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Un ambiente telematico per costruire un ponte tra il concreto e i modelli fisici

16 dicembre 2002 | di Marisa Michelini e Lorenzo Santi Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell'Università di Udine

Educazione scientifica ed educazione informale

La scienza riguarda la natura e pertanto il concreto deve essere il costante e continuo riferimento del processo di apprendimento scientifico[1]. Come ampiamente riportato in letteratura [2], la mancanza di un ponte tra le idee di senso comune e l’insegnamento scientifico è una delle principali sorgenti di problemi di apprendimento. L’operatività quotidiana può essere considerata la base dell’educazione informale, in quanto produce potenzialità risonanti per l’apprendimento e contribuisce a creare un ponte tra l’esperienza individuale e la conoscenza scientifica. L’educazione informale, oggi sempre più frequentemente proposta con mostre interattive [3] trova le proprie basi in questa valorizzazione dell’operatività [4].
L’Unità di Ricerca in Didattica delle Fisica dell’Università di Udine ha sviluppato una proposta operativa per l’educazione informale caratterizzata da una pluralità di attività mirate a promuovere esplorazioni sperimentali di tipo manipolativo. Tale proposta si incardina nella mostra Giochi Esperimenti Idee (GEI) [5], che comprende una collezione di 120 esperimenti facilmente riproducibili ed altri materiali di supporto (schede, video e piccolo software) [6] all’esplorazione sperimentale individuale o a picoli gruppi. Le sezioni di GEI sono: meccanica, calore e temperatura, elettricità, magnetismo, circuiti elettrici, ottica, chimica ed astronomia. GEI si propone come fonte di materiali da provare, con cui giocare, con cui fare esperimenti, esplorando idee ed usando idee per esplorare fenomeni: esperimenti da fare e non solo da guardare in un ambiente aperto [7]. Le ricerche condotte [8, 9,10] hanno evidenziato quanto e come l’esplorazione spontanea in un contesto aperto possano favorire i processi di formalizzazione e l’interpretazione rigorosa dei fenomeni. L’esigenza di diffondere le proposte [11] e stimolare la progettualità ha portato a realizzare uno strumento multimediale interattivo in rete telematica: Geiweb [12].

L’ambiente multimediale: Geiweb
Esso comprende schede e immagini per illustrare le proposte sperimentali, percorsi didattici suggeriti, ambienti di ausilio all’apprendimento come un glossario concettuale, un ambiente di modelli analogici, sensori interfacciati per misure on-line, ambienti di disegno, grafica e scrittura. L’organizzazione dei contenuti è a rete, con ambienti differenziati a seconda delle tematiche. Il software offre un’avanzata interfaccia utente amichevole ed intuitiva, e si basa sull’integrazione di materiale multimediale, applets interattivi e documentazione utile.
La natura ipertestuale, realizzata con molteplici opzioni in diversi nodi sempre collegati tra loro, presenta un carattere di forte flessibilità, permettendo scelte di percorsi, di approfondimenti e di associazioni concettuali che rispettano le diverse specifiche necessità informative degli utenti. La struttura è a rete. Per molte delle Sezioni presenti sono state sviluppate aree di supporto: modelli, glossario, sperimentazioni didattiche, usi didattici, esperimenti della GEI, archivio di altri esperimenti, domande di controllo, estensioni ed approfondimenti, strumenti interattivi.
Grazie ad alcuni programmi scritti in linguaggio Java (applets), l’interattività viene impiegata in GEIWEB per la descrizione, la rappresentazione di dati e processi, il calcolo, la costruzione di mappe concettuali, la modellizzazione e la rappresentazione della struttura concettuale delle conoscenze acquisite.

