V. Rassegna della letteratura di ricerca didattica
2. Discussione della letteratura
2.2 Idea di corrente
2.2 Relazione tra tensione e corrente 2.4 Raccordo elettrostatica-elettrodinamica 2.5 Ruolo del campo elettrico
2.6 Integrazione dei modelli macro-micro 2.7 Raccordo con il modello particellare 3. Risultati di ricerca
3.1 Scuola primaria 3.2 Scuola secondaria 3.3 Università
4. Proposte didattiche
4.1 L’integrazione degli aspetti macro/micro dei circuiti (Licht, 1991) 4.2 Il ruolo delle particelle nei circuiti (Tveita, 1997)
4.3 Le relazioni tra variabili macroscopiche nei circuiti (Psillos, 1998) 4.4 Le cariche di superficie nella conduzione (Chabay & Sherwood, 1999) 4.5 Il raccordo elettrostatica-elettrodinamica (Borghi et al., 2007) 4.6 Il campo elettrico nel funzionamento dei circuiti (Stocklmayer, 2010) 5. Confronto critico di proposte didattiche
6. Fondazione della ricerca
1. Quadro della letteratura
Le ricerche sulla didattica della conduzione elettrica elaborate negli ultimi trent’anni (tab. 1-4) sono numerose e diversificate in base agli scopi, ai contesti di analisi e agli aspetti considerati. E’ possibile comunque riconoscere quattro aspetti principali, rilevanti ai fini della ricerca condotta nella tesi, che hanno guidato la classificazione degli studi riportata in ordine cronologico nelle tabelle 1-4:
1) la prospettiva funzionale per i circuiti elettrici, 2) il raccordo concettuale tra elettrostatica e elettrodinamica, 3) i livelli macro/micro dei fenomeni di conduzione elettrica, 4) il modello particellare della materia.
(1) Gli studi focalizzano sulle grandezze macroscopiche tensione e corrente, sulle loro relazioni e sul loro utilizzo per comprendere il funzionamento del circuito. Alcuni autori
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(Azaiza, Bar & Galili, 2006; Periago & Bohigas, 2005; Jabot & Henry, 2004; Solomonidou & Kakana, 2000; Cheng & Kwen, 1998; McDermott & Shaffer, 1992; Shipstone, 1984; Cohen, Eylon & Ganiel, 1983) attraverso l’analisi delle risposte a questionari/interviste svolgono indagini sulle concezioni degli studenti evidenziandone la persistenza di concezioni non in accordo con la visione scientifica anche al termine del ciclo dell’istruzione. Per produrre un effettivo cambiamento concettuale Eylon e Ganiel (1990) suggeriscono che l’aspetto microscopico della corrente deve essere affrontato già ai livelli scolari iniziali. Altri autori illustrano strategie di insegnamento/apprendimento quali la Concept substitution (Grayson, 2004) o richiamano l’efficacia dell’approccio storico nella didattica (Viard & Khantine-Langlois, 2001). Suggerimenti specifici sulla didattica della conduzione sono avanzati da Duit & von Rhöneck (1998) e McDermott & Shaffer (1992) che individuano la differenziazione delle grandezze fisiche e lo sviluppo di una visione sistemica del circuito come elementi importanti per la comprensione dei circuiti elettrici.
(2) Gli studi focalizzano sul raccordo concettuale tra elettrostatica e elettrodinamica. Alcuni autori (Viennot, 2001; Gomez & Duran, 1998; Benseghir & Closset, 1996) riconoscono nello sviluppo storico delle idee sull’elettricità le radici delle difficoltà di apprendimento riguardanti i concetti di potenziale e tensione e il loro inserimento in un quadro coerente per spiegare anche i fenomeni elettrodinamici. La ricerca di una visione unificata dei fenomeni elettrostatici ed elettrodinamici pone dei problemi sul piano della comprensione del legame fondamentale tra campo e carica elettrica (Stocklmayer & Treagust, 1996; Viennot, 2002) che possono essere affrontati nella didattica attraverso l’introduzione delle cariche di superficie in relazione all’esistenza di un campo elettrico all’interno di un filo conduttore percorso da corrente (Hirvonen, 2007). In una ricerca svolta nell’ambito della formazione insegnanti (Borghi, De Ambrosis & Mascheretti, 2007), la costruzione di un modello microscopico si presenta come utile schema interpretativo per interpretare i fenomeni transitori dei circuiti alimentati in corrente continua.
