Descrizione dell’esperienza Le onde: l’interferenza della luce
Quadro di riferimento e motivazioni
L’esperienza è maturata in un Liceo Scientifico che da anni ha adottato i Programmi Brocca e che ha sempre investito nella innovazione scientifica e tecnologica, ottenendo attraverso un costante accento su modalità di lavoro cooperativo il raggiungimento di professionalità nel corpo docente e una notevole autonomia degli studenti nell’organizzazione dei propri percorsi di apprendimento.
L’occasione è nata nell’ambito del Progetto Ministeriale SeT, ovvero di innovazione scientifico-
tecnologica, con l'intento di potenziare la dotazione laboratoriale delle scuole aderenti a tale iniziativa in relazione alle attività curricolari programmate.
Nella nostra scuola, l'opportunità di reperire fondi al fine di incrementare le attrezzature di laboratorio e migliorare le condizioni di apprendimento degli studenti, ha indotto il preside e alcuni docenti ad avviare la fase di progettazione.
La struttura del progetto prende spunto da uno dei temi proposti dal ministero nella c.m. 270/99, relativa ai processi di cambiamento e trasformazione della realtà, che si innesta perfettamente su due dei moduli pluridisciplinari adottati nelle classi quinte già da tre anni a questa parte e che riguardano il problema energetico e le trasformazioni delle scienze nel '900.
Gli argomenti salienti del progetto vertono sia sulla crisi del positivismo e il nuovo modo di interpretare la realtà nonché le conseguenze di tale evento sulla tecnologia e sulla vita dell'uomo, sia sulle
problematiche relative allo sfruttamento delle risorse e all'utilizzo di fonti alternative di energia.
La stesura del progetto è risultata facilitata nella parte riguardante la scelta degli argomenti, gli obiettivi attesi, le metodologie di lavoro in quanto concordanti con quelli indicati già nella nostra programmazione pluridisciplinare, mentre le difficoltà si sono ravvedute quando, nella compilazione del piano finanziario, si è dovuto procedere alla scelta del materiale da acquistare con gli eventuali fondi erogati. Infatti qualora la nostra scuola avesse presentato un progetto che, secondo una commissione ministeriale, fosse stato giudicato didatticamente valido e fattibile, avrebbe beneficiato di un contributo di quattordici milioni di lire da utilizzare sia per l'aggiornamento dei docenti che per l'acquisto di attrezzature di laboratorio.
Di fatto il Progetto è stato attuato, gli obiettivi attesi sono stati raggiunti e i fondi sono stati impiegati per l’acquisto del materiale che ha permesso la costruzione dell’interferometro e del sistema di acquisizione dati on line.
Finalità, obiettivi specifici e scelte di contenuto
La finalità del progetto era quella di insegnare agli studenti a raccogliere e gestire le informazioni, inquadrare le problematiche implicite in ogni contesto disciplinare, saper relazionare gli argomenti in modo articolato e pluridisciplinare usando una terminologia appropriata, comprendere l’importanza delle trasformazioni culturali e scientifiche del ‘900 e delle ripercussioni sulla tecnologia,comprendere come l’innovazione tecnologica ha modificato la vita dell’uomo comprendere quali vantaggi e svantaggi ha comportato tale serie di processi
Finalità del progetto era anche quella di avvicinare gli studenti allo studio di un periodo storico
fondamentale come il ‘900 da una serie di diverse angolazioni che, riconnesse nell’insieme, potessero dare loro un quadro completo ed esaustivo. Il secolo appena trascorso, infatti, ha lasciato una traccia indelebile del proprio passaggio sia per i luttuosi eventi storici sia per il progresso del pensiero scientifico e tecnologico. La caduta del positivismo ha determinato una nuova impostazione nell’approccio alle scienze e alla lettura della realtà che ha portato a modificare la vita dell’uomo sia in positivo che in negativo.
