Capitolo 7. La prima scuola estiva
di Fisica Moderna per studenti
I WORKSHOP IN PRESENZA DI IDIFO E LA PRIMA SCUOLA ESTIVA NAZIONALE
DI FISICA MODERNA PER STUDENTI
Marisa Michelini, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine
1. Introduzione
Il Progetto IDIFO aveva tra i principali obiettivi una sperimentazione basata sulla ricerca per la formazione degli insegnanti in merito all’innovazione didattica sui temi della fisica moderna, come
descritto alla pagina http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/pls1.htm
IDIFO ha messo in campo moduli di intervento formativo a distanza ed in presenza per insegnanti
e studenti, in un complesso intreccio di proposte, offerte ed analisi di processi di apprendimento a
diversi livelli e su diversi piani.
L’impegno delle 15 sedi universitarie è stato grande ed ha prodotto risultati di diversa natura. Alla
pagina http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/idifo1/piano.htm sono pubblicati tutti i materiali usati
per la formazione a distanza. Nel volume Formazione a distanza degli insegnanti all’innovazione
didattica in fisica moderna e orientamento. Contributi di una comunità di ricerca in didattica della
fisica a un progetto di formazione a distanza: strategie e metodi abbiamo pubblicato le discussioni
di ricerca su alcuni principali moduli formativi a distanza del Master IDIFO.
Le attività in presenza, tutte realizzate a Udine non sono state meno significative ed impegnative. Tra
queste sono stati organizzati 3 workshop (WS1, WS2, WS3) e la prima Scuola Estiva Nazionale di
Fisica Moderna (SEN_FM) per studenti degli ultimi due anni della scuola secondaria.
Il WS1 (settembre 2006) è stato gestito come attività in presenza per gli iscritti al Master IDIFO, come
occasione di approfondimento a metà percorso, in maniera autonoma da altre iniziative.
Il WS2 è stato pensato come ricaduta del lavoro effettuato nell’ambito del Master sul territorio in
cui opera l’Università di Udine: è stato organizzato in due sedi e due fasi: marzo a Udine ed aprile
a Pordenone per 2 settimane. Attività formative per insegnanti e per studenti imperniate sull’esplorazione sperimentale e l’attività di laboratorio hanno utilizzato i materiali prodotti per e nel Master :
percorsi didattici ed esperimenti cruciali di fisica moderna, laboratori concettuali, documenti e studi.
A Udine il WS2 è stato sinergico con le giornate di diffusione culturale del Progetto Lemi_Est organizzato dall’Università di Udine nell’ambito della L6/2000. A Pordenone si è inserito nell’ambito
dell’iniziativa Impara Sperimentando della Sezione AIF di Pordenone.
Il WS3 e la Scuola Estiva – SEN_FM (luglio 2007) sono stati organizzati in maniera sinergica tra
loro, offrendo da una parte agli studenti interessati un’introduzione ad argomenti di fisica moderna,
con lezione, seminari ed attività di laboratorio, dall’altra ai corsisti la possibilità di sperimentare i
materiali e percorsi sviluppati nell’ambito del Master.
I Workshop intensivi in presenza (WS) hanno avuto un valore formativo autonomo per i corsisti del
Master, e nello stesso tempo hanno potenziato enormemente la formazione a distanza. La possibilità di eseguire esperimenti significativi e confrontarsi sui risultati e sul loro ruolo, la discussione
intorno a seminari di rassegna o analisi comparata di approcci didattici ed il confronto, in tale sede,
sia delle proposte formative e didattiche degli insegnamenti, sia dei prodotti dei corsisti, ne ha fatto
una palestra di formazione di comunità di professionisti riflessivi di tipo esemplare per la natura particolarmente fertile.
In questo lavoro presentiamo uno spaccato degli aspetti più significativi delle attività in presenza di
IDIFO, che trovano documentazione esemplificativa nei lavori pubblicati in questo volume.
288
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
2. Il WS1 del Master IDIFO
È stato dedicato ai corsisti del Master IDIFO e realizzato nel periodo - 4-8 settembre 2006
Esso è stato diretto da Lorenzo Santi e curato dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica (URDF)
dell’Università di Udine. È stato molto impegnativo: 10 ore al giorno di attività (5 al mattino e 5 al
pomeriggio) per 5 giorni interi a cui si sono aggiunte due attività serali di 3 ore ciascuna. Sono stati
svolti 18 esperimenti di cui 7 eseguiti direttamente dai corsisti e 11 effettuati dalla cattedra. Le relazioni generali sono state sempre seguite da ampia discussione di merito. Tutti i partecipanti al WS
sono stati sempre presenti alle attività: le hanno trovate molto interessanti, anche se hanno lamentato l’eccessivo carico di lavoro.
La struttura del WS1 prevedeva le seguenti attività:
• Laboratorio ed esperimenti (20 ore)
• Seminari e lavori di gruppo (18 ore)
• Esperimenti di fisica quantistica: 12 + 6 sulla superconduttività
Un intero giorno era dedicato a ciascuna delle seguenti tematiche: Relatività, Quantistica, Orientamento, con particolare riguardo all’orientamento formativo ed al problem solving.
A tutti i corsisti sono stati distribuiti i kit per l’esplorazione della polarizzazione ottica ed altri materiali utili per la pianificazione di attività didattiche significative.
Nella tabella 1 è indicato il piano di lavoro.
Fig. 1 -L'avvio del Workshop 1.
Sia per favorire i pochi assenti al WS1, sia per l’intrinseco interesse, le discussioni (30%tempo/attività) e le attività principali del WS1 (seminari, attività di laboratorio) sono state riprese da una troupe
di una ditta specializzata nella produzione di materiali didattici multimediali (MEDIA project) e sono
disponibili sia sotto forma di DVD che direttamente visionabili sul sito
http://dida.unile.it/DIDACenter/Le%20News/files/UDINE/index.htm
289
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
Fig. 2 - I immagini dal DVD contenente le videoregistrazioni
del WS1 di IDIFO.
8.30
10.30
11.00
13.00
Pausa
14.00
15.50
16.15
19.00
21.00
23.00
Lunedì 4
Apertura Presentazione
esperimenti di laboratorio:
Gr4, Gr6, R1, R7, R10
Presentazione esperimenti
di laboratorio: Gr2,
R3 I Sciarratta -P8 –
Esperimento dalla cattedra
Gr 2°
Martedì 5
R1/3/7/10 B
Gr 2B
R1/3/7/10 A
Mercoledì 6
S. Bergia Dai
fondamenti alle
proposte didattiche
sulla Relatività
Discussione
Giovedì 7
Venerdì 8
MQ Percorso
M.Giliberti
polarizzazione Misconcezioni
(P5) (A. Stefanel) di FQ G.L.
Michelutti
-Corpo nero: una
proposta didattica
Seminario (A. De
Lavori di
C. Tarsitani FQ
Ambrosis, O Levrini)
Gruppo di MQ e prospettiva
a) Discutendo in rete (R.Giannitrapani, storica Lavori di
di Relatività: il punto
M Michelini,
Gruppo di MQ
della situazione b)
R Ragazzon,
(R.Giannitrapani
Verso la costruzione
M Michelini,
L. Santi, A.
di percorsi di
L. Santi, A.
Stefanel)
Relatività
Stefanel)
Gr 4B
R1/3/7/10 A
Gr 4°
R1/3/7/10 B
Lavoro di Gruppo
(A. De Ambrosis,
O Levrini) Verso
la costruzione di
percorsi di Relatività
G. Pegna – P11
-Velocità della luce
Gr-6B
R1/3/7/10 A
Gr 6°
R1/3/7/10 B
G. Pegna – P11
-Misura di indici
di rifrazione e di
velocità di segnali
elettrici M.Michelini
Discussione attività
del Master Progetti
PW. Tirocini.
M.Michelini
Orientamento e PSO
L.Santi, A Stefanel, I
Sciarratta Discussione
esperimenti eseguiti in
laboratorio
D. Cauz -P9 G.
Pegna – P12 –
Effetto Ramsauer:
assorbimento
quantistico
risonante degli
elettroni da parte
di atomi di Ar e
determinazione
del loro raggio
Esperimenti
Supercomet2 (6
esperimenti ) F
Corni
M.Michelini
Orientamento
e PSO
progettazioni
didattiche
Recuperi
Laboratorio
Cena sociale
Tabella 1 - Piano di lavoro del WS1 del Master IDIFO. Legenda Gr – attività a gruppi (4 gruppi in parallelo sullo stesso esperimento) A e B attività a rotazione (rotazione dei gruppi su 4 tavoli sperimentali fissi) P – Esperimenti dalla cattedra Gr e A e B si
svolgono a rotazione contemporaneamente.
290
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Fig. 3 - Immagini tratte dal DVD delle videregistrazioni del WS1 di IDIFO.
3. I WS2 del Master IDIFO
L’Università di Udine è stata fondata per volontà popolare: i friulani hanno rinunciato a gran parte
dei finanziamenti per la ricostruzione a seguito del terremoto per fondare la loro università. Hanno
fatto la ricostruzione in tempi record con le loro mani e hanno investito nella formazione e nella
ricerca per lo sviluppo promuovendo la costituzione dell’Università di Udine con una vastissima raccolta di firme. La collaborazione forte che l’Università di Udine ha con il territorio e in particolare
con la scuola del territorio ha tre gambe principali: l’orientamento, la diffusione culturale e la formazione degli insegnanti primari e secondari. È stata promossa fin dal 1994 con la fondazione del
Centro Orientamento e Tutorato (CORT), tra i primi in Italia ed il Centro Laboratorio per la Didattica della Fisica (CLDF) del CIRD. Il CLDF è ancor oggi l’unica struttura universitaria italiana che
preveda la paritetica collaborazione di docenti universitari e del mondo della scuola per ricerche in
didattica della fisica e per la formazione basata sulla ricerca di insegnanti di ogni ordine e grado. La
diffusione culturale è pensata in questo contesto come un’attività per la scuola e con la scuola. Essa
ha visto realizzare ogni anno dal 1994 iniziative per la diffusione della cultura scientifica sostenute
dalla L.6/2000 e dall’Ateneo fiulano. Anche per questa ragione si è voluto che il progetto IDIFO
avesse una ricaduta sul territorio per insegnanti e ragazzi soprattutto. Esso si è pertanto integrato con
il Progetto LEMI_EST, approvato nell’ambito della citata L.6/2000, che ha prodotto una manifestazione a cui ha partecipato tutto l’Ateneo di Udine e la cui durata si è estesa ben oltre a quella prevista per le giornate di diffusione della cultura scientifica. Alle attività progettate in LEMI_EST, come
l’esposizione della mostra Giochi Esperimenti Idee (GEI) ed attività di laboratorio didattico per la
scuola di base, si sono aggiunte le attività per l’insegnamento della fisica moderna. Ricordiamo tra
queste: a) le tavole rotonde: due sulla meccanica quantistica a cui hanno preso parte alcuni dei mag-
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
291
giori esperti nel mondo in questo campo, una sui rapporti tra indagine scientifica e riflessione umanistica ed una sulla donna nella scienza con la partecipazione di esperti nazionali ed un nuovo sguardo
al problema, b) un convegno su su modelli e modellizzazione. Immagini e rappresentazioni della
scienza, c) seminari su filosofia e meccanica quantistica, scienza e cinema, i nodi di apprendimento
in elettromagnetismo, ricerche di avanguardia nel campo delle alte energie d) laboratori sperimentali
e laboratori didattici sulla fisica moderna, e) sfide ludiche di alto livello come Masterclass, f) illustrazione da parte di studenti di scuola secondaria dei loro studi di meccanica quantistica.