(3) L’integrazione coerente da parte degli studenti delle conoscenze di aspetti microscopici e macroscopici è un problema ampiamente trattato in didattica della fisica (Gutwill, Frederiksen & White, 1999; Thacker, Ganiel & Boys, 1999; Gutwill, Frederiksen & Ranney, 1996). Per quanto riguarda i ragionamenti degli studenti sulla conduzione elettrica, carenze nella correlazione fra la descrizione funzionale dei circuiti in termini delle variabili macroscopiche corrente e tensione ed i processi alla base del loro funzionamento descritti da modelli microscopici, sono state segnalate inizialmente da Eylon & Ganiel (1990). Successivamente sono stati indagati, a livello di scuola primaria
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(Michelini & Mossenta 2006; Kibble, 1999; Stephens, McRobbie & Lucas, 1999; Barbas & Psillos, 1997) e secondaria/università (Bonura, Fazio, Guastella & Sperandeo-Mineo, 2009; Guisasola, Zubimendi, Almudí & Ceberio, 2005; Wittmann, Steinberg & Redish, 2002; De Posada, 1997) i modelli spontanei ed il loro utilizzo per spiegare o prevedere i fenomeni della conduzione.
(4) Molti studi (García Franco & Taber, 2009; Mashhadi & Woolnough, 1999; Johnson, 1998; Albanese & Vicentini, 1997) hanno evidenziato che mentre nella visione scientifica le proprietà dei materiali sono ricondotte alle proprietà delle particelle componenti e delle loro interazioni, gli studenti tendono ad attribuire alle particelle proprietà macroscopiche (quali durezza, colore, ecc.) in termini delle quali formulano le spiegazioni dei fenomeni. Nonostante l’enfasi data nei curricoli all’idea di particella, spesso i termini atomo, molecola, elettrone, ione sono utilizzati dagli studenti senza consapevolezza del loro senso fisico. Nella ricerca didattica si rinviene, di fronte a queste criticità nell’apprendimento, una ampia convergenza sulla necessità di raccordare il modello microscopico alla fenomenologia macroscopica, pianificando il processo di apprendimento come attraversamento consapevole e sistematico di livelli differenti di ragionamento (Seifert & Fischler, 2003) e rivolgendo attenzione al ruolo dei modelli scientifici esplicativi come rappresentazioni della realtà (Snir, Smith & Raz, 2003).