A questo proposito gli esperimenti di Michelson e Morrey con l’interferometro, il cui esito ha messo in crisi il concetto di etere, sono senza dubbio alla base della teoria della relatività proposta nel 1905. Albert Einstein, con un atto di coraggio intellettuale, abolì l’etere postulando la costanza della velocità della luce e si trovò così su un cammino che lo avrebbe portato a scoprire la relatività dello spazio e del tempo.
Il prodotto, nel nostro caso specifico, è stato l’allestimento di una esperienza di laboratorio inerente lo studio dell’interferenza con l’interferometro di Michelson, esperienza collocata esattamente nell’ambito della programmazione sia pluridisciplinare che disciplinare.
Si riporta in allegato una Scheda con gli obiettivi cognitivi, operativi e relazionali nonché i contenuti proposti in sede di programmazione del Unità di lavoro Pluridisciplinare, una Scheda recante gli Obiettivi Cognitivi e Specifici dell’Unità Didattica sull’uso dell’interferometro, la Griglia di Valutazione, una scheda sulle Ricadute del Progetto sul Consiglio di Classe.
Percorso generale
La scelta del tema nasce dall’esigenza di comprendere e di far comprendere come la realtà sia in continuo divenire e come da ciò possa nascere la nostra idea di tempo. Tuttavia accorgersi dei cambiamenti e trovare modi per descriverli è uno dei compiti del sapere scientifico. Occorre spesso ragionare per indizi e usare immaginazione per ricostruire processi lentissimi o rapidissimi, per riempire fasi al di fuori della nostra esperienza. Si può rintracciare cosa resta costante e preserva identità. Ci si può avvicinare alla comprensione delle cause e delle variabili che regolano i processi attraverso il metodo del confronto guardando eventi a diverse scale di grandezza, di tempo, di organizzazione come avviene nei fenomeni di crescita degli esseri viventi, nelle trasformazioni morfologiche, nell’evoluzione stessa dei sistemi tecnologici.
Per avere un quadro quanto più completo dei cambiamenti verificatisi nel corso del ‘900 si è voluto affrontare il tema della crisi delle certezze da una serie di punti di vista apparentemente lontani tra di loro, ma in realtà fortemente concatenati in modo da comprendere come l’introduzione di nuove idee in campo scientifico ha comportato un cambiamento radicale anche nella vita di tutti i giorni, nel modo di intendere i rapporti con gli altri e con l’ambiente. Non dimentichiamoci infatti che la ricerca nel
microcosmo dell’atomo ha determinato una svolta radicale nel mantenere gli equilibri politici nel mondo, nella ricerca della protezione ambientale e nello sfruttamento delle risorse. Se la meccanica quantistica non si fosse affacciata alle porte dell’ultimo secolo del secondo millennio nessuno avrebbe posto in discussione quella visione meccanicistica ma allo stesso momento deterministica introdotta dalla fisica di Newton e così ognuno avrebbe continuato a credere alla linearità dei processi. Non solo ma in campo biologico lo svilupparsi del germe evoluzionista ha minato quei fondamenti religiosi secondo i quali i viventi, e in particolare l’uomo, non fossero direttamente creati dalla divinità ma piuttosto prodotto della casualità e della selezione.
Ci si pone inoltre la domanda se tutti questi cambiamenti in campo scientifico, anziché determinare una mutazione nel pensiero e nella società dell’uomo non siano stati al contrario il frutto di un evoluzione culturale più vasta derivante dal fatto che l’uomo stesso si sia posto ad osservare la realtà da ogni possibile punto di vista mettendo in discussione gli stessi concetti immutabili di spazio e tempo.
Ora da queste considerazioni nasce il desiderio di dibattere con gli studenti circa queste problematiche in quanto la maggior parte di loro non avrà, forse, più la possibilità di approfondire questi temi perdendo l’occasione di guardare dentro se stessi e dentro il mondo che li circonda. Non dimentichiamo che il problema maggiore dell’istituzione scolastica è stato sempre quello di offrire conoscenze, raramente quello di produrre un sapere profondo e consapevole. La scuola per questo diventa un punto d’incontro, un’occasione di scambio, un motivo di scoperta e di riscoperta dove le singole discipline devono spogliarsi dei loro confini e fondersi insieme per dare risposte.
