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Editoriale

18 febbraio 2003 | di Silvia Caravita
Simulazioni e ambienti virtuali nella didattica e nella formazione

La simulazione da sempre è una componente dei nostri processi di ricerca di conoscenza. Si potrebbe persino dire che anche i miti rispondevano alla esigenza di creare mondi nei quali le cose accadono secondo regole definite dagli uomini ma “allusive” o analoghe a quelle che si riteneva tenessero insieme la realtà e le sue fenomenologie. Produrre metafore, fare analogie, fare modellini funzionanti, inventare bestiari fantastici o mondi possibili come Flatlandia, fare giochi strategici o di ruolo, ecc.,

sono stratagemmi del pensiero umano che integrano intuizione e “immaginazione vincolata” per provare a vedere se le cose stanno proprio come sembra che stiano. Le pratiche dei laboratori scientifici sono modi sapienti, che sono co-evoluti nel corso della storia insieme alle tecnologie, per mettere alla prova le idee su ricostruzioni semplificate di eventi. Le manipolazioni di fattori e di variabili che sono possibili su scale ridotte rispetto alla realtà raffinano la comprensione di questa e se corrispondono a modelli corretti e coerenti producono risultati che saranno trasferibili, con una certa approssimazione, a fatti che si svolgono su scale diverse di dimensione, di spazio, di tempo.
Le tecnologie della computazione hanno offerto uno strumento ulteriore per costruire rappresentazioni della realtà e soprattutto per intervenire contemporaneamente su un numero enorme di parametri che definiscono queste ricostruzioni, su relazioni e interazioni, visualizzando in modo qualitativo e quantitativo le conseguenze delle manipolazioni stesse. Mentre l’esperimento in laboratorio deve misurarsi comunque con la realtà dei fatti che possono “resistere” alle previsioni del ricercatore e quindi alla teorie su cui queste si fondano, l’esperimento in un mondo virtuale mette alla prova la coerenza interna del modello teorico che sta alla base della sua programmazione. La teoria incorporata nel programma deve produrre fenomeni che corrispondono ai fenomeni osservati nella realtà. Il confronto con i fatti concreti resta quindi necessario, ma può ricevere dalla simulazione nuove direzioni di ricerca perché dal funzionamento della realtà simulata sul computer possono emergere predizioni nuove.

Simulazione e istruzione
Laboratori virtuali e simulazioni a diversi livelli sono utilizzati ormai non solo in vari campi della ricerca scientifica, ma in molti ambiti di attività, soprattutto in quelli che si confrontano con fenomeni e sistemi complessi, che possono avvalersi dell’intelligenza artificiale per superare le limitazioni di calcolo della mente umana. Presentano molti vantaggi tra cui: integrazione tra discipline, maggiore libertà di manipolazione di fattori, gran numero di risultati, rapidità, costi inferiori.
Naturalmente addestramento in ambienti virtuali e esercizi di simulazione sono entrati anche nella formazione professionale, per esempio di medici, ingegneri, piloti, urbanisti, economisti. E’ ancora poco diffusa la loro introduzione negli ambienti d’apprendimento scolastico, come strumenti che integrano le attività pratiche del laboratorio e fanno evolvere quei processi di modellizzazione che troppo spesso non seguono al “fare” o restano compressi in tempi troppo stretti.
Anche la costruzione e il mantenimento di un acquario sono un esercizio di simulazione, dato che si riduce il numero delle componenti in relazione tra loro, si agisce su variabili per fare avvenire fenomeni e si osservano gli effetti; queste attività però si arricchiscono di significato se venissero tradotte in modelli sui quali continuare ad operare. Lo scopo del tenere un acquario non è solo conoscere le componenti di un ecosistema acquatico ma capire come un sistema di questo tipo funziona a partire dall’analisi di un caso semplice. Però la comprensione dei meccanismi che determinano l’apparenza delle cose non è sempre un obbiettivo perseguito dall’istruzione, purtroppo.
Ad esempio, l’insegnamento della storia dovrebbe avere soprattutto lo scopo di spiegare e comprendere il passato per dare strumenti che servano a capire la società presente, e non limitarsi al racconto e alla storia locale, come giustamente rileva anche Parisi argomentando l’utilità di utilizzare ambienti di simulazione anche in questo ambito disciplinare (Parisi, 2001).
Una interessante discussione sulle relazioni tra scienza e tecnologia, sulla complementarietà di processi nella traduzione dal mondo reale alla sua rappresentazione, si trova in un articolo nel quale vengono descritti i processi di insegnamento/apprendimento attivati in classi di scuola elementare nelle quali i bambini sono stati impegnati nella costruzione di artefatti o “macchine”. (Roth, 2001). Si trattava in quel caso di modelli tecnologici accessibili all’esperienza dei ragazzi piuttosto che di rappresentazioni più astratte e inaccessibili alla conoscenza diretta.

