La ricerca in didattica della fisica:
temi e problemi
Ugo Besson
Università di Pavia - Dipartimento di fisica
Centro di ricerca per la didattica e la storia delle scienze
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La didattica della fisica:
definizioni e temi di ricerca
L’insegnamento dell’energia:
problemi, approcci e strategie
Un percorso didattico sugli effetti
termici della radiazione e l’effetto serra
Ugo Besson
Università di Pavia
Ricerca in didattica della fisica
Incontri di fisica 2011
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La didattica della fisica, e in generale di una disciplina,
studia l'insegnamento e l'apprendimento, in ciò che essi
hanno di specifico per la disciplina stessa.
Si distingue dalla pedagogia e dalla psicologia dell'apprendimento, poiché tratta
di fenomeni e problemi collegati con la specificità del contenuto disciplinare,
non riducibili né risolubili in un quadro generale psicopedagogico.
Nasce in contrasto con due idee diffuse, opposte e simmetriche:
• l’idea di una didattica indipendente dai contenuti o pedagogia
generale, l’arte di insegnare tutto a tutti ;
• l’idea di una didattica basata solo sui contenuti, se conosci bene la
materia, la sai anche insegnare bene, sapere è saper insegnare.
Studiare problemi e soluzioni relativi
all’apprendimento di specifici contenuti.
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Pone al centro del suo interesse
il triangolo allievo – insegnante – sapere,
e la costruzione di efficaci situazioni didattiche.
I lati a dominanza epistemologica (S-I, elaborazione e analisi dei
contenuti), psicologica (A-S, concezioni e rappresentazioni,
strategie di appropriazione), pedagogica (I-A, interazioni didattiche
in classe) e al centro la costruzione delle situazioni didattiche.
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Ricostruzione o trasposizione didattica
Una disciplina scolastica non è il calco semplificato della
disciplina universitaria o accademica.
Una costruzione intermedia fra la fisica del fisico e la fisica
dell’allievo
Ricostruzione, rielaborazione
Oggetto
scientifico
Trasposizione
Oggetto da
insegnare
esterna
interna
Decontestualizzare
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Oggetto
d’insegnamento
Perdita di senso
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Concezioni degli studenti.
Gli studenti già possiedono schemi interpretativi, idee e
concezioni su molte situazioni fisiche.iche
La didattica delle scienze ha una svolta e un suo momento fondante
come disciplina autonoma negli anni ’70, con lo sviluppo delle
ricerche sulle concezioni alternative degli studenti.
Bruner. Piaget. Il cognitivismo. I progetti del dopo Sputnik.
Ausubel (1968): “Il singolo fattore più importante che influenza
l’apprendimento sono le conoscenze che lo studente già possiede. Accertatele
e comportatevi in conformità nel vostro insegnamento”, “il sussistere di
preconcetti è il fattore singolo più importante nell’acquisizione e nella
ritenzione delle conoscenze in una data materia … questi preconcetti sono
sorprendentemente tenaci e resistenti all’eliminazione”
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Bachelard introduce l'idea di ostacolo epistemologico e pedagogico,
“gli insegnanti non capiscono perché gli studenti non capiscono”.
Spesso gli studenti sbagliano non per distrazione o incapacità, ma perché
la pensano diversamente. Lo statuto dell’errore è alterato profondamente:
non si tratta solo di sbagli, ma anche di differenti modelli interpretativi.
Con questo sfondo culturale, si sviluppano rapidamente le
ricerche sulle concezioni alternative degli studenti.
La terminologia utilizzata varia col tempo, secondo le aree
culturali ed i quadri interpretativi:
pre-conceptions, misconceptions, prior ideas, alternative
frameworks, children science, rappresentazioni mentali,
ragionamenti spontanei, concezioni difformi...
Si ritrovano concezioni simili in ambiti geografici e culturali molto
differenti tanto da fare pensare ad una specie di “fisica spontanea”,
come un risultato di ricerca fondamentale e stabile.
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Una volta riconosciuta l'importanza delle rappresentazioni mentali
degli allievi, si studiano le strategie di cambiamento concettuale,
che favoriscano il passaggio dalla concezione difforme ad una
concezione coerente con gli obiettivi dell’insegnamento.
