Quali strategie per un insegnamento scientifico efficace?

Emilio Balzano Università degli Studi di Napoli Federico II

Complessità / piani correlati su cui intervenireInsegnamento, formazione iniziale e sviluppo professionale, competenze disciplinari, capacità di comunicazione …. progettazione e gestione delle attività, valutazione apprendimento-insegnamento, progettazione scelta di ambienti... Sperimentazione /ricerca-azione /rapporto con la ricerca

Apprendimento, come si apprende, cosa già si conosce, il comprendere, la costruzione delle competenze

Curriculum, Contenuti, il curriculum non è una collezione di attività è articolato in ambiti e livelli, ad esempio, concetti unificanti, scienza come indagine, scienze fisiche, scienza della vita, Terra e spazio, scienza e tecnologia, storia e natura della scienza

Valutazione consistenza e scelta dei metodi di valutazione, formativa e sommativa scienza.

Sistema educazione, qualità per tutti, coerenza delle scelte politiche, rapporto con comunità scientifica, coordinamento tra azioni di diverse agenzie; responsabilità individuali e collettive, ecc.

Intervento-Processo che coinvolge molti attori e richiede molti anni

Lingua linguaggio naturale e linguaggio scientifico

Matematica formalizzazione, costruzione di modelli

Tecnologia, scelta, opportunità, vincoli

Arte

Contesti-Approcci-StrategieFormale/Informale Qualitativo/Quantitativo

“ … non può imparare a dominare la geografia della regione uno che percorra un paese così lentamente da dimenticarne una parte quando arriva all’altra”

(L. Wittgenstein, Osservazioni sopra i fondamenti della matematica)

• matematica e fisica

• modello e modellizzazione

• molteplicità di modelli linguistici… multirappresentazione

• corpo e apprendimento, linguaggio e movimento

• significato delle parole, definizioni, condivisione, strategie metacognitive

• geometria e aritmetica innate

“Il cervello del bambino non è una spugna, è un organo già strutturato che impara soltanto ciò che è in risonanza con le sue conoscenze anteriori” (Dehaene)

• sperimentazioni didattiche• curricolo di matematica, curricolo di fisica• esempi sul movimento

“Il modello matematico è la rappresentazione formale di idee o conoscenze relative a un fenomeno”

“Le idee che entrano in gioco sono in primo luogo relative a ciò che si vuole descrivere… il fenomeno non contiene la legge… la traduzione matematica non è immediata”

“Lo scopo stesso dell'attività cognitiva è di simulare il reale percepito costruendo un'analogia mentale (la rappresentazione) e di simulare il reale concepito elaborando un “analogon” ideale (la teoria)”

"… può accadere tutto ciò che non sia proibito… le leggi fisiche sempre più ci appaiono essere l'espressione di vincoli, la formulazione di proibizioni, o la richiesta di compatibilità, piuttosto che la manifestazione di istruzioni coercitive che impongono comportamenti prevedibili in ogni dettaglio"

Il moto

• Il movimento dà forma al linguaggio, sequenze e causalità

• capacità spaziale, “permanenza dell’oggetto” nei neonati (posizione e traiettoria)

• materialità, linguaggio che evoca…

• l’approccio tradizionale e le difficoltà di a/i

• come aiutare a comprendere

• l’uso mirato delle tecnologie

Le sperimentazioni e gli esempi presentati hanno finora coinvolto:

bambini e ragazzi di scuole di tutti i livelli (dalla scuola dell’infanzia fino agli ultimi anni della secondaria superiore);

studenti dei primi anni dell’università dei corsi di laurea in fisica e in matematica;

visitatori a Futuro Remoto e a Città della Scienza;

insegnanti nella formazione iniziale (scuole di specializzazione all’insegnamento) e in servizio (scuole di perfezionamento in didattica della matematica e della fisica).

Tesi di laurea, tesine per la maturità

Cooperazione nell’apprendimento (in gruppo, in rete…) e nell’insegnamento (progettazione, valutazione…)

Gioco - Coinvolgimento Emotivo- Esplorazione Attiva - Studio Formale e Fenomenologico - Realizzazione di Esperimenti- Modellizzazione

Integrazione laboratorio tradizionale- oggetti di uso comune - trasduttori online - simulazione/animazione - rete

Moto di persone, immagini, traiettorie, leggi orarie, velocità

contesti formali e informali

con i bambini (materna ed elementare) forme delle traiettorie (in due dimensioni, circonferenze, ellissi, spirali, ecc. )leggi orarie (per il moto in una dimensione, “montagne” più o meno “alte” allontanandosi e avvicinandosi alla telecamera; per realizzare più “montagne” più o meno ravvicinate andando più volte avanti e indietro nello stesso intervallo di tempo; per realizzare forme particolari, ad esempio “U” e “V” (anche capovolte) per controllare le inversioni di moto sulla stessa traiettoria, ecc.)

