Laboratorio

2.2.1 Tensione e corrente 2.2.2 Carica e resistenza 2.3 Analisi 2.4 Discussione

3. Attività con insegnanti in formazione di scuola primaria 3.1 Laboratorio

3.2 Analisi 3.3 Discussione

4. Attività con insegnanti in formazione di scuola secondaria 4.1 Laboratorio/Seminario

4.2 Analisi 4.3 Discussione

1. Il modello IDIFO per la formazione insegnanti in servizio

L’indagine internazionale Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS, 2011) ha permesso di individuare strategie e metodi comunemente utilizzati nella pratica didattica in 63 paesi, evidenziando che: la quasi totalità degli insegnanti è vincolata ai libri di testo (circa il 100%), per metà del tempo di insegnamento impegna i ragazzi in letture della “teoria” o in come fare esercizi (più del 50%), a volte facendo loro assistere a dimostrazioni sperimentali (11- 54%) e solo in pochi casi coinvolgendoli direttamente nello svolgimento di esperimenti (0 – 30%). Al contrario, l’apprendimento della fisica sembra essere agevolato da un insegnamento che attiva cognitivamente gli studenti attraverso attività minds-on/hands-on e consente l’opportunità di porre domande significative (Cap. I). Quindi è necessario che la formazione insegnanti consideri l’acquisizione di competenze nel creare e gestire percorsi coerenti di apprendimento attivo. Rispondere a questo bisogno formativo significa porre le basi per migliorare l’apprendimento degli studenti e per rinnovare la pratica didattica nelle scuole introducendo innovazione didattica e metodologica.

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La necessità di impostare la didattica tenendo conto dei processi di apprendimento degli studenti richiede da parte degli insegnanti, per ogni specifico argomento, l’integrazione tra la conoscenza dei contenuti (per quanto riguarda: quantità, qualità, organizzazione, struttura, base concettuale) e la conoscenza pedagogica (per quanto riguarda: processi di apprendimento, strumenti e metodi di insegnamento, difficoltà di apprendimento, concezioni alternative degli studenti). La consapevolezza crescente della centralità del ruolo dell’insegnante nel favorire i processi di apprendimento ha spinto i ricercatori a focalizzare l’attenzione sul modo in cui la conoscenza dei contenuti disciplinari, integrata con la conoscenza pedagogica, possa diventare competenza professionale specifica (Pedagogical Content Knowledge, Shulman, 1986, 1987). In questo quadro di riferimento il progetto Innovazione Didattica in Fisica e Orientamento (IDIFO), realizzato a partire dal 2006 dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine, prevede laboratori innovativi co-progettati per la formazione degli insegnanti nell’area disciplinare della fisica moderna con la finalità di favorire l’integrazione di Content Knowledge e Pedagogical Knowledge da parte dell’insegnante. Il modello IDIFO risponde al bisogno formativo attraverso l’integrazione tra le seguenti modalità (Michelini, 2004):

1) metaculturale, basata sull’analisi e sulla discussione critica degli elementi culturali e didattici della progettazione didattica oggetto della formazione, per quanto riguarda coerenza, connessione, sviluppo della comprensione concettuale, contenuto disciplinare, correlate difficoltà di apprendimento;

2) esperienziale, che coinvolge gli insegnanti nella stessa attività progettata per gli studenti, in modo da attivare la riflessione sui singoli passi in cui essa si sviluppa, per valutarne valenze e limiti didattici e per individuare i nodi rimasti aperti e i processi di apprendimento da attivare per superarli;

3) situata, che comprende la sperimentazione in classe della progettazione didattica oggetto della formazione e le attività di documentazione, monitoraggio e valutazione necessarie affinché la riflessione sull’esperienza di lavoro in classe acquisti una dimensione di ricerca.

L’attività di formazione insegnanti illustrata in questa tesi, svolta nel contesto del progetto IDIFO, ha riguardato la riflessione sui concetti cardine della teoria, la ricostruzione dell’impostazione interpretativa della fenomenologia, il confronto di diverse proposte di insegnamento/apprendimento sull’argomento della conduzione elettrica, l’individuazione dei nodi concettuali e delle strategie per superarli.

Aspetti che hanno caratterizzato i laboratori di formazione insegnanti svolti sulla conduzione elettrica sono stati:

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 collaborazione reciproca tra gli insegnanti coinvolti;  realizzazione di ambienti di discussione verticali;  co-progettazione dei percorsi didattici;

 autonomia progettuale di definire gli obiettivi di apprendimento;  valutazione dei materiali utilizzati/delle attività svolte in classe. Nel seguito vengono illustrate le attività svolte con gruppi di insegnanti.