Alcuni sottolineano la continuità (diSessa, Clement, Brown, Vosniadou,
Weil-Barais... anche Piaget) fra idee comuni e conoscenza scientifica e
considerano le pre-concezioni come risorse, altri insistono sulle rotture
ed il conflitto cognitivo (Hewson, Strike, Posner... e Bachelard) e
considerano necessario un cambiamento concettuale, come una personale
fase di rivoluzione scientifica.
Con riferimento a Vygotsky, che attribuisce alle interazioni sociali e al
linguaggio un ruolo centrale nello sviluppo cognitivo, molti parlano di un
conflitto socio-cognitivo come motore del cambiamento concettuale,
suggerendo situazioni didattiche che favoriscano la creazione di un dibattito
scientifico in classe e alla relazione e discussione fra pari.
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La progettazione di percorsi d’insegnamento e apprendimento
Utilizzare i risultati ottenuti per costruire situazioni didattiche che
consentano agli studenti di capire e di migliorare l’apprendimento.
Percorsi o sequenze d'insegnamento e apprendimento
(Teaching learning sequences, TLS), basati sui risultati delle
ricerche sulle concezioni di senso comune e sui processi di
apprendimento relativi a specifici contenuti scientifici.
Il problema dello scarto fra le elaborazioni
della ricerca didattica e la realtà scolastica.
L'importanza dell'insegnante, molte ricerche
si sono concentrate sullo studio del ruolo e
la formazione degli insegnanti.
Apprendimento come costruzione di conoscenza.
L’insegnante come preparatore e mediatore
nell’evoluzione cognitiva dell’allievo.
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Pedagogical content knowledge PCK
(Shulman 1986) :
“un amalgama speciale di contenuto e di pedagogia, che è caratteristica unica
dell’insegnante, una sua specifica forma di comprensione professionale”
 comprensione di ciò che rende un argomento facile o difficile, le concezioni
e rappresentazioni mentali degli studenti;
 strategie didattiche per riorganizzare gli schemi esplicativi degli studenti,
superare le concezioni errate e assimilare nuove conoscenze;
 strumenti di rappresentazione e comunicazione (analogie, illustrazioni,
esempi, spiegazioni, dimostrazioni).
L’apprendimento non è
un semplice trasferimento Pre-concezioni,
di conoscenza
stili cognitivi
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L’insegnamento non ha
successo se ignora le
conoscenze e le modalità
cognitive dell’allievo
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Temi di ricerca della didattica della fisica
Concezioni e rappresentazioni mentali
Storia e filosofia
della scienza
Didattica
informale
Ruolo degli
esperimenti
Cambiamento concettuale
STS - Scienza
tecnica e società
Tecnologie
informatiche
Modelli e
analogie
Risoluzione
dei problemi
Sequenze d’insegnamento - apprendimento
Ruolo e formazione degli insegnanti
Argomentazione
scientifica
… …
… … Rilanciare l’interesse dei giovani per lo studio delle
materie scientifiche e della Fisica.
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Subject matter
History of
Science
Philosophy
of Science
Teacher
Science
teaching
Pedagogy
and
Didactics
Cognitive Science
Learning theories
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Riviste di ricerca in didattica delle scienze
• International Journal of Science Education, pubblicata dal 1979, prima
europea, (European Journal…), poi diventata internazionale ed è ora fra le più
autorevoli nel campo. http://www.tandf.co.uk/journals/tf/09500693.html
• Science Education, in USA, forse la più antica del settore, i primi numeri dal
1916, http://www3.interscience.wiley.com/journal/32122/home
• Science & Education dedicata ai rapporti fra didattica, storia della scienza,
epistemologia, società, dal 1992. www.springerlink.com/content/102992/
• Journal of Research in Science Teaching, rivista della NARST, National
Association for Research in Science Teaching (USA),
• Physical Review Special Topics - Physics Education Research di American
Physical Society settore di Physical Review, attivato dal 2005. Solo on line.
