cosa abbiamo imparato? - Università Cattolica del Sacro Cuore
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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!
