Uso di immagini nella didattica
della fisica
Gabriella Monroy
Dipartimento di Scienze Fisiche.
Università di Napoli “Federico II”
In questo seminario
• Situazione
• Immagini “statiche” (su carta) e “dinamiche”
(web, gif, ..). Questioni di ricerca
• Immagini statiche: efficacia didattica. Risultati di
ricerca
• Immagini dinamiche. Risultati di ricerca
• Proposte didattiche per superare difficolta’ di
apprendimento con uso di Cabrì Geomètre
Immagini e libri di testo
• Vecchi libri di testo: molto testo, formule.
Poche immagini perlopiù schematiche
• Nuovi libri (Amaldi, Hallyday e Resnick,
Advancing Physiscs): il rapporto
immagine/testo è molto piu’ alto.
Ieri… (1788)
Oggi… (2000)
On ne trouvera point de Figures
dans cet Ouvrage. Les méthodes que
j'y expose ne demandent ni
constructions,
ni
raisonnement
géométriques ou mécaniques, mais
seulement
des
opérations
algébriques, assujetties à une
marche régulière et uniforme
J.L. Lagrange - Mécanique Analytique
U. Amaldi – Introduzione alla fisica
Ragioni delle scelte
• Ieri
Sommerfeld riporta nel suo “Lectures on
Theoretical Physics” che Lagrange era molto
fiero del fatto che “nel suo lavoro non veniva
usata neppure una figura”
• Oggi
Convinzione che le immagini possono trasmettere
la conoscenza disciplinare più efficacemente
che attraverso il testo.
Premessa e … domande di ricerca
Nella comunicazione scientifica e in particolare nell’insegnamento il
linguaggio naturale, quello visuale e quello formale sono compresenti
• E’ efficace la comunicazione che fa uso del
linguaggio visuale?
• La conoscenza che trasmettono le immagini è
sempre coerente con la conoscenza
disciplinare?
Risultati di ricerca in questo campo
le immagini possono:
Facilitare l’apprendimento
Rinforzare difficolta’ o misconoscenze
Non tutto è semplice come sembra
STTIS (Science Teacher Training in an Information Society)
www.blues.uab.es/˜idmc42/
Ricerca
Attitudini
Difficoltà
Risultati
Lista Attitudini
Categorie di difficoltà
Attitudini nella lettura delle immagini
“Lettura narrativa”
“Ricorso a schemi di
ragionamenti errati”
“Uso della conoscenza pregressa”
“Non vedere oltre
l’apparenza grafica”
Narrativa
Processi; procedure
Equivalente linguistico: verbi di azione
“Non vedere oltre la forma del grafico”: camminata sensore di moto
Correlare fenomeno e rappresentazione grafica
Uso didattico di immagini statiche e animate.
Contenuto: Le onde.
1. Risultati di ricerca sulle difficoltà di apprendimento
Cenni difficoltà indotte da immagini statiche: modello geometrico della
luce
2. Sequenze didattiche che facilitano l’apprendimento
Immagini animate: le onde in acqua
1. Onde: risultati di ricerca
• Difficoltà degli Studenti
(Arons, 1990; Grayson, 1996; Wittmann, 1999, 2002)
–
–
–
–
Distinguere la perturbazione del mezzo e la propagazione
Comprendere cosa trasporta un’onda
Distinguere “cosa si propaga” e “cosa oscilla”
Identificare le variabili che caratterizzano un’onda (ampiezza,
frequenza, lunghezza d’onda);
– Comprendere la relazione fra velocita’ di propagazione e
propretà del mezzo
– Studiare onde non armoniche (es. Impulsi)
– .........
Cenni a difficoltà indotte dalle immagini.
Modello geometrico in ottica
• Il modello dell’ottica geometrica. Fronti d’onda, raggi …
Immagini statiche
Risultati di ricerca
“Students give a prominent value to real
world elements, transferring their everyday
role/function to the interpretation of the
image. As a consequence, iconic elements
intended to be a metaphor end up with
connotations added to them, especially in the
case of younger students (e.g. Materialized
rays)
On the other hand, for older students, these
iconic elements seem to facilitate the
interpretation of the associated abstract
images” (Viennot et al.)
