Alcune metodologie di ricerca didattica per affrontare ... · – un questionario basato sulla...

Astromeeting, 9 Maggio 2012

Italo Testa – Ricerca didattica e Astronomia

Alcune metodologie di ricerca didattica per

affrontare nodi concettuali in Fisica

Italo TestaDipartimento di Scienze FisicheUniversità Federico II, Napoli



2

Sommario

• Ricerca in didattica della Fisica:– introduzione – alcuni metodi e risultati

• Per l’astronomia:– un questionario basato sulla ricerca– alcune proposte di insegnamento



Introduzione



4

Ricerca in didattica della fisica(adattato da R.Duit, 2007)

FisicaEpistemologia

Didattica della FisicaPedagogia

Ulteriori discipline di riferimentoSociologia / Antropologia / Linguistica / Etica

Storia della Fisica

Psicologia



5

Macro aree di ricerca(Duit, 2007) (Abel & Lederman, 2007)

Elementary TeachingNature of Science

Informal EducationTeachers’ attitudes

and beliefs

Science Literacy Socio-Scientific Issues

Laboratory vs. Simulation activities

ArgumentationClassroom discourse



Alcuni metodi di ricerca didattica



7

Esempio di progetto di ricercaFraenkel & Wallen (2000)



8

Tipi di Ricerca

• Quantitativa:– Analisi statistica ruolo dei diversi fattori nel

processo educativo attraverso questionari chiusi, scale Likert, ….

• Qualitativa:– Analisi mediante categorie di idee,

percezioni, attitudini attraverso interviste, note osservatori, questionari aperti, …



9

Esempio di ricerca quantitativa

• Quali sono le idee degli adulti su Scienza e Tecnologia? (Wu et al., 2012)– 2024 questionari raccolti, scala Likert– Fattori indagati: età, genere, livello culturale,

area di residenza– Risultati: le idee verso Scienza e Tecnologia

dipendono dalla conoscenza delle discipline, dal genere e dal livello culturale delle persone



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Esempio di ricerca qualitativa• Quali processi di apprendimento sono

messi in atto da studenti durante un intervento sui gas? (Givry & Tiberghien, 2012)– 1 4 s t u d e n t i , i n t e r v i s t e e l e z i o n i

v ideoregistrate (50 hs), schede d i laboratorio (160), risposte a domande di questionari (420)

– Risultati: processo di apprendimento si sviluppa attraverso collegamenti tra idee e reti di idee ed applicazione di idee in



Risultati principali della ricerca in didattica della fisica



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DAI(Duit, Niedderer, & Schecker, 2007)

• DAI = “Difficoltà di apprendimento/insegnamento”• “ Idee i ngenue” ; “Concez i on i a l t e rna t i ve ”,

“Misconcezioni”• DAI essere legate a:

– conflitti tra conoscenza comune e scientifica (es. parole usate in linguaggio comune);

– mancanza/carenza di attività sperimentali;– approcci e materiali inadeguati (es. lezioni frontali, poco ICT);– ambienti di apprendimento scadenti (es. poca interazione tra

pari, didattica versativa);– lacune in comprensione e/o uso della matematica;

• Le DAI sono comuni, robuste, resistenti ad un insegnamento tradizionale e trasversali ai contesti



13

Ricerca sulle DAI

• Si abbandona: – visione dello studente come “tabula rasa”– convinzione che dopo l’insegnamento

schemi di ragionamento errati venissero necessariamente superati

– convinzione che la sola esposizione dei fenomeni e delle teorie fosse sufficiente agli studenti per apprendere la fisica



14

Come far emergere le DAI?

• Come per qualsiasi misura occorre usare lo strumento adatto:– domande a risposta aperta con richiesta di

commenti e/o spiegazioni– questionari a risposta chiusa con distrattori

opportuni che emergono dalla ricerca– nelle domande si adopera “linguaggio

comune” e riferimenti a eventi familiari per gli studenti



15

Questionario FCI (Hestenes et al., 1992)

Un sasso viene lanciato in alto.

Quale figura rappresenta

meglio la forza sul sasso nel

punto più alto?

