didattica della fisica, ovvero: conoscenza scientifica & co .

1. didattica della fisica, ovvero:conoscenza scientifica & co. • la narrazione della scienza • il problema delle due culture • le didattiche della fisica • conoscenze di senso comune • letteratura divulgativa • risorse telematiche, informatiche e multimediali • le pseudo-scienze

2. La complessità dell’educazione scientifica • confronto fra metodo formativo e costruzione della scienza • contenuti e strategie • privilegi della metodologia sulla disciplina? • il problema dei livelli scolastici e delle finalità educative • la riflessione storica-epistemologica • la scuola come struttura per la trasmissione di conoscenze ed atteggiamenti

3. Sulle conoscenze di senso comune • modalità di elaborazione delle conoscenze scientifiche • modelli di concettualizzazione • rielaborazione e riorganizzazione dei saperi • costruzione della conoscenza e ruolo dell’insegnamento • alunno con prerequisiti disciplinari di senso comune caratterizzati da • regole • coerenze • campi di intervento e validità • centralità del linguaggio • condivisione/rifiuto di componenti scientifiche

4. La formazione dello “spirito scientifico” Nell’educare, la nozione di ostacolo epistemologico è misconosciuta. Spesso mi ha colpito il fatto che i professori di scienze – più ancora di altri, se ciò è possibile – non comprendono il fatto che si possa non comprendere. I professori di scienze immaginano che lo spirito cominci come una lezione, che si possa sempre correggere un’attitudine indifferente ripetendo una classe, e che si possa far comprendere una dimostrazione ripetendola punto per punto. Non hanno ancora riflettuto al fatto che l’adolescente arriva alle lezioni di fisica con delle conoscenze empiriche già costituite: si tratta, allora, non di acquisire una cultura sperimentale, bensì di cambiare la cultura sperimentale, rovesciando gli ostacoli già accumulati nella vita quotidiana. Bachelard, La formation de l’esprit scientifique, 1938

5. Conflittualità fra le conoscenze di senso comune e scientifica “La conoscenza scientifica è sempre più lontana dalla complessità della vita quotidiana: non serve conoscere la termodinamica del motore a scoppio per guidare una macchina. D’altra parte, la scienza capace di progettare centrali nucleari e shuttle spaziali ha difficoltà a spiegare l’equilibrio di una bicicletta, fatto alla portata di ogni bambino.” Meyer, 1990 Inoltre la scienza “da un lato è per definizione democratica, universalistica, aperta alla verifica ed al controllo di tutti. Ma per altro verso la scienza è altra cosa dalla pratica dell’uomo comune. E’, per definizione, separata, anzi postula la netta separazione tra teoria e pratica, affida il controllo ad esperti competenti, escludendo perciò totalmente il controllo democratico ed universale dell’uomo comune” Mazzonis e Cini, 1981

6. Origine della conoscenza scientifica… … dalla conoscenza di senso comune, con la progressiva e costante sostituzione del “conoscere per fare” con il “fare per conoscere”. Il senso comune descrive bene il reale, ma non lo spiega (perché è complesso); la conoscenza scientifica privilegia semplicità, coerenza e generalizzabilità per porzioni di realtà più circoscritte e limitate.

7. Realtà della conoscenza di senso comune legata a … • Fattori di percezione (come i sensi percepiscono forza, movimento, equilibrio, velocità …) • Il linguaggio (e la sua evoluzione storica: calore, peso, energia come “parole”) • Informazioni esterne (scolastiche ed extrascolastiche).

8. Fisica “intuitiva”

9. Impeto: antico o moderno ? ... ogni cosa mossa con furia seguiterà per l’aria la linia del movimento del suo motore. Se quello che muove la cosa in circulo, s’ella fia lasciata in quel moto, il moto suo fia curvo ... Impeto = quantità di moto?

