The secondary school experimentation of SUPERCOMET in Italy
R.Viola, M.Michelini, L.Santi
Physics Department, University of Udine, Italy
F.Corni
Physics Department, University of Modena and Reggio Emilia, Italy
Several schools in Italy are involved, from Sicily to the northern Italian regions, in the
experimentation of the materials produced and validated by an international group of researcher
within the “Leonardo da Vinci” phase 2 project, named SUPERCOMET 2 (SUPERCOnductivity
Multimedia Educational Tool Phase 2). The materials developed within the SUPERCOMET project
and translated into Italian are interactive animations, text, videos, hands-on materials for
demonstrating and measuring phenomena related to superconductivity, electromagnetism and
electrostatics, with an accompanying teacher guide and a teacher seminar. A report of the main
experimentation will be presented, as well as the various approaches and contexts adopted.
1. Il Progetto Supercomet
SUPERCOMET è un progetto del programma Leonardo da Vinci fase II dell’Unione Europea e dà
il nome a quello che sarà il prodotto finale del progetto: uno strumento multimediale per
l’insegnamento della superconduttività rivolto in particolare agli studenti della suola secondaria
superiore.
Gli obiettivi del progetto, oltre a quello di produrre lo strumento multimediale, sono quelli di creare
una comunità internazionale a livello europeo con competenze nel rinnovamento dell’insegnamento
della fisica di aprire vie di collaborazione internazionale.
Attraverso un applicativo su CD altamente interattivo che comprende animazioni, filmati di
dimostrazioni sperimentali, impiegando moderni metodi pedagogici come l’apprendimento
collaborativo e il problem solving, il progetto mira a introdurre fra i temi dei curricoli delle nazioni
europee la superconduttività.
Durante il primo anno di progetto sono stati prodotti:
- un CD-ROM con materiali didattici
- una guida per l’insegnante che chiarisce caratteristiche e ruolo dei materiali di supporto (testi,
schede e presentazioni al computer) e prefigura percorsi didattici.
Durante il secondo anno di progetto si è:
• tradotto il materiale nelle lingue dei paesi partecipanti al progetto;
• sperimentato l’applicativo in classi di scuola secondaria in varie parti dell’Europa;
• testato il modello di corso di aggiornamento e la guida per l’insegnante con un gruppo di
insegnanti di riferimento;
Alla fine di un primo periodo di sperimentazione e disseminazione sono state effettuate correzioni e
integrazioni di nuovi contenuti per produrre, a scadenza del progetto, le versioni finali dei materiali.
Ulteriori proposte integrative sono state inserite tra i materiali revisionati.
2. Il contributo italiano al progetto
L’Italia, rappresentata dall’Università di Udine (responsabile Marisa Michelini) nel primo anno ha
tradotto ed adattato tutti i materiali per la sperimentazione e ha collaborato per la definizione delle
proposte didattiche che sono state inserite nella guida per l’insegnante. Ha adattato i curricula ai
diversi tipi di scuola italiana.
Durante il secondo anno e il periodo di estensione-proroga il gruppo italiano ha condotto 3 tipologie
di sperimentazione:
1
A) sperimentazione di ricerca con messa a punto di strumenti didattici di analisi dell’innovazione
didattica prodotta durante l’attività in classe e di efficacia dei processi di apprendimento, con
relativi strumenti di valutazione parziale e globale rispetto ai percorsi di insegnamento.
Questo è stato fatto in 2 contesti e con 2 modalità molto diverse:
A1) nell’ambito di un tirocinio di insegnante in formazione in collaborazione con un
insegnante in servizio esperto e l’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Univ di Udine
(teacher apprenticeship Braida Michela, in collaborazione con prof. Buganza (ins esperto) del Liceo
Scientifico Teconologico Malignani” di Udine )
A2) nell’ambito di una sperimentazione didattica condotta da una insegnante ricercatore
(Prof Giacobazzi dell’ITI Fermi di Modena) seguendo un protocollo di analisi dell’innovazione
didattica messo a punto nell’ambito di precedenti ricerche (PRIN Ref M.L. Aiello Nicosia et al,
Teaching Mechanical oscillations using and integrated curriculum, International Journal in
Research on Science Education 19,8,1997). 6 le schede di monitoraggio relative a questa
sperimentazione di ricerca, illustrate nel paragrafo 4.
B) un’ attività di ricerca-azione gestita da una rete di scuole organizzata in rete telematica (Rete
Drago) da un gruppo di insegnanti che hanno lavorato a distanza sia loro che i loro studenti
coinvolgendo 2 regioni italiane (Sicilia, Calabria) che sono aree del sud del paese con una forte
esigenza di innovazione e sostegno per l’innovazione. I 3 livelli di lavoro: quello degli studenti,
degli insegnanti, che li indirizzavano e li seguivano con modalità blended, e quello dei ricercatori,
che in ambienti diversi svolgevano un lavoro di analisi del lavoro dei ragazzi e delle attività degli
insegnanti. Il progetto è stato premiato nell’ambito di un progetto nazionale di sostegno alle
vocazioni scientifiche (PLS – Fisica). La premiazione è avvenuta in un convegno a cui hanno
partecipato oltre 500 ragazzi e in cui hanno esposto la sperimentazione Supercomet (circa 60
studenti).