2. Attività con insegnanti in servizio di scuola dell’infanzia, primaria e media

Il laboratorio IDIFO3 (Fera & Michelini, 2013) è volutamente realizzato in prospettiva verticale con insegnanti che hanno competenze professionali differenziate. E’ stato frequentato da 4 insegnanti di ruolo provenienti: 2 dalla scuola dell’infanzia, 1 dalla scuola elementare ed 1 dalla scuola media. Sono stati svolti 3 incontri di 3 ore ciascuno a partire dal dicembre 2011 fino al febbraio 2012. Gli insegnanti partecipanti hanno analizzato e discusso i principali nodi di apprendimento della conduzione elettrica ed hanno elaborato questionari ed interviste per la rilevazione delle idee dei propri allievi. Ne hanno portato avanti l’analisi, acquisendo competenze nella individuazione delle idee, dei modelli e dei ragionamenti degli studenti. In collaborazione con il ricercatore, hanno progettato alcune possibili strategie per affrontare in classe i nodi di apprendimento esaminati, scegliendo i materiali e attuando percorsi personalizzati discussi all’interno del laboratorio.

L’attività è stata svolta in tre incontri:

1) situazioni sperimentali problematiche stimolavano la discussione tra gli insegnanti su alcuni nodi di apprendimento selezionati (par. 2.1). Gli insegnanti hanno sperimentato in prima persona le difficoltà di apprendimento per riconoscerle e affrontarle in classe con un approccio appropriato.

2) Discussione su base fenomenologica di: tensione e corrente (par. 2.2.1), carica e resistenza elettrica nel contesto elettrochimico ed elettrotermico (par. 2.2.2)

3) Analisi (par. 2.3) e discussione (par. 2.4) della progettazione didattica presentata dagli insegnanti alla luce delle seguenti domande di ricerca:

RQ1: Come il modello di formazione utilizzato ha aiutato gli insegnanti nel costruire un percorso?

RQ2: Quale ruolo ha avuto la co-progettazione?

2.1 Nodi di apprendimento

I principali risultati circa le difficoltà e le concezioni alternative degli studenti possono essere riassunti come segue:

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Ragionamento locale. Gli studenti adottano spesso il ragionamento locale concentrandosi solo su quello che accade in un elemento del circuito: di conseguenza non si rendono conto che i cambiamenti in un elemento del circuito ne influenzano l’intero funzionamento (Shipstone et al, 1988; Duit & Von Rhöneck, 1998).

Ragionamento sequenziale. Il ragionamento sequenziale si riferisce alla tendenza ad analizzare i circuiti in termini di “prima e dopo”: di conseguenza, esiste una direzione privilegiata dei cambiamenti in corso e solo ciò che sta prima di un elemento può influenzare il suo comportamento (Shipstone et al., 1988). Un tipico esempio è la previsione che una lampadina “lontana” dalla batteria sarà meno luminosa di una “vicina” in serie con essa nel circuito.

Questi schemi di ragionamento producono spesso previsioni non in accordo con la fisica e lo strumento della previsione (ciclo POE, par. II.3.2) diventa importante per l’esplicitazione delle idee interpretative dei ragazzi.

Comprensione concettuale della corrente elettrica. Idee molto comuni sono, ad esempio: in un circuito in serie, la corrente viene consumata quando passa per una lampadina; la corrente fornita da una batteria è costante indipendentemente dalla topologia del circuito; la corrente viene identificata con una vaga e astratta idea di energia (Cohen et al, 1983; Shipstone et al, 1988; McDermott & Shaffer, 1992)

Comprensione concettuale della tensione. La tensione viene confusa con la corrente o l’energia; molti studenti pensano che rappresenti la “forza” di una batteria (Psillos, Koumaras & Tiberghien, 1988); ciò sembra costituire un angolo di attacco (Viennot, 2003) nei ragionamenti: la batteria è vista come un contenitore/erogatore di energia o corrente, che poi viene rilasciata nel circuito (Cohen et al., 1983). Di conseguenza gli studenti tendono a pensare che la tensione sia una proprietà che descrive la corrente, piuttosto che vederla come una condizione necessaria per la corrente (von Rhoneck, 1984). Inoltre molti studenti pensano che attraverso un interruttore aperto non ci può essere una differenza di potenziale perché la corrente è zero. Spesso gli studenti non mettono in relazione le tensioni ai capi degli elementi di un circuito alla sua topologia: McDermott & Shaffer, (1992) riportano che, per gli studenti, se due lampadine uguali sono connesse ad una batteria il risultato in termini di luminosità è indipendente dalla connessione.

