LABORATORI IN CONTESTO INFORMALE PER INTERPRETARE LE INTERAZIONI ELETTROSTATICHE

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1 LABORATORI IN CONTESTO INFORMALE PER INTERPRETARE LE INTERAZIONI ELETTROSTATICHE Marisa Michelini, Alessandra Mossenta Unità di Ricerca per la Didattica della Fisica dell Università degli Studi di Udine Abstract Nell ambito dell offerta alle scuole della mostra Giochi Esperimenti Idee (GEI) a Udine e nel corso della manifestazione MediaExpo tenutasi a Crema nel 2009 sono stati proposti ad allievi della scuola primaria Laboratori Concettuali di Esplorazione Operativa (CLOE). Essi propongono esplorazioni fenomenologiche alla luce della discussione di ipotesi per la condivisione di interpretazioni. Mirano alla costruzione del pensiero interpretativo della fenomenologia sotto la guida di un ricercatore, che propone situazioni emblematiche per affrontare i nodi di apprendimento ed innescare quel cambiamento concettuale che avvia al passaggio da una visione spontanea ad una scientifica dei fenomeni. Tra i molti contesti adatti alla scuola primaria in cui sono state evidenziate difficoltà di apprendimento persistenti a livelli scolari più avanzati vi è quello dell elettrostatica. Ricerche a livello di scuola secondaria superiore evidenziano infatti, che risulta difficile in particolare l interpretazione di semplici fenomeni di elettrizzazione e di trasporto di carica. Sono state pertanto organizzate attività di esplorazione sperimentale mirate a costruire fin dalla scuola primaria il concetto di carica e le sue proprietà come riflessione guidata su esperienze macroscopiche; esse sono state proposte in laboratori CLOE a 10 classi di scuola primaria con l aiuto di schede stimolo. L analisi dei materiali raccolti durante l attività ha permesso di avere informazioni sui ragionamenti degli alunni per interpretare processi di carica. 1. Introduzione L elettrostatica presenta numerosi motivi di interesse in prospettiva didattica. È l ambito in cui vengono definite alcune grandezze di riferimento per tutto l elettromagnetismo, quali quelle di carica, di potenziale e di campo elettrico. Offre l occasione di contestualizzare e far operare direttamente i ragazzi con alcuni organizzatori cognitivi che informano tutta la disciplina, come il principio di conservazione (della carica), il principio di sovrapposizione, il concetto di equilibrio dinamico. Sul versante metodologico ed epistemologico si presta ad essere palestra di inferenza logica per quanto riguarda le conclusioni che possono essere tratte dall analisi di stati e processi macroscopici per la costruzione di ragionamenti interpretativi del mondo microscopico: a partire dalle modificazioni osservabili a livello macroscopico in relazione a specifiche azioni si ottengono elementi a supporto dell esistenza della carica come proprietà della materia, mobile e di duplice natura. Il rigore e la coerenza interna dei semplici ragionamenti necessari educa all impostazione scientifica nello studio dei fenomeni ed esemplifica modalità ed insieme potenzialità e limiti con cui la scienza costruisce le proprie ipotesi. Incuriosiscono, motivano alla ricerca di spiegazioni e interpretazioni, concretizzano la disciplina rispetto al vissuto dell allievo inoltre fenomeni che si osservano nella vita quotidiana, quali la difficoltà a separare alcuni materiali plastici (che sembrano incollati tra loro) o le piccole scariche che si sentono a seguito dello strofinio e le diverse applicazioni tecnologiche quotidiane dei fenomeni elettrostatici, come fotocopiatrici o tastiere, ma anche sistemi di purificazione dell aria. L interesse educativo e della ricerca didattica per l elettrostatica deriva anche da altri due aspetti: la sua presenza nel curriculum in diverse fasi

2 (è presente a diversi livelli scolari) ed il problema che la mancanza di collegamento tra elettrostatica ed elettrodinamica risulta alla base di difficoltà di apprendimento specifiche in quest ultimo campo (Eylon, 1990). L interesse per l elettrostatica si è così potenziato in tutta la letteratura ed a partire dai risultati sui modi in cui viene appresa l elettrostatica si stanno elaborando percorsi e strategie tesi a superare i nodi di apprendimento che conducono gli studenti a concezioni non scientifiche (Furiò 1998, Guisasola 2008). A seguito di sperimentazioni di ricerca di percorsi di insegnamento / apprendimento sui fenomeni elettrostatici di base (Zubimendi 2005, Michelini 2007, Guisasola 2008, Mossenta 2010 a e b) è emersa una proposta organica in materia che si articola seconda un percorso verticale dalla scuola primaria alla scuola secondaria. Paralleli studi di ricerca azione con gli insegnanti (Magnoler 2008 a e b) hanno fatto emergere le difficoltà ed i bisogni formativi degli insegnanti. Il processo di