Alla pagina http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/pls1.htm ed in particolare all’indirizzo http://
www.fisica.uniud.it/~cabras/master/idifo/idifo-ws2-prog.pdf è riportato il calendario delle attività
organizzate da IDIFO nella manifestazione, tenutasi a Udine dal 19 marzo al 3 aprile 2007. Particolarmente apprezzate dagli oltre 2000 partecipanti sono state le gare di fisica e le proposte di esperimenti per studenti con sensori per misure di ottica fisica: diffrazione, polarizzazione e con le attrezzature e sui temi proposti agli insegnanti.
Il Workshop 2 ha avuto un’edizione a Pordenone nell’ambito dell’iniziativa Imparare sperimentando
– 2a edizione, realizzata nell’ex Convento, a cura sella Sezione di Pordenone dell’Associazione per
l’Insegnamento della Fisica (AIF). Si tratta di una varietà di iniziative1 centrate su una mostra interattiva di esperimenti, che si trova descritta in http://www.aifpn.it. Se ne riferisce in questa sede bre-
Fig. 4 - Uno degli apparati di misura: le bobine di Helmoltz.
vemente, riportando i dati e le considerazioni di Isidoro Sciarratta, Segretario della Sezione AIF di
Pordenone ed organizzatore dell’iniziativa, il cui successo è dimostrato in modo significativo dalla
partecipazione. L’affluenza alla mostra interattiva di esperimenti è stata elevata: circa 2500 visitatori che hanno partecipato attivamente effettuando gli esperimenti proposti. Hanno visitato la mostra:
5 classi della Scuola Elementare, 12 classi di scuola secondaria di I grado, 36 classi della Scuola
Secondaria Superiore.
(1)
Per portare alla conoscenza dell’evento il più vasto pubblico possibile, sono stati stampati ed affissi per un mese 7
cartelloni per 7 locazioni diverse all’interno della città (quattro 6mx2m in siti del Comune di Pordenone e tre 6mx3m
a pagamento) stampati ed affissi 500 cartelloni 50x70 da interni, per scuole, negozi e altri luoghi pubblici. Sono state
distribuite 10.000 cartoline e 2000 inviti per l’inaugurazione. Sono stati stampati 39 pannelli (90 cm x 100 cm) in
materiale semiespanso da 1cm, per allestire la mostra.
È stato stampato, inoltre, in 4.000 copie un catalogo della Mostra di 24 pagine che riprende tutti i pannelli esposti con
le relative attività ed in ugual numero un righello da trenta centimetri, personalizzato.
292
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Si è registrata anche la presenza sia di scolaresche che di famiglie provenienti da fuori provincia di
Pordenone, in particolare dalla Provincia di Belluno, da Portogruaro, Oderzo, Conegliano, Udine,
ecc. Si sono registrati casi frequenti di bambini e ragazzi che, avendo visitato in un primo momento
la mostra con i propri insegnanti, sono ritornati accompagnati da genitori e/o nonni con la voglia di
farsi rispiegare taluni esperimenti che li avevano particolarmente affascinati oppure divenendo esse
stessi comunicatori. Alcune scolaresche, almeno una decina, che non sono riuscite a venire in orario scolastico, si sono organizzate in gruppi e sono venuti spontaneamente di pomeriggio facendosi
talora accompagnare da un insegnante di riferimento. I numeri sopra citati sono davvero alti in rapporto al fatto che si tratta di visite guidate ad attività interattive: ciascuno dei visitatori, infatti, ha
ricevuto spiegazioni per oltre un’ora da esperti. Per rispondere alla massiccia partecipazione di pubblico si sono alternati, nelle sale di esposizione, una ventina di esperti tra docenti e studenti (maturandi ed universitari).
Alcuni insegnanti sono tornati più volte, anche senza i propri alunni, talora forniti di macchine fotografiche e/o di videocamere per riprendere gli esperimenti ed utilizzarli nella loro attività didattica.
Da questi elementi e dai commenti dei partecipanti emerge come l’evento abbia centrato l’obiettivo
di essere propositivo di una pratica sperimentale finalizzata alle scuole al fine di accrescere la consapevolezza di un sapere scientifico oggi fondamentale nella vita di tutti i cittadini.
Sono state organizzate e realizzate tre conferenze di divulgazione ad alto livello. Alle conferenze
hanno partecipato, oltre al pubblico vario 25 classi della scuola secondaria superiore.
Ogni visitatore ha lasciato la mostra ricevendo un righello con stampate le principali costanti universali ed il quaderno della mostra. Quest’ultimo contiene l’elenco dettagliato degli espositori (28),
delle scuole e degli Enti partecipanti (15) nonché di esperti e collaboratori (25). Il Progetto IDIFO ha
messo a disposizione le apparecchiature per l’allestimento di alcuni principali esperimenti di Fisica
Moderna, in particolare di:
1. apparecchiatura per l’esperimento di Frank-Hertz;
2. apparecchiatura per l’esperimento sulla carica specifica dell’elettrone.
3. Effetto fotoelettrico con calcolo della costante di Plank,
4. Effetto termoelettrico e
5. misura della velocità della luce con il metodo di Guido Pegna.
Tutti questi esperimenti sono stati proposti a tutte le scolaresche che si sono presentate, ovviamente
con livelli di approfondimento diversificati a seconda dell’età scolare. Hanno riscontrato un grande
interesse da parte di tutti gli studenti e dei docenti accompagnatori.
È stato proposto nell’ambito di IDIFO anche Termocrono2, un sistema, hardware e software, atto a
compiere contemporaneamente ed in tempo reale quattro misure di temperatura con i quali studiare
moltissimi fenomeni connessi con la termologia e la termodinamica. Anche questo sistema ha riscontrato un notevole successo sia da parte degli studenti che dal pubblico in genere.
Dalle dichiarazioni formulate per scritto sul registro delle firme, si evince una richiesta forte, motivata,
talmente ampia da suggerire ancora nuove edizioni nei prossimi anni, anche di durata maggiore.
4. Il WS3 del Master IDIFO
Il WS3 del Master IDIFO per insegnanti è stato realizzato in concomitanza con la prima Scuola Estiva
Nazionale di Fisica Moderna per studenti (SEN_FM), che ha intrecciato contenuti ed attività con esso.
In tale sede le sperimentazioni didattiche dei corsisti sono state applicate a studenti di eccellenza della
SEN_FM, con i docenti del Master che seguivano sul campo l’attuazione di proposte didattiche elaborate dai corsisti a seguito degli insegnamenti e da loro stessi revisionate. Le attività sperimentali su
cui erano stati formati i corsisti nel WS1 sono state proposte ai ragazzi, con due livelli di sostegno:
(2)
Termocrono è un sistema per la misura della temperatura con 4 sensori, realizzato da Marisa Michelini e Mario
Gervasio e brevettato dell’Università di Udine.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
293
quello dei corsisti e quello dei docenti del Master. La straordinaria ricchezza di un simile contesto ha
insegnato molto a tutti su molti livelli e ci ha dato un modello di formazione in presenza.
4.1 Le basi culturali della proposta di WS3 e scuola estiva per studenti
Le carenze nelle competenze scientifiche di base degli studenti secondari (Euler 2001, 2004 a,b; Duit
2008) emerse nelle indagini OCSE - PISA (Beaton et al. 1996; OECD-PISA 2005; PISA 2006) sono
coerenti con le difficoltà di apprendimento e i nodi concettuali, che le ricerche in didattica della fisica
evidenziano (Duit 2007). Esse in parte spiegano il calo di motivazioni per gli studi scientifici (Sjøberg, 2001; Mariano Longo 2003; Buldo et al 2004; Cammelli 2006), che ha fatto nascere il Progetto
Lauree Scientifiche (PLS) ed al suo interno il Progetto IDIFO.
Sul piano delle scelte per la didattica esse sono anche spesso assunte come argomentazione per limitare i contesti di studio nella scuola secondaria alla fisica classica nella logica di una propedeuticità
che storicizza metodologie e contenuti didattici, portando la scuola ad essere lontana dal mondo in
cui è inserita, soprattutto per effetto del dinamismo e della complessità, che lo sviluppo delle nuove
tecnologie dell’informazione e della comunicazione introducono.
Una scuola che non stimola le intelligenze e non attiva sfide per l’apprendimento perde occasioni di
sviluppo delle motivazioni. Come Laurence Viennot ha dimostrato al Congresso internazionale GIREPEPEC (Viennot 2007), quando i ragazzi sono stimolati sul piano cognitivo e del ragionamento si motivano allo studio e all’indagine anche affrontando tematiche difficili in modo brillante. Proprio gli studenti che avevano dimostrato maggior legame a procedure e processi ripetitivi si attivano di fronte a
sfide nuove ed elaborano ragionamenti che ci indicano la strada per nuovi percorsi didattici.
È chiaro che le tematiche di avanguardia, come nel caso di IDIFO, non hanno il ruolo di attrazione
superficiale, ma si propongono come nuove occasioni di apprendimento e di formazione integrate
con la fisica classica.
Affrontare alla Dirac la meccanica quantistica significa formarsi al pensiero teoretico, confrontandosi con i nodi delle meccanica quantistica; significa rivisitare e chiarire le basi della fisica classica
ed ampliare la propria capacità interpretativa. Parimenti applicare la conservazione della quantità di
moto e dell’energia ad urti Coulombiani e non solo meccanici per interpretare spettri RBS, significa
capire potenzialità e ruolo delle impostazioni semi classiche nello studio dei processi e nelle tecniche di analisi.
Accanto alla formazione degli insegnanti all’innovazione didattica basata sulla fisica moderna e le
tecnologie dell’informazione e della comunicazione, abbiamo perciò deciso di cimentarci in un lavoro
diretto con i ragazzi più bravi e motivati a livello nazionale per studiare come possono essere creati
percorsi di eccellenza accanto a quelli ordinari su questi temi, peraltro da noi già ampiamente sperimentati nella scuola.