• Research in Science Education http://www.springerlink.com/content/108230
• Journal of Science Teacher Education, the journal of USA Association for
Science Teacher Education , http://www.springerlink.com/content/102947/
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Introduzione alla didattica
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Riviste di didattica della fisica rivolte a insegnanti
La Fisica nella Scuola, rivista dell’AIF, Associazione per
l’Insegnamento della fisica. http://www.aif.it/
• Physics Education, rivista del IOP, Institute of Physics, Regno Unito.
http://www.iop.org/EJ/journal/PhysEd
• The Physics Teacher, dell’AAPT, American Association of Physics
Teachers
•
http://scitation.aip.org/tpt/
Le BUP, Bulletin de l’Union des physiciens, dell’associazione francese
degli insegnanti di fisica e chimica. http://www.udppc.asso.fr//
• Giornale di fisica, della SIF, Società italiana di fisica
• European Journal of Physics, di Institute of Physics, del
Regno Unito. http://www.iop.org/EJ/journal/EJP
•
American Journal of Physics, dell’American Institute of
Physics (USA) http://scitation.aip.org/ajp/
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Introduzione alla didattica
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Associazioni internazionali per la ricerca in
didattica delle scienze o della fisica
• ESERA, European Science Education Research Association , fondata nel
1995, organizza ad anni alterni un congresso internazionale e una scuola estiva
per dottorandi in didattica delle scienze (ESERA Summerschool).
• GIREP, Groupe International de Recherche sur l'Enseignement de la
Physique, fondato nel 1966, organizza ogni anno una conferenza o un seminario.
• IOSTE, International Organization for Science and Technology Education,
fondata nel 1984, http://www.ioste.org/
• International History, Philosophy and Science Teaching Group, IHPST,
http://www.ihpst.org , che pubblica anche la rivista Science & Education
Le società di fisica hanno istituito commissioni specifiche per la Physics Education
La European Physical Society, ha la Physics Education Division (PED).
Lo IUPAP, International Union of Physics and Applied Physics, ha lo
International Committee on Physics Education, ICPE, che organizza
congressi internazionali annuali. http://web.phys.ksu.edu/ICPE/
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La didattica della fisica:
definizioni e temi di ricerca
L’insegnamento dell’energia:
problemi, approcci e strategie
Un percorso didattico sugli effetti
termici della radiazione e l’effetto serra
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Molte ricerche sono state dedicate, a partire dagli anni ’80, alle concezioni e
difficoltà degli studenti su concetti legati all’energia.
Fra i più giovani, prevalgono concezioni antropocentriche e vitalistiche:
l’energia è collegata alla vita e al movimento, alla capacità di compiere lavori.
Non s’immagina l’energia associata a oggetti inanimati immobili, salvo per oggetti
fabbricati per immagazzinare e fornire energia, come le pile e i combustibili.
Gli studenti fondono in una nozione indifferenziata le idee di energia, forza,
impulso, parole che spesso usano in modo intercambiabile
L’energia come qualcosa che produce azioni ed effetti e si consuma, mentre
spesso mancano o non sono utilizzate correttamente le idee di conservazione e
degradazione di energia.
Difficoltà a distinguere tra grandezze estensive e intensive, tra
calore e temperatura, oppure la temperatura è considerata come
una misura del livello di calore di un corpo.
L'idea che soltanto lo scambio di calore può fare aumentare la temperatura.
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“Calore contenuto” in un corpo, come una sostanza che può passare
da un corpo a un altro, concezione simile all’idea storica del calorico.
Il linguaggio abitualmente utilizzato nei manuali favorisce questa
idea: si parla di calore ceduto o fornito ma di lavoro compiuto.
Per superare queste ambiguità sarebbe forse opportuno abolire le
parole “calore” e “lavoro” e sostituirle con espressioni
concettualmente più limpide, come trasferimento meccanico e
trasferimento termico di energia.
Romer (2001, Am.J.Phys.): “If you want to think up a good noun for
‘energy transferred by virtue of a temperature difference’ that would be
fine with me. Call it Harry, call it Quincy, anything except heat”
Besson U. (1999) Quando la termodinamica incontra la meccanica : bilanci energetici di
oggetti in movimento, La Fisica nella Scuola, XXXII, n. 3, pp.135-145.
Besson U. (2001) Work and Energy in the Presence of Friction: The Need for a
Mesoscopic Analysis. European Journal of Physics, 22 (November), pp. 613-622.
Besson U. (2003) The distinction between heat and work: an approach based on a
classical mechanical model, European Journal of Physics, 24 (May) pp. 245-252
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La comprensione del principio di conservazione dell’energia richiede una chiara
distinzione fra i concetti di lavoro, calore, energia interna, temperatura.
È importante anche la chiarificazione del ruolo della radiazione.
Lo scambio di energia tramite radiazione deve essere considerato come
lavoro, come calore o come una terza modalità specifica?
