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I.MO.FI. (Introduzione alla modellazione in Fisica)

6 dicembre 2001 | di R. M. Sperandeo Mineo e Claudio Fazio GRIAF (Gruppo di Ricerca sull'Insegnamento/Apprendimento della Fisica) Dipartimento di Scienze Fisiche e Astronomiche, Università di Palermo http://griaf.fisica.unipa.it
CONTENUTI
Introduzione
Le innovazioni per l’insegnamento della fisica
Il corso in rete I.MO.FI.
La struttura dei seminari in rete
Risultati preliminari
Bibliografia

Introduzione
I risultati di molte ricerche, riportati in letteratura [1], [2], hanno mostrato che l’utilizzazione didattica delle Tecnologie dell’Informazione (laboratorio basato sul microcomputer, prodotti multimediali, programmi di simulazione, ipertesti) portano a notevoli miglioramenti nella pratica di insegnamento/apprendimento della fisica. Negli anni 1997-1999 si è sviluppato, nel nostro Paese, un progetto di ricerca, che ha coinvolto gruppi di ricerca di sette Università ed è stato finanziato dal CNR, il cui scopo era quello di introdurre nell’insegnamento della Fisica a livello di Scuola Secondaria Superiore l’uso di Tecnologie Informatiche (TI). L’obiettivo principale del progetto era l’implementazione di ambienti di insegnamento/apprendimento finalizzati ad attività di esplorazione, sperimentazione e modellizzazione di fenomeni naturali.
È subito apparso evidente che l’utilizzazione delle TI richiede:
- da un lato, una quasi completa ristrutturazione dei contenuti disciplinari e che le nuove strategie didattiche disponibili rende accessibile agli studenti l’esplorazione di nuovi concetti impossibili da analizzare in modo approfondito e/o quantitativo senza l’ausilio degli strumenti di calcolo;
- dall’altro una sostanziale modifica del ruolo dell’insegnante e dei metodi didattici da questi applicati.
Alcuni risultati preliminari del progetto hanno, infatti, mostrato che i docenti necessitano di una adeguata formazione per l’implementazione delle innovazioni delle TI nella loro pratica didattica: molto spesso, essi cercano, infatti, di adattare le innovazioni ai vecchi modelli di insegnamento/apprendimento da loro utilizzati. Dopo un corso di aggiornamento di tipo tradizionale, l’isolamento nel quale i docenti generalmente lavorano, li porta, nella maggior parte dei casi, a limitare gli obiettivi del loro lavoro in corrispondenza delle difficoltà pratiche incontrate in classe, con i colleghi del dipartimento per materia o con le strutture burocratiche della scuola. I docenti “innovativi” dovrebbero, invece, potersi sentire membri di una più vasta comunità che, da un lato li aiuti nel lavoro in classe, e dall’altro possa far loro superare l’isolamento locale tramite una sorta di legame di “solidarietà culturale”, che riesca a superare le distanze geografiche.
Questo articolo descrive un progetto di ricerca sviluppato in Italia negli anni 1999 e 2000 e dedicato a sperimentare le Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (TIC) per la formazione in servizio degli insegnanti riguardo all’introduzione di nuovi contenuti e metodi didattici della fisica a livello di Scuola Secondaria Superiore. Il progetto ha utilizzato i risultati di ricerche sull’uso delle TIC [3], [4] che hanno evidenziato strutture e metodi che facilitano l’apprendimento collaborativo, l’apprendimento attivo ed autonomo e permettono di migliorare la didattica tradizionale grazie alla possibilità di connettere le persone e condividere i materiali didattici 24 ore su 24 [5].
Gli obiettivi del nostro progetto sono stati:
- lo studio e la comprensione delle necessità dei docenti nell’area delle TIC;
- la preparazione di nuovi ambienti didattici per la formazione iniziale e/o in servizio dei docenti;
- l’analisi delle nuove competenze necessarie ai docenti che devono fare uso delle TIC.