Nel contesto internazionale gli studi per valutare, valorizzare e promuovere le eccellenze si intersecano con i primi studi sull’efficacia dell’insegnamento come scoperta, sull’importanza di incentrare
l’insegnamento sugli aspetti metodologici più che su quelli di contenuto, sull’importanza di differenziare l’offerta formativa e valorizzare il ruolo attivo degli studenti (Foshay 1961). Si inseriscono
nella ricca letteratura sviluppata in merito alla valutazione delle istituzioni universitarie e alla certificazione della qualità dei programmi di insegnamento (Astin 1968; Astin, and Solomon 1979; Levine
A.E. 1982). È stato in particolare messo in evidenza quali sono i criteri per la realizzazione di un programma di eccellenza per studenti secondari (college statunitensi):
1) Scopo e obiettivi del programma devono essere chiaramente correlati ai bisogni e agli interessi
degli studenti e i curricoli devono essere coerenti con agli obiettivi
2) Ci deve essere corrispondenza tra caratteristiche degli studenti e qualità e tipo di risorse essenziali
che vengono messe a disposizione degli studenti perché posano avere successo nel programma
3) Il programma delle avere stretta correlazione con l’insegnamento, lo sviluppo del curricolo e la
sua implementazione
4) Devono essere previste valutazioni interne ed esterne del processo formativo e dei progressi degli
studenti
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Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
5) Deve essere garantita la ricaduta del programma con ricerche e pubblicazioni
6) Deve essere previsto un processo di revisione interno del programma con feedback per migliorarlo. (da: Skinner, Tafel 1986)
Tali criteri si integrano con quelli adottati nel promuovere azioni per la valorizzazione di attività in
grado di rispondere a una formazione di eccellenza in diversi ambiti scientifici (Comer 2002) e i
risultati di recenti ricerche sulla loro valutazione (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). Questi criteri trovano riscontro nelle ricerche, che hanno evidenziato il fondamentale ruolo del coinvolgimento personale nell’oggetto di studio per l’apprendimento scientifico e l’orientamento formativo (Michelini, Cobal 2001).
La prima Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna (SEN_FM) è stata progettata su tali basi con i
materiali messi a punto da percorsi di ricerca didattica. È stata realizzata presso l’Università di Udine
nel luglio 2007 per studenti di IV-V classe di scuola secondaria superiore. È stata mirata a esplorare
i nodi concettuali di meccanica quantistica e relatività, a proporre esperimenti e contesti rilevanti
per la fisica moderna. Si è integrata nell’offerta del Progetto IDIFO del PLS e in particolare con il
seminario in presenza del Mater IDIFO, realizzato in collaborazione con 14 università italiane, per
insegnanti di scuola superiore sulle medesime tematiche (IDIFO 2008), di cui la scuola stessa è stata
occasione di ricaduta e potenziamento.
Pensata e realizzata prioritariamente da ricercatori dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica
(URDF) del Dipartimenti di Fisica dell’Università di Udine ha avuto come partner per un giorno di
attività l’Università di Trieste ed il Sincrotrone.
Nel presente contributo si presentano gli elementi di ricerca nell’impostazione della Scuola e le caratteristiche delle principali attività svolte. La documentazione dei dati relativi alle domande di iscrizione
pervenute in risposta al bando e agli studenti che sono stati ammessi alla scuola, offrono uno spaccato della grande domanda da parte delle scuole, degli insegnanti, degli studenti di proposte organiche per l’insegnamento/apprendimento della fisica e in particolare della fisica moderna.
4.2. Le problematiche affrontate nella progettazione
Le scelte di fondo nella organizzazione della Scuola hanno puntato all’integrazione di una molteplicità di valenze. Rispondere ai bisogni effettivi degli studenti in interventi organici, strutturati e
coerenti su temi effettivamente interessanti, perché attuali, culturalmente significativi, rilevanti sul
piano applicativo è stato alla base di un’attenzione a fornire esemplificazione delle metodiche tipiche dell’indagine fisica moderna. Sul piano metodologico si è deciso di integrare attività sperimentali ed esplorazioni concettuali, prevedendo il coinvolgimento attivo degli studenti nel loro processo
formativo. Sono state preparate attività che impiegano strategie e strumenti differenziati didattici ed
esplorano ambiti diversi, pur concorrendo alla realizzazione di una quadro concettuale e metodologico unitario. Efficaci attività di orientamento formativo sono state un motivo di fondo reso esplicito con strategie di problem solving.
Una vera e propria sfida è stata l’integrare il Workshop in presenza di formazione degli insegnanti
del Master IDIFO con la Scuola estiva per studenti. Una sfida che è stata affrontata in termini di ricchezza di occasioni per il confronto, la riflessione e l’analisi di modi di guardare alla didattica della
fisica moderna. Ciò ha portato ad offrire nuove situazioni formative per gli insegnanti del Master.
Sono state particolarmente fertili le presentazioni e la relativa discussione dei progetti didattici elaborati dagli insegnanti su una stessa area: relatività ristretta e meccanica quantistica. Ancora più importanti e formative sono state le occasioni di tirocinio, che hanno impegnato in prima persona i corsisti, valorizzando il ruolo della progettazione didattica e della riflessione operativa nel sottoporsi
ad un’analisi a più livelli. Alcuni corsisti hanno lavorato direttamente con i ragazzi nella sperimentazione di proposte didattiche, preventivamente validate dal corpo docente e precisate con schede
di lavoro. Gli insegnanti in formazione si sono sottoposti sia alla prova di efficacia con gli studenti
sia alla valutazione di due esperti osservatori in veste di amici critici ed hanno offerto agli studenti
occasioni di lavoro di alto livello. Non è stato semplice ricercare modalità organizzative e didatti-
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
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che, che permettessero di massimizzare l’efficacia degli interventi in termini di tempo, spazi, attrezzature, così come.rendere effettivo il monitoraggio dell’intero processo attraverso strumenti diversi,
messi a punto dai ricercatori dell’URDF e dai docenti sperimentatori. La valutazione degli apprendimenti degli studenti nei diversi moduli è stata fatta attraverso schede di lavoro PEC3 e test, interviste, osservazione delle diverse attività, discussioni intermedie e finali. È stato creato un contesto
di ricerca in ciascuna delle attività svolte. Si sono così monitorate tutte le attività con strumenti di
ricerca ed è stata effettuata la videoripresa delle attività più significative. Per ciascuna attività è stata
realizzato un processo che ha coinvolto l’intero gruppo dei ricercatori dell’URDF ed anche quelli
delle altre sedi IDIFO per le attività con gli insegnanti.
Tale processo ha riguardato la fase di progettazione, quella di realizzazione, quella di riepilogo e
infine di raccolta della documentazione e analisi del monitoraggio. La valutazione degli apprendimenti è stata fatta invece a cura dei responsabili di diversi moduli. Tale processo ha previsto per ciascuna attività: una preliminare individuazione degli obiettivi disciplinari e metodologici specifici e
parallelamente di domande di ricerca a cui si voleva dare risposta; 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); messa a punto 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; la
conduzione dell’attività da parte di uno o più ricercatori o un docente esperto; 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; raccolta dei prodotti realizzati
dagli studenti (schede, test e questionari lasciandone copia agli studenti); 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.
Per ogni attività pertanto è stato previsto che gli studenti: a) realizzassero un prodotto, che restasse
loro come esito del lavoro svolto, ai ricercatori come documentazione da analizzare e ai corsisti sperimentatori come base per la loro tesi di Master; b) venissero valutati in merito ai loro apprendimenti
su più livelli; ricevessero un feedback che poteva essere immediato, nella discussione dei nodi emersi
al termine dell’attività, oppure parzialmente dilazionato, con eventuali ulteriori segmenti della scuola
stessa e con la discussione seminariale che ha chiuso la scuola.
5. Il bando e le domande di iscrizione alla Scuola Estiva Nazionale di Fisica Moderna
Alla scuola estiva gli studenti accedevano rispondendo al bando di iscrizione, aperto nella primavera
del 2007 e chiuso il 30 giugno 2007.
Per essere accettate le domande dovevano essere state fatte da studenti frequentanti il quarto o il
quinto anno di una scuola superiore nell’a.s. 2006/2007. Alla domanda dovevano essere allegate le
valutazioni riportate nelle discipline scientifiche nell’a.s. 2005/06 e al termine del I quadrimestre
dell’anno 2006/07.
Nel complesso delle 385 domande pervenute, 361 erano rispondenti ai requisiti del bando: 225 di
studenti di classe quarta; 136 di classe quinta.
(3)
Le schede PEC – Previsione Esperimento Confronto sono state messe a punto in ricerche di applicazione della strategia
dell’Inquiry Learning a percorsi didattici basati sulla ricerca per il superamento dei nodi concettuali di apprendimento
(Percorsi di Insegnamento / Apprendimento – I/A) basati sull’operatività manuale e concettuale degli studenti. Esempi
di tali schede sono pubblicate in www.fisica.uniud.it/URDF.
296
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Il numero di domande pervenute risulta particolarmente alto, se si considera che la scuola veniva
organizzata in luglio ben dopo la chiusura delle scuole e lo svolgimento degli esami di maturità e non
era stata particolarmente pubblicizzata essendo stata originariamente proposta come occasione per
far svolgere le sperimentazioni del Master IDIFO sulle scuole correlate alle diverse sedi che hanno
cooperato alla realizzazione del Master.
Fig. 5 - Depliant con il bando di iscrizione e la scheda di iscrizione.
Abbiamo così scoperto che vi è una domanda di proposte di qualità in particolare su tematiche di
fisica moderna. Essa risulta ugualmente diffusa sul territorio come appare anche dai dati riportati
nelle figure 6 e 7.
REGIONE
Domande/Ammessi
Classi 4
Classi 5
ABRUZZI
3
7
BASILICATA
3
3
CALABRIA
3
0
CAMPANIA
1
2
13
5
EMILIA R
1
1
8
11
FRIULI VG
3
7
16
12
LAZIO
6
2
33
23
LIGURIA
3
3
LOMBARDIA
4
5
31
11
MARCHE
3
0
MOLISE
4
1
PIEMONTE
3
3
17
12
PUGLIA
4
5
12
10
SARDEGNA
2
3
SICILIA
2
23
12
TOSCANA
3
0
TRENTINO AA
0
1
UMBRIA
6
3
VENETO
1
42
19
Totale
Dom Amm
10
6
3
3
18
2
19
10
28
8
56
6
9
42
3
5
6
29
9
22
5
2
35
3
1
9
1
61
Distribuzione regionale domande
ABRUZZI
BASILICATA
CALABRIA
VENETO
EMILIA R
UMBRIA
TRENTINO AA
FRIULI VG
TOSCANA
SICILIA
LAZIO
SARDEGNA
PUGLIA
LIGURIA
PIEMONTE
LOMBARDIA
MOLISE
MARCHE
Totale
225
24
136
26
361
CAMPANIA
50
Fig. 6 - Numero di domande valutate e di ammessi alla scuola suddivise per regione.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
297
Nelle domande regolari prevenute risultano rappresentate tutte le regioni, con l’eccezione della Valle
d’Aosta. La distribuzione ovviamente privilegia le regione geograficamente più vicine a Udine, ma
vede ben rappresentate anche le altre regioni sia del nord che del sud Italia, con particolare rilevanza
in quest’ultimo caso della Sicilia e della Puglia. Nel complesso sono pervenute domande di studenti
da 76 provincia di 19 regioni italiane. In Appendice sono riportati i dati scorporati per provincia.
Fig. 7 - Distribuzione geografica delle domande e degli ammessi alla Scuola (in parentesi).