professionalizzazione che produce la Conoscenza Pedagogica del Contenuto PCK- (Shulman, 1986) è una sintesi che fonde la conoscenza dei contenuti con quella delle modalità pedagogiche. Per diventare azione efficace di insegnamento richiede di approfondire la conoscenza dei contenuti, ambito in cui gli insegnanti della scuola primaria in particolare si sentono più carenti e la riflessione sulle modalità di trasposizione didattica dei contenuti fondata sulla personale esperienza in contesto disciplinari (Michelini 2003, 2004, Testa 2006, Mossenta 2010 c). In quest ottica è necessario offrire agli insegnanti per attività di discussione, analisi e pre sperimentazione degli esempi di proposte validate attraverso attività con i bambini stessi condotte da ricercatori in grado di individuare i punti di forza e quelli critici. Un lavoro preliminare di ricerca per la validazione sul campo di percorsi e l individuazione di elementi critici è una fase delle ricerche empiriche sui processi di insegnamento / apprendimento del Model of Educational Reconstruction - MRE (Duit 2006). Essa prevede l indagine sulle difficoltà di apprendimento, le caratteristiche dei concetti e le modalità di ragionamento degli studenti in ambienti di apprendimento innovativi per strategia, metodi e strumenti, non ultime le tecnologie dell informazione e della comunicazione, comn particolare riguardo a sensori collegati all elaboratore per l acquisizione di dati. In questo lavoro si presenta un attività di questo tipo condotta nel 2009 in Laboratori CLOE con 114 allievi della Scuola Primaria e Secondaria di Primo Grado nel contesto di una manifestazione di promozione di tecnologie innovative per la didattica tenutasi a Crema (MediaExpo), per valutare l efficacia della proposta didattica a carattere verticale che è stata sviluppata a partire dalle difficoltà di apprendimento registrate in letteratura. 2. Sviluppo della proposta didattica per l elettrostatica 2.1 Nodi concettuali e modelli interpretativi dei ragazzi in elettrostatica Le ricerche sulle difficoltà di apprendimento in elettrostatica possono essere divise in due settori. Da un lato vi sono quelle che indagano gli apprendimenti in relazione agli aspetti più formalizzati di campo elettrico, legge di Gauss, potenziale elettrico (Törnkvist, 1993; Rainson, 1994; Viennot, 1999; Furió, 1998; Maloney, 2001): sono focalizzate su studenti di scuola superiore o università ed indagano sia le difficoltà strettamente legate al significato dei concetti che quelle relative alla loro formalizzazione mediante formule o rappresentazioni grafiche. Dall altro lato vi sono quelle che guardano ai fenomeni elettrici di base che contribuiscono a costruire la prima interpretazione elettrostatica: i processi di elettrizzazione dei corpi per strofinio, contatto o induzione e il trasferimento della carica (Guruswamy, 1997; Furiò, 2004; Zubimendi, 2005; Guisasola, 2008). Anche in questo caso gli studenti sono di scuola superiore. Indagini che abbiamo condotto ad età inferiori nell ambito della mostra Giochi-Esperimenti-Idee (GEI) (Michelini, 2007) confermano le ipotesi avanzate per studenti di età maggiore (Furiò, 2004) in merito all impiego in modo spontaneo di modelli già emersi

3 storicamente nel corso dello sviluppo della teoria. I risultati di questi studi mostrano infatti che a diversi livelli scolari (dalla scuola di base all università) semplici fenomeni di elettrizzazione per strofinio e induzione sono interpretati secondo quattro principali modelli: -Creazionista (si ritrova in non molti studenti): l elettricità appare nei corpi quando sono strofinati. Le cariche appaiono quando sono strofinati i dielettrici (plastica) ma non quando lo sono i metalli. -Effetto alone (anche qui in non molti studenti): i corpi carichi attraggono ogni altro corpo vicino. L elettricità è considerata essere costituita da cariche che creano una atmosfera elettrica. -Fluido elettrico (la maggior parte degli studenti): l elettricità è considerata come un fluido che passa da un corpo all altro: attraverso lo strofinio, il fluido passa sui dielettrici (come la plastica) ma non va sui metalli. Tuttavia, attraverso il contatto, il fluido passa sui conduttori (metalli) e non può passare attraverso i dielettrici. Le interazioni elettriche avvengono per contatto quando un fluido passa da un corpo ad un altro. -Newtoniano (presente in pochi studenti secondari, una minoranza di universitari): l elettricità è considerata come un gruppo di cariche che agisce a distanza. I fenomeni di induzione elettrica sono spiegati come effetti di forze esercitate dalla carica del corpo carico sulle cariche separate, positive e negative, del corpo neutro. La persistenza, nonostante la scolarizzazione, di tali modelli spontanei lontani da quelli scientifici porta a suggerire l