cosa abbiamo imparato? - Università Cattolica del Sacro Cuore

Work-Catt 2017
PICCOLI SCIENZIATI CRESCONO
Claudio Giannetti
[email protected]
Interdisciplinary laboratories for advanced materials physics (I-LAMP)
Università Cattolica del Sacro Cuore, Brescia
http://centridiricerca.unicatt.it/ilamp
ALCUNI CONCETTI CHIAVE…
i.
il metodo sperimentale: un continuo dialogo
tra ipotesi e verifiche
ii. confronto tra pari
iii. imparare a mettere in discussione qualsiasi
idea o concetto dati
iv. il concetto di misura e incertezza sperimentale
v. spiegare non vuol dire esporre una serie di nozioni:
nuovi strumenti per far fare esperienze
IL METODO SPERIMENTALE: UN
CONTINUO DIALOGO TRA IPOTESI E
VERIFICHE
TEMPERATURA
E' una misura di quanto un corpo sia caldo o freddo, che è un
concetto legato al suo stato termico.
La differenza tra un corpo caldo ed uno freddo sta nell'energia
cinetica (o di agitazione termica) dei suoi atomi o molecole
TEMPERATURA
E' una misura di quanto un corpo sia caldo o freddo, che è un
concetto legato al suo stato termico.
La differenza tra un corpo caldo ed uno freddo sta nell'energia
cinetica (o di agitazione termica) dei suoi atomi o molecole
per cercare di spiegarlo partiamo da un’esperienza comune
TEMPERATURA
E' una misura di quanto un corpo sia caldo o freddo, che è un
concetto legato al suo stato termico.
La differenza tra un corpo caldo ed uno freddo sta nell'energia
cinetica (o di agitazione termica) dei suoi atomi o molecole
per cercare di spiegarlo partiamo da un’esperienza comune
• E’ più freddo il metallo o il legno (plastica, ceramica)?
TEMPERATURA
• E’ più freddo il metallo o il legno (plastica, ceramica)?
il metallo!!!
possiamo costruire un’esperienza semplice che ce lo mostri?
TEMPERATURA
• E’ più freddo il metallo o il legno (plastica, ceramica)?
il metallo!!!
possiamo costruire un’esperienza semplice che ce lo mostri?
prendiamo dell’acqua calda e la mettiamo in due contenitori.
Uno dei due contenitori è di metallo.
In quale dei due contenitori l’acqua si raffredderà prima?
TEMPERATURA
prendiamo dell’acqua calda e la mettiamo in due contenitori.
Uno dei due contenitori è di metallo.
In quale dei due contenitori l’acqua si raffredderà prima?
misure di grandezze che variano nel tempo…
TEMPERATURA
In quale dei due contenitori l’acqua si raffredderà prima?
ovviamente nel contenitore di metallo!
grazie all’attività sperimentale abbiamo verificato e compreso un concetto
importante: il metallo è più freddo della plastica (o di altro materiale)
TEMPERATURA
In quale dei due contenitori l’acqua si raffredderà prima?
ovviamente nel contenitore di metallo!
grazie all’attività sperimentale abbiamo verificato e compreso un concetto
importante: il metallo è più freddo della plastica (o di altro materiale)
➡ possiamo elaborare un’esperienza analoga ma differente?
Abituiamo i bambini/ragazzi a trovare nuove strade e porsi domande differente.
Qualsiasi conoscenza deve poter essere messa alla prova!!!!
TEMPERATURA
prendiamo dell’acqua fredda e la mettiamo in due contenitori.
Uno dei due contenitori è di metallo.
In quale dei due contenitori l’acqua si scalderà prima?
E’ lo stesso problema di prima ma posto in termini diversi
Se i bambini (noi) hanno (abbiamo) capito…
l’acqua nel contenitore metallico rimarrà più fredda
perché il metallo è più freddo.