Tabella 1 - La prospettiva funzionale per i circuiti elettrici Anno di
pubblicazione Titolo Autore/i
2006 Learning electricity in elementary school Azaiza, Bar & Galili 2005 The persistence of prior concepts about
electric potential, current intensity and Ohm’s Law in students of engineering
Periago & Bohigas
2004 Concept substitution: A teaching strategy for helping students disentangle related physics concepts
Grayson
2004 Assessing elementary and middle school students’ understanding of electric current
Jabot & Henry
2001 The Concept of Electrical Resistance: How Cassirer’s Philosophy, and the Early Developments of Electric Circuit Theory,
Viard & Khantine-Langlois
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Allow a Better Understanding of Students’ Learning Difficulties
2000 Preschool Children’s Conceptions About the Electric Current and the Functioning of Electric Appliances
Solomonidou & Kakana
1998 Primary pupils’ conception about some aspects of electricity
Cheng & Kwen
1998 Learning and understanding key concepts of electricity
Duit & von Rhöneck
1992 Research as a guide for curriculum development: An example from introductory electricity. Part I: Investigation of student understanding. Part II: Design of instructional strategies
McDermott & Shaffer
1988 Voltage Presented as a Primary Concept in an Introductory Teaching Sequence on DC Circuits
Psillos, Koumaras & Tiberghien
1984 A study of children’s understanding of electricity in simple DC circuits
Shipstone
1983 Potential difference and current in simple electric circuits: A study of students’ concepts
Cohen, Eylon & Ganiel
Tabella 2 - Il raccordo concettuale tra elettrostatica e elettrodinamica Anno di
pubblicazione Titolo Autore/i
2007 Microscopic models for bridging electrostatics and currents
Borghi, De Ambrosis & Mascheretti
2007 Surface-charge-based micro-models: a solid foundation for learning about direct current circuits
Hirvonen
2002 Questions sur les mérites du «microscopique»
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2001 From electrostatics to electrodynamics: historical and present difficulties
Viennot
1998 Didactic Problems in the Concept of Electric Potential Difference and an Analysis of its Philogenesis Science and Education
Gomez & Duran
1996 The electrostatics-electrokinetics transition: historical and educational difficulties
Benseghir & Closset
1996 Images of electricity: how do novices and expert model electric current?
Stocklmayer & Treagust
Tabella 3 - I livelli macro/micro dei fenomeni di conduzione elettrica Anno di
pubblicazione Titolo Autore/i
2009 Microscopic and macroscopic aspects of student knowledge in electric conduction in metals
Bonura, Fazio, Guastella & Sperandeo-Mineo
2006 Role play as a strategy to discuss spontaneous interpreting models of electric properties of matter: an informal education model
Michelini & Mossenta
2005 Using the processes of electrical charge of bodies as a tool in the assessment of university students’ learning in electricity
Guisasola, Zubimendi, Almudí & Ceberio
2002 Investigating student understanding of quantum physics: Spontaneous models of conductivity
Wittmann, Steinberg & Redish
1999 Making Their Own Connections: Students’ Understanding of Multiple Models in Basic Electricity
Gutwill, Frederiksen & White
1999 How do you picture electricity? Kibble 1999 Model-based reasoning in a year 10
classroom
Stephens, McRobbie & Lucas
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processes: Student understanding of transients in direct current electric circuits 1997 Causal Reasoning as a Base for Advancing a
Systemic Approach To Simple Electrical Circuits
Barbas & Psillos
1997 Conceptions of High School Students Concerning the Internal Structure of Metals and Their Electric Conduction: Structure and Evolution
De Posada
1996 Seeking the causal connection in electricity: shifting among mechanistic perspectives
Gutwill, Frederiksen & Ranney
1990 Macro-micro relationships: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students’ reasoning
Eylon & Ganiel
Tabella 4 - Il modello particellare della materia Anno di
pubblicazione Titolo Autore/i
2009 Secondary Students’ Thinking about Familiar Phenomena: Learners’ explanations from a curriculum context where ‘particles’ is a key idea for organising teaching and learning
García Franco & Taber
2003 A multidimensional approach for analyzing and constructing teaching and learning processes about particle models
Seifert & Fischler
2003 Linking phenomena with competing underlying models: A software tool for introducing students to the particulate model of matter
Snir, Smith & Raz
1999 Insights into students' understanding of quantum physics: visualizing quantum entities
Mashhadi & Woolnough
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‘‘basic’’ particle theory: a longitudinal study
1997 Why Do We Believe that an Atom is Colourless? Reflections about the Teaching of the Particle Model
Albanese & Vicentini
1995 Macroscopic vs microscopic: a problem of history, epistemology and teaching of physics
Busini & Tarsitani
2. Discussione della letteratura
La letteratura di ricerca analizzata nei paragrafi precedenti ha identificato i problemi di ricerca di seguito discussi.