Come previsto dal bando e in conformità alla connessione della scuola con il master IDIFO, i criteri
per la selezione delle domande erano il profitto nelle discipline scientifiche, l’essere iscritti a una
delle scuole dei docenti iscritti al master IDIFO ovvero delle province delle sedi universitarie collaboranti del Master, l’età anagrafica. Per la formulazione della graduatoria delle domande e individuazione dei 50 studenti ammessi alla scuola è stata istituita una commissione di valutazione che
ha provveduto alla definizione delle modalità di valutazione del profitto e dei pesi da assegnare ai
diversi criteri di selezione. Tale processo di valutazione ha consentito una adeguata presenza di studenti delle scuole degli insegnanti iscritti al master, garantendo al tempo stesso un adeguato filtro di
qualità degli studenti selezionati.
In tabella 2 e nei diagrammi delle figure 8 e 9, sono riportate le medie delle valutazioni ottenute nelle
materie scientifiche dagli studenti che hanno fatto pervenire regolare domanda.
298
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Medie
Classe 4
Classe 5
TOTALE
M<6.0
0
7
7
6.0 M<6.5
0
9
9
6.5 M<7.0
7
17
24
7.0 M<7.5
14
26
40
7.5 M<8.0
35
36
71
8.0 M<8.5
55
31
86
8.5 M<9.0
66
9
75
9.0 M<9.5
40
1
41
M=10.0
8
0
8
225
136
361
Tot
Tabella 2 - Distribuzione delle valutazioni degli studenti che ano presentato regolare domanda.
Le distribuzione delle valutazioni, come si vede sia per le classi quarte sia per le classi quinte sono
chiaramente asimmetriche con una prevalenza di valutazioni medie che si attestano intorno agli
8÷8.5/10. Per la precisione la distribuzione relativa alle classi quarte ha media 8.8 e = 0.7, quella
relativa alle classi quinte ha media 7.9 e = 0.8.
Fig. 8 - Valutazioni medie finali dell’a.s.2005/06 e del primo quadrimestre dell’a.s 2006/2007 rispettivamente per gli studenti
delle classi quarte e per quelli delle classi quinte.
La differenza tra le due medie non risulta statisticamente significativa, anche se le distribuzioni sono
solo qualitativamente simili. Il confronto tra le due distribuzioni può essere meglio apprezzato nel
diagramma di figura 18, in cui sono riportati i dati complessivi per classi di valutazione con indicazione di come ciascuno dei due gruppi interviene a comporre la distribuzione complessiva.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
299
Fig. 9 - Distribuzione totale delle valutazioni medie in cui in colore diverso sono riportati
i dati per le classi quinte e le classi quarte rispettivamente.
Dall’analisi delle distribuzioni riportate emerge in modo evidente il livello decisamente elevato degli
studenti che hanno inviato la loro domanda di partecipazione alla scuola. Aspetto rilevante da osservare qui è che le valutazioni non sono particolarmente differenziate sul piano regionale. Da questi dati emerge che la scuola estiva di fisica ha dato risposta a un bisogno fortemente espresso dagli
studenti di medio-alto livello di un campione che rappresenta in modo significativo la quasi totalità
delle regioni italiane e la gran parte delle loro province.
Nelle figure 10 e 11 sono riportate le distribuzioni delle valutazioni medie dei soli studenti selezionati per l’iscrizione alla scuola, che risultano in entrambi i casi con media complessiva di oltre 9/10
(9.2 con = 0.5 per le classi quarte, 9.4 con = 0.4 per le classi quinte).
Come è evidente la modalità di valutazione delle domande che è stata attuata ha garantito la selezione di studenti di alto livello.
Fig. 10 - Distribuzione delle valutazioni medie riportate dagli studenti ammessi alla scuola estiva per le classi quarte e per le
classi quinte.
300
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Tutti gli studenti ammessi con media M: 8.5 M<9 sono di classi quarte, mentre nelle altre tre categorie rappresentate, con medie M: 9 M<9.5, 9.5 M<10, M=10, sono prevalenti gli studenti delle
classi quinte. Questo evidentemente è una conseguenza delle maggiore peso che hanno avuto i criteri territoriali nella definizione della graduatoria nel caso delle classi quarte rispetto a quanto hanno
influito nel caso delle classi quinte.
6. Il programma di WS3 e della SEN_FM
La realizzazione attuativa del progetto si è concretizzata nel programma schematizzato all’indirizzo
http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/pls1.htm ed in particolare in http://agenda.fisica.uniud.it/
difa/getFile.py/access?resId=0&materialId=13&confId=4
Fig. 11 - Home page della scuola estiva di fisica moderna SEN_FM.
Molteplici attività differenziate sia per contenuti sia per metodologie attuate hanno costituito il programma del WS3 e della SE_FM. Si sintetizzano qui le tipologie di attività, indicando tra parentesi
il numero di ore complessivamente dedicato ad ognuna di esse, lasciando ai paragrafi successivi la
loro discussione e documentazione:
- Laboratori a gruppi per condurre attività sperimentali di fisica moderna con proposte realizzato
con TIC – sensori on-line – prototipi innovativi (8 ore)
- Laboratori didattici partecipati condotti alternando fasi collettive, fasi di lavoro individuale o a piccoli gruppi utilizzando proposte operative, schede di lavoro (7 ore)
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
301
- Laboratori didattici per l’esplorazione di percorsi didattici (8+8ore)
- Laboratori di simulazione (2 ore)
- Seminari formativi di:
• discussione partecipata dei dati sperimentali (2 ore)
• presentazione e discussione di esperimenti con esecuzione dell’esperimento dalla cattedra e analisi di dati campione (4 ore)
• presentazione e discussione di nodi concettuali (6 ore)
• panoramica su tematiche specifiche (4 ore)
- Seminari finali: report degli studenti in merito ai nodi disciplinari affrontati nelle principali attività laboratoriali (2 ore)
Il totale delle attività organizzate ha comportato un impegno di oltre 50 ore.
Il programma attuato per la scuola estiva ha previsto quattro diverse modalità di intersezione con il
programma del WS3.
La prima modalità costituisce un completamento della formazione in rete telematica del Master IDIFO
mediante la sperimentazione di percorsi didattici sulla relatività e sulla meccanica quantistica, che
trasformano la preparazione in competenza professionale. Sono state realizzate nei laboratori per
l’esplorazione di percorsi organizzando macro-gruppi paralleli di studenti. I 4 percorsi sperimentati
erano stati messi a punto, sulla base dei progetti di ricerca proposti nei corsi del Master.
Una seconda modalità di integrazione è stata nelle attività di laboratorio sperimentale. Hanno operato assieme su esperimenti sulla fisica moderna gruppi misti composti da studenti partecipanti alla
scuola estiva e docenti iscritti al master, che avevano già avuto modo di avvicinarsi a quegli stessi
esperimenti nel primo workshop in presenza svoltosi nel settembre 2006. Ogni gruppo comprendeva un ricercatore con il compito di tutor. L’ipotesi di lavoro era che gli insegnanti iscritti al master
facessero da tutor agli studenti nella conduzione degli esperimenti, ciò si è realizzato soltanto con il
forte sostegno del ricercatore-tutor.
La terza modalità è consistita nei seminari conclusivi: singoli studenti hanno presentato brevi comunicazioni su che cosa avevano imparato nei tre ambiti principali della meccanica quantistica, della
relatività, dell’analisi degli spettri RBS, discutendo poi in forma collegiale i nodi affrontati, ponendo
domande su quelli lasciati aperti.
La quarta modalità è stata la fruizione di seminari congiuntamente: i seminari di carattere generale:
Philosophical aspects of quantum theory tenuto dalla prof. G. Pospiech, dell’Università di Brema e
How does an atom look like?-Come appare un atomo? Tenuto dal prof. F. Herman, dell’Università di
Karlsruhe; Gravità e meccanica quantistica al lavoro: l’espansione dell’Universo. tenuto dal prof. De
Angelis, preside del corso di laurea in fisica computazionale dell’Università di Udine; RBS-Rutherford Backscattering Spectroscopy. Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella fisica dei
solidi, attività coordinata dal prof. Corni dell’Università di Modena Reggio; la parte sociale svoltasi
il venerdì pomeriggio, che comprendeva la vista al sincrotrone di TS e la visita alla SISSA presso il
centro di Miramare di fisica teorica, la cena sociale.
7. Tipologie di attività e strategie di lavoro
Le caratteristiche delle principali attività offerte ai partecipanti della scuola sono state le seguenti.
A - Laboratori didattici partecipati
Questi laboratori didattici sono stati condotti alternando a fasi collettive condotte da ricercatori, fasi
di lavoro individuale e/o a piccoli gruppi utilizzando proposte operative e schede di lavoro di tipo
Inquiry learning. A seconda delle fasi e della tematica considerata, sono state impiegate strategie tipo
Previsione Esperimento Confronto (PEC)4 e di problem solving.
(4)
La strategia PEC è stata messa a punto con le ricerche PRIN, che la comunità IDIFO ha svolto e di cui vi sono
esemplificazioni nel progetto EspB del sito www.fisica.uniud.it/URDF/
302
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Sono di questa tipologia generale laboratori didattici sulla tecnica di analisi RBS e di introduzione
alla polarizzazione5.
Fig. 12 - Gli studenti discutono spettri di Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS).
Costruita la teoria dell’urto colombiano e applicata alla specifico caso delle particelle retro diffuse
da multistrati atomici, come si ha nel caso della RBS, agli studenti è stata proposta l’analisi di spettri
mirata alla determinazione di composizione di campioni incogniti. L’esito del laboratorio sono state
le schede di lavoro compilate e gli spettri RBS analizzati. La valutazione dell’apprendimento è stata
effettuata con uno specifico test. Il laboratorio RBS è stato il test di fattibilità su una proposta innovativa e la validazione dei materiali e della proposta messa a punto e mai sperimentata in precedenza.
Il laboratorio partecipato Introduzione ai concetti di base della meccanica quantistica con esperimenti
di polarizzazione ottica ha fornito agli studenti una base fenomenologica comune di riferimento, per
affrontare i percorsi sulla MQ progettati dai corsisti del Mater con approccio alla Dirac (Ghirardi et
al. 1997; Michelini et al. 2000). Il percorso esplorativo ha portato alla costruzione della polarizzazione come proprietà della luce, che si riconosce attraverso una variazione di intensità della luce, ma
che è distinta dall’intensità stessa. La strategia di lavoro è stata quella di alternare l’esplorazione guidata dalla cattedra, utilizzando una lavagna luminosa su cui appoggiare i polaroid e creare le diverse
situazioni da analizzare, e l’esplorazione libera seguendo le proposte di schede di lavoro. Gli studenti
hanno utilizzato i kit sulla polarizzazione della luce appositamente predisposti. Tali kit contengono
una serie di polaroid, filtri rifrangenti ordinari, un cristallo birifrangente, un puntatore laser, supporti
in legno grazie ai quali si possono realizzare le diverse situazioni sperimentali del percorso didattico.
Tutti i materiali sono facilmente reperibili oppure facilmente riproducibili. Le schede di lavoro compilate durante l’attività costituiscono hanno evidenziato per i ricercatori le rappresentazioni iconiche
degli studenti per la rappresentazione contemporanea di polarizzazione e intensità della luce.
Caratteristiche di problem solving ha avuto anche il laboratorio di simulazione sul caos, condotto da
Maria Peressi e Giorgio Pastore, della SISSA, Università di Trieste.
