SSIS - 2008

Laboratorio di Didattica della FisicaModulo di: preparazione di esperienze

didattiche

Corrado CicalòIstituto Nazionale di Fisica Nucleare

Ph. 070 6754927corrado.cicalo@ca.infn.it

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Programma del corso

• L’insegnamento della Fisica in laboratorio: considerazioni didattiche

• Precisione delle misure e stima degli errori

• Esperienze in laboratorio– Meccanica– Elettrostatica– Elettromagnetismo

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L’insegnamento del Laboratorio di Fisica

Alcune considerazioni didattiche

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La Fisica come scienza sperimentaleLa Fisica nasce come scienza sperimentale, perciò procedimenti induttivi giocano un ruolo fondamentale.Struttura matematico – deduttiva.Difficoltà fra teoria ed esperimento.

Spesso è insegnata in modo soltanto teorico.

Senza il supporto del laboratorio, si riduce così a un elenco di leggi e concetti che lo studente tende a memorizzare senza comprenderne il significato.

Il risultato è che i nostri studenti trovano la fisica noiosa, difficile e distaccata dalla realtà.

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Il ruolo del laboratorionell’insegnamento della Fisica

Molti progetti didattici, di sperimentazione, ... pongono in primo piano il ruolo del laboratorio nell’insegnamento della Fisica.

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Difficoltà logiche• Come si devono presentare i principi fondamentali?

Ricavandoli da esperienze sperimentali o introducendoli come postulati?

• Che ruolo bisogna assegnare al laboratorio: illustrazione delle leggi, loro dimostrazione o verifica?

• Come va descritto il rapporto fra teoria e realtàfisica? La prima è un’idealizzazione (o un’approssiamzione) della seconda?

E’ inevitabile scontrarsi con questi quesiti.

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Un esempio: il dinamometro

Concetto di forza: definizione staticaattraverso un processo di misura con il dinamometro.Taratura mediante la forza peso.Ma a rigore la situazione di quando si tara il d. non è la stessa di quando si misura una forza: nel primo caso la forza (il peso) èapplicata al corpo campione, nel secondo no. E’vero che una forza uguale al peso agisce sul d., ma per dimostrarlo dobbiamo ricorrere al primo e terzo principio della dinamica, che a questo punto non sono ancora stati introdotti.

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Le definizioniDefinizioni logicamente corrette o nominali (energia cinetica, densità): sono praticamente “abbreviazioni”del discorso.Definizioni rigorose. Attenzione! Spesso si appoggiano su concetti non ancora introdotti, o privi di preciso significato.

Esempio: FORZA. “ogni azione che produce deformazioni o movimenti di un corpo”. Ma quando si scalda un oggetto questo si allunga... eppure.... non viene applicata una forza. Inoltre è solo qualitativa.Ma è necessario dare definizioni rigorose da subito?

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Il metodo assiomatico

•Introduzione di termini teorici primitiviAnalogamente alla matematica. In fisica potrebbero essere massa, tempo, punto materiale... Influenza del senso comune (di cui bisogna liberarsi). •Introduzione di termini derivatiEs. Energia cinetica. Allargano il vocabolario. Sono rigorose, ma un aspetto “pratico” piùche logico.

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Il metodo assiomatico (2)

•Enunciazione di postulatiConnettono i termini teorici. Non devono essere contraddittori. Sono “ le regole del gioco”.•Costruzione di una teoria

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Le regole di interpretazione

• Collegamento della teoria con la realtà. Fino a che punto la prima si può porre in corrispondenza con la seconda?

• Teoria come modello della realtà• Esempi: definizione operativa di

massa, punto materiale, concetto di elettrone

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Esempio: coordinate di un punto materiale.

• f(t) derivabile due volte.• Incompletezza delle regole di

interpretazione.• Una r. di i. Può precisare come si

determinano sperimentalmente queste funzioni?

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Modello della “rete”• La teoria fisica può essere rappresentata come

una rete nello spazio, in cui i termini sono rappresentati dai nodi. I fili che li connettono sono le definizioni e le ipotesi fondamentali.

• L’intero sistema fluttua sul piano dell’osservazione, al quale è ancorato mediante le regole interpretative. Queste sono “fili” che connettono alcuni punti della rete con il piano dell’osservazione.

• Quindi da certi dati sperimentali è possibile risalire mediante un filo interpretativo a qualche punto della rete teorica, e da qui attraverso definizioni e ipotesi muoversi nella rete e per mezzo di un altro filo interpretativo ridiscenderenel piano dell’osservazione.

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Modello della “rete” (2)

• La storia della scienza mostra che principi che prevedono fenomieni osservabili non possono essere ricavati semplicemente ammassando dati sperimentali.

• Occorre un porcedura ipotetico – deduttiva – osservativa.

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Carl Gustav Hempel (1905 – 1997)“Guidato dalla propria conscenza dei dati empirici, lo scienziato deve inventare un insieme di concetti, i costrutti teorici, privi di significato empirico diretto, un sistema di ipotesi formulate in termini di questi, e un’interpretazione per la risultante rete teorica; e tutto ciò in una maniera che consenta di stabilire fra i dati dell’osservazione diretta connessioni feconde ai fini della spiegazione e della previsione”.