Vari modi di integrare simulazioni nell’insegnamento
Come si può vedere anche dagli articoli inclusi in questo numero, ci sono vari modi di utilizzare le potenzialità del computer di produrre rappresentazioni, simulazioni intese in senso più o meno forte: ci sono programmi che permettono di interagire con oggetti o con interlocutori veri ma virtuali, con situazioni che emulano episodi di vita reale, con visualizzazioni di oggetti e processi non esperibili nella realtà, con micromondi, con modellizzazioni di sistemi. Quest’ultima alternativa è quella più vicina alle modalità di uso da parte della ricerca, come nel caso della Vita Artificiale.
Ma si differenziano anche i modi di integrare questi mondi virtuali nell’insegnamento. La maggior parte degli studi riportati in letteratura riguarda l’educazione scientifica, in Fisica soprattutto, e il livello dell’istruzione secondaria o della formazione degli insegnanti (per una breve rassegna vedi: Bliss and Ogborn, 1994; Stratford, Krajcik and Soloway, 1998; Dede et alt., 1999; de Jong et alt., 1999: Lin and Lehman, 1999; Barab et alt., 2000; Erradi et alt., 2002 . In alcuni casi si sottolinea l’importanza dell’interazione con modelli della realtà per far emergere “in situazione” e “in azione” i modelli degli studenti (Cognition and Technology Group at Vanderbilt, 1993). Questi concretizzandosi in visualizzazioni possono più facilmente essere messi in comune ed essere oggetto di discussione con i compagni, ma anche essere oggetto di riflessione per sé, avere cioé valenza metacognitiva.
In altri casi, si privilegia la possibilità di inserire gli ambienti artificiali in quello che alcuni Autori ritengono essere momento cruciale del processo di cambiamento concettuale: l’insorgenza del conflitto cognitivo. Il problema dell’insegnante è attirare l’attenzione degli studenti su “eventi discrepanti” da quelli spiegati con i modelli posseduti ed elaborati in base alle loro pre-conoscenze. Il vantaggio dei micromondi sta nel fatto che gli studenti possono liberamente sperimentare, esplorare e riconciliare un conflitto concettuale tra le loro idee e le osservazioni che vanno facendo.
Questa caratteristica di ambienti d’apprendimento “aperti”, dove non ci sono procedure pre-fissate e risultati previsti come spesso accade in finte sperimentazioni nei laboratori scolastici, è riconosciuta da molti Autori. Altrettanto riconosciuta però, è la funzione centrale dell’insegnante che modella una mente interrogativa, critica e riflessiva, e prepara un contesto ricco di altre risorse
Ci sono poi esperienze didattiche nelle quali i laboratori virtuali hanno la funzione di far evolvere negli studenti i modi di costruire conoscenze scientifiche, per esempio il controllo di più variabili. A questo scopo vengono implementati programmi che prevedono una esposizione graduale a modelli dei fenomeni o anche a modelli errati, in modo da stimolare un progressivo raffinamento di metodologie e spiegazioni a partire da condizioni più vicine al livello di conoscenza dei ragazzi.