anticipazione di attività didattiche volte al processo di cambiamento concettuale. Due le ragioni principali: l attenzione alla fenomenologia che non è stata favorita nella fase di naturale curiosità dei bambini è difficilmente recuperabile, perché cambiano con l età gli stili attentivi e i modi di relazionare informazioni e ragionamenti, i modelli interpretativi di senso comune, usati da prima in modo implicito vengono reimpiegati e consolidati nelle successive esperienze e si radicano spesso al punto da restare riferimenti interpretativi paralleli a quelli appresi a scuola (Viennot 1999, Michelini 2004). Offrendo l esplorazione della fenomenologia nella fase in cui i bambini si pongono interrogativi curiosi sul mondo e il processo di elaborazione di modelli interpretativi personali è in fase di strutturazione si favorisce il processo naturale di esternalizzazione degli enti e si costruisce l abitudine a procedere nella costruzione della conoscenza scientifica secondo le modalità tipiche della scienza stessa, così da rendere usuale il ricorso a deduzioni logiche rigorose nel sostegno delle opinioni, all individuazione e al controllo di ipotesi attraverso l attribuzione corretta dei ruoli alle diverse variabili in gioco, così da riuscire a selezionare tra i molteplici aspetti della realtà quelli significativi per il contesto in esame ed imparare a costruire significati coerenti con l evidenza sperimentale. 2.1 Le scelte culturali alla base della proposta in elettrostatica La proposta che è stata costruita a questo scopo è l esito di un processo di ricostruzione razionale dei contenuti disciplinari in accordo con il modello MRE (Duit 2006), di un analisi dei nodi concettuali e di apprendimento, sia dalla letteratura di ricerca che da indagini portate avanti direttamente (Michelini 2007, Mossenta 2010 a b c) e della maturazione di una competenza all impiego di strategie di inquiry learning per l educazione scientifica di base in contesti formali ed informali (Michelini 2010). Essa mira a costruire il concetto di carica come proprietà assunta dai corpi in seguito ad una preparazione, che li porta in uno stato che consente loro di interagire in virtù della proprietà assunta, secondo modalità diverse. Tutte le diverse modalità sono riconducibili a due diversi tipi di proprietà, che sono prodotte da cose necessariamente sempre presenti dentro ai corpi, attivabili in modi diversi e responsabili delle interazioni elettriche. Cose che hanno la proprietà di muoversi nei corpi e di passare da un

4 corpo all altro e di conservarsi. La costruzione del quadro interpretativo avviene attraverso esplorazioni sperimentali dei diversi modi di elettrizzare oggetti, per microstep concettuali. Nella prima parte si ruota attorno al concetto di carica e alle sue proprietà, superando la (dicotomica) spiegazione basata sulla categorizzazione dei materiali (isolanti e conduttori) e la manifestazione fenomenologica degli effetti prodotti piuttosto che sulla base degli elementi interpretativi. Tale spiegazione è fortemente presente anche nei bambini e corrisponde ad una spontanea (o indotta) modalità semplificativa dicotomica di classificazione / analisi. Si punta ad educare ad un processo di sintesi tipico della fisica. che mira ad unificare e ridurre gli elementi interpretativi. Si focalizza sulle proprietà macroscopiche delle interazioni elettriche, per costruire il primo livello di interpretazione dei fenomeni elettrostatici, mediante attività esplorative sperimentali hands-on. Soltanto nella seconda fase è previsto l uso di strumentazione di misura (con il computer online), che confermano e precisano in forma quantitativa quanto visto in precedenza, accanto ad uno sviluppo di contenuti che, attraverso l analisi del processo di trasferimento di carica, conduce alla necessità di introdurre il potenziale elettrico e all individuazione del campo elettrico come spazio modificato dagli oggetti carichi per renderlo sede di possibili interazioni. 2.2 Le strategie e i metodi Sono stati scelti esperimenti estremamente semplici dal punto di vista operativo e strutturale, con materiali molto noti e comuni, di natura qualitativa: in questo modo l attenzione non viene attratta dalla natura non evidente dell apparato né frenata dal timore dell incapacità ad interpretare; tuttavia, molti degli esperimenti considerati utilizzano i materiali in modo insolito o hanno esiti del tutto inattesi per stimolare la curiosità e far nascere un bisogno interpretativo in grado di attivare la motivazione alla messa in gioco e all apprendimento. I riferimenti per la progettazione in relazione ai processi cogniti sono stati quindi quelli di favorire negli allievi la costruzione autonoma della conoscenza attraverso il confronto tra pari e la condivisione delle idee; di proporre attività esplorative