Tutto questo non può prescindere dai saperi di base né tanto meno dagli obblighi legati alla
programmazione che scandisce tempi e modalità di lavoro. Il nostro oggetto didattico, frutto di un lavoro, concertato all’interno dei singoli consigli di classe, nasce dalla collaborazione dei singoli docenti che hanno apportato idee e contributi alla redazione della programmazione pluridisciplinare del modulo che presentiamo in questa sede e di un esempio applicativo dello stesso. Premesso che non si tratta di un progetto statico e improbabile ma di uno snello ed efficiente strumento di lavoro largamente utilizzato nella nostra scuola, riteniamo che proporre tale metodo di lavoro su scala nazionale possa essere di spunto in altri contesti scolastici al fine di promuovere altre esperienze da condividere.
Il metodo utilizzato dai docenti per la costruzione del modulo pluridisciplinare, ossia del nostro oggetto didattico, si è basato innanzitutto sulla scelta di un tema che potesse essere affrontato dai diversi ambiti disciplinari sulla base dei contenuti affrontati durante l’anno scolastico, quindi ciascuno ha stabilito quale fosse l’unità didattica disciplinare specifica, coniugando gli obiettivi specifici a livello cognitivo, operativo e relazionale, le metodologie e i criteri di valutazione. Inoltre si è predisposto uno o più strumenti di verifica pluridisciplinare da attuare nel corso dell’anno scolastico come ad esempio simulazioni di terza prova o verifiche di laboratorio.
La valutazione dell’efficacia del processo non coincide necessariamente con la valutazione del prodotto finale in quanto il processo ha una valenza formativa e attribuisce notevole valore alla capacità degli studenti di saper raccogliere e gestire informazioni, inquadrare problematiche implicite in ogni contesto disciplinare analizzare e problematizzare, saper relazionare argomenti in modo articolato e
pluridisciplinare usando una terminologia appropriata. Fondamentale in tutto questo è valutare la ricaduta sulle competenze generali che gli studenti possono acquisire adottando questo metodo di lavoro, in modo tale da potere entrare in possesso della famosa “ cassetta degli attrezzi” che consentirà loro, in futuro, di affrontare qualunque tema da qualunque punto di vista.
L’oggetto didattico presentato in questa sede è una delle tante versione approntate, discusse e riviste nel corso degli ultimi anni scolastici in quanto, con l’introduzione del nuovo esame di stato ci siamo resi conto della necessità di aiutare gli studenti a progettare un percorso pluridisciplinare da utilizzare in sede del colloquio d’esame. Sappiamo benissimo che anche in internet è possibile reperire tesine già
confezionate, pseudo percorsi pluridisciplinari che non hanno alcuna valenza didattica perché gli studenti ne preparano l’esposizione per riempire il loro spazio autonomamente gestito nell’ambito del colloquio ma non ne traggono alcun beneficio formativo.
La discussione riguardo la scelta del tema , la ricerca degli argomenti da trattare, gli approfondimenti da effettuare non condivisi esclusivamente tra i docenti ma socializzati con gli studenti, portano ogni anno a
nuovi arricchimenti, innovativi spunti che entrano di diritto negli aggiornamenti dell’oggetto didattico presentato.
I risultati ottenuti in termini di obiettivi cognitivi, operativi e relazionali sono sicuramente soddisfacenti in quanto i ragazzi si abituano a lavorare in team e a condividere le scelte di percorso, inoltre ognuno, utilizzando le competenze logico-astrattive che questo processo mette in moto, può approfondire parti del percorso in modo autonomo mettendo così in evidenza capacità personali. Lo studente diventa il centro del processo di apprendimento e diventa artefice del proprio sapere acquisendo una maggiore autostima e consapevolezza delle proprie capacità.