Uno dei punti più importanti dell’approccio proposto è stato lo sviluppo di conoscenze e abilità metacognitive: i docenti sono stati indirizzati in un processo di riflessione che li ha portati a valutare i loro metodi didattici, le loro attività e quelle dei loro colleghi. Il modello di formazione si è basato sull’ipotesi che la focalizzazione sul processo metacognitivo sia effettivamente utile ai docenti per imparare ad essere più coinvolti e a riflettere sulla possibilità di costruire dei modelli relativi alla pratica dell’insegnamento, modelli che possono essere sperimentati e validati.
Vengono qui descritti la struttura del progetto I.Mo.Fi. (Introduzione alla Modellizzazione in Fisica), un Corso sviluppato fondamentalmente in Rete e alcuni dei risultati preliminari della sperimentazione pilota che ha coinvolto 50 docenti esperti, tutti partecipanti volontari al Corso. I docenti sono stati scelti dai gruppi di ricerca che hanno fornito loro l’assistenza locale (hardware, software, ecc.). Gli articoli [6] e [7] descrivono due interessanti argomenti di fisica scelti tra quelli trattati nel progetto.
Il progetto è consultabile al sito: http://griaf.fisica.unipa.it/IMOFI/IMOFI.html

Le innovazioni per l’insegnamento della fisica
Il nostro approccio all’insegnamento della fisica è basato su un impianto derivato dalla epistemologia costruttivista [8] e focalizzato sul processo di costruzione di modelli concettuali predittivi del mondo fisico [9], [10]. La costruzione di modelli è vista come una attività che permette al discente di sviluppare abilità di alto livello e di discernere le analogie e le differenze in un’ampia gamma di fenomeni naturali.
I modelli scientifici sono, normalmente, profondamente differenti dalle rappresentazioni del mondo reale possedute dagli studenti, basati su quella che viene chiamata “conoscenza comune” e definiti comunemente modelli spontanei [11]; per riuscire a colmare questo “gap” è necessario modificare in qualche modo il modello scientifico, al fine di renderlo più facilmente accessibile a colui che apprende e più congruo alla sua percezione del mondo che lo circonda.
Questo approccio implica la costruzione di una struttura dei contenuti della disciplina da insegnare, basata non solo sui suoi presupposti e connessioni logiche ma anche sulle rappresentazioni del discente e sulle esigenze connesse alla necessità di trovare “spiegazioni” per la fenomenologia con cui costantemente si trova ad interagire. I modelli spontanei e l’allargamento della visione scientifica a fenomeni della vita di tutti i giorni devono essere accettati dal docente come vere e proprie risorse per l’insegnamento della fisica. È evidente che tutto ciò significa che il contenuto di fisica da insegnare deve essere “ricostruito”, in modo da raggiungere l’obiettivo primario: permettere agli studenti di conquistare una conoscenza del mondo fisico che possa essere loro realmente utile. Si rende, dunque, necessaria una sostanziale modifica delle sequenze di insegnamento/apprendimento così come dei ruoli del docente e del discente. Il docente deve trasformarsi da semplice “fornitore” di conoscenza a “facilitatore” della evoluzione delle abilità dei suoi discenti e a della costruzione della loro conoscenza [12]; le strategie di insegnamento da progettare devono essere mirate a permettere agli allievi di costruire nuove conoscenze e competenze sulla base dei loro modelli spontanei.
Per modificare l’approccio didattico all’insegnamento è quindi necessaria una profonda modifica della struttura dei corsi di formazione in servizio. Modifiche sostanziali della metodologia e degli approcci di insegnamento non possono essere richieste ai docenti soltanto tramite corsi di natura teorica ma facendo sperimentare ai docenti stessi i medesimi ambienti di insegnamento/apprendimento che si pensa debbano essere poi utilizzati dagli studenti. Per fornire nuove conoscenze e richiedere l’applicazione di nuovi comportamenti didattici, è necessario mettere in atto delle strategie di formazione in servizio dei docenti che portino essi stessi alla costruzione di nuove conoscenze sulla base di quanto già posseduto: esiste un notevole parallelismo tra come possa avvenire una modifica nelle concezioni scientifiche degli studenti e come un cambiamento delle concezioni e dei metodi di insegnamento, da parte dei docenti, possa ( o debba) verificarsi [13]. Una modifica consapevole nella attività didattica dei docenti implica anche un notevole cambiamento concettuale [14].
