Una proposta per la formazione insegnanti

L’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine ha affrontato l’aspetto della formazione in diversi modi. Il gruppo, in par- ticolare, organizza, nell’ambito del progetto Lauree Scientifiche, il master di secondo livello IDIFO (Innovazione Didattica In Fisica e Orientamen- to) per insegnanti della scuola secondaria. Riportiamo qui alcuni risultati molto importanti relativamente a un’indagine [48] compiuta su un gruppo di insegnanti che hanno frequentato il suddetto master, perché ci serviran- no come spunti di riflessione. L’indagine è stata compiuta per mezzo di un questionario proposto ai 22 corsisti, e poiché solo 6 hanno restituito il questionario, gli autori hanno compiuto un esame qualitativo delle rispo- ste. Il questionario era articolato in due parti, una sui nodi concettuali della meccanica quantistica (“elementi su cui focalizzare la riflessione intor- no all’insegnamento-apprendimento della MQ”) e l’altra sulle finalità e sugli aspetti rilevanti per una didattica della MQ (“la MQ a scuola”).

6.4. La proposta di Udine

Vediamo, per ogni quesito, una sintesi delle risposte attese dagli autori e delle conclusioni che essi hanno tratto dalle risposte fornite.

Per quanto riguarda la prima parte del questionario, il primo quesito chiedeva: quali sono gli elementi che caratterizzano o identificano il com- portamento quantistico? Con questa domanda gli autori volevano osservare, fra le altre cose, se gli insegnanti prendono in considerazione l’evoluzione de- terministica di uno stato secondo l’equazione di Schrödinger e l’evoluzione probabilistica che si manifesta con la misura. Gli insegnanti hanno rilevato come caratteristica del comportamento quantistico soprattutto l’indetermi- nismo e la non località, associati prevalentemente al processo di misura senza però definirlo esplicitamente. È stata invece trascurata l’evoluzio- ne unitaria (secondo l’equazione di Schrödinger) e lineare dei sistemi non perturbati.

Il secondo quesito era: conoscere o non conoscere le proprietà di un sistema implica l’esistenza di tali proprietà? Scopo della domanda era os- servare se gli insegnanti riflettono sulla possibilità di attribuire o meno una proprietà a un sistema quantistico. Nel caso si accetti tale possibilità, gli autori volevano osservare che cosa gli insegnanti intendono per proprietà e inoltre se riflettono sull’impossibilità di attribuire una proprietà a un siste- ma quantistico prima di sottoporlo a una misura. È emersa la convinzione per cui una proprietà non esiste prima di essere misurata, ma le risposte sono fornite con espressioni ambigue,1 perché sembrano sottintendere invece

che in meccanica quantistica si misurino proprietà già esistenti prima del- la misura. Questo potrebbe ingenerare problemi nell’apprendimento degli studenti, perché si sposta “continuamente il riferimento teorico da un’in- terpretazione standard della teoria quantistica a una a variabili nascoste” [48].

Come cambiano significato e ruolo della misura in meccanica quantistica rispetto alla fisica classica? Da questo terzo quesito gli autori si aspettava- no che gli insegnanti riconoscessero il processo di misura quantistica come preparazione dello stato di un sistema, a differenza di quanto accade nella fisica classica, dove la misura è semplicemente la registrazione di uno stato che esiste precedentemente a tale processo. Dalle risposte emerge il ruolo attivo del processo di misura, che trasforma uno stato di sovrapposizione in un autostato.

Nel quarto quesito, sulla prevedibilità del risultato di una misura e na- tura oggettiva delle proprietà misurate, si voleva valutare se gli insegnanti rilevano la diversa natura della probabilità in meccanica quantistica e nella

1_{Ad esempio un insegnante afferma [48]: “secondo l’interpretazione di Bohr, finché}

6. Studi in didattica della meccanica quantistica

fisica classica, ovvero la natura di caratteristica intrinseca del primo caso e di strumento che sopperisce alla mancanza di conoscenza nel secondo caso. Le risposte riportate dagli insegnanti mettono in evidenza l’aspetto indeter- ministico o quello probabilistico, ma spesso solo l’uno o l’altro. L’aspetto notevole è che tali risposte, in assenza di ulteriori precisazioni, potrebbero essere riferite anche a misure classiche.2 Si mostra quindi ancora impor-

tante “l’esigenza di creare un linguaggio condiviso attraverso cui esplicitare le peculiarità dell’indeterminismo quantistico e dell’uso della probabilità in meccanica quantistica e caratterizzarle in modo specifico rispetto al contesto classico.” Per quanto riguarda l’oggettività delle proprietà di un sistema, emergono posizioni realiste e non realiste.

Il quinto e ultimo quesito della prima parte del questionario chiedeva: si può applicare la meccanica quantistica ai sistemi macroscopici? Gli autori si aspettavano anche che emergesse, da questo quesito, l’assenza nella teoria quantistica di un limite di applicabilità e quindi la legittimità di quantizzare anche un sistema macroscopico. Sono stati riportati due tipi di risposte, uno in cui si dichiara che non esistono limiti all’applicabilità della meccanica quantistica e un altro in cui si afferma che invece la meccanica quantistica deve essere applicata solo ai sistemi microscopici. Gli autori suggeriscono di integrare queste due posizioni nella formazione degli insegnanti: è im- portante riconoscere che la meccanica quantistica non ammette limitazioni di principio né ambiti in cui non è empiricamente chiaro se applicarla o me- no, ma è anche importante discutere il problema della realtà dei fenomeni macroscopici e del fatto che, nella misura, un sistema classico, il misurato- re, interagisce con un sistema quantistico, quello che deve essere misurato. Questo infatti è ancora un problema aperto nella ricerca sui fondamenti (cfr. capitolo 5).

La seconda parte del questionario presentava tre quesiti, il primo dei quali per raccogliere le convinzioni degli insegnanti sulle motivazioni del- l’insegnamento della meccanica quantistica nella scuola: perché insegnare la meccanica quantistica? Gli autori si aspettavano che emergesse “l’importan- za della meccanica quantistica nell’attuale visione del mondo microscopico, il suo ruolo di teoria paradigmatica, il ruolo che essa può avere nella costru- zione del pensiero teoretico e formale”, nonché “il contributo formativo che può avere il ripercorrere la nascita della teoria e i contributi al dibattito epi- stemologico e filosofico” [48]. Le risposte si soffermano sul valore culturale e paradigmatico della teoria quantistica, le sue idee di base strutturalmente

2_{Riportiamo a titolo di esempio alcune risposte fornite dagli insegnanti [48]: “il va-}

lore che si ottiene in una misura non può essere previsto in modo deterministico”, “se facciamo infinite copie di uno stato e eseguiamo infinite misure della stessa osservabile, non otteniamo sempre lo stesso risultato, ma una distribuzione di risultati”.