Alcuni considerano tre tipi di trasferimenti di energia: lavoro, calore e radiazione.
Altri solo due tipi, classificando la radiazione come lavoro o come calore secondo
le situazioni.
Zemansky (1957): “The gain or loss of internal energy, equal to the
difference between the energy of the thermal radiation which is
absorbed and that which is radiated, is called heat”.
Lo sviluppo storico dell’idea di calore radiante e il confronto con le proprietà della
luce mostra come il processo di differenziazione sia stato lungo e impegnativo.
Ciò suggerisce la necessità di affrontare esplicitamente il problema con gli
studenti.
Besson U. (2010) The history of cooling law: when the search for simplicity can be
an obstacle. Science & Education, DOI 10.1007/s11191-010-9324-1
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Che cosa è energia?
Da un punto di vista ontologico:
Una grandezza astratta inventata dagli scienziati per descrivere e prevedere i
fenomeni oppure un’entità reale, una specie di sostanza. Nel passato, alcuni
scienziati (Lodge, Ostwald ) consideravano l’energia una sostanza reale esistente
nello spazio, mentre altri (Planck, Hertz, Thomson,) si opponevano a questa idea.
La sostanzializzazione delle grandezze fisiche è una tendenza spontanea del
pensiero comune ed anche degli scienziati. .
Feynman : “It is important to realize that in physics
today, we have no knowledge of what energy is.”
L’energia evoca immagini, suggestioni e significati che vanno
molto al di là del recinto di contenuti strettamente legato alla fisica..
Un fisico può anche tenersi lontano da queste implicazioni polisemiche,
considerandole non pertinenti e non necessarie per la fisica.
L’insegnante non può non tenere conto di immagini e suggestioni
che molti studenti associano al concetto o alla parola energia.
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Da un punto di vista concettuale
Molti manuali definivano l’energia come capacità di compiere
lavoro, seguendo Maxwell (1871):
“the energy of a body may be defined as the capacity which it has of doing
work, and is measured by the quantity of work which it can do”.
Questa definizione contrasta con il secondo principio della
termodinamica e la teoria delle macchine termiche.
La capacità di compiere lavoro può essere rappresentata dall’energia
libera o dalla grandezza exergia (Ogborn 1986, Viglietta 1990).
La modificazione della definizione in capacità di produrre
cambiamenti cade sotto critiche simili alla precedente.
Ogborn (1986): “energy is not the ‘go’ of things … the possession of energy is not
what drives, explains or account for change … entropy or free energy is what
decides if the change can happen”.
Qualunque definizione semplice e breve di energia deve essere
evitata, sostituita da una costruzione concettuale progressiva.
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Approcci per l’insegnamento dell’energia
Diversi approcci d’insegnamento dell’energia sono stati proposti e
sperimentati dalla ricerca didattica. Indico qui quattro tipologie:
- Approccio costruttivo e graduale, che segue la successione usuale
degli argomenti di fisica nel programma scolastico.
- Approccio olistico, in cui si presenta subito un concetto generale di
energia come grandezza che si conserva in tutte le trasformazioni
- Approccio storico, in cui si propone una ricostruzione didattica
di un percorso storico della nascita del concetto di energia, e
della legge di conservazione, mostrando il progressivo definirsi e
affinarsi dei concetti, con cambiamenti, controversie, errori.
- Approccio STSE (Science Technology Society Environment), che
si sviluppa attorno a problemi legati all’uso della tecnologia, alle
risorse disponibili, alla salvaguardia dell’ambiente, con una
caratterizzazione spesso multidisciplinare.
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Il nostro lavoro
Centri d’interesse attorno cui costruire progressivamente
una rete di concetti e modelli fisici
Superare un tecnicismo eccessivo nell’insegnamento di argomenti di fisica,
trattati come un mondo separato e autoconsistente.
In particolare, per quanto riguarda l’energia, è necessario immergere i
contenuti fisici in un contesto culturale più generale.
Anche per dare un senso ai contenuti fisici e connetterli al mondo
culturale dell’allievo e alle sollecitazioni provenienti da altre fonti,
dedicando allo stesso tempo un’attenzione particolare ai problemi
concettuali, alla progressione cognitiva e alla coerenza teorica.
Besson U. , De Ambrosis A. (2011) L’effetto serra e l’insegnamento di concetti e
fenomeni fisici legati all’energia. Giornale di fisica.