10. La ricerca sulla conoscenza di senso comune • definizione operativa dei tipi di conoscenza (esistenza o meno di modelli, almeno materiali) • quale conoscenza è obiettivo nei processi di insegnamento ed apprendimento • modalità e finalità della ricerca • strumenti usati • interazione studente/ricercatore • dettaglio/ampiezza delle investigazioni • forma dati • ambiente (classe/laboratorio/casa) • periodi e tempi

11. Condizioni per un cambiamento concettuale • insoddisfazione rispetto alle conoscenze già presenti • comprensibilità di entrambe le concezioni • plausibilità per fatti ed informazioni preesistenti • applicabilità efficace a nuovi e vecchi fatti

12. Argomenti affrontati CONOSCENZA SCIENTIFICA e CONOSCENZA di SENSO COMUNE Analisi dell’incidenza di fattori scolastici ed extrascolastici sull’apprendimento della fisica M. Mayer – CEDE 1990 IPOTESI in VERIFICA • esistenza di schemi e teorie coerenti per situazioni del quotidiano all’interno di una visione “naturale” della fisica; • stabilità di questi schemi e persistenza successiva all’insegnamento; • interferenze del senso comune con i processi di apprendimento (“ostacoli epistemologici” nelle aree lontane dal senso scientifico); • debole o assente intervento del docente nel riconoscere non solo l’esistenza ma anche l’importanza degli schemi e teorie naturali. RICERCA su FORZE, INERZIA, PRESSIONE, GRAVITA’, LUCE, CIRCUITI ELETTRICI (temi significativi per la scienza ad ogni livello di realtà, naturale, scolastico, di ricerca).

13. La LUCE • A partire dalla parola, la “luce” è fenomeno pervasivo della nostra esistenza ma anche proprietà di alcuni oggetti (le “luci”). Di notte non c’è luce anche se vi sono le stelle. • La luce per vedere non è fortemente correlata con la luce che si propaga ! • Differenza fra luce e visione (per vedere la luce!): le regole della visione sono ben note – sia negli aspetti geometrici che nel colore – nelle quali gli occhi sono soggetti attivi (“lanciare un’occhiata … con uno sguardo penetrante”) • Difficoltà di verifica sperimentale della propagazione della luce (“la luce entra dalla finestra” ha valenza più che altro geometrica) • Problemi con gli specchi e le lenti

14. Percorso storico • Ottica geometrica, postulati euclidei • Raggi (astratti) che viaggiano in linea retta tutti con la stessa velocità • Proprietà per riflessione e geometrie in accordo con l’ottica moderna • Si riferiscono a raggi visuali provenienti dall’occhio! • Dibattito centrato sulle modalità di visione • Teoria emissionistica dei pitagorici • Raccolta di “idoli” emessi per l’azione del sole secondo gli atomisti • Incontro tra fluidi dei platonici • Modificazione del “diafano” percepita dagli occhi aristotelici • Sostanza della luce: dal medioevo ad oggi • Lux (qualità luminosa, soggettiva) e lumen (effetto provocato dalla luce, oggettivo) • rivoluzione ottica di Keplero (raggi luminosi emessi dalla sorgente) • Natura della luce (e dei colori) da Newton a Young, fino a Planck ed Einstein

15. Schema di senso comune

16. Schema scientifico

17. Test sulla luce • Lux e lumen • Propagazione rettilinea • Specchi • Colori Domande aperte e chiuse Cos’è la luce • Causa (15%) • Composizione (25%) • Effetti (15%) • Forma di energia (14%) • Caratteristiche (4%) • Luce che si vede (12%) • Definizione scientifica “integrata” (3%) • Definizione scientifica (12%)

18. Lux e Lumen nei test a risposta chiusa • stufa elettrica in una stanza illuminata dal sole: la stufa emette luce? • No • Si, la luce rimane intorno alla stufa • Si, la luce arriva a metà strada fra te e la stufa • Si, la luce arriva fino a te e si ferma • Si, la luce propaga fino ad un ostacolo • Si, la luce … • lampadina accesa in una stanza: cosa fa la luce emessa? • Rimane attorno alla lampada • Arriva a metà strada fra te e la lampada • Arriva fino a te e si ferma • Si propaga fino ad un ostacolo • …

19. Force Concept Inventory • Totalequestionarielaborati: 12 • Totalerispostericevute: 351 • Rispostecorrette: 235 (67%) • Casi “critici”: 2,5,8,11,15,16,17,18,22,23,25,26,30