ATTIVITA’ SPERIMENTALE
grazie all’attività pratica (hands-on), gli alunni
osservano, esplorano, indagano oggetti e fenomeni del
mondo della natura, lavorando da soli o in piccoli gruppi
ATTIVITA’ SPERIMENTALE
grazie all’attività pratica (hands-on), gli alunni
osservano, esplorano, indagano oggetti e fenomeni del
mondo della natura, lavorando da soli o in piccoli gruppi
confronto con le proprie capacità
ed elaborazione indipendente
ATTIVITA’ SPERIMENTALE
grazie all’attività pratica (hands-on), gli alunni
osservano, esplorano, indagano oggetti e fenomeni del
mondo della natura, lavorando da soli o in piccoli gruppi
confronto con le proprie capacità
ed elaborazione indipendente
confronto con gli altri ed elaborazione
di idee e ipotesi condivise
ATTIVITA’ SPERIMENTALE
Fondare sull’indagine sperimentale l’apprendimento
efficace delle scienze nella scuola primaria!
però è necessario:
• comprensione profonda da parte dell’insegnante
• preparazione nei dettagli dell’attività sperimentale
…a che punto siete su questo?
TEMPERATURA
prendiamo dell’acqua fredda e la mettiamo in due contenitori.
Uno dei due contenitori è di metallo.
In quale dei due contenitori l’acqua si scalderà prima?
la verifica sperimentale ci dice che…
TEMPERATURA
prendiamo dell’acqua fredda e la mettiamo in due contenitori.
Uno dei due contenitori è di metallo.
In quale dei due contenitori l’acqua si scalderà prima?
la verifica sperimentale ci dice che…
l’acqua si scalda prima nel contenitore di metallo!!!!!
la natura si è comportata esattamente in maniera opposta
all’ipotesi che avevamo fatto!
•cosa non abbiamo capito?
•quale delle ipotesi fatte è risultata falsa?
•cosa non abbiamo capito?
•quale delle ipotesi fatte è risultata falsa?
CONFRONTO TRA PARI
ci dividiamo in gruppi e proviamo a fare delle ipotesi…
non è vero che il metallo è più freddo della
plastica!!
all’equilibrio termodinamico tutti i corpi si trovano alla
stessa temperatura!
Se non ci crediamo…misuriamo!!!!!
TEMPERATURA E CALORE
differenza tra temperatura e calore:
La temperatura è una misura di quanto un
corpo sia caldo o freddo, che è un concetto
legato al suo stato termico.
La differenza tra un corpo caldo ed uno
freddo sta nell'energia cinetica (o di
agitazione termica) dei suoi atomi o molecole
la conducibilità
termica è la capacità di
un materiale di trasferire
calore data una differenza
di temperatura
il metallo non è più freddo ma ha conducibilità termica maggiore!
cosa abbiamo imparato?
cosa abbiamo imparato?
non basta l’attività pratica (hands-on) da sola!
➡ indagine (inquiry)
•Inquiry è esplorare, porsi domande e progettare la
ricerca per trovare le risposte.
•Inquiry è individuare l’evidenza e registrarla.
cosa abbiamo imparato?
➡ confronto tra pari
•Inquiry è ragionarci su, discutere con altri, confrontare
idee diverse e costruire nuove spiegazioni condivise.
•molto spesso il confronto tra pari è più utile che una
trasmissione di nozioni dall’alto verso il basso
•attenzione! A volte l’autorità dell’insegnante può essere
utilizzata per veicolare concetti sbagliati (misconceptions)
•favoriamo il confronto e pensiamo ad attività che lo facilitino
(con la supervisione dell’insegnante)
cosa abbiamo imparato?
➡ la scienza non è né solo attività
sperimentale, né solo astrazione
•Favoriamo domande e la messa in discussione delle idee che
vengono proposte.
•La scienza non è la soluzione di problemi o l’esposizione e
utilizzo di formule!
•Gli strumenti però servono!
•La scienza è divertimento e stupore…
cosa abbiamo imparato?
➡ l’evidenza, l’argomentazione e la
rappresentazione sono fondamentali
•Riconoscere la forza dell’evidenza!
”signora, se non prova
non ci crede!”
cosa abbiamo imparato?
➡ l’evidenza, l’argomentazione e la
rappresentazione sono fondamentali
•Riconoscere la forza dell’evidenza!
•L’argomentazione è parte integrale del modo in cui opera la scienza
quando fonda una nuova affermazione su idee coerenti con quelle già
accettate dalla comunità scientifica e su dati empirici derivati da
esperimenti mirati (Jimenez - Erduran 2007)
cosa abbiamo imparato?