Percorso specifico
L’esperienza didattica che ha ruotato intorno all’unità sull’interferenza della luce ha visto la collaborazione di un nutrito gruppo di docenti di materie scientifiche. I passi più significativi sono stati:
allestimento di un laboratorio per la verifica dei fenomeni di interferenza, diffrazione e di Michelson e Morley: ciò ha comportato la progettazione e l’acquisto dei materiali per la
costruzione dell’interferometro e del sistema per l’acquisizione dei dati on-line. Nella costruzione dell’interferometro si è riscontrata l’opportunità di montare tutti i componenti ottici su una lastra di marmo che poggia su dei palloncini, per limitare le deformazioni che producono variazioni indesiderate del cammino ottico e per attutire le vibrazioni. Si è anche ritenuto opportuno fissare i componenti ottici su supporti di alluminio, per la cui costruzione ci si è avvalsi della collaborazione del locale Istituto Professionale.
studio del sistema di acquisizione dati on-line : un gruppo di docenti ha studiato l’hardware e il software per l’acquisizione dei dati su PC, denominato Cassy Lab, che permette la successiva rielaborazione con foglio di calcolo o con programmi sviluppati ad hoc. Successivamente si è organizzato un corso interno in cui tutti i docenti di discipline scientifiche dell’Istituto sono stati formati per il suo utilizzo, che si estende ben al di là della sola esperienza con l’interferometro.
preparazione di materiale didattico : sono stati preparati diversi materiali didattici per preparare l’esperienza in classe, prima di portare gli studenti in laboratorio. In particolare è stata sviluppata una approfondita dispensa sull’interferometro di Michelson, degli appunti sul Cassy Lab e appunti sull’interferenza e sul laser.
sviluppo di software specifico : sempre al fine di fornire agli studenti gli strumenti cognitivi per affrontare l’esperienza di laboratorio, è stato sviluppato un programma in C, dunque compilabile sotto qualsiasi sistema operativo, che permette di simulare l’interferenza tra due o più sorgenti luminose, variandone a piacere la separazione spaziale. E’ stata sviluppata anche un’interfaccia web in PHP che ne permette l’utilizzo in rete. Tutti i file sorgenti sono disponibili liberamente.
svolgimento dell’Unità Didattica : dapprima l’Unità Didattica è stata svolta in due classi quinte campione per mettere a punto le modalità di presentazione, di svolgimento dell’esperienza in laboratorio e di valutazione; in seguito lo stesso lavoro è stato riproposto in tutte le classi quinte di indirizzo scientifico e scientifico tecnologico.
sviluppo di un sito web : tutto il materiale prodotto è stato montato in HTML, così da avere un
“repository”, facilmente accessibile sia locale che in rete, che contenesse tutte le risorse didattiche e di informazione dell’esperienza. Lo sviluppo del sito è stato condotto in modo collaborativo da un insegnante esperto insieme ad alcuni studenti motivati, utilizzando Dreamweaver e LaTex; particolare attenzione è stata posta alla semplicità e pulizia tanto del design quanto del codice. Anche grazie all’utilizzo dei CSS, si è potuto ottenere un sito di 50 pagine, graficamente gradevole, di soli 700kB!
Si possono individuare quattro fasi nello svolgimento dell’Unità Didattica:
preparazione : a una lezione frontale, che si avvale degli strumenti software prodotti, segue la distribuzione agli studenti del materiale didattico in forma cartacea, e infine una discussione di gruppo
svolgimento esperienza di laboratorio : lo svolgimento dell’esperienza, non banale, richiede l’intervento di guida dell’insegnante, mentre gli studenti si possono dividere autonomamente i compiti: raccolta dei dati, documentazione fotografica, organizzazione dei file con i dati acquisiti
analisi dei dati : i dati raccolti possono essere analizzati con un foglio di calcolo per la
determinazione della lunghezza d’onda; possono essere utilizzati tanto il pacchetto Office della Microsoft, quanto Open Office, pacchetto open source. Gli studenti possono svolgere questo compito divisi in piccoli gruppi, così da sommare e condividere le competenze individuali; in alcuni casi gli studenti più preparati hanno scritto software per la riduzione del rumore e il trattamento dell’incertezza.
verifica : la verifica delle competenze acquisite si basa sull’osservazione in laboratorio e su relazioni individuali o di gruppo.