su materiali quotidiani come palestra per l interpretazione, per stimolare all indagine orientata alla costruzione di un insieme di concetti in grado di interpretare la fenomenologia e rendere tale processo interpretativo caratteristico del quotidiano piuttosto che limitato, eventualmente, al contesto scolastico; di utilizzare una modalità ludica come scenario nella costruzione dei concetti, che stimoli attenzione e partecipazione per produrre effettivamente quel contesto di condivisione di opinioni e di disponibilità alla discussione e al dialogo che realizza il coinvolgimento personale necessario all apprendimento. Si utilizzano schede stimolo esplorative (Martongelli, 2001; Michelini, 2004) che aiutano a documentare le idee, con la strategia Sitazione-Previsione-Esperimento-Analisi, SPEA (Michelini & Viola 2009), che prevede la presentazione di una situazione, la previsione circa la sua evoluzione a seguito di una specifica azione (di cu sono state poste le basi empiriche), l esperienza e l analisi dell esito a confronto con la previsione, alla luce delle ragioni poste alla base della previsione. Il modello che lo studente utilizza per l interpretazione viene così esplicitato e i ragionamenti confrontati con gli esiti sperimentali. Si punta alla costruzione del pensiero formale, non necessariamente matematico: un quadro di riferimento teorico generale in grado di interpretare tutta la fenomenologia. 2.2 Il razionale della prima parte della proposta La prima serie di situazioni comporta l osservazione che nastri adesivi strappati dalla stessa superficie (comunque scelta, tra isolanti o conduttori) si respingono: tale effetto si riconduce a una proprietà (responsabile dell effetto repulsivo) acquisita dai nastri a seguito dello strappo,

5 e all uguaglianza dello stato acquisito dai nastri per via della stessa preparazione: si conclude anche, quindi, che nastri posti nella stessa condizione si respingono. Una seconda serie di situazioni vede coinvolti oggetti diversi dal nastro (etichette usate nelle confezioni di bibita o cannucce) e procedure di preparazione diverse dallo strappo (strofinio sulla stessa superficie) che in ogni caso hanno come esito la repulsione. Lo strofinio costituisce una seconda modalità di preparazione, che permette di mettere oggetti nella condizione di respingersi. Una terza serie di situazioni prevede di osservare il comportamento degli stessi oggetti visti in precedenza ma accoppiati dopo aver interagito con materiali diversi tra loro: nastri adesivi strappati da superfici diverse si respingono o attraggono, come cannucce/etichette strofinate con materiali diversi, mentre non si ha alcun effetto se si prepara uno solo degli oggetti della coppia: si conclude che a due comportamenti osservati corrispondono due condizioni degli oggetti preparati, in relazione con i comportamenti in base alla concordanza o meno delle stesse; la preparazione porta l oggetto all acquisizione di una proprietà che determina l interazione, intesa sia come capacità di esercitare un azione che come capacità di subirla. Si nota anche che la tipologia di elettrizzazione non è caratteristica del corpo elettrizzato, che può esserlo in ciascuna delle due tipologie, ma viene determinato dalla natura della coppia elettrizzante/elettrizzato. Si passa quindi ad un altro blocco di situazioni, basati sull osservazione del comportamento delle coppie: si osserva che due nastri adesivi strappati dopo essere stati sovrapposti si attraggono così come due etichette strofinate tra loro, indicando l acquisizione di condizioni diverse (eventualmente si combatte l idea che solo uno dei due oggetti sia elettrizzato osservando che, dopo aver preparato una seconda coppia identica, gli elementi omologhi si respingono sempre, indicazione dello stesso stato modificato rispetto a quello naturale); l osservazione che anche oggetti diversi strofinati tra loro (cannuccia - panno) si attraggono porta a concludere che comunque vengano scelti, gli elementi di ciascuna coppia si elettrizzano entrambi e raggiungono stati diversi. L inclusione di altre classi di materiali tra quelli elettrizzabili può avvenire semplicemente osservando l attrazione tra nastro adesivo strappato e ciascuna superficie da cui esso è stato strappato. 