➡ l’evidenza, l’argomentazione e la
rappresentazione sono fondamentali
•Riconoscere la forza dell’evidenza!
•L’argomentazione è parte integrale del modo in cui opera la scienza
quando fonda una nuova affermazione su idee coerenti con quelle già
accettate dalla comunità scientifica e su dati empirici derivati da
esperimenti mirati (Jimenez - Erduran 2007)
•Nella comunicazione si trovano le parole
La prima volta non sapevo cosa dire ed ero nervoso, poi man mano
che la gente si avvicinava per provare le parole mi uscivano da sole
dalla bocca (Sebastiano, V elementare).
cosa abbiamo imparato?
➡ capacità di collegare diversi argomenti
•La scienza non è a compartimenti stagni!
•Le conoscenze e i concetti vanno costruiti uno sull’altro e
messi sempre in relazione
cosa abbiamo imparato?
➡ capacità di collegare diversi argomenti
•La scienza non è a compartimenti stagni!
•Le conoscenze e i concetti vanno costruiti uno sull’altro e
messi sempre in relazione
termodinamica e equilibrio
mappa delle
temperature di
un’aula
stati della materia
METTERE IN DISCUSSIONE IDEE E
CONCETTI DATI
OLTRE AI PARADIGMI
tutte le più grandi rivoluzione derivano da domande ben
poste e che mettono in discussione le idee correnti
“maestra, ma se le cariche uguali si respingono come
fanno i protoni a rimanere nel nucleo dell’atomo?”
OLTRE AI PARADIGMI
tutte le più grandi rivoluzione derivano da domande ben
poste e che mettono in discussione le idee correnti
“maestra, ma se le cariche uguali si respingono come
fanno i protoni a rimanere nel nucleo dell’atomo?”
forza forte (una delle 4 forze fondamentali)
Nobel prize in physics 2004
David J.
Gross
H. David
Politzer
Frank Wilczek
OLTRE AI PARADIGMI
la gravità e le leggi del moto
“cosa cade per primo, una palla da bowling o una piuma?”
https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs
‣l’accelerazione di gravità è costante
‣attrito
‣principi della dinamica
Galileo, Newton…
OLTRE AI PARADIGMI
la luce e le onde
“la luce si propaga in maniera rettilinea?”
OLTRE AI PARADIGMI
la luce e le onde
“la luce si propaga in maniera rettilinea?”
➡ si!!!! attività su ombre
“ma cosa succede se la luce attraversa un ostacolo che ha una dimensione
dell’ordine della lunghezza d’onda (600 nm rosso)?”
OLTRE AI PARADIGMI
interferenza
interferenza tra onde
➡ la luce è un’onda!
onde
elettromagnetiche
OLTRE AI PARADIGMI
e se prendiamo un reticolo esagonale?
diffrazione esagonale
OLTRE AI PARADIGMI
e se prendiamo un reticolo esagonale?
diffrazione esagonale
e se facciamo la stessa cosa con elettroni che incidono su
un cristallo con simmetria esagonale?
cristallo
esagonale
diffrazione
OLTRE AI PARADIGMI
“quindi gli elettroni sono onde o particelle?”
onde di materia
λ
lunghezza d’onda di De Broglie:
λDB=
h
=
mv
costante di
Planck
∼1 nm @ elettrone con v=5000 Km/s
∼10-14 nm @ massa di 1 mg con v=5000 Km/s
OLTRE AI PARADIGMI
“quindi gli elettroni sono onde o particelle?”
onde di materia
λ
lunghezza d’onda di De Broglie:
λDB=
h
=
mv
costante di
Planck
∼1 nm @ elettrone con v=5000 Km/s
∼10-14 nm @ massa di 1 mg con v=5000 Km/s
meccanica quantistica e principio di indeterminazione!
cosa abbiamo imparato?
•E’ importante che qualsiasi ipotesi venga verificata alla luce
di esprimenti che pensiamo come verifica.
•E’ utile molto spesso mettere in crisi attraverso
osservazioni le proprie convinzioni
•Spiegare lasciando chi ci ascolta ad assorbire una serie di
nozioni non serve a nulla
•Abituare i bambini a porsi domande e fargli capire che è
importante cercare una risposta!
