Ambienti di apprendimento come “territori propriamente complessi”:

Esempi sull’insegnamento/apprendimento della fisica moderna

Olivia Levrini Dipartimento di Fisica, Università di Bologna

“Ogni cosa è più semplice di quanto si pensi e, allo stesso tempo, più complessa di quanto si immagini”

(J.W. von Goethe)

Congresso SIF, Bologna, 2010

Criteri

per la progettazione di ambienti di apprendimentoin grado di favorire e sostenere:

• una comprensione profonda dei contenuti di fisica moderna a livello di scuola secondaria;

• un coinvolgimento attivo degli studenti;

• la formazione di un pensiero critico e autonomo.

Perché tali criteri caratterizzano gli ambienti di apprendimento come “territori propriamente complessi”

In che senso tali criteri sono valutabili sia sulla base di risultati sperimentali, sia per la loro tenuta su un piano “teorico”

Nei libri di testo di scuola secondaria,passando dalla fisica classica alla fisicamoderna:

Più il gioco di fa duro, più la trattazionesi fa semplice:

- Da argomentazioni articolate ad unacollezione di nozioni;

- Evidenza di incoerenze.

Premessa

La relatività ristretta come la teoria che hapermesso di eliminare dalla fisica spazio e tempoassoluti (oggetti reali, contenitori sostanziali)

I contenitori spazio-temporali sono stati eliminati dalla fisica?

vs.

La relatività generale solitamente divulgata conimmagini di un contenitore spazio-(temporale) cosìreale da essere curvato dalla materia

“Making things easy but not easier” (A. Einstein):

- evitare complicazioni inutili, ma anche...

- evitare, il più possibile, approcci falsamente semplificanti (approcci che impongono una revisione dei concetti acquisiti non appena li si voglia approfondire o approcci che sottovalutano le potenzialità degli studenti);

- valorizzare alcune forme di complessità produttiva (complessità che rendono un ambiente di apprendimento ricco abbastanza da favorire la comprensione dei contenuti e da valorizzare il potenziale cognitivo di ciascuno studente e dei diversi stili d’apprendimento).

Forme di complessità produttiva: criteri di progettazione

(1) Un approccio pluri-prospettico – analisi degli stessi contenuti (fenomenologie) da diverse prospettive;

(2) Un approccio pluri-dimensionale – analisi e confronto delle diverse prospettive condotti su diversi piani: per le loro implicazioni concettuali, sperimentali, formali, ma anche per le loro peculiarità epistemologiche;

(3) Un approccio longitudinale (PRIN F21, Coordinatore: P. Guidoni) –l’insegnamento/apprendimento della fisica moderna come ampliamento, revisione, ri-organizzazione dei fondamenti della fisica classica, sottolineando continuità e discontinuità dei diversi paradigmi esplicativi.

Da un punto di vista metodologico:

Analisi della letteratura di ricerca sui fondamenti, storiae filosofia della fisica

Analisi della letteratura di ricerca in didattica della fisica

perindividuare una prospettiva didattica e operare una ri-costruzione disciplinare

di dibattiti rilevanti sul piano culturale e significativi sul piano

cognitivo

La sfida:Entrare nella disciplina e nei dibattiti sui fondamenti, storia e filosofia...

..e trasformarli in un territorio propriamente complesso, culturalmente significativo per gli studenti ma anche intelligibile e percorribile

Valutazione degli ambienti di apprendimento in termini di:

- Percorribilità, intelligibilità e livellodi comprensione dei concetti di base;

- Rilevanza culturale e livello dicoinvolgimento degli studenti;

- Efficacia nel favorire lo sviluppo di unpensiero critico e autonomo.

ESEMPI DI RISULTATI DA STUDI PILOTA

PRIMO ESEMPIO

Dalla sperimentazione di relatività:

Contesto: Tirocinio SSIS (20 ore) (F. Bonazzi, L. del Pennino), a.s. 2001-2002

Studenti di V Liceo Scientifico “N.Copernico”, Bologna (12 studenti)

L’approccio pluri-prospettico e

la comprensione dei contenuti

Peculiarità del percorso

Fuoco sul confronto tra

la prospettiva operazionista di Einstein e quella geometrica di Minkowski,

collocate nel quadro di una ricostruzione, in chiave didattica, del

dibattito (relazionismo vs sostanzialismo) sui concetti di spazio e tempo in fisica

Un episodio di classe interessante

Gli studenti si sono scontrati con il concetto di tempo proprio, trovandosi ad affrontare alcune difficoltà sorte dal confronto di una pluralità

di definizioni e proprietà del concetto

L'intervallo di tempo tra due eventi misurato nel sistema di riferimento in cui i due eventi avvengono nella stessa posizione (misurabile con un solo orologio)

(prospettiva operazionista)

La lunghezza invariante di una distanza spaziotemporale

(prospettiva geometrica)

Comprensione e senso di soddisfazione

RISCONTRO ESTERNO

Il modello delle classi di coordinazione (A. diSessa)*:

Interpretazione teorica del perché il confronto tra diverse prospettive favorisca una

comprensione profonda

Difficoltà riconducibili a due problemi teorizzaticome inevitabili nell’appropriazione di un concetto infisica (costruzione di una classe di coordinazione):

Span: “having adequate conceptual resources tooperate the concept across a wide range of contexts inwhich it is applicable”

Alignment: “being able to determine the same concept-characteristic information across diversecircumstances”.

