SUPERCOMET: UNO STRUMENTO MULTIMEDIALE PER L INSEGNAMENTO DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ.

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1 SUPERCOMET: UNO STRUMENTO MULTIMEDIALE PER L INSEGNAMENTO DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ. Federico Corni, Dipartimento di Fisica, Università di Modena e Reggio Emilia Marisa Michelini, Dipartimento di Fisica, Università di Udine SUPERCOMET è un progetto del programma Leonardo da Vinci fase II dell Unione Europea. Ha avuto inizio, nella sua prima versione, nel dicembre 2001 e si è concluso nel dicembre Immediatamente dopo è stato varato il progetto SUPERCOMET 2 che è tuttora in corso e che finirà nel SUPERCOMET dà il nome a quello che sarà il prodotto finale del progetto: uno strumento multimediale per l insegnamento della superconduttività rivolto in particolare agli studenti della suola secondaria superiore. Gli obiettivi del progetto, oltre a quello di produrre lo strumento multimediale, sono quelli di creare una comunità internazionale a livello europeo con competenze nel rinnovamento dell insegnamento della fisica e di aprire vie di comunicazione e stabilire contatti stabili fra le organizzazioni di insegnanti di fisica, ricercatori in didattica della fisica e autorità competenti nella stesura dei curricoli. In questo lavoro verranno descritte le caratteristiche dello strumento multimediale nel suo stato attuale e indicati gli sviluppi futuri. 1. Introduzione L indagine PISA ha evidenziano negli studenti un sostanziale analfabetismo scientifico e una incapacità di adeguamento alle sfide e ai progressi della scienza e della tecnologia moderne [1]. E in crisi l educazione in fisica ed è urgente una rivitalizzazione del suo insegnamento. Attraverso un applicativo su CD altamente interattivo che comprende animazioni, filmati di dimostrazioni sperimentali, e impiegando moderni metodi pedagogici come l apprendimento collaborativo e il problem solving, il progetto mira a introdurre fra i temi dei curricoli delle nazioni europee la superconduttività, fenomeno importante sia dal punto di vista fondamentale che tecnologico e allo stesso tempo suggestivo e provocante la curiosità e l interesse degli studenti. Oltre all implementazione del CD come fondamentale contributo, il progetto si propone di: produrre una guida per l insegnante che chiarisca i punti di vista pedagogici e i metodi di lavoro implicati nell uso dell applicativo; fornire materiali (testi, schede e presentazioni al computer) per l organizzazione di un corso di aggiornamento di una giornata per gli insegnanti coinvolti; sperimentare l applicativo in classi reali in varie parti dell Europa; testare il corso di aggiornamento e la guida per l insegnante con un gruppo di insegnanti di riferimento; formare un gruppo di persone a livello accademico, politico e industriale per la diffusione dei prodotti;

2 organizzare una conferenza sull insegnamento della fisica e per la pubblicizzazione e la diffusione dei risultati del progetto. Al momento è disponibile una prima versione dell applicativo in italiano, inglese, norvegese e sloveno, con la guida per l insegnante e il corso di aggiornamento. Il progetto SUPERCOMET 2 [2], attualmente attivo, si propone di promuovere nel maggior numero possibile di paesi europei attività di diffusione di SUPERCOMET, organizzando corsi di aggiornamento, sperimentazioni nelle scuole e disseminazione, anche a livello imprenditoriale, dei materiali. In Italia quattro scuole della provincia di Udine hanno già iniziato la sperimentazione e altre probabilmente si uniranno. Alla fine di un periodo di sperimentazione e disseminazione sono previste correzioni e integrazioni di nuovi contenuti per produrre, a scadenza del progetto, le versioni finali dei materiali. 2. I materiali: 2.1 L applicativo su CD SUPERCOMET SUPECOMET si compone principalmente di 6 moduli di cui solo gli ultimi due si riferiscono esplicitamente al fenomeno della superconduttività. I primi quattro toccano argomenti classici di elettromagnetismo allo scopo da un lato di introdurre i concetti di base per comprendere la nuova fenomenologia, dall altro, evidenziando collegamenti trasversali fra i capitoli della fisica, di rendere lo studio dell elettromagnetismo unitario coerente e, soprattutto, interessante e stimolante. Tutti i moduli contengono simulazioni altamente interattive di esperimenti virtuali con effetti grafici e immagini in movimento che gli studenti possono eseguire variando i parametri e osservando sia qualitativamente che quantitativamente gli effetti sulle grandezze fisiche coinvolte e sulle parti mobili degli apparati. Gli obiettivi didattici principali di SUPERCOMET sono: mostrare come una teoria è correlata all evidenza sperimentale, descrivere come gli scienziati interpretano i dati e costruiscono teorie, fare esempi di come la scienza e la tecnologia sfruttano le idee innovative, e fare collegamenti fra vari campi della fisica. Figura 1. Simulazione dell esperimento di Oersted Figura 2. Simulazione dell esperimento di Pohl