IL CONCETTO DI MISURA E DI
INCERTEZZA SPERIMENTALE
MISURA E GRANDEZZE
1.La stanza in cui ci troviamo è più larga o più lunga?
(descrizione qualitativa)
MISURA E GRANDEZZE
1.La stanza in cui ci troviamo è più larga o più lunga?
(descrizione qualitativa)
2.Quanto misura la stanza in cui ci troviamo?
(descrizione quantitativa)
prendiamoci 10 minuti e vediamo che numeri vengono fuori…
facciamo un grafico….
MISURA E GRANDEZZE
larghezza
lunghezza
12
16
14
10
12
8
10
6
Serie1
8
Serie1
6
4
4
2
2
0
0
0
5
10
15
20
media: 7.04 m
25
0
5
10
15
20
media: 10.34 m
25
MISURA E GRANDEZZE
larghezza
lunghezza
12
16
14
10
12
8
10
6
Serie1
8
Serie1
6
4
4
2
2
0
0
0
5
10
15
20
media: 7.04 m
25
0
5
10
15
20
25
media: 10.34 m
quali difficoltà abbiamo incontrato?
•difficoltà nel trovare uno strumento adeguato
•difficoltà nel definire cosa si deve misurare (rientranze/sporgenze)
quali valori otteniamo se utilizziamo uno strumento adeguato (il metro)?
lunghezza: 10.33 m, larghezza: 6.63 m
MISURA E GRANDEZZE
Possiamo trovare una definizione operativa
di “grandezza fisica”?
Le grandezze fisiche sono aspetti della realtà che
possono essere misurati, cioè ai quali si può
associare un valore numerico oggettivo
MISURA E GRANDEZZE
Possiamo trovare una definizione operativa
di “grandezza fisica”?
Le grandezze fisiche sono aspetti della realtà che
possono essere misurati, cioè ai quali si può
associare un valore numerico oggettivo
cos’è un valore numerico oggettivo?
Il valore numerico oggettivo non è un concetto
assoluto, ma dipende dalla sensibilità dello strumento
di misura
CERCARE NUOVI STRUMENTI
SUPERCONDUTTIVITÀ
resistenza nulla:
no dissipiazione!
diff. potenziale
V=R∙I
corrente
Nobel Prize 1913:
K. Onnes
SUPERCONDUTTIVITÀ
resistenza nulla:
no dissipiazione!
T<Tc
diff. potenziale
moto collettivo
V=R∙I
T>Tc
moto casuale e
urti
corrente
Tc=4.2 K @ Hg
Nobel Prize 1913:
K. Onnes
SUPERCONDUTTIVITÀ
penetrazione delle linee di campo magnetico B
SUPERCONDUTTIVITÀ
trasporto senza dissipazione
elettronica!!!!
alti campi per applicazioni mediche
trasporti senza dissipazione
SUPERCONDUTTIVITÀ
m
v(x,t)
onda Ψ(x,t)
equazione di Schrödinger:
~2
2
r
2m
laplaciano
+V
forze esterne
=E
energia
SUPERCONDUTTIVITÀ
Bose-Einstein distribution
Fermi-Dirac distribution
0.5
EF
n(E)
n(E)
1
energy
energy
bosoni
fermioni
E2
E2
E1
E1
E0
E0
Condensazione di Bose-Einstein
predetta nel 1925 da A. Einstein
SUPERCONDUTTIVITÀ
Avete capito qualcosa?
Ho utilizzato un linguaggio e una modalità
consona?
SUPERCONDUTTIVITÀ
teoria BCS
(Nobel Prize 1972)
formazione di coppie di e(bosoni) e condensazione
https://www.youtube.com/watch?v=O6sukIs0ozk
spiegazione attraverso l’arte!
cosa abbiamo imparato?
•E’ importante utilizzare un linguaggio corretto ma
adeguato (es. al posto di “cammino ottico”: la strada che la luce percorre
all’interno di un materiale)
•L’insegnante deve aver fatto un percorso di comprensione
profonda precedente
•Si possono utilizzare le forme più disparate (pittura,
teatro, giochi, ecc.) per trasmettere dei concetti anche difficili
•La scienza non è difficile!!! Basta fornire gli strumenti
opportuni
•La scienza non è magia! C’è sempre una risposta semplice!