con i ragazzi delle scuole medie lettura dei grafici con una valutazione delle distanze in gioco e delle velocità medie

con i ragazzi delle medie superiorila correlazione tra grafici temporali nel moto in una dimensione e la formulazione analitica di alcune traiettorie per il moto in due dimensioni

con gli insegnanti aspetti disciplinari e gestione didattica delle esperienze proposte

piani correlati• la percezione senso-motoria (la persona che cammina

osserva in tempo reale la costruzione del grafico cinematico e può modificare (“aggiustare”) il proprio camminare in base al feedback che riceve) che permette di “vivere” e dare significato a grafici, concetti e operazioni matematiche;

• il coinvolgimento emotivo (le esperienze sono realizzate in grande gruppo, utilizzando un grande schermo e coinvolgendo l’intera classe in attività che emozionano e divertono mentre si impara condividendo significati e “scoperte”);

• la rappresentazione grafica e la multirappresentazione di fenomeni e concetti (più grafici dello stesso moto sono spesso da interpretare insieme, ad esempio quelli di posizione, velocità accelerazione e quello dello spazio delle fasi, le funzioni sono rappresentate in forme diverse, ecc.);

moto in due dimensioni con basso attrito

Scheda studente 1/3Messa in piano orizzontale della tavola e studio del moto rettilineo

uniforme

La messa in piano (seguendo le indicazioni date) può essere fatta in due fasi:

• il disco posto al centro non tende a muoversi;• realizzando dei moti con traiettorie con buona approssimazione

rettilinee nelle diverse direzioni e controllando la distanza tra le tracce (tra i loro centri) per individuare eventuali inclinazioni.

Per lo studio del moto rettilineo a velocità quasi costante si suggerisce di lavorare con la frequenza pari a 10 Hz. In questo caso l’intervallo di tempo da associare alla distanza tra due tracce successive è di 0,1 s. Le misure di tempo sono considerate con errore trascurabile rispetto a quelle della distanza (con errore massimo pari a 1 mm). Per alcuni moti determinare la velocità media su un percorso lungo e confrontare la velocità media iniziale con quella finale.

Attenzione. Siamo interessati allo studio del moto dopo la spinta!

Scheda studente 2/3

Moto in discesa lungo il piano inclinato.

Procedere come da indicazioni date in modo da inclinare la tavola solo lungo una direzione. Il piano inclinato che abbiamo così realizzato è rappresentato da un triangolo rettangolo con altezza h (misurata con il calibro) e ipotenusa l=590 mm. Realizzare un moto in discesa.

Costruire una tabella con tempo, posizione, velocità media, accelerazione media. Confrontare l’accelerazione determinata sperimentalmente con quella del moto uniformemente accelerato che in assenza di attrito è aattesa= g* h/l.

Scheda studente 3/3Moto quasi parabolico Lanciare dal basso verso l’alto il disco in modo da ottenere

traiettorie quasi paraboliche.

Realizzare e registrare, due “quasi parabole”: una “larga” e una “stretta”. Studiare per ciascuna parabola il moto della componente orizzontale x=x(t) e di quella verticale y=y(t) proiettando i centri delle tracce sui due assi: l’asse y ha la direzione del bordo laterale del foglio, l’asse delle x (perpendicolare a y) è tangente alla "quasi parabola" nel vertice.

Per ciascuno dei due moti calcolare: a)l’accelerazione in salita e in discesa; b)la media aritmetica delle due accelerazioni; c) la loro semidifferenza. Cosa si otterrebbe in assenza di attrito?

moto “parabolico”

moto parabolico

Simulazione-modellizzazione con Interactive Physics

esperimento con il lanciatore-Pasco

Moto dei due alianti accoppiati elasticamente

Rototraslazione- Cicloide

Cicloide, pendolo cicloidale, …

Oscillatore armonico, esperimento, simulazione

Time (seconds)0 2 4 6 8 10 12 14 16

Dis

tan

ce

(m

)

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Time (seconds)0 2 4 6 8 10 12 14 16V

elo

cit

y (

m/s

)

-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6

Time (seconds)0 2 4 6 8 10 12 14 16

Accel (m

/s/s

)

-5-4-3-2-101

0 1 2 3 4

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Chi^2 = 0.00006R^2 = 0,99999 y0 0.39175 ±0.00874A1 14.00779 ±0.0109t1 1.13628 ±0.0024

alte

zza

(mm

)

numero d'ordine del rimbalzo

accelerazione costante e urti

situazioni sperimentali non immediatamente interpretabili anche da adulti

competenze matematiche (derivazione, integrazione… )decisive per chiarire diversi aspetti fisici f=ma)

ridondanza e multirappresentazione

concetto dinamico di funzione (covarianza, correlazione…

rimbalzo pallina esperimento, simulazione, modello f/m, discreto - continuo• un pallone da calcio che rimbalza sul pavimento

• una palla di spugna contro il pavimento e contro il piano della scrivania

• un pallina da ping contro il pavimento e contro il piano della scrivania

• un palloncino gonfiato contro il pavimento, contro la sabbia

• una sferetta di acciaio contro il pavimento, contro la sabbia, contro una spessa lastra di vetro

• una pallina di gomma piena contro il pavimento

• una pallina di neoprene contro il pavimento………..la quota raggiunta dopo un urto dipende dalla velocità iniziale (una palla di

gomma piena può raggiungere dopo l’urto una quota maggiore di quella iniziale)

la quota raggiunta dopo l’urto dipende dall’elasticità e dalla velocità con cui la palla urta

rimbalzo pallina esperimento, simulazione, modello f/m, discreto - continuo

rimbalzo pallina esperimento, simulazione, modello f/m, discreto - continuo

Le tecnologie non sono sussidi

La mancanza di consapevolezza degli effetti di qualsiasi forza è disastrosa,soprattutto se si tratta di una forza che noi stessi abbiamo creato.