Spiega la tua risposta



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DAI su forze e moto• Un corpo sottoposto ad una forza costante si muove

con velocità costante. In assenza di forze, ogni oggetto rimane a riposo

• Un corpo inizialmente fermo viene messo in moto da una “forza di spinta”, che si consuma durante il moto. Il moto termina quando la forza di spinta è dissipata

• Il corpo in moto possiede una forza interna (“impetus”, “capitale di forza”). Essa, in assenza di attrito, è costante, altrimenti diminuisce finché il corpo si ferma

• In un urto, il corpo di massa maggiore esercita forza maggiore



17

DAI su circuiti elettrici

• In circuiti serie, la corrente si “consuma”• Due correnti (+ e -) si “scontrano” in una

lampadina accesa• Tensione come la “forza” di una pila oppure

come intensità della corrente• La pila come generatore di corrente costante• Col legamento in para l le lo aumenta

resistenza complessiva



Ricerca didattica in Astronomia



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Alcune DAI in Astronomia(Trumper, 2000; Bailey & Slater, 2003)

• Alternarsi giorno/notte dovuto a moto Terra intorno al Sole

• Dimensioni della Terra sovrastimate e distanza Terra-Sole sottostimate

• Eclissi di Sole solo da Luna piena Fasi della Luna dovute all’ombra della Terra

• Individuare zenith, orizzonte, polo nord celeste, altitudine di una stella sulla sfera celeste

• Luna mostra sempre la stessa faccia perchè non ruota intorno al suo asse

• Stagioni causate solo dalla distanza variabile Terra - Sole



20

Idee degli studenti su fenomeni astronomici comuni

Fasi della Luna

Baxter, 1989

9-16 anni



21

Idee degli studenti su fenomeni astronomici comuni

Alternanza stagioni

Baxter, 1989

9-16 anni



22

Questionario del LOA

• 8 domande aperte con richiesta di giustificazione e disegno/schema

• Obiettivi:– indagare le conoscenze iniziali degli studenti che

partecipano ad attività all’OA – individuare differenze tra studenti di diverso livello e

rendimento scolastico– Individuare strategie di ragionamento sottostanti alle

difficoltà evidenziate– costruzione/ottimizzazione brevi percorsi didattici per

risolvere alcune difficoltà emerse

Adattato da Kucucozer, H. (2008)



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Questionario del LOA

• Esempio di domande:– che cosa causa le stagioni? – perché le eclissi lunari e solari non si verificano tutti i mesi?– che cosa intendi per “eclissi di luna”? – che cosa pensi a proposito di come l’Universo si è formato?

• 4 categorie di risposta: – A - corretta dal punto di vista scientifico con riferimenti

multipli a conoscenza disciplinare; – B - corretta ma solo qualche riferimento a conoscenza

disciplinare; – C - corretta senza giustificazione; – D - incompleta, parziale o completamente incorretta,

incomprensibile, rifrasatura della domanda



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Risultati preliminari• Finora ~200 questionari raccolti• Fine scuola media e fine liceo (astronomia è

nei programmi)• Emerse DAI su stagioni, fasi della luna, eclissi…• Idee degli studenti sull’origine universo:

– C'è stato il big bang, ma grazie alla mano di un essere superiore (alt. la Chiesa dice che c’è stato il Big Bang)

– L'universo l'ha creato Dio– Il big bang ha formato gas e polveri – È nato dall'esplosione di una gigante rossa che ha

disperso nel buio tutto il materiale dell'universo.



25

Esperienze con materiale povero Ruangsuwan and

Arayathanitkul, 2009

Ros, 2009

http://analyzer.depaul.edu/paperplate/













26

Simulazioniwww.starrynight.com

http://www.starrynight.com/

http://www.starrynight.com/



27

Alcuni progetti Europei di Ricerca Didattica dell’Astronomia

INTRODUCING EUROPEAN YOUTH TO THE WORLD OF SCIENTIFIC RESEARCH THROUGH INTERACTIVE UTILIZATION OF A GLOBAL NETWORK OF ROBOTIC TELESCOPES (2005-2006)

DESIGN THE CLASSROOM OF TOMORROW BY USING ADVANCED TECHNOLOGIES TO CONNECT FORMAL AND INFORMAL LEARNING ENVIRONMENTS (2004 – 2007)

AN ADVANCED SCIENTIFIC REPOSITORY FOR SCIENCE TEACHING AND LEARNING (2007 – 2009)



28

Bibliografia• Abel S. K. & Lederman N. G. (2007) Handbook of

research in Science Education. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum

• Bailey, J. M. & Slater, T. F. (2003), A Review of Astronomy Education Research, The Astronomy Education Review, 2, 20.

• Baxter, J. (1989). Children’s understanding of familiar astronomical events. International Journa of Science Education, 11, 502

• Duit, R. (2007). Science education internationally: Conceptions, research methods, domains of research. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 3(1), 3.

• Duit, R., Niedderer, H. & Schecker, H. (2007). Teaching physics. In S.K. Abell & N.G. Lederman, Eds., Handbook of research on science education (p.599). Mahwah, NJ:



29

Bibliografia• Fraenkel J. & Wallen N. (2000) How to Design and

Evaluate Research in Education, Sixth Edition. McGraw-Hill.