B - Laboratori di esplorazione di percorsi concettuali
In questi laboratori sono state svolte le sperimentazioni di 4 insegnanti iscritti al Master. Essi hanno
proposto percorsi di ragionamenti fondati sulle attività esplorative sperimentali o multimediali. Le
attività hanno previsto pre-test/post-test, schede di lavoro, attività sperimentali o di simulazione con
il coinvolgimento attivo degli studenti, per un totale di 8 unità orarie. Un ricercatore e un esperto
hanno monitorato silenti l’attività in ciascuna sperimentazione. Sono state attuate due sperimentazioni di relatività in parallelo in laboratori diversi con gruppi composti da metà degli studenti iscritti
alla scuola estiva. I contenuti erano stati progettati a partire dallo stesso percorso di formazione incentrato prevalentemente sulla proposta di Taylor e Wheleer (1992)6.
(5)
(6)
Il laboratorio RBS e quello sulla polarizzazione ottica sono presentati in questo stesso volume.
Si tratta dei lavori presentati in questo volume da V Giuliani e M Caporusso.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
303
Anche sulla meccanica quantistica sono state progettate e condotte, a cura di due docenti iscritti al master,
due sperimentazioni ciascuna realizzata sempre con metà degli iscritti alla scuola. In questo caso i moduli
sono stati svolti in parallelo con i laboratori sperimentali. Si è trattato di due percorsi coerenti con l’approccio alla meccanica quantistica di Dirac (Ghirardi et al 1997; Michelini et al. 2000), uno prioritariamente centrato sull’introduzione del formalismo a partire dalla base sperimentale della polarizzazione
e il secondo focalizzato sulla discussione del principio di sovrapposizione esplorando la fenomenologia dell’esperimento di Stern e Gerlach. Entrambi i percorsi sono finalizzati a far riconoscere il ruolo
fondante del principio di sovrapposizione nella costruzione della meccanica quantistica7.
Le schede di lavoro, i test e i questionari compilati dagli studenti, messe a punto dai tirocinanti con la
supervisione di ricercatori dell’URDF, sono stati i principali prodotti di questi laboratori. Significativo esito di questo lavoro è stato anche il seminario conclusivo della scuola in cui gli studenti hanno
presentato e discusso con sorprendente competenza i concetti esplorati in questi laboratori.
C - Laboratorio Sperimentale
Particolarmente qualificante è stato il laboratorio sperimentale in cui gli studenti e gli insegnanti del
Master hanno effettuato a rotazione i seguenti esperimenti, disponibili in 2 copie:
• Frank e Hertz, per la misura delle energie di transizione atomica del mercurio,
• Diffrazione ottica: acquisizione on-line di pattern di diffrazione da singola fenditura ed individuazione delle leggi fenomenologiche che li descrivono (Corni, Michelini 1993),
• Effetto Hall per misura della costante Hall per materiali diversi (Michelini 2001);
• Misura della velocità della luce, in aria e in materiali diversi (Pegna 2007).
Fig. 7 - Alcuni studenti in laboratorio.
Fig. 8 - Studenti e insegnanti in laboratorio.
(7)
I corrispondenti lavori sono presentati in questo volume a cura di A Casellato e F Ciralli.
304
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Le attività sono state condotte in gruppi misti ciascuno composto da 3-4 studenti 1-2 insegnanti partecipanti al WS3 del Master (a volte insegnanti e studenti provenivano dalla stessa scuola) e un ricercatore dell’URDF. Dopo una breve presentazione da parte del tutor della misura, i componenti di
ciascun gruppo hanno eseguito la misura, raccolto i dati, utilizzando le schede appositamente predisposte ed discusso i dati. Ciascun gruppo ha prodotto una breve relazione su ciascun esperimento
con presentazione e discussione dei dati. La discussione degli esiti principali delle misure effettuate
è stata fatta nel seminario conclusivo.
Fig. 9 - Discussione dei dati raccolti e loro analisi.
D - Laboratori dimostrativi
L’obiettivo di offrire lo spettro più ampio possibile di attività sperimentali sulla fisica moderna ci ha
fatto differenziare le attività sperimentali. È stato previsto pertanto anche un laboratorio dimostrativo, in cui in tempi brevi un ricercatore o docente esperto eseguiva un singolo esperimento effettuando alcune misure sul campo e documentando e discutendo l’intera misura con dati campione. In
questo modo sono stati proposti i seguenti esperimenti:
• Effetto fotoelettrico e termoionico
• Risonanza di spin ed esperimento Ramsauer:
• Misura del rapporto tra carica e massa (e/m) dell’elettrone
Il ruolo attivo degli studenti è stato garantito dallo stile di presentazione, che non si riduceva a una
semplice lezione frontale ma prevedeva continui stimoli agli interventi degli studenti con domande,
o con sollecitazioni a porre domande.
Fig. 10 - Dati campione e apparato utilizzato per lo studio dell’effetto fotoelettrico.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
305
E - Seminari conclusivi
Il seminario conclusivo si è svolto il sabato mattina in cui si è conclusa la scuola. Per quanto tutti i
moduli proposti nella scuola abbiano previsto sistematiche valutazioni, si è scelto di creare un ambito
generale di confronto tra i diversi attori presenti a Udine in occasione della scuola: gli studenti iscritti,
gli insegnanti partecipanti al WS3, i docenti di diverse sedi presenti a Udine per l’occasione, i ricercatori dell’URDF che come docenti oppure osservatori/tutor hanno collaborato alla scuola. Agli studenti è stato dato il ruolo di attori principali, facendo loro presentare delle relazioni di 15-20 minuti
l’una, in cui presentare i nodi principali dei percorsi che avevano esplorato nei laboratori in merito al
percorso di meccanica quantistica, a quello di relatività, a quello sull’analisi degli spettri RBS.
I ragazzi che si sono assunti volontariamente il compito di riferire per i gruppi hanno in autonomia
preparato i loro brevi interventi.
Essi hanno anche risposto alle domande che venivano loro rivolte dai partecipanti all’assemblea. In
merito alla relatività la discussione si è incentrata su come cambi la concezione dello spazio tempo
relativistico. In merito alla meccanica quantistica il dibattito è stato più acceso, lungo e partecipato.
Dato l’alto numero di persone presenti e per garantire a tutti di poter dare un contributo, agli studenti
è stato richiesto di formulare delle domande scritte da presentare a compagni, insegnanti, ricercatori,
in modo che potessero essere date risposte sintetiche su più quesiti correlati. Alcune tra le domande
formulate evidenziano l’alto livello raggiunto dagli studenti nell’entrare nel cuore dei nodi concettuali della meccanica quantistica:
• ”in che cosa consiste esattamente uno stato entanglement?”, aspetto non trattato nei percorsi, ma
citato nel seminario iniziale della prof. Pospiech.
• macrosistemi-microsistemi: “come mai mondo macro e mondo micro sono uguali se nel macromondo non abbiamo bisogno di fare una misura per sapere che il sistema ha certe proprietà?”
• “È perché nei sistemi macroscopici di fatto facciamo continuamente misure?”
• “Quali conferme sperimentali ci sono della meccanica quantistica?”
Fig. 11 - Le presentazioni al seminario finale di relatività e di meccanica quantistica.
Fig. 12 - La replica di un ricercatore dell’URDF; le domande sulle relazioni degli studenti; la partecipazione congiunta di studenti,
insegnanti e docenti del Master al seminario conclusivo.
306
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
8. Conclusioni
La formazione degli insegnanti all’innovazione didattica è un problema intrigante per tutta la ricerca.
Abbiamo accolto tale sfida proprio con lo spirito di ricerca e con il vantaggio di essere una comunità che studia insieme da anni tali problemi. Per questo motivo le domande di ricerca e le azioni per
rispondere non si sono risparmiate.
I Workshop in presenza del Progetto IDIFO hanno arricchito sia il ruolo formativo del Progetto per
gli insegnanti sia le prospettive di integrazione di attività sul campo con la formazione di professionalità per l’innovazione didattica.
Il primo WS1 ci ha fornito importanti elementi per un modello di attività intensiva integrata con attività a distanza nella formazione degli insegnanti.
Il secondo WS2 ha svolto un ruolo di ricaduta e messa a punto di strumenti didattici con studenti.
Il terzo WS3 associato alla Scuola Estiva per studenti è stato un’esperienza modello, che ci ha fatto
scoprire il valore e i bisogni dei giovani motivati nella scuola.
Tutti i 50 studenti che sono stati ammessi alla scuola si sono iscritti e hanno partecipato attivamente
alle 51 ore di attività organizzate, sia giornaliere sia serali, come documentano i fogli presenza, da
cui emerge la sola defezione di uno studente a una mattinata di lavoro per indisposizione. I prodotti
sono stati moltissimi: le schede di lavoro e i test compilati da tutti i corsisti nei diversi moduli didattici, i questionari riepilogativi, compilati dalla quasi totalità degli studenti, questionari di monitoraggio riconsegnati da 45 studenti e da quelli sui punti di forza e punti deboli della scuola riconsegnati
da 31 studenti, i filmati delle parti che è stato possibile video riprendere e disponibili in rete.
Alle ore di lavoro ufficiali vanno aggiunte diverse ore serali e notturne in cui molti dei ragazzi che
hanno partecipato alla scuola hanno analizzato i problemi posti, compilato schede di valutazione e
test, preparato relazioni e presentazioni, come in particolare hanno fatto i rapporteur del seminario
conclusivo, che hanno preparato tra venerdì pomeriggio e sabato mattina le loro brevi presentazioni
di sintesi, facendosi in qualche caso aiutare dai compagni il venerdì pomeriggio durante il viaggio
verso Trieste. Vi sono state inoltre aggiunte per una trentina di studenti altre 2-3 ore di incontri di
orientamento, di tipo informale, con il preside della facoltà di scienze, e il prorettore per la didattica e l’orientamento.
Il clima di lavoro è stato sempre sereno, collaborativo, grazie al comportamento degli studenti che
definire esemplare sembra quasi riduttivo:
• Gli studenti hanno sempre affrontato le attività che venivano loro proposte con entusiasmo, anche
quando erano gravose
• Il clima di rispetto per i docenti (universitari o insegnanti di scuola) e per i compagni è stato esemplare
• Gli interventi sono sempre stati pertinenti, orientati a cercare di capire meglio gli obiettivi proposti e mai finalizzati a mettere in difficoltà l’interlocutore – in questo senso i corsisti Master che
hanno sperimentato i percorsi, all’inizio un po’ timorosi di trovarsi di fronte degli studenti di così
alto livello, hanno potuto lavorare molto serenamente e raccogliere ottimi risiltati dalle loro sperimentazioni.
• Sia nella sede di lavoro, sia nel collegio, sia nell’attività sociale non hanno mai fatto sorgere alcun
problema, rispettando gli orari di lavoro, adeguandosi ai ritmi che erano stati programmati, mantenendo un livello di attenzione fuori dal comune
Queste considerazioni acquistano anche maggiore peso se si considera, che le diverse attività non
hanno ricevuto le stesse valutazioni come emerge dai dati di monitoraggio, discussi in un articolo
di questo volume.