Modellizzazione oggettuale in rete telematica
Il vedere è soggettivo e non formalizzabile, anche se è riconosciuto essere la base dell’apprendere[13]. Il dato iconico è un elemento indispensabile della conoscenza in quanto trasmette informazioni, che la parola da sola non consente. La contiguità dell’icona con il referente empirico [14] favorisce la percezione, il riconoscimento, l’identificazione, facilitando la relazione tra nuova informazione e precedente esperienza del ricevente.
I codici iconici non presentano una sintassi adeguata alla comunicazione di concetti astratti ovvero alla metacomunicazione. Essi devono essere associati a significati formali di un contesto interpretativo. In tal modo aiutano a superare le difficoltà di tipo cognitivo per l’apprendimento dei codici formali.
Per offrire ai ragazzi le potenzialità di raccordo tra un contesto concreto, la sua immagine e il modello fisico, impadronendosi delle valenze interpretative, si propone in Geiweb un impiego gradualmente più estensivo dell’icona per una forma di costruzione del pensiero formale. Tale proposta può considerarsi un’attività di modellizzazione, che prende spunto dagli oggetti stessi per costruire il modello fisico utile all’interpretazione.
Uno dei quattro applet Java di Geiweb integra ambienti di scrittura, di disegno e di graficazione per rapporti qualitativi e previsionali su fenomeni considerati.
Esso consente di importare l’immagine di un oggetto con cui si è sperimentato e di sovrapporre ad essa dei simboli iconici, destinati a diventare la rappresentazione fisica del sistema, scaricando l’immagine, quando il modello ha assunto la completezza di significati necessaria a renderlo rappresentativo della situazione. La guida a scegliere simboli iconici adeguati è la mediazione culturale che permette di passare dalla rappresentazione spontanea ed iconoca a quella fisica, generale e formalizzabile.
La multimedialità e l’interattività diventano potenti strumenti cognitivi, come la sperimentazione di questa proposta ha messo in evidenza in diverse esperienze, effettuate nell’ambito di progetti di diffusione culturale [15].
Vediamo tre casi, che evidenziano il potente aiuto per l’apprendimento dell’attività proposta.

1 – Gli zampilli dell’acqua dai fori praticati allo stesso livello di una bottiglia
Sulla fotografia della situazione si schizzano le traiettorie degli zampilli e poi si riconoscono essere delle parabole e si discute sull’implicazione associata a questo riconoscimento, che permette di sostenere che l’acqua fuoriesce con la stessa pressione in tutte le direzioni.

2 – Le immagini multiple di un oggetto davanti a due specchi posti ad un certo angolo
Si fotografa la situazione e si comincia ad applicare la legge della riflessione, disegnando sull’immagine (tracce rosse). Il prolungamento dei raggi riflessi fa ritrovare l’immagine virtuale (gialla).

Considerando la sua riflessione nell’altro specchio (tracce gialle) si può trovare la sua immagine nell’altro specchio (blu) e confermarne la posizione alla convergenza dei raggi riflessi. Scaricando la fotografia della situazione si può cominciare a ragionare sulle proprietà della rappresentazione iconica e sulla sua generalizzazione in termini formali.

3 – L’equilibrio sul piano inclinato

È noto come gli studenti trovino difficoltà a rappresentare e discutere correttamente le forze agenti in una situazione di equilibrio, come quella di una macchinina tenuta con un dinamometro fissato all’estremità di un piano inclinato.
Importando la fotografia e cominciando a rappresentare con gradualità la forza esercitata dal dinamometro (gialla), il peso verticale (rosso) e la reazione vincolare normale al piano (verde), costruiscono il modello fisico del sistema e consolidano soprattutto le proprietà della reazione vincolare.

Osservazioni conclusive
Gli strumenti interattivi implementati in Geiweb permettono di costruire proposte originali di utilizzo di strumenti telematici per favorire i processi di formalizzazione e gli aspetti metodologici dell’apprendimento scientifico. Essi consentono la registrazione e l’elaborazione delle informazioni, in linea ed in locale.
Si favorisce in tal modo lo sviluppo delle idee degli studenti, promuovendo un’operatività organizzata da idee interpretative e una progettualità mirata. Alcune di queste proposte sono state sperimentate con studenti ed insegnanti. I risultati hanno permesso di verificarne la validità per la ricerca e per l’apprendimento, e di migliorarne ampie parti.
La dimensione telematica, sviluppata per questo prototipo, permette uno studio di ricerca-azione e di sperimentazione nella scuola.