2.1 Chiusura circuito
Molti studi (Osborne, 1983; McDermott & Shaffer, 1992; Psillos, 1998) hanno affrontato la didattica della conduzione elettrica focalizzando sui circuiti alimentati in corrente continua. Il principale nodo di apprendimento relativo a quest’area è il riconoscimento della necessità della chiusura del circuito (Osborne, 1983) e, ad esso correlato, riconoscere la bipolarità degli elementi del circuito (Osborne, 1983). Il coinvolgimento degli studenti più giovani in sperimentazioni concrete sul funzionamento di semplici circuiti costituiti da fili conduttori, batterie, lampadine è generalmente riconosciuto come efficace per affrontare i nodi di apprendimento sopra riportati. Ciò è il punto di partenza per trattare il funzionamento dei circuiti elettrici alimentati in corrente continua nella prospettiva sistemica in termini di grandezze macroscopiche quali tensione e corrente (Testa, 2008).
2.2 Idea di corrente
Modelli spontanei (fig. 1): A) unipolare, B) scontro, C) consumazione, D) scientifico (Osborne, 1983; Jabot & Henry, 2004).
A) Alla base del modello unipolare è la visione della corrente come vettore dell’energia del circuito. Poiché l’energia è vista andare dalla batteria alla lampadina, gli studenti non ravvisano la necessità della chiusura del circuito.
B) Gli studenti ragionano in termini di due correnti (“positiva” e “negativa”) che partono dai terminali della batteria e si scontrano nella lampadina dando luogo alla luminosità osservata.
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C) La batteria è vista come contenitore/sorgente di qualcosa che di volta in volta è chiamato corrente, carica, energia, potenza, che si sposta in un solo verso nel circuito e che viene consumato quando attraversa la lampadina. Di conseguenza, nei ragionamenti degli studenti, la corrente non è conservata.
D) Il modello scientifico è in accordo con la conservazione della corrente. Gli studenti vedono la batteria come generatore di tensione e distinguono tra flusso di corrente (bidirezionale) e flusso di energia (monodirezionale).
Figura 1 - modelli spontanei della corrente
Shipstone (1984) affronta la questione del cambiamento di un componente del circuito rilevando che nei ragionamenti degli studenti la corrente, circolando, è influenzata dal componente che incontra. Se viene effettuato un cambiamento di questo, allora la corrente ne viene influenzata quando lo raggiunge, non prima. In realtà ogni cambiamento si propaga nel circuito come onda elettromagnetica in tutte le direzioni e genera immediatamente un nuovo stato di equilibrio nel quale tensione e corrente possono aver subito un cambiamento in ogni parte del circuito. Alla base del ragionamento degli studenti c’è l’assunto che il cambiamento viene propagato dalla corrente nella direzione in cui scorre. Appare naturale attribuire alla corrente il ruolo di veicolo del cambiamento. Questa visione è alla base di fraintendimenti che persistono anche dopo l’avanzamento dell’istruzione (McDermott & Shaffer, 1992), quali: a) ragionamento locale: modificando un elemento del circuito si modificano tensioni e correnti solo di quell’elemento, b) ragionamento sequenziale: un elemento del circuito influenza la corrente dopo esserne stato attraversato. Altri autori (Eylon & Ganiel, 1990; Stocklmayer & Treagust, 1996; Chabay & Sherwood, 1999; Hart, 2008) sostengono che per una comprensione concettuale completa di circuiti elettrici anche semplici ed anche a livelli iniziali di scolarità è necessario esplicitare un modello interpretativo
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microscopico per la corrente e la resistenza, in accordo con quanto sostenuto in questa tesi. L’utilizzo del modello microscopico consente di differenziare la propagazione del segnale elettromagnetico nel circuito dalla propagazione della corrente (Gutwill, Frederiksen & Ranney, 1996).