• Givry D. & Tiberghien, A. (2012) Studying Students’ Learning Processes Used during Physics Teaching Sequence about Gas with networks of Ideas and their domain of applicability, International Journal of Science Education, 34(2), 223

• Hestenes D., Wells M., & Swackhamer, G. (1992) Force Concept Inventory. The Physics Teacher, 30, 141

• Kucucozer, H. (2008) The effects of 3D computer modelling on conceptual change about seasons and phases of the Moon, Physics Education, 43, 632



30

Bibliografia• Ros R. M (2009) Solar and lunar demonstrators.

Physics Education, 44(4), 345• Ruangsuwan C. & Arayathanitkul K. (2009) A low-cost

celestial globe for hands-on astronomy. Physics Education, 44(5), 503

• Trumper, R. 2000, “University Students' Conception of Basic Astronomy Concepts,” Physics Education, 35, 9.

• Wu et al. (2012) An investigation of Taiwan’s Public Attitudes Toward Science & Technology. International Journal of Science Education, Part B, 2(1), 1



Grazie per l’attenzione



Addendum



Proposte di insegnamento basate sulla ricerca didattica



34

Progetto e Sviluppo curriculareAnderson & Bach, 2005



35

Ricostruzione Educativa(Kattman et al., 1995)

Analisi della letteratura

Charificazione di concetti base

Modifica ed elaborazione dei concetti

Analisi Struttura Contenuto

Costruzione dell’istruzione

Formulazione di linee guida Modulo

Ottimizzazione del Modulo

Studio pilota

Ricerche empiriche

Analisi di interviste, schede, consegne a casa

Studi complementari e valutazione



36

Inquiry(White & Frederiksen, 1998)



37

Inquiry autentico• Gli studenti:

– sono stimolati da una domanda di ricerca– propongono diverse previsioni al riguardo– progettano e realizzano esperimenti (sia in ambienti

virtuali che con materiali reali) per determinare quale delle previsioni sia la più corretta

– analizzano i risultati e li riassumono nella forma di leggi scientifiche e/o modelli

– applicano le leggi ed i modelli trovati a nuove situazioni– riflettono sui limiti delle leggi e dei modelli e sul

percorso da loro compiuto– ritornano sulla domanda iniziale e rivisitano l’approccio

alla ricerca



38

Esempio di scheda



39

Inquiry guidato

• Gli studenti:– sono post i davant i ad una s i tuaz ione

problematica– realizzano in prima persona esperimenti o

attività in ambienti virtuali proposti per raccogliere evidenze e/o regolarità guidati da domande specifiche presenti in schede di lavoro

– sono guidati a generalizzare le regolarità osservate in leggi scientifiche e/o modelli

– applicano le leggi ed i modelli trovati a nuove situazioni



40

Ciclo Previsione – Esperimento – Confronto (PEC) (White & Gunstone, 1992)

• Fase I: gli studenti esprimono previsioni su quanto accadrà in un esperimento o lavorando con un modello

• Fase II: svolgono l’esperimento o usano il modello, raccolgono e analizzano i dati.

• Fase III: confrontano le loro previsioni con i dati e spiegano somiglianze e differenze.



41

Approccio “dal Reale all’Ideale”(Sassi, 2001)

• Percorsi che partono dallo studio di fenomeni complessi

• Si cercano regolarità riproducibili che possono essere tradotte in regole formali

• Descrizione di casi ideali• Le leggi fisiche acquistano maggiore

plausibilità



42

Conceptual change(Posner et al., 1982)

• Insoddisfazione con le concezioni esistenti

• Una nuova concez ione deve essere comprensibile e plausibile

• Una nuova concezione deve servire a spiegare “meglio” quello che si vuol comprendere ed apprendere



43 !"

Due “visioni”(Roberts, 2007)

I. comprensione concetti di Scienza e motivare studenti verso carriere scientifiche

II. formazione personale dello studente per cittadinanza attiva e responsabile

EconomiaTecnologiaCultura Democrazia

Alfabetizzazione scientifica

Riconoscere ruolo della Scienza nella



44

Indagini PISAhttp://www.pisa.oecd.org

• Focus su competenze allievi di 15 anni (ogni ordine e grado) apprese durante il periodo di scolarità obbligatoria

• Are students– prepared for future challenges?– able to analyze, reason, and communicate effectively?– able to continue learning throughout life?