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Abbiamo elaborato un percorso sul problema dell'effetto della
serra e del riscaldamento globale.
Perché questo tema?
L‘importanza del problema è riconosciuta dalla Comunità
internazionale (Intergovernmental Panel on Climate Change 2001 e 2007).
Inoltre:
- Porta ad analizzare bilanci energetici in situazioni stazionarie
dove non c’è equilibrio termico. Un tipo di situazioni importanti
in vari argomenti di fisica che gli allievi hanno difficoltà a capire e
in cui fanno confusione fra fasi transitorie e stazionarie.
−
Offre occasioni per chiarire la distinzione fra lavoro, calore,
energia interna, temperatura, energia di radiazione e introdurre
schemi e grafici per rappresentare flussi e bilanci di energia .
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La didattica della fisica:
definizioni e temi di ricerca
L’insegnamento dell’energia:
problemi, approcci e strategie
Un percorso didattico sugli effetti
termici della radiazione e l’effetto serra
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Un approccio « tridimensionale » per la progettazione di
percorsi d’insegnamento e apprendimento (TLS).
Analisi del contenuto
scientifico, la sua
storia e le applicazioni
Trattamento usuale
nei manuali e nella
pratica scolastica
Analisi della ricerca
didattica sull’argomento
(concezioni e TLS)
Progettazione e sperimentazione di una TLS
Diffusione nel contesto scolastico
Formazione
insegnanti
Besson U., Borghi L., De Ambrosis A. and Mascheretti P. (2010) A three-dimensional approach
and open source structure for the design and experimentation of teaching learning sequences,
International Journal of Science Education 32, 1289–1313.
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Effetti termici dell'interazione fra radiazione e materia ed
effetto serra: un percorso didattico per studiare le basi
fisiche del riscaldamento globale.
La comprensione dell'effetto della serra e del problema
del possibile riscaldamento globale della Terra costituisce
un importante obiettivo generale socio-culturale.
Spesso l’argomento di fisica e la tematica sociale rimangono
separati e non si favorisce una comprensione approfondita e
completa del problema.
Il nostro scopo è di favorire la connessione fra i due aspetti,
fornendo le necessarie basi concettuali di fisica.
Collegare due temi, ottica e fenomeni termici, che sono strettamente
correlati dal punto di vista concettuale, scientifico e tecnologico, ma che
sono spesso presentati separatamente, senza evidenziarne le connessioni.
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Ricerche sulle concezioni degli allievi sull’argomento
Le concezioni su calore e temperatura, cambiamenti di fase, conduzione
termica ed il loro sviluppo dopo l’insegnamento (Stavy & Berkovitz 1980,
Shayer & Wylam 1981, Erickson & Tiberghien 1985).
Concezione degli allievi e sequenze d’insegnamento su luce, visione e colori
(Guesne 1985, Andersson & Kärrqvist 1983, Kaminski 1989, Chauvet 1993).
Poche ricerche sulle idee degli studenti sugli effetti termici della radiazione e
in genere riguardanti aspetti particolari o ambientali (rischi per l’uomo e
l'ambiente della radioattività e dei raggi X, cause del riscaldamento globale).
Si è trovato, per esempio, che molti allievi considerano:
• il buco dell’ozono e la radioattività come cause del
riscaldamento globale ed il cancro della pelle come effetto;
• un'idea di ‘intrappolamento’ dei raggi solari da parte
dell’atmosfera come spiegazione dell'effetto della serra;
• l’effetto serra è spiegato considerando una situazione non
stazionaria nella quale entra più energia di quanta ne esca.
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L’accumulo di gas serra nell’atmosfera favorisce l’intrappolamento
dell’energia della radiazione solare riflessa, determinando un
aumento della temperatura della superficie della Terra.
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I raggi solari arrivano sulla Terra
e forniscono calore e luce.
Il calore rimbalza sulla
superficie del nostro pianeta
verso lo spazio.
I gas nell’atmosfera conservano
parte del calore che rimbalza
indietro verso la Terra.
Se c’è più Co2, il calore sfugge
di meno nello spazio.
È il cosiddetto effetto serra.
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Abbiamo studiato le idee degli studenti sull’interazione fra
radiazione e materia e l’effetto serra.