Le indicazioni che emergono dalla ricerca didattica, in merito alla valorizzazione della qualità delle
azioni formative hanno indirizzato alla realizzazione di una complessa struttura organizzativa in cui
modalità e strategie diverse di lavoro si sono integrate e alternate.
Le tematiche sviluppate hanno riguardato prioritariamente la fisica quantistica, la relatività, le tecniche di analisi sperimentale e in particolare la tecnica RBS. Ciascuna proposta didattica offerta è
stata progettata come ricaduta e contesto di ricerca didattica. Diversi tipi di laboratori sono stati atti-
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
307
vati: laboratori sperimentali, in cui a gruppi misti studenti e insegnati iscritti al Master effettuavano
gli esperimenti, laboratori didattici per l’esplorazione di percorsi,in cui insegnanti iscritti al Master
effettuavano sperimentazioni didattiche, laboratori partecipati condotti da ricercatori per l’esplorazione di fenomenologie e la costruzione di concetti. Contributi di ospiti internazionali e italiani hanno
arricchito le proposte locali.
Alcune elementi hanno prodotto risonanza rispetto agli obiettivi: la presenza contemporanea in aula
di docenti del master, insegnanti iscritti al master e studenti iscritti alla scuola, l’integrazione di attività sperimentali, ludiche esplorative di calcolo e studio.
Il monitoraggio delle attività e della scuola, svolto contestualmente a sistematiche valutazioni degli
apprendimenti, ha consentito di evidenziare l’importanza di proporre agli studenti tematiche che risultano culturalmente significative e quindi stimolanti per loro, come sono in particolare quelle sui nodi
cruciali dello sviluppo della fisica del ‘900 come la meccanica quantistica e la relatività. Accanto a
queste indicazioni è emerso fortemente il ruolo del laboratorio come privilegiato contesto d’apprendimento, l’alto valore dei docenti e le modalità di lavoro, il positivo e stimolante clima creatosi nella
scuola. L’operare con studenti motivati prima ancora che di livello eccellente, è stata una opportunità
per attuare analisi di fattibilità di proposte didattiche innovative, sperimentare strategie formative.
Tali esperienze anche se non generalizzabili proprio perché condotte sull’eccellenza hanno consentito di tracciare un limite superiore alla percorribilità delle proposte. Hanno permesso inoltre di evidenziare come anche operando con studenti di alto livello si riscontrino difficoltà di apprendimento
anche su aspetti d base. Hanno inoltre costituito un laboratorio in cui condurre ricerche su proposte
innovative sulla fisica contemporanea, già sperimentate in altri contesti, come nel caso dei percorsi
di meccanica quantistica e relatività, sia mai offerti a studenti, come è il caso del percorso di problem solving sulla tecnica RBS.
I risultati dell’analisi degli strumenti di monitoraggio hanno fornito indicazione per effettuare una
revisione del progetto IDIFO da attuare nel PLS2.
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309
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
APPENDICE
Dati relativi alle domande regolari pervenute
e agli ammessi alla scuola estiva disaggregate per provincia
CAMPANIA
EMILIA R
FRIULI VG
LAZIO
LIGURIA
LOMBARDIA
Avellino
Benevento
Caserta
Napoli
Salerno
Bologna
Ferrara
Forlì-Cesena
Modena
Parma
Reggio-E.
Rimini
Udine
Trieste
Pordenone
Gorizia
Frosinone
Latina
Rieti
Roma
Genova
Imperia
La Spezia
Bergamo
Brescia
13
1
2
1
1
2
1
8
13
1
2
16
5
11
17
33
1
1
1
3
3
7
CL 5
CL 4
7
2
1
3
0
3
2
5
3
3
1
2
1
1
11
8
1
2
1
12
3
4
2
14
23
2
1
3
1
1
1
1
1
1
10
0
10
6
0
6
0
3
0
3
18
2
16
19
2
17
28
10
18
56
8
48
6
0
6
6
1
1
3
2
1
3
1
2
3
1
3
1
7
12
1
2
0
1
2
1
7
12
0
1
1
1
5
1
1
3
7
13
5
11
6
6
2
2
11
27
1
1
1
3
3
7
0
7
2
1
3
2
1
1
1
1
0
NON
AMM
CALABRIA
Crotone
Reggio C
1
3
2
1
3
1
2
3
1
3
1
8
AMM
Matera
Potenza
6
1
TOTALI
Regione
BASILICATA
2
Non ammessi
CL 5
Chieti
L’Aquila
Pescara
Ammessi
CL 4
ABRUZZI
PROVINCIA
CL 5
REGIONE
CL 4
Domande
2
2
4
3
3
1
2
1
0
10
3
0
1
1
5
3
4
2
12
21
2
1
3
1
310
LOMBARDIA
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Cremona
Lecco
Lodi
Mantova
Milano
Pavia
Varese
MARCHE
Ancona
Macerata
MOLISE
Campobasso
Isernia
Alessandria
Biella
Cuneo
Novara
Torino
Verbano-Cusio-Ossola
Vercelli
PIEMONTE
PUGLIA
SARDEGNA
SICILIA
Bari
Brindisi
Foggia
Lecce
Nuoro
Sassari
Agrigento
Caltanissetta
Catania
Messina
Palermo
Ragusa
Siracusa
Trapani
TOSCANA
Firenze
Lucca
Siena
TRENTINO AA
Trento
UMB
Perugia
VENETO
Belluno
Padova
Treviso
Venezia
Verona
Vicenza
1
4
2
3
3
4
4
31
2
1
3
3
1
4
4
4
1
4
3
1
17
4
2
6
12
2
2
2
0
0
0
14
2
2
3
23
1
1
1
3
0
6
6
6
6
16
8
1
5
42
3
2
2
2
1
3
1
2
1
2
11
4
5
0
0
0
1
1
2
0
0
1
6
3
3
3
12
8
1
3
1
3
5
1
10
3
4
3
3
0
1
2
1
4
1
3
0
12
0
1
1
3
3
2
2
9
3
3
19
0
5
0
2
2
0
0
0
0
0
1
0
1
1
2
2
3
1
4
4
27
2
1
3
3
1
4
4
4
1
1
3
1
14
3
2
3
8
2
2
2
0
0
0
12
2
2
3
21
1
1
1
3
0
6
6
6
6
16
8
1
5
42
3
0
1
1
6
42
9
33
0
3
0
3
1
1
2
5
0
5
29
6
23
22
9
13
5
0
5
35
2
33
3
0
3
1
0
1
9
0
9
61
1
60
1
3
3
9
3
1
1
5
3
3
0
1
2
1
4
1
3
0
12
0
1
1
3
3
2
2
8
3
3
18
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
311
I MATERIALI IDIFO DELLE ATTIVITÀ IN PRESENZA
Alessandra Mossenta, Alberto Stefanel
Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine
1. Introduzione
Le diverse attività dei tre workshop in presenza organizzati nel contesto di IDIFO (WS1 nel settembre 2006; WS2 nel marzo 2007; WS3 nel luglio 2007) hanno avuto come elemento caratterizzante
e qualificante i materiali di lavoro, su cui è stato effettuato un particolare studio e lavoro di progettazione, valutazione, successiva rielaborazione e focalizzazione su obiettivi e destinatari differenziati. Questi materiali sono stati strettamente funzionali alle attività per le quali sono stati proposti e
ne hanno molto spesso rispecchiato e anche determinato le caratteristiche.
Nel primo workshop è stata dedicata particolare attenzione da un lato ai materiali che hanno permesso
di realizzare un laboratorio didattico su quindici esperimenti di fisica moderna, unico nel panorama
italiano, dall’altro il set di materiali (kit sperimentali, libretti, schede di lavoro) per la progettazione
degli insegnanti sul percorso didattico di meccanica quantistica.
Per il secondo work-shop è stato arricchito il set sperimentale, soprattutto grazie agli esperimenti
di elettromagnetismo e superconduttività del progetto europeo Supercoment2, e sono stati studiati e
validati i materiali relativi alle diverse tipologie di laboratori didattici messi a punto e in particolare
CLOE, problem solving (Moschetta et al. 2002; Fedele at al. 2005).
Le attività seminariali in entrambi i workshop sono state preparate e tutorate con documenti e presentazioni di supporto.
In occasione del terzo work-shop i materiali messi a punto per i primi due sono stati
riprogettati, ricalibrati e ampiamente arricchiti per essere proposti agli studenti della
scuola estiva come strumenti di lavoro e
forniti ai corsisti come materiali da utilizzare per sviluppare i personali progetti di
percorsi didattici (fig. 1 e tab. 1) (Michelini, Santi, Stefanel 2008, 2010).
Fig. 1 - Le borse con i materiali di studio e tutorato progettati per il WS3 e la Scuola Estiva di Fisica Moderna
(libretto con le schede di presentazione delle attività
sperimentali; schede operative e schede stimolo del tipo
PEC/Inquiry; libretti e documenti di illustrazioni dei
percorsi) e materiali di supporto ai partecipanti (invito
alla Scuola Estiva, lettera di benvenuto, programma,
informazioni turistiche sul territorio friulano), materiale
illustrativo della Scuola Superiore dell’Università di
Udine.
Tali materiali sono delle seguenti tipologie principali:
A) materiali per i laboratori di esplorazione di percorsi didattici: A1) materiali introduttivi e di supporto ai contenuti; A2) kit sperimentali per le attività hands-on/minds-on;
B) Materiali di supporto per i percorsi di esplorazione sugli esperimenti di fisica avanzata: B1)
schede esperienze; B2) schede operative; B3) schede per presa dati.
312
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
C) Materiali di presentazione delle attività seminariali;
Le loro caratteristiche vengono discusse nei paragrafi successivi.
Materiali di supporto e preparazione ai laboratori didattici :
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.
Santi L., Schede Esperienze con relative schede di lavoro.
Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sÞda per avvicinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica.
Materiali di tutorato e studio relativi ai seminari
Il prevedibile e innovativo impatto tecnologico della Meccanica Quantistica, Giancarlo Ghirardi, Dipartimento di Fisica Teorica, Università di Trieste.
A1) Philosophical aspects of quantum theory, A2) Experiments concerning quantum information, A3)
Teaching quantum physics: the goals, the core of a course and possible ways, Gesche Pospiech, University of Dresden.
B1) Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella Þsica dei solidi; B2) Discussione del signiÞcato di: Sezione d’urto; sezione di stopping. B3) Dentro la ricerca con un problem solving: Analisi
dati RBS, Federico Corni, Università di Modena e Reggio Emilia.
C1) The energy-mass equivalence for beginners (L‘equivalenza energia-massa per principianti); C2) A
uniÞed approach to nuclear physics (Un approccio uniÞcato alla Þsica nucleare); C3) How does an
atom look like? (Come appare un atomo?), Friedrich Herrmann, University of Karlsruhe.
Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sÞda per avvicinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica.
Tabella 1 - Materiali di tutorato e studio del WS3 e della scuola estiva 2007
2. Materiali per i laboratori di esplorazione di percorsi didattici
Vengono qui discusse le caratteristiche generali dei materiali progettati per i laboratori di esplorazione di percorsi didattici, facendo riferimento per esemplificazioni, in particolare, con quelli che
costituiscono parte integrante dei percorsi sperimentati nella scuola estiva su meccanica quantistica
e RBS.