• Ambiti: lettura, matematica, scienze• Ogni tre anni• Dati per politici, autorità scolastiche, docenti,

genitori, allievi



45

563 Finlandia534 Canada

531 Giappone530 N. Zelanda

527 Australia525 Paesi Bassi

522 Corea516 Germania

515 Regno Unito513 Rep. Ceca

512 Svizzera511 Austria510 Belgio508 Irlanda

504 Ungheria503 Svezia

500 Media OCSE496 Polonia

496 Danimarca495 Francia491 Islanda

489 Stati Uniti488 Rep. Slovacca

488 Spagna487 Norvegia

486 Lussemburgo475 Italia

474 Portogallo473 Grecia

424 Turchia410 Messico

400,000 456,667 513,333 570,000

Series1Intervallo Confidenza InferioreIntervallo Confidenza Superiore

Risultati scienze in PISA 2006



46

Apprendimento informale

• Circa 100 anni di storia

• Focus su apprendimento e processi cognitivi (vedi rassegna di Rennie, 2007)

• Diverse metodologie adottate (preparazione pre-visita, questionari in situ, etc…)



4747

Ecologia ed ambiente:

Giardini zoologici, giardini botanici, Percorsi naturalistici (rocce)Osservatori astronomici Centri ricreativi (sport, fisiologia)

Industriale e commerciale:

Centrali elettricheAcquedotti e impianti di depurazioneCantieri edili e caveAziende agricoleParchi a tema

Orientati ad alfabetizzazione scientificaLaboratori università, MuseiScience-centers Planetari

Contesti informali

Italo Testa – Ricerca didattica e 47

Hughes, 2010



48

Conoscenza Pedagogica del Contenuto (PCK)

Shulman (1986)

• è un modo per “modellizzare” quello che un “buon” insegnante sa, sa fare e come lo sa fare



49

Componenti della PCK

Conoscenza del Contenuto Conoscenza Pedagogica

Conoscenza Pedagogica del Contenuto

Conoscenza del Contesto

influenza

influenzainfluenza

Gestione classe

Principi di insegnamento Discenti ed apprendimento

Obiettivi

Conoscenza sostantiva

Conoscenza sintattica

Comunità StudentiScuola Distretto

da De Jong, 2003



50

Integrazione Scienza – Tecnologia

(Lewis, 2006)

Conoscenza Scientifica Conoscenza Tecnologica

Investigazione Progetto

Costruzione delle attività



51

Modelli Mentali(Vosniadou, 1992)

Astromeeting, 9 Italo Testa – Ricerca didattica e 51



52

Bibliografia

• Andersson, B. & Bach, F. (2005). On designing and evaluating teaching sequences taking geometrical optics as an example. Science Education, 89(2), 196.

• De Yong, O. (2003) Exploring Science Teachers’ Pedagogical Content Knowledge. In Psillos et al. (eds.) Science Education Research in the Knowledge-Based Society, 373-381. Kluwer, Netherlands

• Hughes S. W (2010) Astrophysics on the lab bench. Physics Education, 45(3) 231



53

Bibliografia• Kattmann, U., Duit, R., Gropengießer, H., &

Komorek, M. (1995, April). A model of Educational Reconstruction. Paper presented at the Annual Meeting of the National Association of Research in Science Teaching (NARST), San Francisco.

• Lewis, T. (2006). Design and inquiry: Bases for an accommodation between science and technology education in the curriculum. Journal of Research in Science Teaching, 43(3), 255

• Posner et al. (1982) Accomodation of a Scientific conception. Toward a theory of conceptual change. Science Education, 211



54

Bibliografia• Rennie, L. J. (2007). Learning science outside of

school. In S. K. Abell & N. G. Lederman (Eds.), Handbook of research on science education, 125-167. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates

• Roberts, D.A. (2007). Scientific literacy/science literacy. In S.K. Abell, & N.G. Lederman (Eds.), Handbook of research on science education, 729–780. Mahwah, NJ: Lawrence Erl-baum Associates

• Sassi, E. (2001). Computer supported lab-work in physics education: Advantages and problems. Physics Teacher Education Beyond 2000 (R. Pinto, Surinach, S., eds) Paris, Elsevier. 57



55

Bibliografia• Shulman, L.S. (1986).Those who understand:

Knowledge growth in teaching. Educational Researcher , 15, 1, 4-14.

• Vosniadou S. (1992) Mental Models Of The Earth: A Study Of Conceptual Change In Childhood. Cognitive Psychology, 24, 535

• White, B., & Frederiksen, J. (1998) Inquiry, Modeling, and Metacognition: Making Science Accessible to All Students. Cognition and Instruction, 16(1), 3.

• White, R.T., & Gunstone, R.F. (1992). Probing understanding. London: Falmer Press.

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