati in tre fasi:
a. Presentazione di proposte didattiche, materiali didattici ed esperimenti;
b. Analisi di fattibilità e costruzione di percorsi e strumenti didattici da usare in classe per il
monitoraggio dell’apprendimento;
c. Sperimentazione in classe e discussioni in itinere di confronto e microanalisi dei processi di
apprendimento;
d. Valutazione dei risultati e dell’apprendimento.
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Essi saranno realizzati sui temi: SUPERCONDUTTIVITA’, ENERGIA, TEMPO e SCIENZA ED ARTE. A seconda
delle richieste delle scuole e del relativo impegno richiesto potranno essere oggetto di specifico Corso di
Perfezionamento. Su richiesta di un gruppo di insegnanti si sta progettando anche un Corso di
Perfezionamento di FISICA PER LE LETTERE E LE ARTI, rivolto ad insegnanti di materie letterarie ed
artistiche.
A8. Problem Solving per l’OIrientamento formativo a carattere discipinare
Una grande importanza ha la conoscenza di contesti, contenuti e metodi, ma non basta. Attività progettuali
mirate sono indispensabili al soggetto per comprendere strategie e metodi, per sondare il proprio
atteggiamento e interesse verso ambiti disciplinari. Ciascuno ha però bisogno di riflettere sull’operato, di
confrontarsi sugli atteggiamenti , di analizzare strumenti e metodi disciplinari. L’orientamento richiede
specifiche attività. Una metodica di orientamento basata sul problem solving e messa a punto con diversi
anni di sperimentazione si presta all’orientamento disciplinare e verrà offerta alle scuole con la
collaborazione del centro orientamento della Regione FVG. Essa consiste in attività di laboratorio didattico
con sfide ludiche sperimentali ed analisi di processi. Parte dei fondi del progetto europeo Mosem saranno
dedicati a questi laboratori, con insegnanti per l’adeguata formazione all’attività e con studenti per la
relativa applicazione.
Le attività previste saranno condotte in collaborazione con le 15 Università che contribuiscono al progetto.
Saranno svolte in sinergia con la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali, il Dipartimnento di
Matematica ed informatica, il Cort dell’Università di Udine e coinvolgeranno tutte le Facoltà dello stesso
Ateneo tramite la Commissione di Ateneo di Orientamento e Tutorato. È prevista la collaborazione con
l’Università di Trieste per la Scuola Estiva di eccellenza per studenti. Saranno definite le specifiche
collaborazioni ed attività con le scuole anche tramite la Commissione di Raccordo Scuola Università e
(CRUS) vedranno il rapporto collaborativo con gli altri progetti PLS della Regione. Un naturale raccordo delle
attività previste con i Piani ISS e Math@bel deriva dalla prospettiva trasversale dei contenuti proposti in
ciascuna attività, che, privilegiando il rapporto con le altre scienze, si lega nello specifico a matematica ed
informatica. La prospettiva verticale dei contenuti sul piano curriculare ne rappresenta inoltre una base
concettuale solida. Sul piano operativo le attività saranno integrate con la pre-esistente attività di ricerca
didattica in fisica, quella di diffusione culturale, quella di ricerca e ricerca – azione sull’educazione
scientifica di base, che ci vede impegnati anche nel Master DidSci, coordinato nazionalmente da Genova su
sei sedi operanti per il sostegno alla Lauree Scientifiche dalla scuola di base.
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