Per esempio, abbiamo trovato:
• mancante o errata considerazione dell’emissione
infrarossa negli equilibri termici;
• una confusione fra le fasi transitorie, in cui vi sono
variazioni di temperatura e situazioni stazionarie;
• un'idea di ‘intrappolamento’ dei raggi solari da parte
dell’atmosfera come spiegazione dell'effetto della serra.
• una tendenza a dare significato assoluto alle proprietà
ottiche (trasparenza, assorbimento …) come qualità
intrinseche dei corpi.
Al contrario, la dipendenza di queste proprietà dalla
frequenza di radiazione è essenziale per capire fenomeni
come l'effetto serra e il riscaldamento globale.
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L'effetto serra ed il riscaldamento globale sono temi complessi
che coinvolgono molteplici proprietà e fenomeni fisici.
Per ottenere un apprendimento stabile, è necessario procedere
per passi successivi, studiando i vari fenomeni fisici implicati, e
trattare l'effetto serra soltanto alla fine di questo percorso.
Occorre elaborare una attenta analisi concettuale e
ricostruzione didattica del’argomento.
Costruire una successione di esperimenti e di osservazioni
teoriche, su cui costruire modelli esplicativi dell’effetto serra.
Besson Ugo (2009) Paradoxes of thermal radiation. European Journal of
Physics, 30 (5), 995–1007.
Besson Ugo, De Ambrosis Anna and Mascheretti Paolo (2010) Studying the physical
basis of global warming: thermal effects of the interaction between radiation and
matter and greenhouse effect. European Journal of Physics, 31 (2), 375-388.
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Una sequenza di passi cognitivi necessari per la
costruzione di una spiegazione coerente dell’effetto serra:
1) distinguere le grandezze temperatura, energia, calore e lavoro,
mostrando come sia possibile scaldare senza fornire calore e
fornire calore senza scaldare;
2) riconoscere e spiegare una condizione di temperatura
stazionaria per oggetti esposti al sole o ad una lampada;
3) differenziare calore e radiazione e riconoscere che tutti gli
oggetti emettono radiazione;
4) comprendere che il comportamento di un dato materiale
nell’interazione con la radiazione dipende dalla regione dello
spettro considerata;
5) organizzare e coordinare le conoscenze acquisite per capire
l’effetto serra in una situazione–modello;
6) estendere il modello per capire l’effetto serra sulla Terra e il
riscaldamento globale.
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1. Distinguere le grandezze temperatura, energia, calore e
lavoro, mostrando come sia possibile scaldare senza fornire …
Oggetti sono riscaldati facendo il lavoro su essi (con forze di attrito, correnti
elettriche …), mediante scambio di calore e mediante la radiazione.
Si sottolinea che è possibile ‘riscaldare’ i corpi senza
dare calore e dare calore senza ‘riscaldare’ .
L’analisi di situazioni che comportino il raggiungimento di
temperature stazionarie in condizioni di non equilibrio termico.
Energia (in) = DU (variazione energia interna) + Energia (out)
DU = mcDT
La relazione è discussa come conseguenza del principio di conservazione
e aiuta a
mettere a fuoco le differenze fra calore, lavoro, radiazione ed energia interna
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2. Riconoscere e spiegare una condizione di temperatura
stazionaria per oggetti esposti al sole o ad una lampada
Piccoli cilindri di
metallo di uguale
massa con superfici
diverse (bianca, nera,
lucida) e un cilindro
trasparente sono
esposti alla luce del
sole. Sensori di
temperatura sono
inseriti in un foro in
ogni cilindro.
Grafici temperatura tempo sono ottenuti con
un data logger e mostrano
l’andamento verso lo stato
Alcune tipiche previsioni di studenti:
stazionario.
“Il cilindro aumenterà la sua temperatura indefinitamente”
“raggiungerà la temperatura massima possibile a seconda del materiale”
“si scalderà fino ad essere pieno di energia così che non ne può ricevere più”
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I dati ed i grafici sono studiati in aula salvandoli sui calcolatori della scuola.
Importanza dell'idea di bilancio energetico
Energia che entra = DU (variazione energia interna) + Energia che esce
Perché le temperature stazionarie sono differenti per cilindri di diverso colore?
È opportuno dedicare tempo per spiegare e discutere il bilancio
energetico in situazioni stazionarie e transitorie: per gli allievi è
difficile capire bene questo punto e distinguere i due casi.