*Levrini O., diSessa A.A. (2008), How Students Learn from Multiple Contexts and Definitions: Proper Time as a Coordination Class, Phys Rev.ST-PER, 4, 010107.

SECONDO ESEMPIO

Dalla sperimentazione in meccanica quantistica:

2 classi V del Liceo Scientifico “A. Einstein”,Rimini

- “class A” (19 studenti)

- “class B” (20 studenti)

Insegnante: Paola Fantini

Durata della sperimentazione: circa 25 ore(l’una)

L’approccio pluri-dimensionale e

il coinvolgimento autentico

Peculiarità del percorso:

Fuoco suidibattiti sui fondamenti, la storia e la

filosofia della fisica (Bohr-Einstein; Bohr-Heisenberg; Heisenberg-

Schrödinger)

per

creare la tensione conoscitiva necessaria per accettare il formalismo

(matrici di Pauli) come un aiuto e non come un’inutile

complicazione.

“Il problema non è stato capire ma accettare i risultati della teoria”* (Michele)

“La parte del formalismo mi ha aiutato umanamente, perché è sempre confortante contare su equazioni, calcoli e leggi matematiche. […] il formalismo è stato facile da memorizzare e capire, ma, come dico, chiaro solo al suo interno.” (Simone R.)

* Levrini O., Fantini P., Pecori B. (2008), “The problem is not understanding the theory, but accepting it”: a study on students’ difficulties in coping with Quantum Physics, in R. Jurdana-Sepic et al.(Eds.), GIREP-EPEC Conference (2007, Opatija), Selected contributions, 319-324, Rijeka: Zlatni rez

“Il punto che mi è risultato più duro da comprendere è stato l'abbandono del determinismo classico […] La fisica del determinismo era una scienza esatta, almeno a livello teorico; la Meccanica Quantistica, invece, è sconvolgente, perché ci mette di fronte al problema della conoscenza, ci fa chiedere se quello che osserviamo è realmente quello che è..” (Simone R.)

Il realismo non si perde. Occorre soltanto ri-definirlo in termini di probabilità (e non di certezza)

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La matematica è un’astrazione. La si associa alla certezza soltanto per abitudine.

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“A me è piaciuto vedere le diverse prospettive. Ci si accorge che la fisica non è solo un insieme di “aride formulette”, che non è solo il moto rettilineo uniforme. […] Uno non ha solo i risultati.Segue anche lo sviluppo delle idee. Questo aspetto “narrativo” lo rende più interessante… è come leggere un romanzo e vuoi sapere come va a finire”

(Andrea B., uno studente non particolarmente interessato alla fisica)

RISCONTRO IMPORTANTE:

Riscontro esterno a medio- o lungo-terminesulla qualità della comprensione deglistudenti:

Tra gli 11 studenti che hanno superato l’esame c’erano tutti e 5 gli studenti usciti dalle “nostre” classi che si sono iscritti ad

Ingegneria!!!

Un esame molto selettivo:

Soltanto 30 studenti su circa 100 hanno superato lo scritto.

Soltanto 11 studenti hanno superato l’orale sui 30 ammessi.

Esame di Fisica Generale ad Ingegneria (I semestre del I anno)

L’approccio longitudinale, pluri-prospettico e pluri-dimensionale

e lo sviluppo di un pensiero critico e

autonomo dei singoli studenti in risonanza con la crescita collettiva

della classe

TERZO ESEMPIO

Dalla sperimentazione in termodinamica:

Classe IV di Liceo Scientifico “A. Einstein”,Rimini (PNI)

Insegnante: Paola Fantini

Durata delle attiivtà: circa 25 ore

Le attività di classe hanno delineato un “classroom corridor”, che gli

studenti hanno navigato costruendo/seguendo

“individual trajectories”

(Confrey, 2006)*

* The evolution of design studies as methodology, in Sawyer K. (ed.), The Cambridge Handbook of The Learning Sciences, Cambridge University Press, 135 – 152.

* Dipartimento di Fisica, Università di Bologna

** Liceo Scientifico A.Einstein, Rimini

Approcci alla Termodinamica

e stili cognitivi

Giulia Tasquier*, Paola Fantini**, Mariateresa Scarongella*

Ricapitolando…

Serie di criteri (“framework for action”) costruiti “euristicamente” a partire da scelte:

- fatte inizialmente come scommessa;

- via via esplicitate e rifinite su “buone pratiche d’insegnamento”;

- interpretate, per quanto possibile, sulla base di un confronto, anche serrato, con modelli teorici elaborati da altri gruppi di ricerca a livello internazionale.

Il gruppo di ricercaEugenio Bertozzi, Dipartimento di Fisica, UNIBO

Michela Clementi, Liceo Scientifico “Serpieri”, Rimini

Paola Fantini, Liceo Scientifico “A. Einstein”, Rimini

Marta Gagliardi, Dipartimento di Fisica, UNIBO

Nella Grimellini Tomasini, Dipartimento di Fisica, UNIBO

Christian Montanari, Liceo Scientifico “Serpieri”, Rimini

Barbara Pecori, Dipartimento di Fisica, UNIBO

Mariateresa Scarongella, Dipartimento di Fisica, UNIBO

Giulia Tasquier, Dipartimento di Fisica, UNIBO

“Too many indiscriminate connections will turn your mind to mush. But well-connected meaning structures let you turn ideas around in your mind, to consider alternatives and envision things from many perspectives until you find one that works. And that's what we mean by thinking!”

(Minsky, Society of mind, 1986; p. 64)

Grazie per la vostra attenzione