In generale gli studenti hanno mostrato di avere acquisito gli obiettivi: dalle loro relazioni sono emerse non solo la piena comprensione del fenomeno e del funzionamento dell’interferometro, ma anche notevoli capacità di utilizzare le loro conoscenze per analizzare i dati, nonché stimare e processare le fonti di incertezza sperimentale. Le capacità di sintesi sono dimostrate dalla stesura delle relazioni e gli obiettivi relazionali sono stati raggiunti nell’organizzazione in gruppo e nell’interazione con i docenti.
I risultati positivi della valutazione finale hanno portato a ripetere l’esperienza anche negli anni successivi, tanto che è ormai diventata una pratica standard dell’Istituto, secondo la procedura sopra delineata.
Descrizione dell'Unità di lavoro interdisciplinare
Titolo dell'unità La crisi delle certezze : trasformazioni della scienza e della tecnologia nel ‘900
Tematica/e
Processi di cambiamento e trasformazione
La realtà è in continuo divenire e da ciò nasce la nostra idea di tempo.
Tuttavia accorgersi dei cambiamenti e trovare modi per descriverli è uno dei compiti del sapere scientifico. Occorre spesso ragionare per indizi e usare immaginazione per ricostruire processi lentissimi o rapidissimi, per riempire fasi al di fuori della nostra esperienza. Si può rintracciare cosa resta costante e preserva identità. Ci si può avvicinare alla comprensione delle cause e delle variabili che regolano i processi attraverso il metodo del confronto guardando eventi a diverse scale di grandezza, di tempo, di organizzazione come avviene nei fenomeni di crescita degli esseri viventi, nelle
trasformazioni morfologiche, nell’evoluzione stessa dei sistemi tecnologici.
N° Docenti coinvolti 6
Discipline coinvolte Fisica , Biologia, Chimica, Scienze della Terra, Filosofia, Storia, Matematica.
Fascia/e scolare cui è diretta
l'unità Studenti del quinto anno
N° Classi della scuola
coinvolte 4
Sintesi dell'Unità(max 10 righe)
Le scienze e la crisi del positivismo: il nuovo modo di interpretare la realtà e le conseguenze di tale evento sulla tecnologia e la vita dell’uomo.
Inquadramento storico filosofico di tale trasformazione
Approccio empirico sperimentale ad alcune delle più importanti scoperte di questo secolo
Argomenti principali
Teoria della relatività e meccanica quantistica
Dal fissismo all’evoluzionismo in biologia
La crisi del positivismo: Nietzsche, Freud, Bergson
La sconfitta del vitalismo, la sintesi in laboratorio delle molecole organiche e il successivo passaggio alla chimica delle resine artificiali
Obiettivi generali e specifici
Saper raccogliere e gestire le informazioni, inquadrare le problematiche implicite in ogni contesto disciplinare
Saper relazionare gli argomenti in modo articolato e pluridisciplinare usando una terminologia appropriata
Comprendere l’importanza delle trasformazioni culturali e scientifiche del
‘900 e delle ripercussioni sulla tecnologia
Comprendere come l’innovazione tecnologica ha modificato la vita dell’uomo Comprendere quali vantaggi e svantaggi ha comportato tale serie di processi
Prerequisiti
Conoscere il dibattito sul valore conoscitivo della scienza
Conoscere quale fosse la posizione delle scienze nei confronti dell’oggetto di indagine prima del’900
Conoscere la struttura della materia
Conoscere il quadro sociale e culturale prima del ’90
Metodologia di lavoro (es.