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3. Differenziare calore e radiazione e riconoscere che
tutti gli oggetti emettono radiazione
Confrontare il comportamento di oggetti trasparenti e opachi esposti al sole
consente di precisare che la radiazione produce effetti termici solo quando
è assorbita dal materiale .
Questo mostra una differenza importante fra calore e radiazione:
la radiazione passa solo se non riscalda il materiale
Gli oggetti emettono la radiazione
Usando un radiometro con range l = 0.6 -30mm
Si misura la radiazione termica emessa da vari
oggetti a differente temperatura.
Nei bilanci energetici è necessario considerare l'energia
scambiata per mezzo del calore e della radiazione
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4. Comprendere che il comportamento di un materiale rispetto
alla radiazione dipende dalla regione dello spettro considerata
Vedere l'invisibile
Dalla relazione di un allievo:
“Abbiamo generato un arcobaleno con
l'aiuto di una lavagna luminosa e di un
prisma ottico. Usando una macchina
fotografica digitale, abbiamo visto che c’è
una radiazione oltre il colore rosso dello
spettro visibile … abbiamo stabilito che
non possiamo vedere naturalmente la
radiazione infrarossa, ma possiamo
rivelarla, usando una macchina
fotografica. Abbiamo osservato con la
macchina fotografica le radiazioni
infrarosse emesse da un telecomando.”
Ugo Besson
Università di Pavia
Ricerca in didattica della fisica
Incontri di fisica 2011
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Due foto dello stesso telecomando, con una video-camera.
Nella foto di destra, un fascio di radiazione infrarossa è stata emessa dalla
video-camera durante l'osservazione.
Gli allievi possono osservare che la copertura del telecomando è opaca alla
luce visibile ma è trasparente all’infrarosso vicino.
La parola “trasparente” usata nel linguaggio quotidiano si riferisce
alla luce visibile. Si può dire che il vetro è nero per la radiazione IR
termica mentre è trasparente per la luce visibile.
Ugo Besson
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- lo spettro della radiazione emessa da un corpo dipende dalla temperatura;
- a temperature ordinarie la radiazione emessa è nell’infrrosso lontano.
- le proprietà ottiche dei materiali dipendono dalla regione
dello spettro considerata (frequenza o lunghezza d’onda);
- alcuni materiali sono trasparenti alla luce visibile ma
assorbono l’infrarosso lontano.
Si insiste sulla dipendenza delle proprietà ottiche
dei materiali dalla frequenza della radiazione
Ugo Besson
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5. Organizzare e coordinare le conoscenze acquisite per capire
l’effetto serra in una situazione–modello
Ugo Besson
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Un modello per interpretare i risultati sperimentali
I risultati sono interpretati con un modello dei flussi d’energia
Energia che entra = DU (variazione energia interna) + Energia che esce
Per superare l'idea comune dell'intrappolamento dei raggi solari,
sottolineiamo che le radiazioni emesse RP non sono raggi del sole
riflessi dalla piastra ma una nuova radiazione emessa dipendente
dalla temperatura della piastra.
Ugo Besson
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6. Costruire un modello semplificato ma coerente dell’effetto
serra della Terra e del riscaldamento globale
Si stabiliscono corrispondenze (e differenze) fra gli elementi
del sistema Terra-atmosfera e quelli della piccola serra.
È importante
sottolineare che
l'effetto serra è utile
per la vita sulla Terra
perché ha prodotto
una temperatura di
equilibrio compatibile
con la vita.
È l'aumento dell'effetto che è pericoloso, non l'effetto.
Ugo Besson
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Per confermare il ruolo del CO2 si può fare un esperimento in
cui anziché con un coperchio la scatola della serra è coperta da
un gas CO 2 prodotto da bicarbonato e aceto.
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Il percorso è stato sperimentato nel 2009-2010 in sei classi di scuola secondaria
superiore per un totale di 121 studenti.
La sperimentazione ha confermato l’importanza di passare attraverso tutte
le fasi del percorso dedicando un tempo sufficiente a ciascuna di esse.
Il fenomeno è complesso e richiede un approccio graduale.
I risultati ottenuti sono stati positivi e confermano la validità delle
scelte fondamentali del percorso cognitivo proposto.
Tuttavia, le risposte degli studenti e le osservazioni degli insegnanti
evidenziano la difficoltà dell’argomento, indicano alcuni punti
deboli del percorso e suggeriscono alcuni miglioramenti.