C) sperimentazioni in classi di Biennio (n. 3 ) e di Triennio (15 ) a seguito del corso di formazione
previsto nel progetto con incontri di confronto e discussione durante la sperimentazione tra gli
insegnanti che hanno scelto tra 2 principali filoni: quello delle proprietà elettriche e quello delle
proprietà magnetiche.
Il numero totale degli studenti coinvolti nella sperimentazione è stato 348 , per un totale di 110 di
età 14-16 anni e 238 di età 17-18 anni di 22 classi di 12 scuole in 10 diverse sedi.
La seguente tabella presenta il quadro delle sperimentazioni.
n
Sede
Tipo di scuola
Students’
age
17-18
N
classi
1
N
studenti
25
1
Udine
2
3
4
Bolzano
Udine
Palermo
Lic Scient
Tecnologico
IPSIA
Ist Tec Indus Cst
Lic Scien
Tecnologico
5
Bolzano
6
7
8
9
10
11
12
Udine
Pordenone
Modena
Ragusa
&Vibo
Valentia
Gemona UD
a.s.
05/06
17-18
17-18
17-18
1
1
3
7
21
53
06/07
06/07
06/07
Lic Scient
17-18
4
74
Lic Scient
Lic Scient PNI
ITIP
2 Liceo Sci &
1 Liceo Classico
(Rete telematica)
ISPIA
14-16
17-18
14-16
17-18
2
2
1
3
33
34
27
24
05/06 e
06/07
05/06
05/06
05/06
05/06
N
sessioni
7
Nh
tot
14
4
4
2 per
ogni
classe
9
5
9
21
11
5
7
15
10
10
15
12
20
(in
presenza)
14-16
4
50
05/06
e 06/07
4
21
2
3. La preparazione della sperimentazione
Per i corsi di formazione degli insegnanti della durata di 1-2 giorni ed effettuati a Bolzano (2) a
Udine (2), al Congresso Nazionale dell’Associazione per l’Insegnamento della Fisica (AIF) a Latina
(1) e a Catania (1) sono stati usati la Guida per l’insegnante e il CD-Rom con i 6 moduli, la cui
traduzione in Italiano è stata curata da Federico Corni, Silvia Jona Pugliese, Marisa Michelini del
gruppo di Udine.
Sono stati preparati 6 esperimenti(di cui 4 assemblati con materiali autocostruiti e 2 con attrezzature
commerciali)
1. Proprietà elettriche e magnetiche di materiali diversi:
Classificazione di vari oggetti (conduttori, magneti, isolanti, materiali diamagnetici e
paramagnetici) di uso quotidiano in termini di iterazioni con un magnete.
Caratteristiche dell’attrazione magnetica. Costruzione delle linee di campo di un magnete
cilindrico usando una bussola. Relazione tra linee di campo e campo stesso e significato della loro
densità.
2. Il magnete che cade:
Si confrontano le cadute di un piccolo magnete e di un pezzo d acciaio delle stesse dimensioni.
3. L’anello che salta:
Tre anelli di diverso materiale (rame, alluminio e plastica), a temperatura ambiente o
preventivamente riscaldati/raffreddati, sono soggetti a una improvvisa variazione di intensità di
flusso magnetico. L’altezza dei loro salti è analizzata in termini di materiale e di temperatura.
4. I magneti forati impilati:
Quattro magneti forati sono impilati a una barra di legno e si affacciano l’uno all’altro con la
stessa polarità. Si osserva il loro comportamento in termini di distanza e reazione ad una
perturbazione esterna.
5. Levitazione magnetica:
Sono osservate e discusse le caratteristiche della levitazione di un magnete su un superconduttore.
6. Misura della resistenza di un superconduttore in funzione della temperatura.
Viene raffreddata una barra di materiale superconduttore e viene misurata la sua resistenza in
funzione della temperatura e del tempo per mezzo di un sistema di acquisizione dati. Si
descrivono i grafici ottenuti e si confrontano col precedente esperimento di levitazione.
4. Metodologie e strumenti
Sono stati sviluppati e sperimentati due tipi di schede per le attività didattiche:
- schede tradizionali dettagliate per le attività sperimentali: ogni esperimento è visto come
modulo autoconsistente: gli studenti sono guidati ad identificare le quantità fisiche rilevanti,
a fare le misure, l’analisi dati e a cercare una spiegazione dei fenomeni osservati utilizzando
i risultati dell’esperimento.