Di conseguenza il modello di formazione su cui è stato costruito il Corso in Rete si basa sui seguenti presupposti:
- i docenti devono sperimentare il tipo di apprendimento che intendono fornire agli studenti;
- essi devono essere coinvolti nell’utilizzo di strumenti didattici progettati per favorire i discenti nella concettualizzazione dei modelli fisici e nell’acquisizione delle abilità connesse con le procedure di modellizzazione;
- essi devono essere impegnati in attività destinate a stimolare l’apprendimento attivo e la metariflessione;
- la formazione del docente deve essere collegata strettamente con la sperimentazione in classe delle innovazioni proposte.
Per metariflessione noi intendiamo l’attivazione di quelle procedure (talvolta chiamate abilità metacognitive) che dirigono e guidano l’analisi delle informazioni proprio dell’apprendimento, al fine di renderle esplicite, riconoscibili e riproducibili [15]. In particolare, ci riferiamo allo sviluppo del metapprendimento e delle pratiche di riflessione descritte da Shön [16], che sono state già applicate con successo in vari contesti dell’insegnamento scientifico [17], [18]. Shön afferma che tutti gli aspetti del controllo della pratica di insegnamento dovrebbero essere caratterizzati da aspetti che evidenzino attività nelle quali:
“attraverso descrizioni, dimostrazioni, domande, critiche, consigli una persona aiuta un’altra a riflettere sul proprio insegnamento in un contesto operativo: lo scenario è quello di una “Sala degli Specchi” dove vengono attivate procedure di insegnamento alla riflessione in un processo “simulato” in cui esse vengono applicate”.
Shön definisce [16] tale attività di apprendimento come il processo del “dare un senso alla complessità” introducendo un secondo dominio di riflessione importante per raggiungere l’obiettivo di apprendere ad insegnare: la “riflessione in azione”, cioè l’uso del pensiero per rivedere il processo di comprensione della complessità. Nell’ambito del Corso in Rete, le discussioni effettuate per via telematica, facilitate da moderatori, hanno avuto lo scopo di mettere in pratica questo tipo di apprendimento riflessivo.

Il corso in rete I.MO.FI.
Il Corso ha avuto due tipi di “attori”: i discenti (nel nostro caso gli insegnanti) ed i formatori (nel nostro caso i ricercatori del progetto). Esso si è sviluppato utilizzando tre categorie di funzionalità: la informazione da trasmettere sotto forma di documenti di testo e altro materiale, anche di tipo multimediale; l’interattività, cioè l’interazione uomo-macchina; e la comunicazione, tra discenti e docenti e tra pari.
Queste funzioni sono state fornite, in maniera integrata, durante il Corso in Rete che è stato diviso in tre fasi:
- Workshops in presenza, nei quali gli insegnanti venivano formati dai ricercatori del gruppo dell’Università locale nell’alfabetizzazione all’uso di Internet, della posta elettronica e dei programmi di acquisizione e analisi dati da utilizzare nel progetto (Excel, programmi MBL e Interactive Physics).
- Seminari in Rete, durante i quali gli insegnanti analizzavano i materiali didattici forniti tramite Internet, li discutevano usando la posta elettronica e un forum di discussione appositamente predisposto, al fine di programmare una loro individuale sperimentazione in classe di almeno una delle Unità di Apprendimento preposte (cioè una attività didattica riguardante la modellizzazione di una categoria scelta di fenomeni).
- Sperimentazione in classe dell’Unità di Apprendimento scelta e raccolta degli elementi di valutazione (”diari di bordo” degli insegnanti e materiali prodotti dagli studenti).