Gli insegnanti hanno osservato che alcune difficoltà degli allievi
potrebbero essere causate da una comprensione insufficiente dei
concetti di base su energia e fenomeni termici.
Esigenza di avere nuovi materiali didattici per gli allievi, per
uno studio individuale e un ripasso, in quanto le trattazioni dei
libri di testo erano giudicate inadeguate e talora fuorvianti .
Ugo Besson
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Abbiamo quindi avviato una nuova fase di lavoro per:
- Modificare alcune parti della sequenza
- Preparare nuovi materiali per gli allievi.
I materiale preparati sono di tre tipi: schede guida per gli esperimenti;
fascicoli di spiegazione e approfondimento; indicazioni per l’insegnante.
L’esperimento è inteso come un momento del discorso scientifico
sull’argomento, in un dialogo fra teoria, ipotesi ed esperimenti.
I fascicoli di spiegazione cercano di essere aderenti agli specifici
esperimenti fatti, citandoli, riprendendone particolari aspetti, in un
dialogo con quanto osservato.
Una discussione degli esperimenti e poi sistematizzare quanto
ottenuto in un quadro teorico semplificato, provvisorio, ma il più
coerente possibile, anche aggiungendo risultati sperimentali e/o
teorici non direttamente ricavati o ricavabili dal lavoro fatto.
Ugo Besson
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Il materiale prodotto è diviso in tre parti:
T (fenomeni termici), R (radiazione), S (effetto serra).
Una fase introduttiva O fornisce alcune conoscenze di base su ottica e onde.
O
Onde e luce.
T
Fenomeni termici
R
Spettro della radiazione. Le proprietà
dell’interazione fra radiazione e materia
dipendono dalla regione considerata dello spettro.
S
Effetto serra, modello della serra.
Effetto serra sulla Terra. Riscaldamento globale.
Questi materiali rappresentano una ricostruzione didattica degli argomenti
realizzata dal gruppo di insegnanti con il nostro gruppo di ricerca e sulla
base della condivisione dei risultati della sperimentazione con gli alunni.
http://fisicavolta.unipv.it/pls/Materiali.htm
47
Abbiamo usato questi materiali nell’a.s. 2010-2011 in quattro classi
di liceo, la valutazione è in corso.
La comprensione dei concetti di base sull’energia è necessaria per
la comprensione dell'effetto della serra, ma anche viceversa lo
studio dell’effetto serra può essere un centro d’interesse utile per
introdurre concetti e fenomeni sull’energia .
L'esperienza ha indicato che l’uso di centri di interesse motivanti può
favorire la costruzione progressiva di concetti e modelli di fisica.
La definizione di un particolare approccio didattico non
consegue direttamente dalla conoscenza tecnica dell’argomento.
È illusorio pensare di elaborare percorsi efficaci d’insegnamento
senza un attento studio basato su rilevazioni e osservazioni
empiriche organizzate con modalità di ricerca e/o su precedenti
ricerche didattiche sviluppate da altri studiosi.
Ugo Besson
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Ricerca in didattica della fisica
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Basandosi sull’ormai vasta letteratura internazionale, elaborare e
sperimentare percorsi e materiali specialmente adattabili al
contesto concreto delle scuole e degli insegnanti italiani.
Un problema attuale è lo scarto fra le elaborazioni della
ricerca didattica e la pratica scolastica effettiva.
Uno scarto che si può colmare solo con esperienze non episodiche
di collaborazione fra ricercatori e gruppi di insegnanti.
Ricerca in
fisica o altre
scienze
Insegnanti
Ricerca in
didattica delle
scienze
Ugo Besson
Università di Pavia
Ricerca in didattica della fisica
Incontri di fisica 2011
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Fine
Grazie dell’attenzione
Ugo Besson
Università di Pavia
Ricerca in didattica della fisica
Incontri di fisica 2011
50
Besson U. (2011) La ricerca in didattica della fisica, dallo studio delle concezioni
spontanee all’elaborazione di percorsi d’apprendimento. In AA.VV. Ricerche in
didattica e storia delle scienze a Pavia. Pavia University press. In stampa.
Besson U. , De Ambrosis A. (2011) L’effetto serra e l’insegnamento di concetti e
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http://fisicavolta.unipv.it/pls/Materiali.htm
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Besson U. (1999) Quando la termodinamica incontra la meccanica : bilanci energetici
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[email protected]