A1) Materiali introduttivi e di supporto ai contenuti dei laboratori didattici sull’esplorazione di percorsi
e di riferimento per la progettazione di sperimentazione in classe
Per le sperimentazioni di percorsi in laboratorio didattico proposte nella scuola estiva e per fornire
agli insegnanti materiali di riferimento per la loro progettazione e sperimentazione, sono stati proposti documenti che ne riepilogassero il filo, offrissero supporti per approfondimenti e riferimenti
bibliografici. Tali documenti sono stati inoltre, in molti casi, esplicitati in attività preliminari ai veri
e propri laboratori didattici in seminari introduttivi e lezioni partecipate.
Come base e riferimento per il percorso sulla meccanica quantistica sono state proposte le due pubblicazioni Avvicinarsi alla teoria della Fisica quantistica (Michelini, Stefanel 2004) e il catalogo di
esperimenti su La Polarizzazione della luce (Michelini, Stefanel 2006a) (fig. 2).
La prima costituisce la presentazione del percorso didattico, basato sulla ricerca, progettato dall’URDF
sull’insegnamento/apprendimento della meccanica quantistica con approccio alla Dirac (Ghirardi et
al. 1995,1997; Michelini et al. 2000, 2001), che ha costituito il riferimento per una laboratorio partecipato con gli insegnanti nel WS3 e dei due moduli sulla meccanica quantistica progettati da due
corsisti IDIFO e sperimentati con gli studenti della scuola estiva. Si tratta di un agile libretto studiato appositamente per la formazione insegnanti, che è stato proposto agli studenti della scuola in
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
313
quanto presenta il filo del percorso didattico in forma accessibile, fornendo un quadro coerente dei
concetti quantistici fondanti, mostrando come sia possibile: costruirli nella semplice fenomenologia
della polarizzazione; generalizzarli facilmente a situazioni quali l’interferenza ottica; sintetizzarli e
formalizzarli con una rappresentazione vettoriale degli stati e con operatori lineari delle osservabili
fisiche. Illustrazioni delle diverse situazioni analizzate favoriscono la comprensione dei singoli passaggi in cui si articola il filo. Schemi di riepilogo aiutano a focalizzare sugli aspetti rilevanti e a favorire la costruzione del legame tra le diverse parti.
È completato, per il suo utilizzo nella formazione insegnanti, da: una presentazione generale; riferimenti bibliografici; indicazioni su obiettivi, motivazioni delle scelte, impostazione concettuale,
approccio, strategia, prerequisiti; una parte in cui si illustra il punte concettuale tra un approccio alla
meccanica quantistica alla Dirac e uno basato sui cammini di Feynman; la base fenomenologica e
sperimentale della polarizzazione su cui si fonda la proposta.
Fig. 2 - I libretti di esperimenti sulla Polarizzazione della Luce e sul percorso didattico di
meccanica quantistica.
La seconda pubblicazione riguarda la collezione di oltre quaranta semplici esperimenti osservativi e
misure, realizzate con sensori collegati in linea con il computer, sulla interazione di luce con polaroid e cristalli birifrangenti. Le proposte didattiche sottese a tale collezione da un lato suggeriscono
una esplorazione operativa della polarizzazione, efficace anche come proposta hand-on/minds-on
(Michelini, Stefanel 2006b), dall’altro offrono gli spunti per una selezione dei contesti fenomenologici di riferimento, la palestra concettuale in cui aprire la strada verso il mondo quantistico (Michelini
2008). Ciascun esperimento viene presentato con una foto, a volte affiancata da uno schema in modo
da esemplificare la situazione considerata, una sintetica presentazione del nodo problematico affrontato, una descrizione di ciò che l’esperimento evidenzia e di quali conclusioni permette di trarre.
Il percorso didattico sulla Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) è stato proposto avendo
come riferimento un documento appositamente redatto per gli studenti della scuola estiva, che costituisce una rielaborazione degli articoli di ricerca in cui è stata presentata la proposta didattica (Corni
1996; Corni et al 1996). Tale documento propone le basi teoriche (classiche) della tecnica RBS e i
principali concetti (sezione d’urto, fattore cinematico, stopping power) che vengono poi impiegati
nell’analisi degli spettri RBS proposta con una approccio tipico del problem solving.
Ulteriori documenti che sono stati forniti sono stati gli appunti sul percorso di relatività, predisposti
dai corsisti del master IDIFO che hanno condotto le sperimentazioni con gli studenti e il documento
314
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Fare scienza con il computer: il moto browniano, fornito a supporto del laboratorio di simulazione
svolto presso l’Università di Trieste.
A2) Kit sperimentali
I docenti nel WS1 e gli studenti nella scuola estiva hanno potuto realizzare laboratori di esplorazione
sperimentale hands-on/mins-on sui percorsi didattici proposti utilizzando kit di semplici esperimenti
appositamente progettati, messi a punto e validati.
Questi kit consentono un coinvolgimento diretto degli studenti nella esplorazione delle specifiche
situazioni proposte per affrontare i nodi concettuali intorno a cui si sviluppano i percorsi. Sono stati
progettati e messi a punto con un insieme di oggetti e apparati semplici, piccoli strumenti di misura,
che possono essere variamente assemblati. Consentono quindi agli studenti di stabilire autonomamente quali aspetti variare, su quali soffermare maggiormente l’attenzione, quali ulteriori prove fare
seguendo personali percorsi concettuali e di apprendimento, mettendo alla prova ipotesi e confrontando fra loro diverse ipotesi interpretative della fenomenologia.
Le attività esplorative, descritte nei due libretti sul percorsi di meccanica quantistica e polarizzazione di fig. 2 sono state proposte operativamente agli insegnanti del WS1 con i trenta kit di semplici esperimenti sulla polarizzazione, appositamente studiati per esplorazioni mirate con approccio
di tipo inquiry (McDermot et al. 1998, 2000; Abd-ElKhalick 2004; Lawson 2008) e PEC (Thornton,
Sokoloff 1999; Martongelli et al 2001; Michelini et al 2002; Sokoloff et al. 2004; Theodorakis 2010)
nella formazione insegnanti e nella sperimentazione con gli studenti.
Fig. 3 - I kit di Polarizzazione con cui ciascuno studente ha potuto esplorare gli specifici aspetti indagati della fenomenologia
della polarizzazione della luce nel percorso di meccanica quantistica.
Tali kit sono stati riprodotti in ottanta copie per essere utilizzati anche con gli studenti della scuola
estiva in occasione del WS3. Sono costituiti da: filtri polaroid; filtri rifrangenti; cristalli birifrangente;
foglio da lucido con una lettera; foglio bianco con una lettera e pagina di un libro; puntatore laser;
supporti per puntatore, cristalli, polaroid (fig.3). È piuttosto ampia la gamma delle esplorazioni che
si possono effettuare, di cui qui se ne richiamano tre su nodi concettuali: l’analisi della trasmissione
della luce da due polaroid, per introdurre operativamente la polarizzazione come proprietà della luce
distinta dalla sua intensità, ma che pure si riconosce attraverso una sua variazione; l’analisi della trasmissione della luce da tre polaroid (due incrociati e uno inserito in mezzo a 45°), per riconoscere
il ruolo attivo del polaroid nell’interazione con la luce; l’analisi della interazione della luce con due
cristalli birifrangenti allineati, uno diretto e uno inverso, per riconoscere la ricombinazione dei fasci
e studiare la correlazione tra percorso di propagazione della luce e sua polarizzazione. Per l’esplorazione delle analoghe situazioni a singolo fotone, è stata messa punto una strategia basata sull’utilizzando della simulazione JQM, che costituisce un ambiente di simulazione delle stesse situazioni
sperimentali realizzabili con i kit sperimenta (Michelini et al. 2002).
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
315
L’introduzione alla superconduttività è stata proposta in occasione di WS2 e WS3 supportandola con
kit sperimentali realizzati come esito primario del progetto europeo LLL del programma Leonardo
Da Vinci Supercomet 2 (AAVV 2007; Engstrom et al 2009a,b; Michelini, Viola 2009). Tali kit sono
costituiti da materiali che possono essere diversamente assemblati per esplorare una vasta gamma di
proposte sperimentali su: fenomeni magnetici (esplorazioni dell’interazioni tra magneti, interazioni
tra magneti e oggetti di materiali diversi, esplorazione di campi magnetici con bussole, limatura di
ferro, oggetti ferromagnetici), interazioni campi e correnti elettriche (esperimento di Oersted, interazioni magnete-bobine percorse da corrente, la forza di Lorentz con la bilancia Elettro-dinamica e
la bilancia di Cotton), fenomeni di induzione elettromagnetica (L’anello che salta, in cui tre anelli di
diverso materiale (rame alluminio e plastic) a temperature ambiente o pre-riscaldati/pre-raffreddati
vengono sottoposti a un’improvvisa ed intensa variazione di flusso di campo magnetico. L’altezza del
salto viene analizzata in termini dei diversi materiali e temperature; il magnete che cade in un tubo
di rame); proprietà elettriche dei materiali (misura della resistività in funzione della temperatura per
metalli, semiconduttori e superconduttori; proprietà magnetiche dei superconduttori (Effetto Meissner e Penning, comportamento dei superconduttori di I e II tipo).
Il percorso sulla tecnica RBS, presentato ai docenti nel WS3 e sperimentato con gli studenti nella
scuola estiva è stato proposto a partire da un laboratorio di problem solving sperimentale sugli urti
con l’obiettivo di ottenere in un esperimento d’urto proiettile-sagoma la distribuzione angolare di
retrodiffusione (Produrre un istogramma della probabilità di retrodiffusione in funzione dell’angolo di
scattering). Allo scopo, oltre allo studio di urti centrali con carrelli su rotaia, sono stati utilizzati tre kit
completi di sagome di forma diversa (disco, triangolo, ellisse) e sfere d’acciaio inviate sulle sagome
con velocità e direzione d’impatto fissata facendole scendere lungo una guida a scivolo (Fig. 4).
Fig. 4 - Apparato per lo studio della sezione d’urto di diffusione
di palline che incidono su una sagoma bersaglio.
4. Materiali di supporto per i percorsi di esperimenti di fisica avanzata
Un’ampia proposta di quindici contesti sperimentali di fisica avanzata, rilevanti per le progettazioni
di percorsi didattici richieste ai corsisti IDIFO (Michelini, Santi, Stefanel 2008, 2010), ha caratterizzato le attività di laboratorio esperienziale degli insegnanti nei WS1 e WS3 e degli studenti nella
scuola estiva. I materiali didattici che fanno parte integrante della proposta di laboratorio esperienziale hanno consentito la realizzazione di micro percorsi sperimentali di problem solving focalizzati
su aspetti interpretativi cruciali.
Tale materiale è stato proposto sia per quello che riguarda gli esperimento condotti in piccolo gruppo,
con presa diretta di dati da parte degli studenti, sia per quegli esperimenti proposti dalla cattedra
all’intero gruppo di studenti.