- Sequenze di domane-stimolo, realizzate in accordo con la strategia PEC PrevisionExperiment-Comparison (Martongelli 2000) e l’approccio inquiring physics (MCDermott
2001): l’intero percorso è organizzato come una sequenza di attività basate su cicli PEC con
schede studente.
Sono state preparate 6 schede, con le relative istruzioni per l’insegnante, per il monitoraggio delle
varie fasi della sperimentazione, secondo gli standard di valutazione dell’innovazione messi a punto
in precedenti ricerche (Ajello 1998):
1. Presentazione della classe (sperimentazioni in atto o già fatte, argomenti di fisica noti agli
studenti, uso del laboratorio, uso del computer, metodi di insegnamento, atteggiamento della
classe)
2. Punto di partenza di ogni singolo studente (abilità, interessi, attenzione, socializzazione,
rendimento scolastico)
3. Diario delle varie attività didattiche svolte
3
4. Rapporto finale (testo in forma libera contenente: valutazione dei materiali, difficoltà
incontrate con i moduli contenuti nel CD, argomenti interdisciplinari, reazioni degli
studenti, valutazione della sperimentazione, suggerimenti)
5. Scheda studente personale finale (attenzione, rendimento scolastico durante la
sperimentazione)
6. Griglia intervista studente(una intervista per un gruppo di studenti con diverso rendimento
scolastico iniziale in cui si chiede cosa pensano di aver appreso, se sono piaciute le attività,
come hanno imparato e, infine, si chiede di ripercorrere un particolare argomento tra quelli
trattati)
A seguito degli incontri formativi per la sperimentazione, il gruppo di insegnanti di Pordenone ed
Udine ha proposto, a partire dal materiale di Supercomet (a cura di Walter Manzon del LS
Grigoletti di Pordenone), due nuovi percorsi che possono essere adattati sia per il biennio che per il
triennio della scuola secondaria.
P1_Magnetic field. “La via di Faraday alle proprietà magnetiche del superconduttore, ovvero il
percorso delle linee di campo” si snoda così:
− analisi delle linee di forza nel caso del dipolo elettrico(electric field lines due to a dipole) e
delle linee di campo per il caso del dipolo magnetico(mappatura e caratterizzazione in entrambi
i casi)
− analisi delle situazioni di sostentamento associato alle linee di campo e delle situazioni di
(equilibrium stable and not stable): sono utilizzate le due esperienze dei magneti forati (ringshaped) e non forati.
− Rallentamento del magnete e del superconduttore grazie alle correnti indotte / analogia con
Fountain Effect
− Possibilità di avvolgere il superconduttore con delle linee di campo: esperienza della
levitazione magnetica ; introduzione dell’ipotesi del diamagnetismo; possibilità di correzione
della posizione di equilibrio instabile
P2. Resistivity behaviour. “ La via maestra alle proprietà del superconduttore ovvero il percorso
della resistività” segue le seguenti tappe:
− analisi del of temperature dependance of resistivity (relation) tra (resistività) e temperature con
particolare attenzione alle temperature al di sotto dello 0 Celsius
− caduta di resistività e diverse proprietà di conduzione nei superconduttori
− effetti della superconduzione
− analisi di electrical circuit con elementi superconduttori virtuali
P3. Un ulteriore nuovo percorso al Liceo Scientifico Statale “G. Marinelli” – Udine – (Teacher
Vilma Capocchiani, Riccardo Sangoi) ha come filo conduttore le “trasformazioni di energia” per
classi seconde PNI. Esso si colloca nel curricolo dopo lo studio delle trasformazioni di energia e del
campo elettrico. La proposta contiene un percorso nuovo in quanto parte dalla conservazione
dell’energia meccanica e dalla sua trasformazione in altre forme e in particolare in en elettrica,
affronta il campo elettrico e la conduzione elettrica (modulo 4) per poi analizzare il comportamento
magnetico delle correnti (Moduli 1 e 2 ), induction elettromagnetica (Modulo 3), superconductivity
(Modulo 5).
E’ costituito da un uso combinato di esperienze di laboratorio, i moduli del progetto Supercomet e
delle applet interattive. Si predilige il lavoro di gruppo per le esperienze di laboratorio, alcune delle
quali condotte in forma qualitativa, altre quantitativa, guidate da schede. Alle esperienze seguono
discussioni di intergruppo col fine di condividere le conclusioni.
All the materials @ www2.fisica.uniud.it
Choice “Sperimentazione Supercomet 2”.
5. Strategie, approcci e metodi
La prevalente strategia utilizzata nelle sperimentazioni è quella proposta nella sperimentazione di
ricerca (A1), in cui schede stimolo conducono gli studenti a ragionare su situazioni per cicli
4
Previsione Esperimento Confronto (PEC) (Martongelli 2001, Michelini 2004). Anche quando
l’attività viene condotta senza schede di lavoro (works’ cards) la strategia è di esplorazione
concettuale (McDermott 2002).