Mc Luhan

Le tecnologie nella didattica

Le diverse applicazioni delle nuove tecnologie nello studio delle scienze e della matematica non sono neutrali

Con caratteristiche, potenzialità, vincoli …:

• formano, condizionano il nostro pensiero, l’immagine che abbiamo della scienza, l’dea che ci facciamo di concetti,

• aiutano a costruire abilità e competenze diverse…

nuove tecnologieLe diverse nuove applicazioni, i diversi sistemi, non

sono semplici sussidi didattici. Sono piuttosto luoghi-sistemi in cui si sviluppano nuovi modi apprendere e di comunicare.

Sono nuovi laboratori di conoscenze ed esperienze. Come si costruiscono concetti e metodi di indagine?

Contenuto e processo di comunicazione e di indaginenon si identificano.

Non è possibile identificare contenuti informativi e

conoscenze

esperimenti in tempo reale

Problemi / opportunità:

• rapporto tra discreto e continuo• modellizzazione “nascosta”• non correlazione puntuale tra

grafici “derivati” • rumore• analisi degli errori non standard

opportunità, potenzialità, vincoli

Per sviluppare un atteggiamento critico occorre conoscere principio di funzionamento, modo di elaborare …

opportunità, potenzialità, vincoli

opportunità, potenzialità, vincoli

Per una modellizzazione didatticamente significativa

non dovremmo rigettare alcuna tecnologia, alcun sistema

dovremmo imparare a riconoscere potenzialità e vincoli senza identificarci in una di esse

dovremmo imparare a progettare attività che integrano…

giochi con le ombre (affinità)

con il piano inclinato

Riflessioni

Ricorsività

Prospettiva

Iterazione

Ricoprimenti

Ordine e caos

Evoluzione/Metamorfosi

Escher e la matematica

Percorso sulla matematica di Escher- Drammatizzazione

Curricolo di FisicaProgetto Nazionale (PRIN-F21)

• Aree fenomenologiche• Concetti e Processi unificanti• Modelli di Percorsi• Esempi• Valutazione• …

• Area tematica “Macchine e meccanismi, sistemi, processi e modelli”

Macchine e meccanismi, sistemi, processi e modelli

evidenziare gli aspetti fisici della tecnologia

che sono indispensabili per una formazione di base

lavorare per costruire competenze articolate che permettano cogliere la trasversalità dell’informatica e della matematica nell’analisi e nella modellizzazione di fenomeni

Macchine e meccanismi, sistemi, processi e modelliMacchina come sistema (interazione tra le parti) stato e trasformazione, Ingranaggi, Logo

(Scuola di base), Macchine e motori ( bicicletta, tachimetro, GPS…)

Applicazioni tecnologiche, macchine di uso quotidiano

Sistema di regolazione della temperatura (umano-artificiale)

Il sistema Terra: Gaia

Trasduzione e strumenti di misura, Sensori e trasduzione in processi, Feedback, controllo e regolazione, Tempi di risposta e di rilassamento

Macchine e motori ( bicicletta, tachimetro, GPS, risuonatori….)

Risolutori automatici - macchine matematiche (geometria - numerico…..)

Sistema di acquisizione e di elaborazione dati (ad esempio rivelare-registrare il moto con il sistema MBL, studiando la catena di acquisizione e di elaborazione, funzionamento del sonar, campionamento scelto, elaborazione delle grandezze derivate: dal tempo alla distanza alla velocità….si possono chiarire concetti come velocità media e istantanea…. Si può lavorare sul suono, sulle onde , sulla conversione analogico-digitale)

Simulatori e modellizzatori (StarLogo, Stella, Foglio Elettronico, Interactive Physics) studiati per le loro caratteristiche…

linguaggio naturale : “immersione” in contesti in cui sono contemporaneamente presenti l’esperienza e i fatti e gli oggetti a cui le parole si riferiscono

linguaggio fisico-matematico: impegno e sistematicità costringendoci ad adeguarci a tecniche formali “non naturali”

comprendere è un processo complesso che coinvolge diverse funzioni e le strategie di insegnamento devono essere flessibili e mirate … occorre che si entri in risonanza

NSES Contenuti K-12

Concetti e Processi Unificanti

Come risultato tutti gli studenti devono sviluppare conoscenze e abilità legate ai concetti e ai processi:

Sistemi, ordine, organizzazione

Evidenze, modelli, interpretazioni, teorie

Conservazioni, invarianze, cambiamenti e misura

Evoluzione ed equilibrio

Forma e funzione