3. Contesto e strumenti della ricerca La prima parte della proposta sopra descritta è stata sperimentata durante sessioni di Laboratorio CLOE, nel corso della manifestazione MEDIAEXPO di promozione di tecnologie didattiche innovative nel 2009, a Crema, in Lombardia. Ha visto coinvolte classi di Scuola Primaria (10) e Secondaria di Primo Grado (1): una II (27 alunni), 3 IV (43 alunni in totale), 5 V (84 alunni totali), una multiclasse IV-e-V (7 e 4 alunni rispettivamente) di Scuola Primaria, e 1 classe I Secondaria di Primo Grado (15 alunni). L attività è stata condotta a piccolo gruppo per sessioni di un ora in cui si proponeva l interpretazione delle esperienze di elettrizzazione per strappo/strofinio descritte sopra, secondo una strategia SPEA e con il supporto di schede sintetiche (eccetto che nel caso della II; in cui i bambini sono stati invitati a disegnare), in cui si richiedeva di elencare gli oggetti, il comportamento osservato, le azioni che mettono in moto il comportamento, gli elementi che possono spiegare il comportamento. Ciascun bambino compilava singolarmente la tabella dopo le esperienze e una discussione su di esse.. L analisi di tali dati ha permesso, insieme ad audio registrazioni, di avere traccia dei processi messi in atto nel corso dell attività. In particolare si è analizzato in che misura i bambini leggevano le esperienze individuando gli aspetti scientificamente rilevanti, descrittivi ed interpretativi, rispetto agli scopi per cui le esperienze stesse erano state proposte nel percorso. Le domande di ricerca erano quindi le seguenti:

6 RQ1: In quali termini gli allievi leggono i comportamenti dei sistemi osservati (in particolare del nastro adesivo): descrittivo o interpretativo, secondo una visione che considera i sistemi globalmente o che si arresta ad una visione locale centrata sui singoli componenti? RQ2: Gli allievi individuano l azione che produce il comportamento osservato? RQ3: Gli allievi individuano elementi di spiegazione del comportamento? Quali? Che natura hanno questi elementi? La macro problematica sottesa è il ruolo per l apprendimento della proposta elaborata nelle sue diverse dimensioni culturale, cognitivo, concettuale, metodologico ed operativo, che comprende: - L analisi di efficacia cognitiva delle scelte di razionale in merito a: o la sintesi interpretativa proposta; o il rapporto tra descrizione macroscopica e microscopica dei fenomeni; o la costruzione del pensiero formale; - il contributo formativo del contesto informale CLOE in questo campo; - il ruolo di: o semplici esperimenti e dell operatività nell apprendimenti; o strategie di apprendimento attivo e della SPEA nello specifico; o momenti di cooperative learning nella costruzione di interpretazioni; - l individuazione di idee e ragionamenti che possano istruire gli angoli di attacco di un percorso di apprendimento scientifico in elettrostatica. Gli esiti comprendono l individuazione di strumenti ed indicazioni per una formazione degli insegnanti all innovazione proposta. 4. Dati Si analizzano le risposte date dalle classi che hanno compilato le schede, due quarte (denominate 4A e 4B), quattro quinte (denominate 5A, 5B, 5C, 5D) 1 pluriclasse composta di allievi di quarta e quinta (4MC e 5MC), tutte di Scuola Primaria, e 1 prima di Scuola Secondaria di Primo Grado (1Me).per un totale di 114 allievi. Si considera l esperienza dello strappo di due strisce di nastro adesivo, avvicinate dopo essere state strappate da una stessa superficie. Tutti i 114 allievi identificano una modifica nello stato del sistema delle strisce di nastro dopo lo strappo in base al comportamento dei nastri. Alla richiesta di indicare il comportamento osservato per il nastro adesivo, gli allievi danno risposte che si possono classificare secondo due categorie: I) descrittiva (5/37 allievi di classe quarta, tra cui 4/7 della pluriclasse, 58/62 di classe quinta, tra cui 2/4 della pluriclasse, e 8/15 della prima Secondaria, per un totale di 71/114 allievi), ed II) interpretativa (32/37 allievi di classe quarta, tra cui 3/7 della pluriclasse, 4/62 di classe quinta, tra cui 2/4 della pluriclasse, e 7/15 della prima Secondaria, tra cui 4 riportano anche la descrizione di allontanamento). La categoria descrittiva (I) illustra il movimento osservato nei nastri secondo due sottocategorie: Ia) un sistema unico le cui parti hanno modificato le posizioni reciproche: i nastri si sono allontanati / allontanandosi tra loro / non si attaccano (5/37 allievi di classe quarta tra cui 4/7 della pluriclasse, 45/62 di classe quinta, tra cui 2/4 della pluriclasse, e 8/15 allievi di prima Secondaria, per un totale di 58/114 allievi), Ib) due sistemi separati che si sono deformati: il nastro adesivo si è piegato esternamente (13/62 allievi di classe quinta). La prima delle due sottocategorie (Ia) guarda in termini di relazione tra i due nastri (ciascuno di essi si muove rispetto all altro), la seconda (Ib) riconosce soltanto lo stesso comportamento per entrambe i nastri, senza nessuna indicazione in merito ad una interazione tra i nastri o correlazione tra i loro comportamenti. La categoria interpretativa (II) guarda all interazione tra gli elementi del sistema (le strisce di nastro adesivo), anche in questo caso secondo due

