LA RICERCA IN PHYSICS EDUCATION

Dipartimento di Fisica Università di Pavia

23 maggio 2013

Il Gruppo di ricerca

Massimiliano Malgieri

Paolo Mascheretti

INSEGNANTI COINVOLTI NELLE SPERIMENTAZIONI E NELLE ATTIVITÀ DI TIROCINIO IN CLASSE

2

Pasquale Onorato

Anna De Ambrosis

Contenuti

Il Gruppo di Ricerca

Che cosa è la didattica della fisica? Definizioni e temi di ricerca

Le Attività di ricerca

Collaborazioni e partecipazione a organismi internazionali

SIF- GIREP - ESERA

Université Pierre e Mary Curie, Paris

Davidson College & ComPADRE

Università di Bologna, Milano, Napoli, Palermo,, Trento

Progetti Nazionali e Internazionali

Piano Lauree Scientifiche

OutLab

ConScience

STEPS

CHE COSA È LA RICERCA IN PHYSICS EDUCATION?

E’ diversa dalla ricerca in pedagogia e psicologia dell'apprendimento, poichétratta di fenomeni e problemi collegati con la specificità del contenuto

disciplinare, non riducibili né risolubili in un quadro generale psicopedagogico.

Per questo la ricerca in Physics Education viene condotta all’interno dei Dipartimenti di Fisica

Come ricerca applicata prevede indagini sistematiche su come gli studenti di vari livelli di età capiscono concetti e principi fisici importanti

Quando i risultati circa le difficoltà degli studenti e i modi per superale diventano riproducibili (e non dipendono dal particolare insegnante o dal particolare corso) allora possono essere considerati come fattiragionevolmente accettabili e in base a questi costruite “humble theories”

Il fuoco della ricerca è sullo studente chechapprende non è sul docente che insegna

Utilizza i risultati di queste indagini come punto di partenza per lo sviluppo di materiali didattici innovativi e verifica la loro efficacia sulla base dei risultati di apprendimento degli studenti

Come avviene per ogni tipo di ricerca, i risultati vengono diffusi attraverso riviste scientifiche e convegni specifici.

Metodi:

I dati di ricerca provengono da:domande scritte, registrazone di dialoghi di studenti, schede di lavoro,discussioni, relazioni scritte, interviste

L’analisi dei dati avviene sia con metodi qualitativi, sia con metodiquantitativi, ad esempio Rash model, Knowledge Integration analysis,Model analysis…

Che cosa pensano gli studenti?

Temi di ricerca

Concezioni e rappresentazioni mentali

Cambiamento concettuale

Sequenze d’insegnamento-apprendimento

Ruolo e formazione degli insegnanti

Modelli e analogie

Storia e filosofia della scienza

Ruolo degli esperimenti

Tecnologie informatiche

Argomentazione scientifica

Didattica informale

Problemsolving

STS - Scienza tecnica e società

….… ……

Rilanciare l’interesse dei giovani per lo studio delle materie scientifiche e della fisica

e in generale per la scienza come cultura

Ricaduta sulle attivitàdel

Piano Lauree Scientifiche

LE ATTIVITÀ DI RICERCA A PAVIA

Le Teaching LearningSequences (TLS) Le sperimentazioni

Innovazione tecnologicanei laboratori didattici

Ricaduta sulla Formazione insegnanti

Corsi del TFA

Un approccio « tridimensionale »per la progettazione di percorsi d’insegnamento e apprendimento (TLS).

Trattamento usuale nei manuali e nella pratica scolastica

Analisi del contenuto scientifico, la sua

storia e le applicazioni

Analisi della ricerca didattica sull’argomento (concezioni e TLS)

Progettazione e sperimentazione di una TLS

Formazione insegnanti

Diffusione nel contesto scolastico

Besson U., Borghi L., De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) A three-dimensional approach and open source structure for the design and experimentation of teaching learning sequences, International Journal of Science Education 32, 1289–1313.

Le Teaching Learning Sequences

Analisi concettuale e ricostruzione didattica del contenuto

TLS: le basi fisiche dell’effetto serra e il riscaldamento globale

La ricerca ha coinvolto circa 400 studenti di scuola superiore, 20 insegnanti, 2 tesisti, 2 studenti di Master

L'effetto serra ed il riscaldamento globale sono temi complessi che coinvolgono molteplici proprietà e fenomeni fisici e hanno un interesse generale socio-culturale

Besson U., De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) Studying the physical basis of global warming: thermal effects of the interaction between radiation and matter and greenhouse effect, European Journal of Physics, 31 (2), 375-388.

Occorre elaborare una attenta analisi concettuale e una ricostruzione didattica del’argomento. Disegnare una successione di esperimenti e di osservazioni teoriche, su cui costruire modelli esplicativi coerentidell’effetto serra

Successione di esperimenti e riflessionii teoriche

TLS: le basi fisiche dell’effetto serra e il riscaldamento globale

TLS: le basi fisiche dell’effetto serra e il riscaldamento globale

Costruire un modello formale Costruire un modello formale predittivo dell'effetto serra anomalo e predittivo dell'effetto serra anomalo e

del riscaldamento globale del riscaldamento globale

Costruire un modello Costruire un modello semplificato ma coerente semplificato ma coerente

delldell’’effetto serra per la Terraeffetto serra per la Terra

Onorato P, Mascheretti P and De Ambrosis A (2011)““Home madeHome made”” model to model to study the greenhouse effect and study the greenhouse effect and global warmingglobal warming Eur. J. Phys. 32 363

The energy balance

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

Pre test Post Test

%

Age 15-16

Age 17 19

Students answers about the causes and the possible consequences of global warming