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Metodo assiomatico e sperimentale nella didattica.

•E’ corretto usare il metodo assiomatico?•Si possono rimuovere termini e concetti che fanno parte del senso comune (es. forza)?•Supponiamo di esserci riusciti. Se lo scopo della fisica fosse puramente tecnico, si potrebbe anche pensare di usare il metodo assiomatico. •Ma se l’insegnamento ha uno scopo culturale, allora... bisogna fornire risposte a quesiti che il metodo assiomatico non può chiarire. •Come sono nate le torie? Chi ha suggerito certi termini primitivi? Quali difficoltà si sono superate e quali non si sono potute superare?•Ciò rende il metodo assiomatico inefficace

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Il ruolo dell’esperimento• Bisogna aiutare gli studenti a costruire dei concetti e

vedere se e quanto sono adeguati ai fatti.• F=ma. Non si prova con semplici esperimenti di

meccanica. Ma aiutiamo lo studente a convincersi che sia valida. Poi la teoria procede da sè.

• Ma il momento iniziale, quello del semplice esperimento ha un ruolo fondamentale.

• L’attrito. Esperimento iniziale – idea teorica- ritorno all’esperimento - raffinamento della teoria...

• Funzione critica dell’esperimento, per mettere alla prova o in crisi la teoria

• Non tutti gli esperimenti possono essere realizzati con semplici strumenti. Ma se gli studenti capiscono, anche in pochi semplici casi, qual è la funzione dell’esperimento, perchè vissuto personalmente, sarà piùsemplice convincerli ad accettare risultati ottenuti da altri.

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Soluzione delle difficoltà logiche

• No metodo assiomatico. • In una prima fase le definizioni non

possono essere logiche e rigorose.• Si passa da definizioni del senso comune a

quelle ai termini di un discorso scientifico.• Il dinamometro serve inquesto contesto

per introdurre i concetti, per trasformare la forza in grandezza quantitativa.

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Riassumendo:

• Gli esperimenti hanno un ruolo di controllo della validità della teoria e di punto di partenza del momento induttivo.

• Rigore significa chiarezza nel significato dei singoli passi. I concetti si precisano gradualmente.

• E’ importante che lo studente ricordi il percorso più che le nozioni. Ciò richiede tempo (e spesso il sacrificio di parti del programma!)

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“Solo quando cerchiamo di mettere in contatto la parte teorica e quella pratica della nostra preparazione cominciamo a sentire in pieno l’effetto di quella che Faraday ha chiamato inerzia mentale - che non è solo la difficoltà di riconoscere, negli oggetti concreti che ci stanno davanti, la relazione astratta che abbiamo appreso sui libri, ma il doloroso sforzo necessario per strappare la mente dai simboli e concentrarla sugli oggetti, e poi di nuovo dagli oggetti ai simboli…

Ma quando abbiamo superato queste difficoltà e siamo riusciti a gettare un ponte sull’abisso tra astratto e concreto, non otteniamo solo un nuovo frammento di conoscenza: acquistiamo i rudimenti di una dote mentale permanente.”

James Clerk Maxwell

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Situazione in Italia• Costo dei materiali

• Mancanza di motivazioni adeguate e di preparazione specifica degli insegnanti:– Difficoltà all’uso del laboratorio per

mancanza di tempo– Maggiore utilità della lezione in classe– Aggiornamento

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Carenza di spazi, strutture e

finanziamenti

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Il Laboratorio è utile?

• Esistono differenze fra gli studenti che hanno seguito corsi di laboratorio e gli altri? Discussione...

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•Abbiamo collocato il laboratorio come momento di costruzione dei concetti, preliminare alla formulazione di una teoria o come momento di raffinamento della teoria stessa.•Ciò implica una migliore definizione degli obiettivi del lavoro di laboratorio e una maggiore attenzione ai problemi specifici.•Come valutare l’utilità del lavoro sperimentale?

Obbiettivi del Laboratorio

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Obiettivi specificiIl lavoro di laboratorio non è utile se consiste solo nell’eseguire una serie di istruzioni per arrivare al risultato giusto, come in una ricetta.

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Può essere educativo se offre situazioni per sviluppare la percezione, l’osservazione, la discussione, la formulazione di ipotesi, il ritorno all’esperimento,…

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INPUT Sensoriale

Registri Visivo,uditivo

tattile

OUTPUTmotorio

STMMemoria a

Breve termine(conscio)

LTMMemoria a

Lungo termine(inconscio)

Schema psicologico cognitivo mutuato dal linguaggio informatico.

Le conoscenze e le abilità intellettualidell’LTM devono essere collegate fra loro e con le informazioni provenienti dall’esterno, cioè con immagini ed episodi.