2. Sequenze di insegnamento (basate su
risultati di ricerca) che facilitano
l’apprendimento
• http://www2.physics.umd.edu/~wittmann/research/dissert
ation/index.html
• http://www.na.infn.it/Gener/did/ffc/form/web/mappa.htm
• Fazio C., Guastella I., Sperandeo-Mineo RM, Tarantino G.
“Modelling Mechanical Wave Propafgation: Guidelines and
Experimentation of a Teaching Learning Sequence” IJSE in press
Immagini che favoriscono l’apprendimento.
Onde in acqua e modello geometrico
Oggi....molti corsi web con applets java, gif animate and clips
• Aiutano a comprendere la natura “dinamica” del
processo ondulatorio
• Sono facilmente reperibili
• Interattività
MA…..
• Non aiutano a comprendere il modello soggiacente
• Possono causare difficoltà
Immagini dal web
Approccio di modellizzazione attraverso
le immagini
• Integrazione
multimediali
experimenti
– Ondoscopio (PSSC)
– Cabrì® Géomètre www.cabri.com
e
supporti
Procedimento
Approccio “Da Reale a Ideale”: le
caratteristiche dell’immagine
Fasi
Obiettivo
Onde in acqua poco profonda
Regolarita’
onde “ferme” sullo schermo
Regole
foto digitali su Cabri’
RENDERE PLAUSIBILE IL
MODELLO GEOMETRICO
DELLA PROPAGAZIONE
ONDULATORIA
Modello geometrico
• Grandezze fisiche
– sorgenti
– fronti d’onda
– lunghezze d’onda
• Modello
– punti
– circonferenze/piani
– segmenti
Onde circolari
Modello geometrico
Fenomeno
riflessione
rifrazione
Interferenza due
sorgenti
Legge
Il software
®
Cabrì
Géomètre
• Disegnare oggetti geometrici: punti, rette,
cerchi …
• Misurare distanze e angoli,
• Verificare condizioni
ortogonalita’….
di
parallelismo,
Lunghezza d’onda (onde piane)
Lunghezza d’onda: Onde circolari
Quindi….
• i valori medi sono circa uguali (nel caso
delle immagini riportate λ = 1.24 cm +,0,03.
• La lunghezza d’onda è indipendente dalla
forma del fronte d’onda.
“Spesso infatti gli studenti, focalizzando l’attenzione sulla forma del fronte
d’onda (attrattore cognitivo), non riconoscono che la lunghezza d’onda
dipende dalla frequenza dell’onda e dal mezzo in cui essa viaggia, che nei
casi proposti e’ l’acqua Inoltre spesso gli studenti confondono periodo e
lunghezza d’onda. Per rendersi conto di questo si puo’ proporre di ripetere
gli esperimenti facendo propagare le onde in fluidi diversi: olio” …
Interferenza due sorgenti
puntiformi
Fenomeno
Modello
Creste
Cerchi blu
Valli
Cerchi rossi
Posizioni nodali
Intersezione
rosso-blu
Posizioni anti-nodali
Intersezioni
rosso-rosso o
blu-blu
Interferenza due sorgenti
puntiformi: pattern geometrici
Nodes and nodal lines
Antinodes and anti-nodal lines
Vantaggi dell’approccio
• Effettuare misure quantitative
• Coinvolgere gli studenti in attivita’ di
modellizzazione
• Comprendere il modello geometrico
• ..........
Conclusioni
• L’uso di immagini “dinamiche” e’ utile per affrontare
difficolta’ di apprendimento sulle onde.
• Cabrì® puo’ aiutare a connettere le proprieta’ matematiche
con il modello fisico
• Il metodo puo’ essere usato anche in altri ambiti (misura di
e/m)
Occorre controllare, nell’insegnamento, che le immagini che si
usano inviino il messaggio disciplinare corretto.
Disegnare sequenze didattiche che usino le immagini in modo
appropriato.
REFERENZE
Ametler, J. and Pintò, R. (2002). Students’ reading of innovative imagses of energy at secondary school level. Int. J.
Sci. Educ., 24, 3, 285-312.
Colin, P., Chauvet F. and Viennot, L. (2002). Reading images in optics: students’ difficulties and teachers’ views.