Ruolo della resistenza. Gli studenti difficilmente si rendono conto dell’utilità del circuito equivalente nel determinare la corrente ed in particolare raramente sono consapevoli che la resistenza totale di resistori in parallelo, contrariamente a quanto avviene nei circuiti in serie, diminuisce aumentando il numero dei resistori connessi (McDermott & Schaffer, 1992).

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Come primo passo di un approccio didattico alla conduzione nei circuiti elettrici risulta essenziale che gli studenti fin dall’inizio trattino il circuito come un sistema caratterizzato da un funzionamento ben definito (McDermott et al., 2000). Il funzionamento deve essere correlato alla topologia del circuito al fine di permettere agli studenti di rendersi conto che i cambiamenti locali influiscono sul funzionamento globale. In questo modo sorge spontanea la necessità di introdurre alcune grandezze fisiche (corrente, tensione, resistenza), che descrivono sistematicamente un comportamento complesso, senza dover affrontare anche il significato fisico di tali grandezze.

Poiché il ragionamento locale e sequenziale emerge anche quando gli studenti interpretano rappresentazioni astratte dei circuiti, è essenziale che gli studenti familiarizzino e facciano esperienza con gli schemi dei circuiti al fine di riconoscere che uno stesso schema descrive circuiti differenti.

Questi due semplici passi costituiscono l’essenza di un approccio all’insegnamento dei circuiti elettrici basato sulle grandezze macroscopiche tensione e corrente che promuove la comprensione di come il comportamento globale di un circuito è influenzato dai cambiamenti in qualche parte di esso, approccio detto sistemico (Testa, 2008). Poiché tale approccio mira ad affrontare le difficoltà di base degli studenti, esso appare particolarmente indicato per interventi di formazione degli insegnanti delle scuole primarie (studenti 6-10 anni) e medie (studenti di età 11-13 anni). A sostegno dello sviluppo della visione funzionale si è scelto di collegare, ogni volta che appariva possibile, la fenomenologia elettrica alla rappresentazione microscopica dei processi, in accordo con i risultati della ricerca illustrata in questa tesi. Raccordare i livelli micro e macro di descrizione dei fenomeni non solo ha rappresentato un importante successo nello sviluppo della fisica, ma appare anche un possibile modo per affrontare le diffuse e persistenti difficoltà che gli studenti incontrano nel comprendere il significato fisico delle grandezze in gioco ed il ruolo dei modelli interpretativi microscopici. Ciò rappresenta un passo operativo verso la comprensione e l’uso dei modelli microscopici, che rappresenta un obiettivo della ricerca illustrata in questa tesi.

2.2.1 Tensione e corrente

La tensione della batteria V viene proposta inizialmente come grandezza che promuove il passaggio di corrente. Usando il reostato a filo (fig. 1) per variare la luminosità della lampadina, gli insegnanti osservano che la caduta di tensione si ripartisce uniformemente in ogni parte della lunghezza del filo conduttore percorso da corrente.

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Quindi la caduta di tensione avviene in rapporto alla lunghezza del filo L del reostato. Questa proprietà consente di individuare una nuova grandezza:

G=V/L

L’introduzione di G in questa fase è importante dal punto di vista metodologico, per mostrare come avviene che nuove grandezze e nuovi significati emergano dalla relazione tra grandezze note.

Figura 1 - reostato (mostra GEI)

E’ importante ai fini di un percorso verticale richiamare il contesto delle grandezze elettrostatiche (a livello di triennio secondario) evidenziando come G abbia un importante significato fisico: rappresenta l’intensità del campo elettrico presente nel filo conduttore percorso da corrente.

Usando la luminosità della lampadina come rivelatore di corrente, il fenomeno osservato usando il reostato si può spiegare affermando che la corrente I nel filo è proporzionale a V/L,

I  V/d  G

La grandezza G promuove il passaggio di corrente, in accordo con la visione fisica. La riflessione sul livello microscopico dei processi è utile per interpretare anche altri fenomeni che di seguito si osservano: il cambiamento della luminosità della lampadina al variare di lunghezza o sezione del filo conduttore che si usa per chiudere il circuito, a parità di tensione. Aumentando la sezione A del filo, la corrente aumenta: si può allora pensare alla corrente come al passaggio di particelle attraverso una porta, grande quanto la sezione del filo: attraverso una porta larga, nello stesso intervallo di tempo, passano più particelle. Per tener conto del nuovo fenomeno, la relazione precedente va riscritta