TLS: Le basi fisiche dell’effetto serra e il riscaldamento globale

alcuni risultati

TLS: le forze magnetiche

Sperimentazione che ha coinvolto circa 300 studenti di scuola superiore 10

insegnanti 2 dottorandi 3 studenti di Master

La forza tra magnetipermanenti

MISURA STATICA (Uso fotografia)12 geomag in un tubo di vetro trasparente in configurazione repulsiva Grazie ad una foto misuriamo le posizioni degli estremi di ciascuna barra magnetica

Le distanze tra due geomag successivi

mmd 3.210 ≈

MISURA DINAMICA (Uso video Analisi)

P Onorato , P Mascheretti and A De Ambrosis ““Investigating the magnetic interaction with GEOMAG and Tracker Video analysis: static equilibrium and anharmonic dynamics” Eur. J. Phys. 33, 385-395 (2012)

Le esperienze, basate sull’analisi di immagini digitali, hanno lo scopo di aiutare gli studenti a comprendere la direzione e l'intensità della forza magnetica sperimentata da cariche in motoL'esperienza acquisita dagli studenti operando sulle immagini ha consentito loro di analizzare le traiettorie di particelle elementari ottenute in esperimenti storici che mostrano l'esistenza di antiparticelle.

TLS: le forze magnetiche

La forza di Lorentze le tracce delle

particelle elementari

Scoperta del positrone

Anderson 1932

Decadimento pi-mu-e al CERN

TLS: Le basi fisiche dell’effetto serra e il riscaldamento globale

alcuni risultati

TLS: le forze magnetiche

Onorato P and De Ambrosis A (2012), Particle tracks in a cloud chamber: historical photographs as a context for studying magnetic force Eur. J. Phys. 33, 1721 (2012).

TLS: le forze magnetiche La forza di Laplace:

può la forza magnetica

fare lavoro?

P.Onorato, A.DeAmbrosis (2013)How can magnetic force do work? Investigating the problem with students Physics Education(in press)

TLS: le forze magnetiche L’attrito

magnetico e l’induzione

Un percorso sulle tracce di Huygens

Pendolo compostoe cicloide

5 pendoli di diversa lunghezza (12, 24, 36, 48, 60 cm)sono assemblati in modo che nel primo quarto di periodo Tutti sono vincolati a oscillare insieme. Quando passano per la verticale il vincolo smette di agireed essi continuano ad oscillare come pendoli semplici.

Pendolo composto: un esperimento ideale ricostruito realmente

Rinnovare il laboratorio didattico: le nuove tecnologie

Simulazione

Simulazione prodotta da Davidson College & ComPADRE partendo da:

P. Onorato, D.Mascoli, A.DeAmbrosis (2010) Damped oscillations and equilibrium of a mass-spring system subjected to sliding friction forces: integrating experimental and theoretical analysis American Journal of Physics 78, 1120-1127

Sensore di moto

Video analisi

Smorzare e fermare: il doppio ruolo delle forze di attrito dinamico e statico

Rinnovare il laboratorio didattico: le nuove tecnologie

Da sviluppare….

Besson U, Borghi L, De Ambrosis A and Mascheretti P (2010) A three-dimensional approach and open source structure for the design and experimentation of teaching learning sequences, Int. J. Sc. Educ. 32, 1289–1313.

Besson U., De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) Studying the physical basis of global warming: thermal effects of the interaction between radiation and matter and greenhouse effect, Eur. J. Phys. 31, 375-388.

P.Onorato, D.Mascoli, A.DeAmbrosis (2010) Damped oscillations and equilibrium of a mass-spring system subjected to sliding friction forces: integrating experimental and theoretical analysis American Journal of Physics 78, 1120-1127

P.Onorato, P.Mascheretti, A.DeAmbrosis (2010) Mechanical sensors and plastic syringes to verify the gas laws without neglecting friction Physics Education 45, 586

A.De Ambrosis and O. Levrini (2010) An empirical study for reconstructing the appropriation path in the case of special relativity, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 6, 020107-1- 020107-11

P. Onorato (2011) Low dimensional nanostructures and semiclassical approach for teaching Feynmans sum-over-paths quantum theory Eur. J. Phys. 32 259

P.Onorato, P.Mascheretti, A.DeAmbrosis (2011) Home made” model to study the greenhouse effect and global warming European Journal of Physics Eur. J. Phys. 32 363.

P.Onorato, and A.DeAmbrosis (2012) Magnetic damping”: Integrating experimental and theoretical analysis American Journal of Physics 80, 27

P.Onorato, P.Mascheretti, A.DeAmbrosis (2012). Investigating the magnetic interaction with GEOMAG and Tracker Video analysis: static equilibrium and anharmonic dynamics Eur. J. Phys. 32 363

P.Onorato, A.DeAmbrosis (2012) Particle tracks in a cloud chamber: historical photos as a context for studying magnetic force Eur. J. Phys. 33, 1721

P.Onorato, A.De Ambrosis (2013) Laboratory and multimedia in science teaching: experiments about the magnetic force Procedia – Social and Behavioral Sciences in press

Besson U., De Ambrosis A. (2013) Teaching Energy Concepts by Working on Themes of Cultural and Environmental Value, Science & Education DOI 10.1007/s11191-013-9592-7

P.Onorato, P.Mascheretti, A.De Ambrosis (2013) Studying the motion along cycloidal paths by means of digital video analysis Eur. J. Phys. in press

P.Onorato, A.De Ambrosis How can magnetic force do work? Investigating the problem withstudents Physics Education in press (2013)

ALCUNE PUBBLICAZIONI