Michelini M, Viola R (2009) Esperimenti semplici Hands-on Minds-on di elettromagnetismo, LFNS, XLII, 3-sup, pp.151-157

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Esperimenti semplici Hands-On Minds-On di elettromagnetismo

Marisa Michelini e Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine

1. Introduzione

Le ricerche sull’apprendimento hanno evidenziato alcune difficoltà degli studenti, che spesso hanno una comprensione parziale dell’induzione elettromagnetica, dovuta alla non completa conoscenza delle situazioni che determinano una corrente indotta o in relazione ad un uso non corretto della Legge di Lenz (Maloney D P, O’Kuma T L, Hieggelke C J, Heuvelen A V , 2001; Thong W.M., Gunstone R., 2007). 2. La proposta

Nell’ambito di una ricerca mirata allo studio di un percorso di Insegnamento/Apprendimento in prospettiva verticale, secondo il modello dell’MRE (Duit R., 2006), è stato condotto uno studio dedicato al nodo specifico dell’induzione elettromagnetica per studenti di biennio di scuola secondaria superiore. In questo lavoro si presenta la sequenza e degli esperimenti in esso proposti ed utilizzati nell’ambito di sperimentazioni didattiche. 3. Strategie e metodi

Il percorso si articola con attività esplorativo- laboratoriali (Michelini, 2005) in cui si prospettano situazioni (Sx) hands-on usando schede studente con domande stimolo (Martongelli, 2001; Michelini, 2003) e una strategia basata su cicli SPPEA (Situazione – Previsione – Progettazione – Esperimento – Analisi). In questa sede la proposta viene illustrata attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) sono indicate le domande di ricerca (Ry). 4. La fenomenologia e i problemi di ricerca

S1 Oggetti di materiale ferromagnetico e magneti: interazioni. Esplorazione dello spazio circostante a un magnete.

R1- I ragionamenti sono in termini di proprietà dello spazio intorno ad un magnete o ancora di interazione tra oggetti (sistemi) e magnete? R2- Viene identificata una proprietà dello spazio intorno al magnete? R3- Viene individuato un esploratore? R4- La proposta operativa è sostenuta da ipotesi esplicite/implicite?

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S2 Una bussola lontano e vicino a un magnete: sua orientazione. Esplorazione con una bussola dello spazio intorno a un magnete.

R5- Si tiene conto del contributo del campo magnetico terrestre nell’orientazione delle bussole? R6- Il campo magnetico terrestre è evocato come responsabile dell’orientazione di tutte le bussole? R7- Quale spiegazione viene data al cambio di orientazione quando ci si avvicina ad un magnete? R8- Emerge l’idea della sovrapposizione tra campi?

S3 Una piattaforma di bussole lontano e vicino a un magnete: loro orientazione

R9- Viene riconosciuto il parallelismo degli aghi quando sono lontani dal magnete o vengono solo tracciate le linee? R10- Vengono descritte le linee e/o anche effettuato un confronto? R11- L’illustrazione riguarda gli stati o il processo di cambio di direzione e, quando viene individuato il processo, viene riconosciuta la nuova configurazione come caratteristica prodotta dal magnete? R12- viene riconosciuto che si tratta di una sovrapposizione o scompare completamente il ruolo del campo magnetico terrestre?

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S4 Cambia la posizione del magnete sulla piattaforma di bussole: come cambia la configurazione delle linee dicampo.

R13- Le linee di orientazione sono dipendenti dalla sorgente del campo o piuttosto sono viste come una struttura dello spazio da essa indipendente? R14- Viene associata la configurazione delle linee di orientazione al magnete? R15- Il magnete è riconosciuto come sorgente?

S5 Cambia l’inclinazione della piattaforma di bussole rispetto al magnete: la tridimensionalità della struttura delle linee di campo.

R16- È riconosciuta la tridimensionalità e la simmetria della struttura delle linee di orientazione? R17- La proposta operativa è sostenuta da ipotesi esplicite/implicite? R18- L’uso di un esploratore e delle linee di campo sono un angolo di attacco efficace per il ragionamento in termini di campo? R19- Quale l’angolo di attacco più efficace per il ragionamento in termini di campo nella ricostruzione concettuale della fenomenologia? R20- Le linee di campo sono considerate come un ente autonomo o sono associate al magnete come sorgente? R21- Riemerge la direzione in assenza del magnete ed il problema della sovrapposizione? R22- La descrizione è localizzata intorno al magnete o si riconosce che ha

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un’estensione infinita? R23- La piattaforma di bussole è un referente concettuale per l’idea di campo o dà forse l’idea di uno spazio limitato? R24- Viene attribuito significato e ruolo alle linee di campo?

S6 Si pone sulla piattaforma di bussole, prima un solo magnete, poi due e poi se ne toglie uno nuovamente: osservazione di come cambia la configurazione di linee di campo in presenza di più magneti.