Gli insegnanti delle scuole coinvolte nel progetto hanno seguito metodologie diverse: alcuni hanno
usato solo i materiali multimediali, altri hanno svolto i 3 esperimenti principali e usato i materiali
multimediali, altri ancora hanno basato il percorso solo sugli esperimenti. Le schede degli
insegnanti sugli stili di lavoro sono in corso di analisi. Il ruolo attivo degli studenti su materiali
multimediali è stato al minimo del 30% ed altrettanto quello in esperimenti. Il progetto ha quindi
contribuito al miglioramento didattico non solo dal punto di vista dei contenuti, ma anche dei
metodi. Vi è stata anche una sperimentazione nell’ambito di una comunità virtuale di studenti di
particolare interesse: scegliamo di descrivere in questa sede le strategie e i metodi di questa
esperienza (paragrafo 6). Gli approcci sono stati 4-5: A1) problematico – esplorativo, A2)
multimediale, A3) applicativo, A4) sperimentale, A5) misto.
6. Il caso della sperimentazione in rete telematica
La proposta di sperimentazione di Supercomet in rete telematica è maturata nell’ambito del
“Progetto DRAGO” 1 e si è realizzata mediante una collaborazione a distanza tra i docenti
Concetto Gianino dell’ Istituto di Istruzione Secondaria Superiore “Q. Cataudella” di Scicli (RG),
Carmelo Distefano dell’ Istituto di Istruzione Secondaria Superiore “G. Carducci” di Comiso (RG)
e Nicola Cutuli del Liceo Scientifico Statale “G.Berto” di Vibo Valentia, con la supervisione di
Marisa Michelini del Dipartimento di Fisica di Udine .In pratica, si è creato un gruppo virtuale
Yahoo®. Al gruppo sono stati iscritti 24 studenti tutti frequentanti classi terminali delle scuole
partecipanti alla comunità: 8 studenti della sezione scientifica sperimentale PNI-Fisica dell’Istituto
“Q.Cataudella”, 11 della sezione scientifica del Liceo “Berto” e 5 della sezione classica dell’Istituto
“G. Carducci” di Comiso. Gli studenti sono stati suddivisi in tre sottogruppi di lavoro, le attività di
ogni sottogruppo sono state coordinate da due studenti provenienti da scuole diverse. Considerato
che l’interazione fra gli attori poteva avvenire prevalentemente in rete è stato inviato ad ogni
studente il CD-ROM di SUPERCOMET che è stato la guida per le attività. L’ambiente di lavoro è
stato il gruppo Yahoo® (nella modalità di gruppo chiuso) e gli studenti sono stati suddivisi in
sottogruppi di lavoro. Inoltre, a disposizione dell’intero gruppo si avevano: un database, un
ambiente dove era possibile inserire elenchi di link, un ambiente dove si potevano salvare e
condividere fotografie digitali, un’agenda dove inserire gli eventi e un ambiente di chat.
L’attività di DRAGO si è sviluppata, fondamentalmente, nelle seguenti quattro fasi: 1a fase
(ottobre-novembre 2005): istruzione degli allievi alle principali funzioni dell’ambiente che
avrebbero utilizzato. 2a fase (dicembre): assegnazione dei compiti agli studenti, formazione dei
sottogruppi e individuazione degli studenti coordinatori, avvio delle attività nei gruppi virtuali.3a
fase (dicembre-marzo): avvio dei percorsi didattici sulla superconduttività previsti da
SUPERCOMET, analisi delle difficoltà e dei nodi concettuali emersi, condivisione e discussione in
rete degli argomenti, svolgimento delle esperienze di laboratorio e discussione e condivisione in
rete dei risultati.4a fase (aprile-maggio): preparazione delle presentazioni per il meeting conclusivo.
Nella prima fase, tutti gli studenti che partecipano al progetto DRAGO seguono delle lezioni
preliminari in presenza, che hanno lo scopo di fornire loro le competenze minime per lavorare in
rete. Nella seconda fase si è chiesto agli studenti di compiere il percorso didattico previsto dal
primo modulo durante l’interruzione natalizia. Al rientro, è stata proposta una sequenza di domande
1
Il progetto DRAGO si prefigge di utilizzare le potenzialità di internet quale sistema per interagire a distanza con lo scopo di
affrontare lo studio di uno specifico argomento scientifico. La rete telematica è stata adoperata come ambiente di apprendimento in
cui è possibile collaborare per compiere ricerche, costruire e diffondere informazioni, risolvere problemi. Gli obiettivi generali del
progetto DRAGO sono quelli di formare i ragazzi a: 1) usare metodi di interazione in rete asincrone (e-mail singoli e mailing list) e
sincrone (chat); 2) compiere ricerche in rete tramite i motori di ricerca; 3) lavorare in un ambiente web aperto e condiviso da più
utenti; 4) approfondire e/o studiare particolari argomenti a carattere scientifico scelti ogni anno. La classe virtuale, coordinata da
Concetto Giannino, si inserita nella rete della comunità DRAGO (Didattica in Rete Applicando i Gruppi On-line), di cui l’istituto di
Scicli è polo.