Rischi dell’uso didattico delle simulazioni
Una limitazione che dovrebbe essere ben presente agli educatori riguarda il grado di consapevolezza che lo studente ha delle caratteristiche di un laboratorio virtuale e del suo funzionamento.
Chi utilizza la simulazione come verifica delle teorie e partecipa alla costruzione del programma informatico che rende operativa la simulazione, è costretto ad esplicitare e precisare ogni concetto della teoria, a riempire i buchi eventuali, a rendere organica la relazione tra le proposizioni che la compongono. E’ ben cosciente della logica sottostante il funzionamento del mondo ricreato, oltre che delle scelte fatte nel delimitare gli ambiti di realtà a cui la teoria si applica, del grado di semplificazione dei fatti, sostanzialmente dei vincoli imposti alla costruzione virtuale entro i quali le interpretazioni dei risultati sono legittime.
Lo studente si trova in una posizione del tutto diversa, e può essere indotto a trasferire automaticamente dal simulato al reale conclusioni ricavate dalle sue manipolazioni. Affinché ciò non avvenga dovrebbe, in una certa misura, poter fare lo stesso percorso dello scienziato e cioè arrivare all’uso della simulazione a partire dalla osservazione dei fatti e dalla elaborazione di modelli in forma concreta. Approcci pedagogici di questo tipo sono praticati e si sono dimostrati fruttuosi. Barab et alt (2000), ad esempio, descrivono un contesto educativo dedicato all’ astronomia che sosteneva gli studenti a guidare sia il processo di implementazione dell’ambiente di modellizzazione sia il loro apprendimento. Il lavoro era organizzato attorno ad un artefatto condiviso, attorno ad un progetto, con articolazione tra lavoro individuale e di gruppo, tra attività locale e confronto con l’esterno. Le interviste di monitoraggio hanno mostrato che all’inizio della costruzione dei modelli i ragazzi tipicamente fanno riferimento ad un loro modello mentale di come doveva essere il prodotto finito. In seguito, raccogliendo informazioni da libri, attraverso le discussioni in classe, le interazioni con gli istruttori, sviluppano ed evolvono nuovi significati che si concretizzano in modelli costruiti con il software. La presentazione visiva ed il discorso non sono statici ma continuamente interagiscono in modo fluido.
La funzionalità sociale degli ambienti virtuali, la importante connessione tra manipolazione, discorso e organizzazione delle idee appaiono evidenti anche negli articoli di questo numero. Nelle situazioni descritte da Ligorio e Cacciamani il discorso che si fa comunicazione scritta assume un valore metacognitivo ancora più forte.
Così come è sottolineata l’importanza, specialmente per gli studenti più giovani, di mantenere il collegamento tra il concreto e il virtuale, anche come stimolo a “ri-guardare” la realtà nota con occhi più consapevoli.
Le qualità estetiche dei mondi virtuali sono anche un aspetto da non sottovalutare.
Ci si può augurare che nei programmi universitari di formazione degli insegnanti sia inclusa la conoscenza critica di questi strumenti e che questo stimoli e orienti anche le imprese produttrici di software.

Per approfondimenti
Barab S.A., Hay K.E., Barnett M. and Keating T. (2000), Virtual solar system project: building understanding through model building, Journal of Research in Science Teaching 37 (7), 719-756.
Bliss J. and Ogborn J. (1994), Force and motion from the beginning, Learning and Instruction 4, 7-25.
Cognition and Technology Group at Vanderbilt (1993), Anchored instruction and situated cognition revisited, Education Technology 33, 52-70.
Dede C., Salzman M.C., Loftin R.B. and Sprague D. (1999), Multisensory immersion as a modelling environment for learning complex scientific concepts. In W Feurzeig and N. Roberts (Eds.), Computer modelling and simulation in science education (pp. 282-319), New York. Springer Verlag.
De Jong T., Martin E., Zamarro J-M.,Esquembre F., Swaak J. and Van Joolingen W.R. (1999), The integration of computer simulation and learning support: an example from the Physics domain of collisions, Journal of Research in Science Teaching 36 (5), 597-615.
Erradi M. et alt. (2002) La simulation informatique: outil d’aide à l’apprentissage de la chimie des solutions, Didaskalia 21, 123-135.
Jonassen D. and Land S.M. (Eds.) (2000), Theoretical foundations of learning environments. Mahwah, NJ. Lawrence Erlbaum Associates.
Lin X. and Lehman J.D. (1999), Supporting learning of variable control in a computer-based Biology environment: effects of prompting college students to reflect on their own thinking, Journal of Research in Science Teaching, 36 (7), 837-858.
Parisi D. (2001), Simulazioni. La realtà rifatta nel computer, Bologna. Il Mulino.
Parisi D. (2001), Le dimulazioni e la storia, TD 24 (3), 27-40.
Stratford S.J., Krajcik J. and Soloway E. (1998), Secondary students’ dynamic modelling processes: analysing, reasoning about synthesizing, and testing models of stream ecosystems, Journal of Science Education and Technology 7 (3), 215-234. Roth W-M. (2001), Learning through technological design, Journal of Research in Science Teaching 38 (7), 768-790.


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