Ciascun esperimento è stato messo a punto in almeno due copie, eccetto in un paio di casi di esperimenti
proposti a grande gruppo, per i quali è stati possibile mettere a punto un unico apparato prototipale.
316
Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
Ogni isola sperimentale è stata proposta con:
A) Scheda esperimento - In 1-2 pagine veniva presentato sinteticamente un esperimento, con indicazione delle fasi e dei principali risultati attesi. Ne è stata realizzata una per ciascuno degli esperimenti che gli studenti hanno o realizzato direttamente o hanno potuto osservare nei seminari dimostrativi. Avevano il principale obiettivo di fornire una base di riferimento, nelle fasi di lavoro di
gruppo e di rimanere in copia agli studenti come documentazione. Comprende la presentazione
del contesto problematico e dell’approccio didattico, descrizione dei materiali e discussione degli
aspetti teorici, che riguardano il processo esplorato, documentazione con dati campioni e loro elaborazioni le misure significative che l’esperimento proposto permette di effettuare e soprattutto
le conclusioni che se ne potessero trarre; una scheda operativa che, con poche indicazioni, mettesse in grado i corsisti di condurre autonomamente l’esperimento e stimolasse un atteggiamento
di esplorazione sperimentale di ipotesi, piuttosto che di semplice presa dati e loro elaborazione
predefinita; scheda per raccolta dati.
B) Schede raccolta dati – Sono state preparate solo per i quattro esperimenti offerti come laboratorio realizzato a rotazione a gruppi e prevedevano indicazioni su quali misure effettuare, quali dati
raccogliere, come effettuare le prime rielaborazioni, pur lasciando ampia libertà nella gestione
della misura e nella possibilità di ampliare l’esplorazione.
L’attività nel laboratorio sperimentale è stata preparata con presentazioni effettuate dai ricercatori
dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine (URDF) mettendo a disposizioni dei corsisti le relative slide di presentazione e filmati, che anno costituito ulteriore materiale a
supporto.
Un libretto ha raccolto questi materiali costituendo un compatto e prezioso strumento di lavoro per
la realizzazione di un laboratorio di fisica avanzata sulla fisica moderna presumibilmente unico nei
laboratori didattici in Italia (fig. 4).
Fig. 5 - Frontespizio del fascicoletto che raccoglie le schede esperienze sugli esperimenti di fisica moderna.
5. Materiali di introduzione ai seminari
I materiali di introduzione alle tematiche trattate nei seminari proposte nei tre WS e nella scuola estiva
sono stati sviluppati specificamente. In particolare per i ragazzi della scuola estiva sono stati proposti materiali appositamente studiati, realizzati ex-novo o più spesso riprogettati a partire dai materiali sviluppati per la formazione insegnanti del master IDIFO. Sono stati forniti ai corsisti IDIFO e
agli studenti della scuola estiva prima delle attività e sono restati a loro al termine della scuola. Sono
serviti, pertanto, come materiale sia di preparazione, sia di tutoraggio durante la scuola, sia di documentazione e consultazione successivamente alla scuola. La presentazione scritta di ciascun seminario ha fornito una traccia esauriente del tema affrontato, pur delineandolo in forma problematica e
suggerendo più stimoli per le discussioni e gli approfondimenti che si sono svolti al termine di ogni
seminario, che risultati conclusivi.
Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola
317
Un primo gruppo di tali agili documenti ha proposto una problematizzazione dei fondamenti storicofilosofici della meccanica quantistica da un lato e della relatività speciale dall’altro, seguendo lo stile
delle discussioni-stimolo e affiancando anche articoli e documenti storici.
Nei contributi relativi ai seminari sulla meccanica quantistica (Seminari: Il prevedibile e innovativo
impatto tecnologico della Meccanica Quantistica, Phylosophical aspects of quantum theory; Il problema del corpo nero: entrare nel merito per capire; How does an atom look like?-Come appare un
atomo?) sono stati delineati i problemi interpretativi alla base della teoria quantistica, gli elementi
peculiari che la caratterizzano rispetto alla fisica classica come l’entanglement e la non località, sono
stati discussi aspetti rilevanti basati sulla meccanica quantistica come la fisica atomica, la computazione quantistica, la teoria dell’informazione quantistica.
Per quello che riguarda la teoria della relatività ne sono state discusse le basi concettuali anche in
una prospettiva storica, delineando il quadro di rottura rispetto alla concezione del tempo assoluto
della fisica classica e i nodi concettuali relativi alla teoria relativistica (Seminari: The energy-mass
equivalence for beginners- L‘equivalenza energia-massa per principianti; I problemi della relatività visti dal punto di vista storico).
Un secondo gruppo di documenti ha riguardato la fisica delle alte energia, con la presentazione delle
ricerche di punta condotte in particolare presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Udine con
i grandi acceleratori e realizzate in ambito astrofisico e cosmologico (L’acceleratore LHC e l’esperimento ATLAS al CERN: alle frontiere della fisica moderna; Gravità e meccanica quantistica al
lavoro: l’espansione dell’Universo; Osservazioni ai confini dell’universo).
La videoregistrazione di tutti i seminari proposti nella scuola e loro messa in rete costituisce un ulteriore materiale messo a disposizione dei corsisti e di quanti vogliano valersene (http://agenda.fisica.
uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45).
7. Conclusioni
I materiali messi a punto e validati nei workshop 1-2-3 del master IDIFO e utilizzati nella Scuola
Estiva di Fisica Moderna sono stati progettati sulla base ai criteri che emergono dalla ricerca. Sono
stati essi stessi oggetto di uno studio di ricerca e sviluppo. Fanno in particolar modo riferimento alle
metodologie di tipo inquiry e sono di diverse tipologie. I materiali per gli esperimenti dei percorsi
didattici sono stati studiati per attivare il coinvolgendo diretto degli studenti in attività esplorative su
singoli step concettuali legati in percorso.
Le attività di laboratorio avanzato, hanno potuto valersi di apparati appositamente messi a punto e sono
state supportate con schede descrittive del contesto problematico a cui l’esperimento dà risposta, schede
operative e schede per raccolta dati. La presa dati non è stata proposta come attività fine a se stessa, ma
è sempre stata mirata a dare risposta a problemi interpretativi della fenomenologia fornendo parallelamente rilevanti elementi che caratterizzano la metodologia di indagine della fisica moderna. In questo
senso si è trattato non di semplici esperimenti, ma piuttosto di percorsi sperimentali. I seminari sono
stati preparati con materiali di presentazione in grado di stimolare la discussione e l’approfondimento
al termine di ciascun seminario e risultare al tempo stesso utile traccia del lavoro svolto.
L’insieme degli apparati, dei kit e delle schede che li accompagnano costituiscono uno dei principali
prodotti del progetto IDIFO, che costituiscono un patrimonio offerto alle scuole del territorio che
vogliano sperimentare modalità e percorsi innovativi sulla fisica moderna.
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Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti
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Università
degli Studi di Udine
Dipartimento di Fisica
M.I.U.R.
Ministero dell’Istruzione
dell’Università e della Ricerca
PLS
Progetto Lauree
Scientifiche
Progetto IDIFO
Fisica moderna
per la scuola
Materiali, aspetti e proposte
per l’innovazione didattica
e l’orientamento.
Il Progetto IDIFO, presentato al Progetto Lauree ScientiÞche nel 2006 dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università degli Studi di Udine, con partner le Università degli Studi di Bologna, Milano, Milano Bicocca, Napoli, Palermo, Pavia,
Roma La Sapienza, Torino e la collaborazione delle Università degli Studi di Bari, Bolzano, Lecce, Modena e Reggio Emilia,
Trento, Trieste, ha visto coinvolte nella sua realizzazione anche le Università della Basilicata e della Calabria, soprattutto nella
sua prosecuzione nell’ambito del Progetto Lauree ScientiÞche 2. Il Progetto IDIFO ha realizzato dal 2006 al 2009, oltre ad un
Master biennale per insegnanti in rete telematica, una Scuola Estiva nazionale di Fisica Moderna per studenti e tre Workshop in
presenza a Udine. Il primo di essi è stato tutto dedicato agli insegnanti del Master (WS1). Il secondo si è proposto di realizzare
la ricaduta sul territorio del Progetto IDIFO per studenti ed insegnanti del Friuli Venezia Giulia (WS2). Il terzo è stato dedicato
agli insegnanti del Master ed agli studenti selezionati per la partecipazione alla Scuola Estiva di Fisica Moderna, tenutasi a Udine
nel luglio 2007 (WS3). Questo volume raccoglie i contributi più signiÞcativi delle attività in presenza a Udine nei Workshop.
Curatore
Marisa Michelini, Università degli Studi di Udine
Comitato scientiÞco
Bocchicchio Mario, DIDA, Università degli Studi
del Salento
Bonanno Assunta, Università degli Studi della Calabria
Comelli Giovanni, Direttore del Sincrotrone
ELETTRA di Trieste
Compagno Cristiana, Rettore dell’Università di Udine
Corni Federico, Università degli Studi di Bolzano
e di Modena e Reggio Emilia
Corvaja Pietro, Direttore del Dottorato di Ricerca in
matematica e Þsica, Università degli Studi di Udine
De Ambrosis Anna, Università degli Studi di Pavia
Fabbro Franco, Preside della Facoltà di Scienze
della Formazione, Università degli Studi di Udine
Fazio Claudio, Università degli Studi di Palermo
Ferraro Speranzina, Direzione Generale dello Studente,
MIUR
Gagliardi Maria Paola Francesca, Università
degli Studi di Bologna
Giliberti Marco Alessandro, Università
degli Studi di Milano
Honsell Furio, Sindaco di Udine
Levrini Olivia, Università degli Studi di Bologna
Marcolini Lorenzo, Segretario Sezione AIF di Udine
Michelini Marisa, Università degli Studi di Udine
Monroy Gabriella, Università degli Studi
di Napoli Federico II
Oss Stefano, Università degli Studi di Trento
Ottaviani Giampiero, Università degli Studi di Modena e
Reggio Emilia
Pastore Giorgio, Università degli Studi di Trieste
Peressi Maria, Università degli Studi di Trieste
Picciarelli Vittorio, Università degli Studi di Bari
Piccinini Livio Clemente, Direttore della Scuola
Superiore, Università degli Studi di Udine
Rinaudo Giuseppina, Università degli Studi di Torino
Rocca Filomena, Direzione Generale degli Ordinamenti
Scolastici, MIUR
Santi Lorenzo, Università degli Studi di Udine
Sciarratta Isidoro, Segretario Sezione AIF di Pordenone
Sperandeo Rosa Maria, Università degli Studi di Palermo
Stefanel Alberto, Università degli Studi di Udine
Stella Rosa, Università degli Studi di Bari
Tarantino Giovanni, ANSAS Palermo
Tarsitani Carlo, Università degli Studi di Roma
La Sapienza
Tasso Carlo, Preside della Facoltà di Scienze
Matematiche Fisiche e Naturali, Università degli Studi
di Udine
Toppano Elio, Responsabile PLS – Matematica,
Università degli Studi di Udine
Segreteria redazionale
Cristina Cassan
Donatella Ceccolin
Chiara Geretti
© Copyright Università degli Studi di Udine
ISBN 978-88-97311-02-7