3 2.1.1 Proprietà magnetiche di fili percorsi da corrente e magneti Il modulo si apre con alcune attività sull esperimento di Oersted (vedi ad esempio la Figura 1). Esse sono orientate a mostrare come si comportano gli aghi magnetici nelle vicinanze di fili percorsi da corrente allo scopo di introdurre i concetti di linee di campo, di vettore induzione magnetica e la regola della mano destra per la previsione dell orientazione delle linee di campo stesse. Gli esperimenti di Ampere e Pohl sull interazione fra campo magnetico e correnti chiudono il modulo (vedi ad esempio la Figura 2) Proprietà magnetiche di bobine percorse da corrente e materiali Il campo generato da una bobina viene introdotto a partire dalla singola spira percorsa da corrente e viene messa in evidenza l interazione fra bobine in analogia a quella fra magneti lineari. Vengono poi classificati i materiali in ferro-, para- e dia-magnetici a seconda del comportamento nei riguardi delle linee di campo (vedi ad esempio Figura 3) e, a livello microscopico, dei domini di Weiss Induzione elettromagnetica Viene introdotta l induzione elettromagnetica prima da un punto di vista fenomenologico, sia per magneti che per bobine in movimento (vedi ad esempio Figura 4), successivamente in modo più quantitativo introducendo il concetto di flusso del campo magnetico, di rapidità di variazione del flusso fino alla formulazione della legge di Faraday-Lenz. Come applicazioni vengono riportati i generatori e i trasformatori Conduzione elettrica Dopo una classificazione dei materiali in isolanti, semiconduttori, conduttori e superconduttori, viene proposto in particolare per i conduttori tramite animazioni il modello microscopico di conduzione in cui le vibrazioni atomiche legate alla temperatura giocano il ruolo di ostacolare il passaggio delle cariche libere accelerate da un campo elettrico sterno (vedi ad esempio Figura 5). Come strumenti per lo studio poi del fenomeno della superconduttività vengono introdotte la legge di Ohm e l effetto Joule. Figura 3. Simulazione delle linee di campo magnetico in presenza di vari tipi di materiale. Figura 4. Simulazione dell induzione elettromagnetica per solenoidi in movimento Introduzione alla superconduttività

4 Il modulo si apre con la proposta di una serie di situazioni per le quali gli studenti sono richiesti di fare loro previsioni. Si richiama in particolare l esperienza dell anello che salta e della resistenza in funzione della temperatura, ma questa volta al diminuire della temperatura. A questo punto vengono introdotti i superconduttori con la loro caratteristica curva di resistività (tipo I e tipo II), la dipendenza della temperatura critica dal campo magnetico e dalla corrente. Il modulo si conclude con una serie di esperienze, simulazioni e filmati (la luce fredda, la levitazione e la sospensione) volti a mostrare gli effetti della superconduttività sulle correnti indotte e i campi magnetici come l effetto Meissner e il pinning (vedi ad esempio Figura 6). Figura 5. Simulazione dell influenza della temperatura del conduttore sul moto di cariche elettriche accelerate. Figura 6. Simulazione della forma delle linee di campo magnetico in presenza di effetto Meissner Storia della superconduttività Viene riproposta, a fini didattici, la storia della scoperta e dello studio della superconduttività, dal 1911 ai giorni. Il filo conduttore è il grafico della temperatura critica in funzione del tempo che man mano che passano gli anni e si susseguono le scoperte di nuovi materiali viene aggiornato e si evidenzia un andamento crescete molto più che lineare (vedi Figura 7). L applicativo contiene una serie di tools di supporto alla didattica e all apprendimento: delle finestre a scomparsa con suggerimenti per l uso approfondito dei vari segmenti di modulo, un glossario con la spiegazione dei termini fisici e un Figura 7. Evoluzione storica della temperatura critica massima dei superconduttori dalla loro scoperta ai nostri giorni. 2.2 La guida per l insegnante data base di informazioni sulla superconduttività con un potente motore di ricerca a disposizione degli utenti.