7 modalità: IIa) interazione di tipo repulsivo ( si respingono, 32/37 allievi di classe quarta, tra cui 3/7 della pluriclasse, 4/62 allievi di classe quinta, tra cui 2/4 della pluriclasse, per un totale di 36/114 allievi) e IIb) assenza di attrazione, forse attesa: non si attraggono (7/15 allievi della classe prima Secondaria). Tra questi, un piccolo gruppetto (4 allievi) aggiunge anche la descrizione in termini di allontanamento, confermando la percezione dell idea di interazione attraverso la descrizione globale del sistema osservato. In tabella 1 è riportato il dettaglio delle risposte. Comportamento osservato ESPERIENZA 1 4A N=16 4B N=14 4MC N=7 5MC N=4 5A N=10 5B N=15 5C N=13 5D N=20 I Me N=15 TOT N=114 Descrizione Interpretazione Allontanamento assenza di contatto (51%) Deformazione (11%) Repulsione (32%) Assenza di attrazione 3 3 (3%) Assenza di attrazione e Allontanamento 4 4 (4%) Tabella 1. Risposte in relazione al comportamento osservato nel nastro adesivo strappato Alla proposta delle esperienze di strofinio successive il gruppo che osservava la deformazione del nastro modifica quasi totalmente la risposta (11 su 13 allievi) e osserva un allontanamento 1. Dopo l osservazione del comportamento del sistema dei due nastri adesivi si richiedeva agli allievi l individuazione delle azioni che mettono in moto il comportamento osservato. Gli allievi in grande maggioranza (108/114) descrivono azioni svolte che sono in relazione con l osservazione del comportamento dei sistemi, senza che siano precisamente le condizioni che producono il comportamento osservato: si tratta talvolta di accostamenti temporali tra azioni osservate. Si tratta delle azioni meccaniche compiute sui nastri (attaccare/strappare i nastri) e della loro collocazione ravvicinata dopo lo strappo (avvicinare i nastri); riconoscono un ruolo solo all azione meccanica e citano lo strappo ( abbiamo strappato lo scotch / attaccati e staccati ) 15/37 allievi delle classi quarte e 32/62 allievi delle classi quinte (tra cui 2/4 della pluriclasse), per un totale di 47/114 allievi; altri 4/62 allievi delle classi quinte individuano l azione meccanica citando solo l attaccare, lo appiccichiamo ; riconoscono solo la causa che rende manifesta l interazione tra i nastri, ovvero l avvicinamento, 12/37 allievi delle classi quarte (tra cui 3/7 allievi della pluriclasse, gli abbiamo avvicinati ) e 1/62 delle classi quinte (appartenente alla pluriclasse), per un totale di 13/114 allievi; ritengono entrambe le azioni responsabili del fenomeno strapparlo con forza e poi avvicinarlo attaccarlo staccarlo avvicino 8/37 alunni della classe quarta (tra cui 4/7 della pluriclasse), 22/62 delle classi quinte (tra cui 1/4 della pluriclasse) e 11/15 allievi della prima Secondaria, per un totale di 41/114 allievi; a questi vanno aggiunti 3 allievi (uno per ciascun livello scolare) che accomunano l adesione e l avvicinamento, senza citare lo strappo che prima noi abbiamo attaccato poi l abbiamo avvicinato. L azione di strappare risulta 1 Produrre lo stesso processo con modalità diverse risulta fecondo sia per focalizzare la natura di uno stesso processo di carica, sia per riconoscere il carattere che differenzia le diverse modalità di carica.

8 quindi individuata da 88/114 allievi. Tra gli allievi che non individuano azioni c è un allievo di classe quarta che indica forza magnetica, uno di classe quinta che indica un meccanismo con sfumature antropomorfiche per il nastro, prende il materiale un altro che immagina un meccanismo artificiale, facendo in modo che qualche macchinario gli abbia dato energia (tutti casi di non adeguata focalizzazione della domanda) e 3/15 allievi di prima media che non rispondono. In una delle classi quinte, 5C, 6/13 allievi utilizzano enti interpretativi e un modello di cessione accanto alla descrizione dell azione: strappando magari gli abbiamo dato l energia / strappando forte abbiamo dato elettricità. Spiegazioni coerenti di cosa produce il comportamento del nastro adesivo vengono date 75/114 allievi. Le interpretazioni sono basate su due elementi: A) fisici o pseudo fisici (84): forza, energia, elettricità, B) di contesto (18): variabili del processo osservato, quali i materiali o la procedura utilizzata per cambiare lo stato dei sistemi osservati. Indicano una forza 18/30 allievi di classe quarta e 7/58 allievi della classe quinta, per un totale di 25/88 allievi, tra cui 23 parlano di forza magnetica e 2 non specificano la tipologia di forza. E documentata in letteratura la difficoltà a distinguere fenomeni elettrici e magnetici, che emerge anche in questo caso. Indicano l energia 1/30 allievi di classe quarta e 24/58 allievi di classe quinta, per un totale di 25/88 allievi. Indicano elettricità 23/58 allievi di classe quinta. In misura minore vengono anche citati la gravità (8/58 casi nelle classi quinte) e il riscaldamento (3/58 allievi di classe quinta). Nella categoria degli elementi legati al contesto (B) troviamo il materiale (3/30 casi nelle classi quarte e 8/58 nelle classi quinte, per un totale di 11/88 allievi) e la colla (7/58 allievi di classe quinta). Nelle classi quarte ciascuna spiegazione (ciascun allievo) è basata su un elemento interpretativo (7 allievi non rispondono); nelle classi quinte le spiegazioni diventano complesse e si basano su più elementi: la colla che c è, il magnetismo, una specie di energia, l elettricità si forma l elettricità nello strappo. In una delle classi quinte, la 5B, 8/15 allievi individuano un meccanismo, quale: prende energia dalle gambe del tavolo che sono in ferro. 