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Funzione del laboratorio

• In questo schema:– Fonte di episodi specifici che facilitino

l’apprendimento– Collegamento fra apprendimento

scolastico e vita quotidiana. Importante. Applicare le conoscenze alla risoluzione di problemi: sviluppare nuove connessioni

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Funzione del laboratorio(2)

• Sono inutili esperienze ripetitive con materiali che si incontrano solo in laboratorio?

• Sono utili:– esperienze che stimolano la memoria– Collegamenti con il mondo esterno– Situazioni - problema

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Alcuni obiettivi specifici:• Ricerca attiva di gruppo.• La fisica necessita di un approccio induttivo

e non solo matematico – deduttivo• In fisica si lavora in gruppi di ricerca• In laboratorio si sviluppano capacità

pratiche, che devono essere utili anche nella vita quotidiana.

• Ruolo dell’insegnante come “animatore –organizzatore”

• Occorre dibattere all’interno dei gruppi l’evoluzione delle teorie scientifiche

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Obiettivi di formazione

• Metodo scientifico– Saper Osservare – Saper descrivere (linguaggio)– Saper usare le tecniche sperimentali e gli strumenti– Saper riconoscere e isolare le variabili da cui dipende un

fenomeno. – Dall’osservazione dei fenomeni saper formulare ipotesi– Saper organizzare (o immaginare) esperienze di verifica delle

ipotesi– Saper raccolgiere i dati e organizzarli in tabelle e grafici– Saper elaborare i dati per giungere ad una legge– Saper costruire un modello interpretativo dei fenomeni– Superare il modello quando non si accorda con i fenomeni

osservati

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Obiettivi di comportamentoIl lavoro di gruppo, tipico del laboratorio, ha anche degli obiettivi specifici di comportamento•Saper collaborare con i compagni•Saper organizzare il proprio lavoro•Saper organizzare il proprio tempo•Saper distinguere ruoli e responsabilità nel gruppo•Saper discutere e confrontare le proprie idee con gli altri•Saper immaginare iniziative nuove e soluzioni nuove ai problemi•Saper valutare i risultati del proprio lavoro•Saper individuare i propri errori, valorizzando la discussione comune

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Ruolo dell’insegnante• Assicurare un lavoro di formazione, fornendo

contenuti e metodo• Rispondere alle questioni che sorgono• Fornire un’abitudine al lavoro pratico e manuale in

laboratorio• Assistere nell’uso della strumentazione• Favorire la curiosità e l’attenzione alla realtà,

nonché la fantasia e la creatività, unita al rigore e alla precisione.

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Ruolo dell’insegnante (2)

• Partire da un problema preciso (lacuna, contraddizione, insieme confuso di dati).

• Indagine sul problema posto: ricerca dei dati mancanti.

• Risposta al problema. Validità e limiti• Altre risposte possibili• Nascita di un nuovo problema da affrontare

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Organizzazione pratica di un laboratorio didattico• Ruolo del laboratorio (supporto all’insegnamento della Fisica o

materia indipendente)• Numero di studenti coinvolti• Spazio disponibile / posti di lavoro• Numero esperimenti da effettuare• Tempo da dedicare al laboratorio• Lavoro singolo e/o di gruppo• Importanza del contenuto delle esperienze e della

metodologia• Esecuzione di esperimenti standard o realizzazione di

esperienze nuove• Aspetti qualitativi e quantitativi nelle esperienze• L’analisi dei dati• La valutazione del lavoro degli studenti (inclusa nella Fisica o

a parte?). Se a parte, come? (Tesine, dimostrazioni alla classe,…)

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Uso delle risorse disponibili• Inventario delle attrezzature di base, della

strumentazione, delle esperienze complete e di quelle realizzabili modificando il materiale esistente

• Esecuzione delle esperienze da parte dell’insegnante• Valutazione delle risorse umane disponibili• Preparazione di schede sintetiche per ogni esperienza• Descrizioni scritte dettagliate di ogni esperienza,

raccolte in un volume personalizzato per il laboratorio in questione

• Realizzazione di supporti multimediali e risorse Web con la descrizione del materiale e/o delle esperienze

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Valutazione del lavoro in laboratorio

• Relazione sulla attività svolta. Lo studente deve avere ben chiari gli obiettivi del suo lavoro e cosa gli si chiede.

• Il laboratorio tenere un “logbook”, come in un vero esperimento. Capacitàdi riassumere le misure e i dati

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Elementi utili per la valutazione

• Formulazione del problema• Identificazione delle variabili da misurare• Progettazione della attività sperimentale• Scelta delle tecniche di indagine• Elenco del materiale fornito• Esecuzione dell’esperimento. Descrizione• Misura. Presentazione dei risultati. Tabelle,

grafici. Fonti di errore.• Calcoli matematici eseguiti• Interpretazione dei dati e delle osservazioni

sperimentali a verifica delle ipotesi. • Uso del corretto linguaggio scientifico

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Conclusioni

• E’ necessaria una riflessione da parte di ciascun insegnante per definire il ruolo e l’organizzazione di un laboratorio di fisica