5 La guida per l insegnante è strettamente collegata all applicativo. Essa è composta di 50 pagine e si pone come valido e complete supporto per l insegnante che intende usare SUPERCOMET nella sua attività didattica (vedi l indice della guida in Figura 8). Essenzialmente la guida è pensata per aiutare gli insegnanti ad usare l applicativo nel modo più efficiente ed efficace possibile mantenendo il proprio stile di insegnamento. Essa, dopo una breve informazione tecnica su dove e come installare l applicativo, dà informazioni sulla possibile situazione della superconduttività nei curricoli dei vari paesi europei e sulla motivazione degli studenti. Figura 8. Indice della guida per l insegnante. Richiama poi risultati di ricerche in didattica sull uso delle nuove tecnologie ed elenca possibili modi di applicare le tecnologie dell informazione e della comunicazione (TIC) in classe. Infine, dopo una sintetica descrizione dei sei moduli, propone all insegnante esempi pratici di lezione con il supporto di SUPERCOMET. 2.3 Il corso di aggiornamento Il corso di aggiornamento è pensato come un prodotto complementare all applicativo e alla guida per l insegnante. E strutturato in otto ore di lavoro distribuite su una intera giornata o su due mezze giornate e include vari temi di interesse per l insegnamento fra i quali i principali sono le TIC e, ovviamente, la superconduttività. La Tabella mostra la scansione temporale delle attività suggerite. Gli obiettivi del corso di aggiornamento sono quelli di aiutare gli insegnanti a superare ogni paura nell uso delle TIC e a farle loro usare in maniera confidente e sicura, di mostrare un nuovo modo di insegnare la fisica con le TIC e di sollecitare gli insegnanti a trasmettere motivazione ed entusiasmo ai loro studenti. Gli argomenti toccati sono i seguenti: Conoscenza l applicativo. I partecipanti al seminario assumeranno il ruolo degli studenti mentre il conduttore li guida nell uso dell applicativo Introduzione alla superconduttività. Molti insegnanti possano già possedere qualche nozione sulla superconduttività: il corso mira ad approfondire ulteriormente questa conoscenza e ad analizzare le conoscenze in maggio dettaglio. Aspetti pedagogici e didattici dell uso dell applicativo. Questa parte del corso suggerisce alcune modalità costruttive di usare l applicativo.

6 9:00 10:00 Caffè, registrazione, i conduttori mostrano ai partecipanti il CD-ROM e il suo contenuto. 10:00 10:15 Introduzione al Corso (obiettivi del progetto SUPERCOMET); obiettivi del corso e dettagli della sua gestione. Come la Superconduttività può risolvere alcuni problemi di insegnamento della Fisica. (usare la presentazione powerpoint Introduzione al corso per gli insegnanti ) 10:15 11:15 Storia/Rudimenti della Superconduttività (usare la presentazione powerpoint La superconduttività a scuola fino alla diapositiva 37) 11:15 11:30 Pausa Caffé 11:30 12:30 ( La superconduttività a scuola diapositive 38 40) Dividere gli insegnanti in gruppi con il compito di tracciare le mappe dei loro percorsi curricolari (da presentare poi a tutti) 15 minuti. (documento word di indicazioni curricolari) Presentazione dei video clips e precauzioni d uso dell azoto liquido. Istruzioni per il pomeriggio. ( La superconduttività a scuola diapositive 41 e seguenti) (usare la presentazione Supercomet hands-on ) 12:30 13:30 Pranzo 13:30 15:15 Gli insegnanti svolgono le cinque attività dimostrative dedicando minuti a ciascuna. (usando la Guida alle attività pratiche ) 15:15 15:30 Pausa 15:30 16:00 L uso delle TIC nell insegnamento della fisica (presentazione powerpoint sull uso delle TIC) 16:00 17:00 Gli insegnanti a gruppi progettano una lezione campione, descrivendo contesto/risorse/studenti/ e come userebbero le TIC. Ciascun gruppo presenta al gruppo allargato. Discussione (usando il file sull attività di pianificazione della lezione) 3. Conclusioni Sono stati presentati sinteticamente i contenuti del progetto europeo SUPERCOMET. Tre sono i principali prodotti finali del progetto di cui sono state descritte le versioni attualmente disponibili e sperimentabili: l applicativo su CD ROM per studenti e docenti, la guida e il corso di aggiornamento per gli insegnanti. 4. Riferimenti bibliografici. [1] M.Euler, 2004, Quality development: challenges to physics education, GIREP seminar proceedings, M.Michelini ed., Forum 2004, pag [2] Per dettagli e aggiornamenti vedi il sito web del progetto: