Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto Supercomet 2

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1 Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto Supercomet 2 Marisa Michelini, Rossana Viola 1, Vegard Engstrom 2 Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine Via Delle Scienze n 208, Udine michelini@fisica.uniud.it 1 Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine Via Delle Scienze n 208, rossviola@yahoo.it 2 M. Sc, CEO, Norvay vegard.engstrom@simplicatus.no Nell ambito del Progetto Supercomet 2 dell Unione Europea volto all introduzione del tema della superconduttività nei curricula di fisica delle Scuole Secondarie Superiori si è sviluppato un CD-Rom di applicazioni multimediali con animazioni interattive che guida lo studente in un percorso che parte dall elettromagnetismo per arrivare alla superconduttività: attraverso il laboratorio virtuale lo studente acquisisce il sapere, con quello reale il saper fare. 1. Introduzione L impiego delle nuove tecnologie per l attività sperimentale e la modellizzazione in fisica è il terreno sul quale si sviluppano molte proposte didattiche originali volte al superamento dei nodi concettuali disciplinari. Specifiche proposte disciplinari basate sull attività sperimentale e su un impiego multimediale dell elaboratore si propongono in tale contesto come materiali su cui costruire percorsi e moduli sia per studenti che per la formazione in servizio degli insegnanti. Il personale coinvolgimento del soggetto nell oggetto di studio è irrinunciabile: in questa prospettiva nasce e si sviluppa l idea della centralità del ruolo dello studente che apprende. L applicazione multimediale sviluppata nell ambito del Progetto Supercomet 2 è espressione piena di quanto si può raggiungere sui diversi piani: scoprire, apprendere, accrescere la propria professionalità. Il laboratorio virtuale da un lato facilita l apprendimento (per immagine), il laboratorio reale dall altro dà unità tramite sintesi e chiude il cerchio, che difficilmente si realizza, tra sapere e saper fare. È questo un approccio innovativo ed ha caratteri di trasversalità. In questo lavoro si presentano i risultati di una ricerca, condotta nell ambito del Progetto Supercomet 2, che ha come obiettivo l introduzione di A. Andronico, T. Roselli, B. Lamborghini (Eds.): DIDAMATICA 2008, ISBN:

2 DIDAMATICA 2008 un tema di fisica moderna, la superconduttività, nei curricula di fisica della Scuola Secondaria Superiore. La superconduttività è un argomento significativamente introdotto per due ragioni: per la sua attualità teorica e tecnica e perché dimostra che non sempre è necessario conoscere l intera fisica per comprendere un argomento di fisica moderna. Da qui l esigenza di un aggiornamento e di uno sfoltimento dei programmi scolastici in funzione dell attuale. 2. Il Progetto Supercomet 2 Università e Scuole Secondarie di 15 Paesi europei sono stati coinvolti in Supercomet 2 (SUPERCOnductivity Multimedia Educational Tool phase 2), un Progetto biennale che si è sviluppato all interno del Programma Leonardo da Vinci fase II dell Unione Europea. Obiettivo del Progetto è la messa a punto di una applicazione multimediale per l insegnamento della superconduttività rivolta in particolar modo a studenti di Scuola Secondaria Superiore per la creazione di una comunità internazionale a livello europeo per il rinnovamento dell insegnamento della fisica. L introduzione del tema della superconduttività nel curriculum di fisica delle Scuole Superiori avviene per mezzo di: una applicazione interattiva su CD-Rom (animazioni, film di esperimenti dimostrativi, testi esplicativi); metodi pedagogici moderni come, per esempio, apprendimento collaborativo e problem solving. In Italia l Università di Udine ha guidato e coordinato la sperimentazione che ha coinvolto studenti di Scuola Superiore, dalla Sicilia alle regioni del Nord. In questo contesto sono stati sviluppati molti e diversi materiali: animazioni interattive, testi, video, materiali hands-on per esperimenti qualitativi e quantitativi relativi ai fenomeni, di elettromagnetismo ed elettrostatica, connessi con la superconduttività, una guida per l insegnante e un seminario per il training degli insegnanti [Michelini et al, 2007]. Questi materiali sono stati utilizzati sia nei seminari per il training degli insegnanti che nella sperimentazione in classe. Dopo un primo periodo di sperimentazione e disseminazione, i materiali sono stati integrati con nuove proposte allo scopo di mettere a punto quella che è la versione finale della applicazione. In particolare, durante il primo anno del Progetto sono stati prodotti: un CD-ROM con materiali didattici; 2

3 Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto Supercomet 2 una guida per l insegnante per chiarire caratteristiche e ruoli dei materiali di supporto (testi, worksheets e presentazioni multimediali) e spunti per percorsi didattici. Durante il secondo anno: i materiali sono stati tradotti nelle lingue dei paesi partecipanti al progetto; l applicazione è stata sperimentata in classi di Scuola Superiore dei paesi coinvolti nel Progetto; il corso di aggiornamento e la guida per l insegnante sono stati testati con un gruppo di insegnanti di riferimento. Il gruppo italiano, guidato dalla Prof. Marisa Michelini dell Università di Udine, nel primo periodo ha tradotto e adattato tutti i materiali per la sperimentazione, ha collaborato alla definizione di proposte didattiche incluse nella guida per l insegnante, ha curato l adattamento dei materiali ai curricula dei vari tipi di scuola in Italia, e durante il secondo anno e un periodo di estensione, ha condotto varie tipologie di sperimentazione. Alla fine del periodo di sperimentazione e disseminazione sono state apportate modifiche e correzioni ai materiali ed essi sono stati integrati fino a produrne un versione finale. 3. L applicativo multimediale Magnetismo, Conduzione elettrica, Induzione elettromagnetica, Introduzione alla superconduttività, Spiegazione della superconduttività, Materiali superconduttori, Attività coi superconduttori, Applicazioni, Storia della superconduttività: questi i nove moduli in cui si snoda il percorso del CD-Rom di Supercomet 2. I materiali sono fruibili all indirizzo Ogni schermata dell applicativo offre una animazione interattiva e una parte di testo esplicativa più vari tasti per la navigazione tra i moduli, la possibilità di scegliere una delle lingue dei paesi coinvolti nel progetto, informazioni sul Progetto Supercomet, Risorse (risposte alle Faq, un Glossario con la spiegazione di concetti notevoli coinvolti, accesso a documenti di testo, video e audio supplementari, filmati di esperienze, Referenze con links, testi, articoli). Attraverso i suddetti temi lo studente viene condotto in una sistematica scomposizione-ricomposizione del fenomeno legata all elettromagnetismo 3