Int. J. Sci. Educ., 24, 3, 313-332.
Dimopoulos K., Koulaidis V. and Sklaveniti S. (2003). Towards an Analysis of Visual Images in School
Science Textbooks and Press Articles about Science and Technology. Research in Science Education
33. 189–216.
Kress, G. and van Leeuwen, T. (1996) Reading Images: the Grammar of Visual design (London: Routledge
and Kegan Paul)
Lemke, J.L. 1998. "Multiplying Meaning: Visual and Verbal Semiotics in Scientific Text" in J.R. Martin & R.
Veel, Eds., Reading Science. London: Routledge.
Lemke J.L. (1998) Teaching All the Languages of Science: Words, Symbols, Images, and Actions
[Unpublished Paper]
Stylianidou, F., Ormerod, F. and Ogborn, J. (2002). Analysis of science textbook pictures about energy and pupils’
reading of them. Int. J. Sci. Educ., 24, 3, 257-283.
Simanek D. E. Tidal Misconceptions. http://www.lhup.edu/~dsimanek/scenario/tides.htm
Testa, I., Monroy, G., Sassi, E. (2002). Students’ Reading Images in Kinematics: The Case of Real-Time Graphs. Int.
J. Sci. Educ., 24, 3, 235-256.
Testa, I., Lombardi S., Monroy, G., Sassi, E. (2004). Dynamic images to address conceptual nodes about mechanical
waves. Example materials and preliminary results of the experimentation of the teacher trainin module IMAGONDE
Il Nuovo Cimento., 7, 5, 569-577.
Siti Onde
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http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=29
moto onde trasversali
http://www.walter-fendt.de/ph14e/stlwaves.htm
onde longitudinali stazionarie
http://www.walter-fendt.de/ph14e/stwaverefl.htm
riflessione
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
lente che ruota polarizzazione filtro
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
polarizzazione filtro
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
risonanza
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
ampiezza e periodo
http://www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/TwaveA.htm
onde trasversali
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/ondegene.html
immagini animate realizzate con Cabri
Onde réfléchie et onde stationnaire
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/refsta.html
http://perg.phys.ksu.edu/vqmorig/programs/java/makewave/Waves/vq_mww.htm
2 onde
http://perg.phys.ksu.edu/vqmorig/programs/java/makewave/Pulse/vq_mwp.htm
2 impulsi
http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=35
sovrapposizione impulsi
http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/doubleSlit/doubleSlit.html
interferenza
http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/waveSuperposition/waveSuperposition.html
sovrapposizione
http://www.schulphysik.de/suren/Applets.html
battimenti
http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaEd/e-wave2.html
sovrapposizione
http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/big_interference.html
•
foto interferenza onde acqua
Errore di sensibilita’ Cabri
• Si misura prima la lunghezza di un segmento espressa
in cm e la si traduce in c.u (mettere un righello). Esempio
h1 =13,71 c.u. h2 = 13,71 c.u per due segmenti che
hanno misure reali (in cm) r1 e r2
• Se n1 e’ la lunghezza in pixel di un segmento h1 (c.u.),
per il caso considerato n1 =522px, mentre h2 (c.u.) ha
lunghezza n2 = 511px. Se assumiamo che il minimo
spostamento che può essere fatto in cabri e’ di 1 px,
allora la distanza minima che puo’ essere stimata in c.u.
e’ h1 / n1 = h2/ n2 = 0,03 c.u = δ
• Misura in cabri (h +- δ)
Interferenza due sorgenti puntiformi
Interferenza di due sorgenti puntiformi:
6 6
y =-0,80j
y = 0,78i
0,03 - 0,01
N j S 2  N j S1  j
4
Path Difference (c.u.)
Path Difference (c.u.)
5 5
Lineare
Lineare (Above
(Above antinodal
anti nodalline)
line)
Lineare
(Under
antinodal
line)
Lineare (Under anti nodal line)
4
1 3 5
j  , , ,...;
2 2 2
Ai S 2  Ai S1  i
3
3
2
2
y = 0,80j - 0,07
y = 0,79i + 0,02
i  0,1, 2,3,...;
1
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
0
-1
1
2
3
4
index
index of
of node
antinode
5
6
7