uso in piccoli gruppi del laboratorio di chimica e del laboratorio multimediale)
Conversazioni guidate a tema
Ricerca informazioni tramite Internet
Socializzazione delle informazioni acquisite all’interno di gruppi
Attività guidata di laboratorio
Allestimento di un laboratorio per la verifica dei fenomeni di interferenza, diffrazione e di Michelson e Morley
Tempo complessivo 20 ore
Strumenti e risorse utilizzati
Testi saggi e documenti sul tema Esperti nei settori
Materiali del laboratorio di fisica, chimica e biologia Computer con collegamento a Internet
Programmazione dell’unità didattica relativa all’uso dell’interferometro
MATERIA: FISICA
MODULO: LE ONDE LUMINOSE
TITOLO UNITA’ DIDATTICA: L’INTERFERENZA DELLA LUCE
Prerequisiti: Teoria ondulatoria. Propagazione della luce e sue proprietà. Colori e lunghezza d’onda.
Obiettivi COGNITIVI: Conoscere modelli ondulatori in diversi ambiti della fisica e delle scienze applicate- Studiare i modelli e le operazioni per le quali le leggi fondamentali della fisica risultano in forma invariante Obiettivi OPERATIVI: Saper risolvere i problemi- Saper descrivere, definire, classificare e dimostrare Obiettivi RELAZIONALI: Sapersi assumere responsabilità, assolvendo ai compiti assegnati- Saper lavorare in equipe, rispettando regole di lealtà e trasparenza.
Obiettivi SPECIFICI:
riconoscere le analogie tra il comportamento delle onde elastiche e quello della luce
riconoscere che, in particolari situazioni, la luce subisce delle deviazioni anche se non passa da un mezzo ad un altro con diverso indice di rifrazione
acquisire la capacità di progettare e utilizzare misure di lunghezza d’onda della luce
effettuare una misura approssimata della lunghezza d’onda di un fascio di luce monocromatico (laser)
Metodologie: Lezione dialogata Lavori di gruppo e individualizzati
Materiali: Libro di testo: E. Amaldi Fisica per i Licei Scientifici, vol 2, Ed. Zanichelli; Interferometro di Michelson; Cassy Lab.
Valutazione: Sommativa con relativa relazione individuale
Ore Docenza: 2 Ore Verifica: 2 Ore Totali: 4
GRIGLIA DI VALUTAZIONE CON USO DEI DESCRITTORI Relazione prova di laboratorio
Materia: FISICA
Studente... Classe...
Obiettivi Peso Livelli Punteggio
corrispondente ai livelli
Punteggio
“pesato”
1)Conoscenza dei fatti e dei termini specifici
3
Scarso 1 – 4
Mediocre 5
Sufficiente 6
Discreto 7 - 8
Buono/Ottimo 9 - 10
2) Utilizzazione e applicazione delle conoscenze e delle competenze; motivazione delle procedure
4
Scarso 1- 4
Mediocre 5
Sufficiente 6
Discreto 7
Buono/Ottimo 9 – 10
3) Capacità di analisi e di sintesi
3
Scarso 1- 4
Mediocre 5
Sufficiente 6
Discreto 7 – 8
Buono/Ottimo 9 - 10
Ricadute del Progetto sul Consiglio di Classe
N° docenti coinvolti 6
Tipo di approfondimento
Uso della strumentazione necessaria per il monitoraggio Interpretazione critica dei risultati ottenuti
Uso del computer per l’elaborazione dei dati
Uso di Internet per la trasmissione / diffusione dei risultati
Impegno dei docenti
Progettazione e realizzazione delle esperienze (h 25)
Raccolta dati e interpretazione dei risultati (h 13 )
Verifica (h 13)
Produzione di unità didattiche integrate con le esperienze in allestimento (h 13)
Multimedialità (h 16)
Risorse, strumenti e materiali
utilizzati Computer con collegamento Internet, strumenti di laboratorio
Produzione di materiali/risorse Pubblicazione e commento dei dati su sito web
Attività in rete Il materiale elaborato è disponibile per la consultazione sul sito web