I contenuti di fisica di I.MO.FI. comprendono attività di modellizzazione in vari ambiti della meccanica e della termodinamica; i materiali e gli strumenti didattici utilizzati nel Corso in Rete erano stati precedentemente sperimentati in classi di scuola media superiore dai ricercatori dei gruppi delle Università o da insegnanti esperti. Il materiale didattico è strutturato in moduli progettati in modo da aiutare (tramite le Guide Docenti (GD) e le Schede Allievi (SA) ) gli insegnanti nell’implementare le attività di modellizzazione durante le loro lezioni in classe. Ogni Guida Docente è strutturata in modo da stimolare il docente stesso ad una analisi approfondita dei fenomeni da studiare in classe e da fargli acquisire le abilità di utilizzo degli strumenti didattici e/o le conoscenze di fisica prerequisito per la proficua sperimentazione dell’Unità di Apprendimento. Ogni modulo era supportato da uno specifico Seminario in Rete: la durata delle discussioni variava da 10 a 15 giorni, a seconda dei materiali da analizzare e/o dal software da utilizzare e dagli esperimenti da effettuare.

La struttura dei seminari in rete
I Seminari in rete erano strutturati in modo da integrare i seguenti aspetti:
- analisi approfondita della struttura del contenuto fisico;
- valutazione dei modelli spontanei degli studenti;
- costruzione di sequenze didattiche pilota tramite metariflessione sui bisogni di apprendimento.
Il punto di partenza di ciascuna delle procedure di modellizzazione fisica oggetto delle diverse Unità del corso è l’analisi di fenomeni facilmente osservabili; nelle Guide Docenti realizzate, il passaggio dalla fase osservativa alla fase di modellizzazione è strutturato in quattro parti da svolgere in successione:
- nella prima, si procede all’analisi delle concezioni tipiche degli studenti (i modelli spontanei) e vengono analizzati alcuni risultati di ricerca didattica;
- nella seconda, vengono messi in luce fenomeni di vita comune che possono essere correlati con la genesi dei modelli spontanei dei discenti;
- nella terza, vengono descritti esperimenti di facile realizzazione che evidenziano le grandezze fisiche rilevanti del fenomeno e le loro correlazioni;
- nella quarta, vengono analizzati aspetti diversi delle procedure di modellizzazione e si cerca di ampliare l’ambito fenomenologico, al fine di presentare modelli concettuali più complessi.
I partecipanti ai Seminari in Rete sono stati 12 ricercatori del progetto e i docenti coinvolti. La discussione, le riflessioni sui materiali e la trasportabilità di questi in classe venivano costantemente stimolate da due o tre moderatori (il coordinatore del progetto e gli autori dei materiali didattici da sperimentare); nel far ciò si è sempre cercato di stimolare le attività di riflessione, fondamentali allo scopo di “imparare ad insegnare”. I punti fondamentali dell’addestramento riflessivo erano domande e affermazioni atte a stimolare e incoraggiare il venir fuori di opinioni sui lavori svolti, critiche, descrizioni di situazioni di apprendimento, dimostrazioni di relazioni di causa/effetto, ecc. Tale attività era finalizzata a far sì che gli insegnanti potessero essere effettivamente coscienti delle strategie di apprendimento, delle abilità di auto-regolazione applicate nelle diverse fasi del loro lavoro e di come queste strategie e abilità fossero correlate agli obiettivi di apprendimento.
E’ importante rilevare che il lavoro degli insegnanti era finalizzato alla ricerca di modalità e strumenti idonei alla implementazione dei contenuti, proposti nel Seminario, nel contesto delle loro classi. Tale obiettivo specifico rendeva la interazione in rete poco “accademica” e realmente finalizzata a reali esigenze e difficoltà. Seguendo l’approccio da “Sala degli Specchi” di Shön, gli insegnanti e i moderatori hanno sempre agito in modo da scambiarsi le prospettive di lavoro: i moderatori non hanno mai cercato di risolvere un particolare problema, dedicandosi, invece, a introdurre nuovi elementi problematici al fine di mettere in luce la reale complessità delle situazioni. Il ruolo principale del moderatore è stato quello di mettere in atto strategie idonee a simulare le difficoltà incontrate da un tipico studente durante il processo di apprendimento e analizzarle, al fine di stimolare gli insegnanti a mettere in luce le loro difficoltà di insegnamento e a riflettere su quanto apprendevano. In sintesi, tale tipo di esperienza forniva ai docenti l’opportunità di condividere le modalità con cui affrontare le difficoltà, le domande e le situazioni problematiche poste dagli ambienti di insegnamento/apprendimento da sperimentare.