20. Force Concept Inventory

21. Force Concept Inventory

22. Force Concept Inventory

23. Force Concept Inventory

24. Force Concept Inventory

25. Force Concept Inventory

26. Force Concept Inventory

27. Force Concept Inventory

28. Force Concept Inventory

29. Force Concept Inventory

30. Force Concept Inventory

31. Force Concept Inventory

32. Force Concept Inventory

33. MISCONCEZIONI in METEOROLOGIA Be very, very careful what you put into that head, because you will never, ever get it out. Thomas Cardinal Wolsey (1471-1530) • nuvole, umidità e spugne • pioggia e goccioline • effetto serra e radiazione • il gabinetto di Coriolis • la luna fredda • i lampi di calore • le date delle stagioni

34. La PRESSIONE? L'atmosfera, quest'ultima risulta formata da un miscuglio di aria contenente gas di varia natura che, venendo attratti verso il centro della Terra dalla forza di gravità ,esercitano sulla superficie di quest'ultima, una Pressione, che chiameremo "Pressione Atmosferica"; la Pressione Atmosferica quindi , è "la colonna d'aria che gravita sulla superficie terreste unitaria al livello del mare (quota 0)."

35. Sulle nuvole Le nuvole si formano quando l’aria si raffredda perché l’aria fredda non può contenere (hold) vapore come l’aria calda quando l’aria umida si raffredda si posso formare nubi (molto meglio) Le spiegazioni “universali” dell’aria satura e della spugna Valgono come 19/95=1/5 per avere semplificato la cifra 9! La storiella dello spazio ridotto fra le molecole e l’effetto “spugna”

36. Gocce di pioggia lacrimose La cultura della tradizione grafica: ma le gocce “vere” come sono fatte?

37. Gocce di pioggia lacrimose • Evidenze sperimentali: • Fotografiche • Teoriche • Indirette (arcobaleno, radar) La cultura della tradizione grafica: ma le gocce “vere” come sono fatte?

38. L’effetto serra Dal sito “nonsoloaria” (o soloaria?), www.nonsoloaria.com Il processo serra consiste in un riscaldamento del pianeta per effetto dell’azione dei cosiddetti gas serra, composti presenti nell’aria a concentrazioni relativamente basse (anidride carbonica, vapor acqueo, metano, ecc.). I gas serra permettono alle radiazioni solari di passare attraverso l’atmosfera mentre ostacolano il passaggio verso lo spazio di parte delle radiazioni infrarosse provenienti dalla superficie della Terra e dalla bassa atmosfera (il calore riemesso); in pratica si comportano come i vetri di una serra e favoriscono la regolazione ed il mantenimento della temperatura terrestre ai valori odierni. La terra è continuamente colpita dalla radiazione elettromagnetica emessa dal sole, parte di questa radiazione viene assorbita dall'atmosfera terrestre ma la grande maggioranza colpisce la crosta terrestre. Di questa radiazione parte viene assorbita dalla superficie, parte è riflessa come radiazione luminosa di varia frequenza (è per questo che noi vediamo le cose con i rispettivi colori) e parte viene riflessa come radiazione a lunghezza d'onda maggiore (tipicamente infrarossi). Sono proprio questi infrarossi che generano l'effetto serra: l'atmosfera (come il vetro di una serra) è quasi completamente trasparente alla luce visibile ma è estremamente opaca alla radiazione infrarossa pertanto gli infrarossi riflessi dalla superficie non "scappano" nello spazio ma restano racchiusi tra la superficie e gli strati alti dell'atmosfera (come in una serra dove sono intrappolati sotto i vetri). L’energia ricevuta complessivamente dalla superficie terrestre e dalla troposfera viene poi riemessa sottoforma di energia termica come raggi infrarossi. Alcune sostanze presenti in atmosfera (i gas serra) assorbono gran parte di questa radiazione per poi reirradiarlain tutte le direzioni. Circa il 6% di questa energia si perde nello spazio, parte viene riassorbita nuovamente dai composti atmosferici, mentre la quantità maggiore dell’energia viene reirradiata verso la terra, riscaldandola. I gas serra agiscono così come i vetri di una serra: fanno passare la luce solare e trattengono il calore.