R25- Viene riconosciuto il principio di sovrapposizione ed utilizzato per spiegare il cambiamento della configurazione delle linee? R26- I singoli magneti sono identificati come sorgenti del campo descritto dalle linee? R27- La nuova configurazione di linee viene considerata come una composizione punto per punto o solo una nuova configurazione? Il cambiamento della configurazione delle linee di campo è considerato globalmente o localmente?

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S7 Una corrente elettrica in un filo e una bussola: esplorazione degli effetti magnetici di una corrente. S8 Esperimento di Oersted: linee di campo intorno a un filo percorso da corrente.

R28- La proposta operativa di esplorazione è sostenuta da ipotesi esplicite/implicite? R29- Viene utilizzata la bussola come esploratore delle proprietà magnetiche in una regione di spazio? R30- Gli elementi studiati precedentemente (orientazione, posizione, distanza dalla sorgente) sono riferimenti anche per questa esplorazione?

S9 Bussole intorno a due fili percorsi da corrente: linee di campo.

R31- La spiegazione della configurazione delle linee di campo utilizza la composizione locale dei contributi di ciascuna sorgente? R32- Viene applicato il principio di sovrapposizione?

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S10 Ripetere l’esplorazione da un diverso punto di vista: interazioni tra un magnete e oggetti di materiali differenti.

R33- Quali sono i referenti concettuali per riconoscere il comportamento magnetico (linee di campo, bussole come esploratore, o solo interazione magnete-oggetto)? R34- Quali le variabili considerate importanti nell’interazione? R35- Quanti e quali tipi di interazioni vengono identificati?

S11 Un filo non percorso, prima, e percorso da corrente, poi, tra le espansioni polari di un magnete: esplorazione della Forza di Lorentz

R36- Quanti studenti riconoscono di essere in presenza di una situazione già esplorata? R37- Quali esperimenti richiamano? R38- Si riutilizzano i differenti aspetti della situazione (campo prodotto dal magnete, quello prodotto da una corrente che circola nel filo) per fare una previsione? R39- La Forza di Lorentz viene descritta come una interazione tra le sorgenti (magneti o correnti) tenendo conto del legame con il cambiamento delle linee di campo? R40- Come viene strutturata la proposta operativa per cercare l’origine della Forza di Lorentz?

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S12 Un filo non collegato ad un generatore in un campo magnetico: esplorazione libera dellesituazioni che generano corrente indotta

R41- Gli studenti riconoscono che la corrente è generata solo in occasione di una variazione di flusso del campo? R42- Descrivono il processo usando le linee di campo? R43- Vengono riconosciute tutte le situazioni in cui si ha induzione elettromagnetica? R44- Tali situazioni vengono solo descritte o sono inserite in un quadro interpretativo unitario? Quale? R45- Le linee di orientazione e la Legge di Lorentz vengono proposti come strumento per comprendere ed interpretare il fenomeno dell’induzione elettromagnetica? R46- In che modo vengono utilizzate le linee di campo per capire l’induzione? R47- Viene riconosciuto il ruolo del flusso concatenato nel fenomeno dell’induzione elettromagnetica? R48- Ripropongono una mappatura dello spazio o guardano solo la forma delle linee?

S13 La Legge di Faraday-Neumann. Esplorazione guidata che genera induzione elettromagnetica: a) Variazione della superficie. b) Variazione dell’angolo tra la normale alla superficie e le linee di campo c) Variazione dell’intensità del campo magnetico

R49- C’è il riconoscimento fenomenologico/descrittivo dell’azione (il cambiamento effettuato) che dà corrente indotta? R50- Qual è il modello interpretativo usato per spiegare la nascita della corrente indotta?

d) Cambio della velocità di variazione del flusso

R51- La velocità di variazione del flusso viene riconosciuta come condizione da cui dipende l’intensità della corrente indotta? R52- Quale modello interpretativo viene utilizzato per spiegare il fenomeno in questo caso?

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5. Considerazioni conclusive

La proposta presentata è stata illustrata attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) si sono indicate le domande di ricerca (Ry). L’articolare in domande di ricerca ogni passo del percorso è molto utile anche ai fini dell’insegnante interessato a conoscere i tipi di ragionamento e le articolazioni concettuali dei ragazzi. I risultati dell’analisi dei dati, infatti, sono poi dati sulla base delle domande di ricerca, in modo da sottolineare lo sviluppo concettuale associato. Il percorso è stato già sperimentato in classi seconde di Liceo Scientifico e in classi terze di Scuola media. Per l’analisi dei dati è stata fatta una classificazione delle risposte in classi definite a priori, analisi statistica delle risposte standard, studi di caso qualitativi per modelli interpretativi particolari, confronto tra dati qualitativi e quantitativi e controllo con interviste Rogersiane. I risultati dell’analisi dei dati relativi ad alcune delle sperimentazioni effettuate sono stati già presentati (Michelini M, Viola R, A proposal for a curricular path about electromagnetic induction, Girep book 2008).

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