7/30 allievi nelle classi quarte e 3/58 nelle classi quinte non rispondono, 5/88 allievi (1 di classe quarta e 4 appartenenti alla stessa classe quinta, la 5C) indicano come elemento di spiegazione il comportamento del nastro o l azione compiuta su di esso. Nel caso della classe prima Secondaria, un solo allievo indica un elemento di spiegazione, per le etichette, ed è il calore. Nella classe 5B 12/15 allievi modificano la spiegazione dopo aver sperimentato le azioni sulle etichette di plastica, affermando che c è qualcosa dentro l etichetta. 5. Discussione dei dati e conclusioni Il numero piuttosto elevato di risposte pertinenti alle domande poste, anche nell attività iniziale, fanno ritenere che le richieste in relazione alle esperienze siano state adeguate rispetto al livello degli allievi. In relazione alle domande di ricerca, si ricava che nella lettura del comportamento dei sistemi emerge una distinzione piuttosto netta tra le classi quarte e quinte. Le classi quarte guardano sostanzialmente in termini di interazione, repulsione tra i nastri, mentre nelle classi quinte si limitano per lo più a descrivere il comportamento osservato di allontanamento. Inoltre, in questo caso emerge una modalità di descrizione che sembra più attenta alla modifica di aspetto del singolo nastro, che si piega, che alla relazione che intercorre tra i due, come un sistema unico interagente. La semplicità delle esperienze ne ha favorito la lettura, ma non l analisi del processo. La maggioranza degli allievi di questo gruppo dopo aver esaminato esperienze successive rileva l allontanamento reciproco dei sistemi interagenti. Ciò sostiene la necessità di proporre molte esperienze, variandone le condizioni, per favorire l individuazione di elementi significativi per l analisi della fenomenologia. Il fatto che la grande maggioranza degli allievi di classe quarta primaria legga l esperienza in termini di interazione indica, che ragionamenti basati su di essa possono

9 essere portati avanti sin da questo livello scolare; a conferma la maggioranza degli allievi delle quarte indica ancora le forze al momento di fornire elementi interpretativi dell esperienza. La grande maggioranza degli allievi individua lo strappo come azione che produce il nuovo comportamento del sistema, ma quasi la metà degli allievi indica anche l avvicinamento, che rende manifesta ma non determina l interazione. Anche in questo caso (come confermato dalle successive esperienze di strofinio) fornire numerose esperienze (una vasta fenomenologia) orienta ad individuare il ruolo delle grandezze in gioco. La spiegazione del comportamento osservato è data da una buona parte degli allievi, che ricorre ad enti fisici per proposte interpretative: è questo per lo più l esito finale di considerazioni che chiamano in causa enti molteplici e meccanismi in cui la grandezza interpretativa ricopre un ruolo improprio: è necessario abituare alla lettura rigorosa della fenomenologia macroscopica per aiutare gli allievi ad acquisire consapevolezza nel controllo delle inferenze. Tenuto conto che proprio nella classe in cui emergevano meccanismi di spiegazione si è arrivati alla individuazione della presenza di qualcosa all interno dei sistemi come elemento di spiegazione, in anticipo rispetto alle tappe programmate nel percorso, le ricerche di interpretazione da parte degli allievi vanno comunque incoraggiate. Per ottenere che gli enti individuati vengano utilizzati in modo pertinente sono necessari gruppi di esperienze differenziate, che portano ad evidenziare ulteriori proprietà della carica (in particolare la sua mobilità), mentre consolidano e precisano un idea interpretativa di base. In questo modo si favorisce il processo interpretativo e si producono nuovi significati. 