5
(concordate, preventivamente, con l’esperta del gruppo Marisa Michelini), per verificare il livello
del sottogruppo e per stimolare una maggiore attenzione su alcuni nodi concettuali. Le risposte,
fornite dagli studenti, sono state analizzate, corrette e inserite nel gruppo. Con la stessa procedura si
sono affrontati tutti gli altri moduli. Alle attività in rete sono state affiancate attività in presenza solo
con gli studenti di Scicli, nelle quali si sono svolte delle esperienze di laboratorio documentate con
video e fotografie. I risultati sperimentali e la documentazione prodotta sono stati condivisi e
discussi in rete con tutti gli altri studenti. In particolare sono stati svolti in laboratorio, sulla falsa
riga delle simulazioni del CD, i seguenti esperimenti: 1) Esperimento di Oersted, 2) Linee di campo
di un filo rettilineo, c) Linee di campo prodotte da un magnete rettangolare intero e spezzato, 3)
Moto di una sfera di ferro in prossimità di un campo magnetico prodotto da un magnete
rettangolare, 4) Esperimento di Pohl, 5) Linee di campo prodotte da una spira, da un solenoide e da
una bobina, 6) Analisi qualitativa della legge di Lenz-Faraday-Neumann, 7) Il trasformatore, 8)
Produzione di una tensione variabile da un campo magnetico variabile (alternatore), 9) Analisi
dell’equilibrio fra due magneti ad anello che sono impilati tramite un’asta verticale, 10) Analisi
della caratteristica (V,I) di materiali ohmici e non.
L’attività di laboratorio è stata sicuramente un importante completamento del percorso di
SUPERCOMET, poiché ha permesso, agli studenti, di confrontare un esperimento virtuale, nel
quale il dispositivo è già pronto e risponde secondo le precise leggi di un modello teorico, con uno
reale, nel quale invece occorre assemblare i dispositivi e riprodurre le condizioni che rispondono ai
problemi posti. Ogni anno il progetto DRAGO si conclude con un Meeting finale nel mese di
maggio nel quale gli studenti presentano i loro lavori. Nel Meeting nel 2006, gli studenti hanno
presentato il percorso ai 500 compagni presenti, ai docenti della comunità DRAGO, ai docenti
universitari presenti al Meeting e agli esperti del progetto.
7. I percorsi
Le caratteristiche peculiari dei percorsi meritano una breve descrizione.
La Sperimentazione di ricerca A1 è stata inserita in una classe quinta del “Liceo Scientifico
Teconologico Malignani” di Udine. (classes of technical Lyceum – age 17 18).
Le caratteristiche del percorso sono:
- introdurre la superconduttività, a partire dall’esplorazione di alcuni fenomeni magnetici ed
elettromagnetici (l’interazione tra campi magnetici, l’induzione elettromagnetica, la generazione di
correnti e il ruolo giocato dalla temperatura nei vari fenomeni).
- indagare sperimentalmente il Meissner effect,
- esame di superconduttori (superconductors) del I tipo e del II tipo per i quali si può raggiungere la
temperatura critica con l’utilizzo di azoto liquido, più economico e facilmente reperibile dell’elio.
Le attività proposte prendono avvio dall’approfondimento delle conoscenze degli studenti relative
alle interazioni magnetiche ed elettromagnetiche, che poi si ritrovano nei fenomeni di
superconduzione, mediante osservazioni fenomenologiche accompagnate da schede di
approfondimento, servendosi del supporto multimediale del progetto SUPERCOMET. La strategia
didattica utilizzata è il ciclo PEC (previsione, esperimento e confronto) prevision-experimentcomparison cycle.
La sperimentazione di ricerca è stata condotta con strumenti di monitoraggio dei processi di
apprendimento:
- Test di ingresso e di uscita uguali per un’analisi variazionale degli apprendimenti
- Schede di lavoro per una serie di attività e di esperimenti con lo scopo di fornire diversi spunti di
riflessione sulle attività
- si sono analizzati e discussi i modelli interpretativi degli studenti emersi dalle schede e si sono
formalizzati modelli interpretativi condivisi.
Il test di ingresso/uscita è costituito per lo più da quesiti a risposta breve ed è atto ad indagare i
punti salienti dell’argomento, la fenomenologia magnetica in termini di diverse classi di interazioni
di un magnete con oggetti di diverso materiale, la nascita di correnti indotte in un circuito al variare
6
del flusso, la dipendenza di resistenza e resistività dalla temperatura nei conduttori e nei
superconduttori , dipendenza della superconduttività dalla temperatura (critica), riflessione sulla
reversibilità o meno del fenomeno di transito da uno stato all’altro, valore del campo elettrico
all’interno di un materiale superconduttore, parametri critici che differenziano le diverse tipologie
di superconduttori, applicazioni.