Durante la fase di sperimentazione diretta degli strumenti didattici in classe, l’esperienza dei ricercatori è stata fondamentale: l’osservazione dei nodi concettuali dei contenuti fisici e dei punti cruciali dell’uso degli strumenti didattici ha fornito informazioni assai utili per l’evidenziazione delle strategie didattiche opportune nei contesti analizzati.

Risultati preliminari
La sperimentazione pilota del Corso in rete è stata valutata utilizzando metodi qualitativi sia per l’acquisizione che per l’analisi dei dati. Tali metodi hanno implicato una attenta riflessione sui dati necessari alla identificazione di temi chiave [19] e delle loro interazioni. Sono stati raccolti vari tipi di dati tratti da:
- l’analisi delle discussioni via lista e-mail, inclusa la frequenza, la struttura dei messaggi e le loro caratteristiche;
- l’analisi delle discussioni nel forum;
- un questionario relativo ai lavori individuali;
- un questionario strutturato ed anonimo;
- i diari di bordo degli insegnanti e i commenti degli studenti sui lavori svolti in classe.
Tutti i materiali sono stati analizzati da almeno due ricercatori, quelli più complessi da tre ed in caso di discordanza venivano utilizzate delle tecniche di triangolazione [19].
L’analisi ha portato a risultati relativi a diversi aspetti connessi agli obiettivi del progetto. Riportiamo qui brevemente i più significativi:
- L’età dei docenti coinvolti nella sperimentazione era compresa tra i 35 e i 55 anni; la loro precedente esperienza nell’uso delle TIC era basata su attività volontarie e individuali; la quasi totalità ha dichiarato che il loro uso delle TIC nella pratica didattica era discontinua e frammentaria. La maggior parte degli insegnanti impegnata nelle attività del progetto confessava di non essere abituata a lavorare in team con i colleghi di fisica, specie nella progettazione di approcci didattici per le classi.
- Solo il 70% dei docenti che si erano registrati come partecipanti al Corso in Rete ha portato a termine i lavori. Quelli che hanno deciso di abbandonare, lo hanno fatto per due diversi tipi di problemi: difficoltà tecniche e mancanza di tempo. Il secondo problema è una diretta conseguenza del primo, in quanto i docenti stessi hanno dichiarato di aver sottostimato il tempo loro necessario per acquisire competenze tecniche sufficienti allo svolgimento delle attività programmate. I problemi di ordine tecnico possono essere distinti in due categorie: difficoltà di accesso a Internet e problemi nella gestione di hardware e software. I docenti che più attivamente hanno partecipato alle discussioni e ai Seminari in Rete avevano a disposizione un accesso a Internet da casa; la possibilità di accedere al Web da scuola è risultata scarsa, sia per motivi di tempo che per scarsa disponibilità di tali risorse nelle scuole di servizio. Molti insegnanti hanno, inoltre, fatto notare che gli incontri di formazione in presenza non erano stati sufficienti per ottenere la familiarità con l’hardware e il software necessaria ad usare questi ultimi strumenti con scioltezza e facilità durante le lezioni e contemporaneamente riuscire a partecipare in modo attivo alle discussioni in rete.
- Durante tutta la durata dei Seminari in Rete, sono stati scambiati 153 messaggi di posta elettronica tramite il server centrale, ma solo il 30% dei partecipanti ha inviato più di un messaggio. I messaggi scambiati nel forum sono stati 35; essi erano più strutturati e completi. È interessante notare che il coordinatore del progetto ha ricevuto ben 48 messaggi spediti al suo indirizzo e-mail personale: molti da parte di insegnanti che normalmente non partecipavano alle discussioni di gruppo, altri da docenti che richiedevano una valutazione personale delle attività di modellizzazione svolte o dei risultati sperimentali ottenuti in esperimenti specifici. La maggior marte dei docenti scarsamente partecipi alle discussioni sono risultati laureati in matematica; essi hanno dichiarato ai coordinatori locali di non sentirsi abbastanza “competenti in fisica” da partecipare attivamente alle discussioni in rete. Quest’ultimo punto pone la necessità di riflettere sull’ottimale composizione di un gruppo di discussione: esso deve essere omogeneo nella sua composizione o deve invece comprendere partecipanti con formazioni diverse? Entrambe le possibilità presentano vantaggi e svantaggi.