Riferimenti bibliografici
[1] La letteratura è vastissima: citiamo soltanto due volumi di rassegna: J G Jones, J L Lewis ed., The role of the Laboratory in Physics Education, Girep-Icpe Conference, Oxford 1978; Aa. Vv., Strategie di insegnamento della fisica: il ruolo del problema e il ruolo del laboratorio, Speciale de La Fisica nella Scuola, XXVII, 4, 1994
[2] H Pfundt, R Duit, Bibliography: students’ alternative frameworks and science education, IPN (1993), University of Kiel, Germany; ; D H Jonassen, Objectivism versus constructivism: do we need a ne philosophical paradigm?, Educational Technology Research and Development, 39, 3 (1991), p.5; T M Duffy, D H Jonassen, Constructivism and the technology of instruction, Hillsdale, New Jersey, Erlbaum (1992); D P Ausbel, Educational psycology: a cognitive view, New York, Holt, Rinehart and Winston, 1968.
[3] Physics Education special issue on hands-on science, vol.25, N.5, 1990.
[4] B Honeyman, Science Centres: Building bridges with teachers, Sci.Educ.Int., Vol.7. N.3, 1996
[5] Games Experiments, Ideas – From Low cost materials to computer on line, (Forum, Udine, 1996)
[6] G Meneghin, M Michelini, Un ipertesto per studiare e contribuire all’apprendimento dei concetti di termologia a 11-16 anni, La Fisica nella Scuola XXXI, 1 Supplemento, 1998; S Bosio, G Calogero, M Michelini, Un software a supporto dell’esplorazione sperimentale in un contesto di educazione informale, La Fisica nella Scuola XXXI, 1 Supplemento, 1998
[7] G Bosatta, M Bosia, S Bosio, G Candussio, V Capocchiani, D Ceccolin, P De Zorzi, L Marcolini, MC Mazzadi, M Michelini, GL Michelutti, S Pugliese Jona, L Santi, C Sartori, ML Scillia, A Stefanel, Giochi, Esperimenti, Idee (GEI): una mostra per realizzare un ponte tra lo sperimentare quotidiano e l’attività scolastica, La Fisica nella Scuola XXXI, 1 Supplemento, 1998; S Bosio, M Michelini, C Sartori, A Stefanel, GEI, Giochi, esperimenti, idee. Dal materiale povero al computer on-line: 120 esperimenti da fare e non solo da guardare, in Didattica della Matematica e realtà scolastica, a cura di B D’Amore,Pitagora ed., Bologna, 1997
[8] S Bosio, V Capocchiani, M Michelini, Giochi Esperimenti Idee: discussione di proposte di attività didattica con insegnanti, La Fisica nella Scuola XXXI, 1 Supplemento, 1998
[9] S Bosio, V Capocchiani, M C Mazzadi, M Michelini, S Pugliese, C Sartori, M L Scillia, A Stefanel, Playing, experimenting, thinking: exploring informal learning within an exhibit of simple experiments, in Proceedings of GIREP-ICPE International Conference – Ljubljana 1996; S Bosio, V Capocchiani, MC Mazzadi, M Michelini, S Pugliese Jona, C Sartori, ML Scillia, A Stefanel, Indagine sulle modalità di formazione delle conoscenze scientifiche e sulla formazione delle idee spontanee in contesto operativo, La Fisica nella Scuola XXXI, 1 Supplemento, 1998
[10] S.Bosio, M, Michelini, S.Pugliese Jona, C.Sartori, A. Stefanel, A research on conceptual change processes in the context of an informal educational exhibit, E.S.E.R.A. (European Science Education Research Association) Conference Book, Science Education Research in Europe, Rome, 1997; S Bosio, V Capocchiani, M Michelini, S Pugliese Jona, C Sartori, ML Scillia, A Stefanel, Una ricerca sui processi di cambiamento concettuale nel cuore di una mostra di educazione informale, in Didattica della Matematica e realtà scolastica, a cura di B D’Amore,Pitagora ed., Bologna, 1997
[11] M Michelini, C Startori, Esperienze di laboratorio didattico in una struttura di raccordo scuola-università, Università e Scuola, III, 1/R, 1998
[12] S Bosio, A Di Pierro, G Meneghin, M Michelini, P Parmeggiani, L Santi, A multimedial proposal for informal education in the scientific field: a contribution to the bridge between everiday life and scientific knowledge, European Multimedia Workshop, Lille, 1998; International Conference on Science Education for the 21st Century – SciEd21 Book, K Papp, Z Varga, I Csiszar, P Sik eds, Szeged University, Hungary 1999; www.uniud.it/cird/Gei
[13] U Eco, Trattato di semiotica generale, Bompiani, 1975
[14] Cfr. Watzlawick, Prammatica della comunicazione umana, ASTROLABIO 1968 [15] M Michelini, A Mossenta, The EPC Project – Explorating Planning, Communicating, in Physics Teacher Education Beyond 2000 (Phyteb2000), R.Pinto, S. Surinach Eds., Girep book – Selected contributions of the Phyteb2000 International Conference, Elsevier, 2001, p. 457


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