In appendice A è riportato il filo dei contenuti affrontati
Al Liceo Scientifico Statale “M. Grigoletti” –Pordenone - , invece, il Prof Walter Manzon ha
condotto la sperimentazione con approccio A2, utilizzando esclusivam i materiali multimediali, su 2
classi quinte PNI e l’esperienza di levitazione magnetica è stata allargata a tutti gli studenti del
liceo.
All’ IPSIA Galilei (Odontotecnici + Elettronici) Bolzano la sperimentazione ha coinvolto 7
studenti nell’a.s. 2006/07. E’ stato scelto il filone elettrico infatti l’angolo di attacco è sperimentale
e basato su conduzione elettrica e leggi di Ohm. Le linee di campo magnetico sono usate come
strumento di lettura di B prodotto da filo, spira, solenoide e per la determinazione di Bt. Il percorso
ha focalizzato l’attenzione sulla legge di induzione e, poi, soprattutto, sull’ analisi sperimentale di
alcune applicazioni: alternatore, trasformatore, dinamo. I contenuti di superconduttività si snodano a
partire dalle interazioni em di tipo dinamico e in condizioni di equilibrio usate come base
concettuale al riconoscimento di fenomeni superconduttivi, con particolare riguardo alla differenza
tra sospensione e levitazione nell’interazione tra magneti, correnti, magneti in caduta e dipendenza
di tali processi dalla temperatura, correnti parassite come riconoscimento della differenza con
l’effetto Meissner. La natura superconduttiva dei fenomeni è studiata in modo quantitativo
attraverso il rapporto tra T-R, la caratteristica caduta della R e il riconoscimento qualitativo della
dipendenza da T dell’effetto Meissner. Il percorso è organizzato su 4 sessioni di 4 h e 40 min tot.
Dedica 3h e 30 min ai concetti propedeutici. 1h e 10 min alla parte specifica di superconduttività
prevedendone anche significativi momenti di applicazioni sperimentali. Le interazioni em e la legge
di F-N-Lenz sono il riferimento per il confronto tra induzione classica e induzione superconduttiva ,
effetto Meissner e dipendenza dalla temperatura. Ancora in termini qualitativi tale dipendenza dalla
temperatura è utilizzabile per distinguere sospensione e levitazione. La dipendenza della resistività
dalla temperatura introdotta nei fenomeni ohmici classici è la modalità alternativa di identificazione
del comportamento superconduttivo di natura elettrica nei materiali che lo presentano.
Particolare attenzione alle applicazioni pratiche (Approccio A3), ma questa volta più
specificatamente dei materiali superconduttori, è stata posta anche nel percorso seguito all’ Ist
Tecnico Industriale A. Malignani –Udine- nell’a.s. 206/07 dal Prof Cavallo in una classe 5 Cst. di
21 studenti che, nei 400 min dedicati alla presentazione e nei 100 dedicati alla discussione, hanno
dimostrato un notevole incremento del coinvolgimento, dell’interesse e del profitto e un raro
interesse per, appunto, le applicazioni pratiche dei materiali superconduttori producendo in
autonomia un cd su tale tema.
Notevole per il valore di un approccio quasi completamente sperimentale (Approccio A4) è stato il
percorso condotto dal Prof Fabio Ciralli che ha seguito la sperimentazione in tre classi quinte del
Liceo Scientifico Tecnologico presso L’ITIS Volta di Palermo coinvolgendo in totale 53 alunni.
Le ore dedicate al progetto nelle tre classi sono state rispettivamente 6, 6, 9. All’attività di
laboratorio pomeridiana effettuata presso il Dipartimento di Fisica e Tecnologie Relative (DIFTER)
dell’Università di Palermo hanno partecipato 12 allievi .Sono state condotte una lezione seminario a
classi riunite sulla superconduttività e la sua scoperta, anche con l’ausilio dei moduli 4
(Introduzione alla superconduttività) e 5 (Storia della superconduttivita’) del CD multimediale del
Progetto e una sessione di laboratorio di tre ore presso il DIFTER di Palermo nel corso della quale
sono state mostrate esperienze con i superconduttori: 1. La misura della resistività in funzione della
temperatura in un superconduttore, 2. la dimostrazione dell’effetto Meissner (levitazione
magnetica). Prima di eseguire queste esperienze sono state mostrate le tre esperienze simulate
inserite nel CD del progetto nel modulo 4: 1. magneti ad anello impilati l’uno sull’altro, 2. magnete
che cade all’interno di un tubo di rame, 3 anello di rame che salta. E’ seguita una lunga ed
7
appassionata discussione. Un momento di criticità di tale discussione è stato intorno all’origine
dell’effetto Meissner, che richiede un lavoro più approfondito di quello proposto nel Progetto,
soprattutto in merito alle basi interpretative di sospensione e levitazione tra magneti. Le attività
svolte sul CD multimediale hanno interessato i moduli 1,2,3 (in una classe) e i moduli 1,2 (nelle
altre 2 classi). Il questionario di uscita somministrato e le interviste seguite all’attività hanno
evidenziato un esito positivo per la quasi totalità degli alunni, esito che, nel complesso, risulta
essere secondo solo a quello del Liceo Scientifico Statale “E. TORRICELLI” – Bolzano – nella
sperimentazione attuata in, complessivamente, 4 classi negli aa.ss. 2005/06 e 2006/07 coinvolgendo
un totale di 74 studenti del quinto anno di liceo scientifico P.N.I. Anche questo percorso ha un
approccio quasi esclusivamente sperimentale(A4)e si colloca, all’interno del programma annuale,
dopo gli argomenti di elettrostatica ed elettrodinamica. L’impostazione abituale era comunque già
orientata verso un massiccio uso di esperienze di laboratorio qualitative e quantitative svolte
prevalentemente in gruppi di tre/quattro persone o dalla cattedra. In appendice B è illustrato il
percorso, che è organizzato su 9 sessioni.