- Tutti i messaggi scambiati sono stati analizzata da due ricercatori diversi e suddivisi in cinque categorie sulla base della rilevanza del loro contenuto in relazione a :
A) Contenuto Fisico
B) Problemi Didattici
C) Procedure di Modellizzazione
D) Problemi con le TIC
E) Valutazionedegli studenti

Inoltre sono stati separati i messaggi pervenuti nella fase del Seminario in rete da quelli pervenuti nella fase di sperimentazione nelle classi.

La figura 1 mostra le percentuali di messaggi nelle varie categorie: le barre chiare rappresentano le percentuali di messaggi pervenuti durante il Seminario di analisi dei materiali, quelle tratteggiate le percentuali di quelli pervenuti durante la fase di sperimentazione. Quest’ultima fase è stata caratterizzata da una crescita significativa della percentuale di messaggi relativi ai contenuti fisici ed all’uso delle TIC: è possibile che l’utilizzazione in classe di ambienti di apprendimento poco strutturati stimola gli studenti e l’insegnante a riflettere in maniera più approfondita su aspetti del contenuto fisico e sulle diverse possibilità offerte dai supporti informatici.
- Le caratteristiche della comunicazione telematica (comunicazione scritta ed in tempo differito) ha facilitato la comunicazione: infatti, se da un lato è evidente il vantaggio offerto dalla possibilità di tempi e ritmi individuali, dall’altro è da notare che, rispetto alla comunicazione verbale, lo scambio di messaggi scritti rende possibile un maggior grado di sintesi e chiarezza.
- La quasi totalità degli insegnanti ha dichiarato nei questionari che la formazione on-line aveva arricchito molto la loro preparazione professionale: la possibilità di scambiare idee ed esperienze didattiche legate ad un progetto comune di gestione didattica della classe gioca un ruolo fondamentale nella crescita collettiva del gruppo.
I principi base di didattica metacognitiva che hanno mostrato la loro validità per la formazione degli insegnanti sono:
- l’enfatizzazione dei processi e delle attività di apprendimento piuttosto che dei risultati immediati;
- una riflessione sufficientemente profonda sulle strategie di apprendimento e sulle abilità di auto-regolazione.
L’applicazione di alcuni aspetti della pratica riflessiva di Schön nella formazione dei docenti ha molto facilitato questi nella riflessione sul loro insegnamento, nella programmazione dei lavori da svolgere e delle metodiche di gestione delle classi, in un modo che essi, in precedenza, spesso non erano stati in grado di fare o quanto meno di esplicitare. Tramite la riflessione, gli insegnanti sono riusciti a costruirsi una consapevolezza metacognitiva in termini sia di contenuti che di processi di apprendimento. A nostro avviso, questo approccio ha molto aiutato i docenti che hanno partecipato al progetto ad apportare miglioramenti significativi al loro approccio didattico.
L’analisi preliminare del questionario anonimo ha mostrato che la maggior parte dei docenti ha giudicato l’esperienza molto positiva, fornendo anche consigli utili al miglioramento delle attività svolte. Bisogna, tuttavia, considerare che un prerequisito fondamentale per l’utilizzo proficuo delle TIC nella pratica didattica giornaliera è una profonda conoscenza e familiarità con le tecnologie da utilizzare.
La stragrande maggioranza dei docenti coinvolti nel progetto ha chiesto di ripetere l’esperienza del Corso in Rete (evidenziandone ancora di più i contenuti fisici). A nostro avviso, il fattore che principalmente ha favorito la partecipazione attiva di tanti docenti al progetto è stato lo stimolante senso di appartenenza ad una comunità scientifica, pronta a supportare il singolo membro e ad ascoltarlo nei suoi bisogni didattici e culturali.

Bibliografia


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