4 DIDAMATICA 2008 prima e alla superconduttività poi. Lo scomporre e il ricomporre in modi diversi il fenomeno e gli aspetti ad esso connessi ha come obiettivo il far prospettare e raggiungere diverse visualizzazioni che tutte insieme danno completezza ed organicità al sapere [Michelini e Viola, 2007]. Emblematico il caso, per esempio, in cui si tratta il fenomeno dell effetto Meissner. Viene presentato il fenomeno con una animazione interattiva in cui lo studente, facendo click sulle parti attive delle schermata, raffredda il disco di materiale superconduttore immergendolo in azoto liquido e osserva la levitazione. Il percorso poi si snoda considerando dapprima la possibilità di avere correnti che scorrono senza resistenza, introducendo il caso dei materiali superconduttori, facendo osservare che però non si tratta di un moto perpetuo. È introdotta poi la temperatura critica e, con grafici della resistenza in funzione della temperatura che si ottengono in tempo reale, lo studente scopre alcune caratteristiche dei superconduttori legate alle sue proprietà elettriche. Poi si pone attenzione alle proprietà magnetiche dei superconduttori osservando i fenomeni di levitazione instabile e stabile dovuti agli effetti di pinning. 4. Il laboratorio per trasformare il sapere in saper fare Quello proposto dalla applicazione Supercomet 2 è un nuovo uso del laboratorio: attraverso il laboratorio virtuale lo studente acquisisce il sapere, con quello reale il saper fare. In questa prospettiva l idea dell attività laboratoriale si amplia in quanto il laboratorio virtuale contiene l analisi vivisezionata dell esperimento attraverso la scomposizione-ricomposizione del fenomeno per poi dare unità tramite sintesi alle conoscenze nel laboratorio reale. Questo tiene conto sempre più del ruolo centrale dello studente che tende a non accettare affermazioni astratte e apparentemente svincolate dalla realtà: in questa prospettiva si può chiudere il cerchio virtuale-tradizionale che difficilmente si realizza. Un tale uso del laboratorio facilita sicuramente l apprendimento, in quanto avviene per immagini, ma se usato correttamente sollecita lo studente a proporre, in una prospettiva di ricostruzione concettuale, il suo, personale manuale che sarà più stimolante. Questa è un approccio innovativo ed è trasversale per tutte le materie, è una metodologia interdisciplinare. I risultati della sperimentazione Supercomet 2 mostrano una forte correlazione tra training degli insegnanti e approcci adottati in classe riguardo alle strategie da utilizzare per il superamento dei nodi concettuali degli insegnanti, prima, e degli studenti poi. I percorsi progettati e proposti 4

5 Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel Progetto Supercomet 2 differiscono in angoli di attacco, nei contenuti, nell attenzione ai diversi aspetti disciplinari e nelle applicazioni tecnologiche. Le strategie e le metodologie utilizzate sono state caratterizzate non solo per livello scolare e tipo di scuola, ma anche per il modo di integrare gli esperimenti e gli strumenti multimediali. È emerso il ruolo centrale degli esperimenti che si sono dimostrati efficaci nel trattare la complessa e innovativa tematica della superconduttività sia nel training degli insegnanti che nelle attività con gli studenti di scuola secondaria. 5. Conclusioni Le applicazioni multimediali del CD-Rom sviluppato nell ambito del Progetto Supercomet 2 costituiscono un valido esempio di laboratorio virtuale che utilizza le nuove tecnologie. Le sperimentazioni già attuate in classi di Scuola Secondaria Superiore hanno dato risultati positivi in termini di coinvolgimento, crescita dell interesse per temi di fisica moderna e contemporanea, aumento delle abilità e delle competenze pratiche in laboratorio, curiosità per le applicazioni tecnologiche della superconduttività. Sulla base di uno dei moduli del CD-Rom che tratta appunto delle applicazioni, infatti, alcune sperimentazioni sono state progettate e pianificate avendo come filo conduttore applicazioni come la produzione di campi magnetici intensi nella risonanza magnetica nucleare, acceleratori e rilevatori di particelle, reattori a fusione nucleare, treni Maglev, trasformatori per la media e alta tensione, cavi per il trasporto di impulsi, limitatori di corrente, alternatori, filtri superconduttori per la telefonia mobile, rilevatori ultra sensibili di campi magnetici (SQUID)..: partendo dalla loro analisi si estrapolano e si forniscono gli elementi di teoria. Bibliografia 1. Michelini M., Viola R., Prospective Primary Teachers And Electromagnetic Phenomena: A Teaching/Learning Research, in Selected Contrib. Girep Conference: Frontiers of Physics Education, edited by R. Jurdana-Sepic, M. Zuvic-Butorac, Rijeka: Girep, Rijeka University, Michelini M., Viola R., Santi L., Corni F., The secondary school experimentation of supercomet materials in Italy, in Selected Contrib. Girep Conference: Frontiers of Physics Education, edited by R. Jurdana-Sepic, M. Zuvic-Butorac, Rijeka: Girep, Rijeka University,