7. Considerazioni conclusive
Tra gli approcci , il più utilizzato è stato quello sperimentale (3 scuole in modo integrale) e, a
seguire, la tipologia mista in cui si è seguita una combinazione dell’approccio sperimentale e di
quello multimediale. Si tratta di situazioni di grande ricchezza, che hanno visto la progettazione, lo
sviluppo e l’utilizzo di nuove applet interattive aggiuntive rispetto a quelle proposte dal progetto (2
casi). In 2 casi si è seguito un approccio applicativo ed il percorso P2 è stato sviluppato nell’ottica
delle applicazioni dei materiali superconduttori.
Nella totalità dei percorsi si sono utilizzati tutti i sussidi multimediali del Progetto Supercomet
(Moduli del cd), 4 scuole hanno utilizzatogli esperimenti messi a punto dal gruppo di Udine, infine
4 scuole hanno inserito nei loro percorsi anche altri esperimenti diversi da quelli già menzionati: di
particolare valore la sequenza dei 10 esperimenti proposti nell’ambito della sperimentazione della in
rete telematica siciliana (Progetto DRAGO): la scuola n 2 ha utilizzato gli exp per la
determinazione delle leggi di Ohm, la scuola n 6 ha fondato il punto di partenza del percorso su exp
sulla conservazione e sulla trasformazione dell’energia, la scuola n 5 ha messo a punto una serie di
exp sulle interazioni magnetiche, per lo studio dell’intensità di campi magnetici prodotti da magneti
e da correnti , e per l’analisi della magnetizzazione di alcuni materiali.
Emergono buoni risultati dal monitoraggio sugli apprendimento e dai test sui progressi degli
studenti, la cui analisi è in fase di completamento.
Emergono alcune difficoltà sulla teoria e sulla formazione delle coppie di Cooper.
Le caratteristiche del CDRom più apprezzate dagli studenti sono state la chiarezza nei rapporti
causa-effetto ed esperimento-teoria ed efficacia delle rappresentazioni tridimensionali. Emerge che
la trattazione matematica non è stata giudicata troppo approfondita e forse inadeguata per classi
quinte e più adatta per un biennio (con particolare riferimento ai moduli che trattano di
elettromagnetismo classico).
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APPENDICE A
Filo/Contenuti della sperimentazione A1
Scheda 1- Introduttiva - Indagine degli effetti dell’interazione di un magnete con diversi materiali
È dedicata al riconoscimento della principale fenomenologia di interazione magnetica, alla sua
descrizione attraverso il campo magnetico e alla sua rappresentazione mediante le linee di
campo. Presenta i seguenti step:
Avvicinare materiali diversi ad un magnete (magnet), individuare e classificare le diverse
tipologie di comportamento. Riflettere sulle cause dei fenomeni osservati. Capire se il
comportamento è reciproco o se è il magnete a produrre qualcosa. Osservare se l’attrazione
avviene quando c’è contatto o se è una interazione a distanza. (represent)Costruire le (field
lines) linee di campo usando aghetti magnetici(little compass) e cercare di interpretarne il
significato. Ripetere l’esperienza con placchette ferromagnetiche e discutere i risultati. Riflettere
su cosa può significare che le linee di campo si avvicinano tra loro in alcune zone e si
allontanano in altre e, di conseguenza, dire se il valore del campo magnetico(magnetic field) è lo
stesso lungo una linea di campo.
Scheda 2 - Esperimenti sui magneti flottanti.(the piled magnetic rings) È dedicata allo studio
delle forze di repulsione tra magneti vincolati:
I magneti forati sono dapprima montati su un’asta di legno(magnet ring-shaped are piled, by means
of a wood bar), poi non più. I ragazzi sono richiesti di prevedere, riflettere, verificare e
rappresentare i comportamenti dei magneti e le forze che agiscono su di essi.
Scheda 4 - Esperimento del magnete in caduta in un tubo di rame(the fallino magnet).
È dedicata al riconoscimento delle correnti indotte:
Il moto del magnete in caduta nel tubo di rame non è un moto di caduta libera per via delle correnti
indotte (induced emfs and current that opposes the change of magnetic flux in time that produced
them, according with Lenz’s law) che circolano in verso tale da opporsi alla causa che le ha
generate per via della legge di Lenz(Lenz’s Law).
Viene richiesto
− di notare la differenza tra i tempi di caduta, all’interno del tubo di rame, di un magnete e di un
cilindro di rame delle stesse dimensioni.
- Se il tubo viene tagliato la caduta del magnete è comunque rallentata anche se il tempo di caduta è
minore rispetto al caso del tubo non inciso.
- prevedere, prima, tali comportamenti, provare l’esperienza, confrontare i risultati con le loro
previsioni, cercare di spiegare il fenomeno.
Scheda 5 - Esperimento dell’Anello di Thompson. (jumping ring)
E’ dedicata alla riflessione sul ruolo giocato dalla temperatura nel fenomeno:
Diminuendo la temperatura (con l’ausilio dell’azoto liquido), il salto compiuto dall’anello è
maggiore, indice di un campo magnetico più intenso.
Scheda 6 - Magnete che levita sul superconduttore(Levitation of the magnet).
E’ dedicata ai contenuti di superconduttività e guida all’osservazione dell’effetto Meissner;
Al percorso descritto seguono i seguenti momenti:
- Panoramica di quali siano stati gli eventi che hanno portato alla scoperta della superconduttività,
superconduttori di I e II tipo, il comportamento anomalo delle variabili in gioco;
- Applicazioni dei superconduttori
- Teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer per i superconduttori di I tipo (a bassa temperatura)
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APPENDICE B
Le 9 sessioni del percorso di Liceo Scientifico Statale “E. TORRICELLI” – Bolzano sono così
organizzate:
a) una Parte propedeutica per la costruzione dei prerequisiti che si snoda in 7 momenti di durata
variabile (50 – 80 min) articolati nel modo seguente:
1) Introduzione al magnetismo: vengono formulate delle ipotesi sul tipo di esperimenti (fatti a
piccoli gruppi) da condurre per riuscire a dare una rappresentazione efficace della fenomenologia
osservata; rappresentazione delle linee di campo; magnetismo generato da correnti (fili e bobine)
2) esperimenti di Ampere e di Pohl, realizzati per evidenziare come le correnti possano generare
campi magnetici e come questi possano interagire con le correnti per mezzo di forze; cambiamento
delle forze generate e subite dai fili percorsi da corrente in relazione alla disposizione di questi
ultimi rispetto alle linee di campo magnetico e all’intensità di corrente.
3) campi magnetici generati da spire e solenoidi percorsi da corrente (alla base dell’exp c’è
l’applicazione della bussola delle tangenti) con lo scopo di provare la proporzionalità diretta del
campo magnetico generato dalla bobina con l’intensità di corrente e con il numero di spire.
4) forza di Lorentz: si analizzano le risultanze delle traiettorie percorse dagli elettroni in relazione
alla direzione della velocità rispetto alle linee di campo magnetico per formulare delle ipotesi sul
tipo di forza agente.
5) magnetizzazione dei materiali, ferro, dia, para-magnetismo: comportamento del nichel che al di
sopra di una certa temperatura perde le proprietà magnetiche, si esaminano anche delle bobine
con e senza nucleo in ferro misurando quantitativamente le forze di attrazione su un campione di
ferro e le differenze nei due casi.
6)fenomeni di induzione elettromagnetica e conservazione dell’energia collegato ai fenomeni
analizzati (variazione di flusso provocata da un magnete fatto scorrere attraverso una bobina,
analisi quantitativa della tensione prodotta in varie circostanze, correnti di Foucault)
7) riassunto generale sulla conduzione nei metalli; teoria della conduzione secondo il modello di
Drude corretto con il principio di esclusione di Pauli e la meccanica quantistica per superare le
contraddizioni in termini di calore specifico; cause che portano alla resistenza e ai possibili
interventi per diminuirla.
8)interazione di magneti di tipo circolare (ad anello) impilati, caduta di un magnete e di un pezzo
di metallo non magnetico alternativamente in un tubo di rame e di alluminio, esperimenti in cui le
interazioni fra campi magnetici e correnti provocano conseguenze insolite o inaspettate.
b) una parte sui contenuti di superconduttività
9) luce fredda (led immerso in azoto liquido), levitazione di un magnete prodotta dalle correnti
indotte in un superconduttore raffreddato da azoto liquido, esperimenti relativi alle conseguenze di
un repentino abbassamento della resistenza intrinseca di un conduttore (superconduttore) in
presenza di un campo magnetico. Si cerca di dare una spiegazione all’abbassamento della
resistenza in questi materiali .
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