I  VA/L Essa implica anche

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169 I  AG

Una importante informazione sulla costante (a temperatura costante) di proporzionalità che compare in questa relazione viene fornita dalla differente luminosità della lampadina, che segnala una diversa corrente, maggiore nel filo di rame e minore nel filo di costantana di stessa sezione e lunghezza. Ciò indica che tale costante descrive una proprietà caratteristica del materiale di facilitare/ostacolare la conduzione di corrente. La proprietà caratteristica del materiale è la resistività ρ in termini della quale si può scrivere la legge di Ohm, che diversi autori in letteratura (Psillos et al., 1988; Duit & von Rhöneck, 1998) ritengono essere la base fisica irrinunciabile nella trattazione dei circuiti elettrici:

I = V A/ ρ L

Le insegnanti osservano che l’allungamento del filo di rame non produce variazioni apprezzabili della luminosità della lampadina. Ciò approssima un conduttore ideale, come i fili disegnati negli schemi dei circuiti, che trasferisce la tensione senza variazioni.

2.2.2 Carica e resistenza

Presentare differenti strade per costruire il concetto di carica elettrica favorisce l’apprendimento (Seifert & Fischler, 2003). Anche tenendo presente lo sviluppo storico delle idee, si sono dunque scelti 2 contesti di ragionamento e sperimentazione: elettrochimico ed elettrotermico. Alla base di questa scelta c’è il tentativo di utilizzare il livello microscopico per affrontare ab initio le concezioni alternative rilevate in letteratura, in particolare il diffuso e persistente “modello della consumazione della corrente” (Osborne, 1983; Shipstone et al., 1988) e il ragionamento locale (Cohen et al, 1983; Liégeois & Mullet, 2002), e sequenziale (Closset, 1984) ad esso collegati, sopra indicati.

Nel contesto elettrochimico, viene utilizzata una cella elettrolitica (cap. X.7). La pila produce e mantiene una tensione elettrica costante, per tempi relativamente lunghi, tra i suoi terminali. Nonostante la carica non sia visibile, la cella elettrolitica permette di visualizzare gli effetti del passaggio della carica elettrica nel circuito. Si osserva in particolare che il volume di gas sviluppato in ciascuna provetta è proporzionale al tempo trascorso dalla chiusura del circuito. Si può pensare che il gas sviluppato sia proporzionale alla carica che ha attraversato il circuito: quindi si ha un ritmo costante del passaggio di carica, ciò che può essere definito corrente:

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in accordo con l’indicazione dell’amperometro, che segnala una corrente costante nel circuito. Si esplorano le proprietà della carica elettrica: la carica elettrica si consuma attraversando il circuito? Utilizzando le misure dei volumi del gas prodotto nell’elettrolisi in diversi circuiti (fig. 2): 2 celle in serie: VA=VB; due celle in parallelo + 1 in serie: VA+VB=VC (V indica il volume) si stabilisce che la carica elettrica si conserva.

Figura 2 - circuiti con celle elettrolitiche

Nel contesto elettrotermico, si osserva il riscaldamento di un resistore ceramico (cap. X.7). L’andamento lineare della temperatura nel tempo riportato dal sensore segnala un ritmo costante di aumento della temperatura. Si può pensare che la temperatura del cilindretto è direttamente proporzionale alla carica che si è spostata nel circuito. Ciò è in accordo con l’indicazione di una corrente costante data dall’amperometro. A questo punto si innesta la riflessione sul processo microscopico che può rendere conto del riscaldamento del resistore.

L’esame dei grafici mostra che nello stesso intervallo di tempo la quantità di carica che si sposta nel circuito è differente in resistori differenti. Quindi, a parità di tensione applicata, il movimento della carica è differente in resistori differenti. Ciò fornisce una informazione importante sui processi microscopici che determinano la corrente in materiali diversi: esiste una relazione tra struttura del resistore e corrente elettrica (carica in moto). Per prevedere la corrente nel resistore è necessario conoscere un’altra grandezza che descrive questa interazione: la resistenza elettrica, che dipende dalla struttura del materiale e dalle sue caratteristiche geometriche, come si è visto utilizzando i fili. La formalizzazione del concetto ha la sua base nella legge di Ohm già introdotta nella forma I=VA/ρL che lega la corrente (effetto) alla tensione (causa), per cui appare naturale definire la resistenza R come reciproco della costante di proporzionalità tra I e V in tale legge:

R = ρL/A

A B

A

B

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Il contesto elettrotermico si rivela utile per affrontare il nodo relativo alla differenziazione tra tensione e energia (Psillos et al., 1988): a parità di tensione della batteria, a resistori differenti viene trasferita nello stesso tempo una diversa energia, in quanto il ritmo di aumento della loro temperatura è differente.