6. Bibliografia Duit R. (2006). Science Education Research - An Indispensable Prerequisite for Improving Instructional Practice Scaricato il 16/08/2010 da Eylon B. & Ganiel U. (1990). Macro micro relationship: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students reasoning, Int. J. Sci. Educ. 12 (1) Furió C. & Guisasola J. (1998). Difficulties in learning the concept of electric field, Sci. Educ. 82 (4) Furió C. Guisasola J. & Almudì J. M. (2004). Elementary electrostatic phenomena: historical hindrances and students difficulties, Can. J. Sci. Math. and Techn. Educ. 4 (3) Guisasola J, Michelini M, Mossenta A, Viola R, Teaching electromagnetism: issues and changes, in Frontiers of Physics Education, Rajka Jurdana-Sepic et al eds., Girep-Epec book of selected contributions, Rijeka (CRO), 2008, p [ISBN ] p.58 Guisasola J. Zubimendi J. L. Almudì J. M. & Ceberio M. (2008). Dificultades persistentes en el aprendizaje de la electricidad: estrategias de razonamiento de los estudiantes al explicar fenómenos de carga eléctrica Enseñanza de las Ciencias 26 (2) Guruswamy C. Somers M. D. & Hussey R. G. (1997). Students understanding of the transfer of charge between conductors, Phys. Educ. 32 (2) Magnoler P, Michelini M, Mossenta A (2008 b), La rete telematica per insegnanti in attività di ricerca-azione: il caso dei fenomeni elettrici, in Didamatica Informatica per la didattica, parte I, Andronico A et al eds., selected paper book, Laterza ed., 2008 [ISBN: ] p Magnoler P, Michelini M, Mossenta A, Santi L (2008 a), Una ricerca-azione verso la carica elettrica, La Fisica nella Scuola, XLI, 3 suppl., 2008, p.77-83

10 Maloney D. P. O Kuma T. L. Hieggelke C. J. & Heuvelen A. V. (2001). Surveying students conceptual knowledge of electricity and magnetism, Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7) S12-S23 Martongelli R. Michelini M. Santi L. Stefanel A. 2001, Educational Proposals using New Technologies and Telematic Net for Physics, in Physics Teacher Education Beyond 2000 (Phyteb2000), R.Pinto, S. Surinach Eds., Girep book - Selected contributions of the Phyteb2000 International Conference, Elsevier, 615 Michelini M, ed. 2004, Quality Development in the Teacher Education and Training, Girep book of selected papers, Forum, Udine, 2004ÌISBN: ] Michelini M, Mossenta A, Role play as a strategy to discuss spontaneous interpreting models of electric properties of matter: an informal educational model, Seiected papers on Girep Conference 2006, Amsterdam 2007 Michelini M, Rossi P G (2003), E_Learning to support initial teacher education for primary school: action research to develop science teaching competences, ESERA book of selected papers, Utrecht, 2003 Michelini M. & Mossenta A. (2007) Role play as a strategy to discuss spontaneous interpreting models of electric properties of matter: an informal education model, in Modeling in Physics and physics education, Intern. Conf. Proceedings scaricato il 16/8/10 da Michelini M., 2004, Physics in context for elementary teacher training in Quality Development in Teacher Education and Training, Girep Book of selected papers PT_F8, FORUM, Udine Michelini M., Viola R., Electromagnetic induction: a proposal for a teaching/learning path, Proceedings of selected papers to the Frontiers in Science Education Research Conference FISER09, Ahian Bilsel and Mehmet U. Garip Editors, Estern Mediterranean University, EMU, Famagusta Cyrus, 2009, p Mossenta A, Michelini M (2010a), Inquiring learning proposals on conceptual knots in electrostatics, New Trends in Science and Technology Education. Selected Paper, vol. 1, eds. L.Menabue and G.Santoro, CLUEB, Bologna 2010, ISBN , p Mossenta A., Michelini M (2010b), Conservation of charge to understand potential using on line charge measurements, il Nuovo Cimento, 3, 33, SIF, Bologna Mossenta A., Michelini M., Magnoler P., Copetti P., Del Fabbro C., Minisini L., Santi D., (2010 c)an environment to share in-service training on the net: an action-research about charge in primary and middle school, il Nuovo Cimento, 3, 33, SIF, Bologna Rainson S. Tranströmer G. Viennot L. (1994). Students understanding of superposition of electric fields, Am. J. Phys. 62, 11, Shulman L. (1986). Those who understand: Knowledge growth in teaching, Educ. Res. 15 (2) Testa I, Michelini M (2007), Prospective primary teachers functional models ofelectric and logic circuits: results and implications for the research in teacher education, Selected papers on Girep Conference 2006, www. girep2006.nl, in Modelling in Physics and Physics Education, Ed van den Berg, Ton Ellermeijer, Onne Slooten eds., University of Amsterdam, 2007 [ ] p Törnkvist S. Pettersson K. A. & Tranströmer G. (1993). Confusion by representation: on students comprehension of the electric field concept, Am. J. Phys. 61 (4) Viennot L. & Rainson S. (1999). Design and evaluation of a research - based teaching sequence: the superposition of electric field, Int. J. Sci. Educ. 21 (1) 1-16 Zubimendi J. L. & Ceberio M. (2005). Los processos de carga eléctrica de cuerpos como instrumento de evaluación en el aprendizaje de la electricidad en estudiantes universitarios. Enseñanza de las Ciencias Número extra. VII Congresso