I materiali didattici del Progetto europeo Mosem

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1 I materiali didattici del Progetto europeo Mosem Grzegorz Karwasz 1, Vegard Engstrom 2, Marisa Michelini 3, Rossana Viola 3, 1 Dipartimento di Fisica dell Univerità di Torun, Polonia 2 Simplicatus AS, Norvegia 3 Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine, Italia Introduzione Al progetto del programma Leonardo da Vinci dell Unione Europea MOSEM (Minds-On Experimental Equipment kits in Superconductivity and ElectroMagnetism for the continuing vocational training of Upper Secondary School Physics Teachers) aderiscono partner di 15 Paesi diversi. L Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine è il responsabile italiano. Il progetto è finalizzato a promuovere l innovazione didattica in fisica utilizzando i risultati dei Progetti Supercomet e Supercomet2. Fig 1. Il logo del Progetto MOSEM Molti sono i materiali prodotti nel progetto: kit di esperimenti Minds-On, applicazioni multimediali fortemente interattive con video, animazioni, riferimenti bibliografici.. -, una guida per l insegnante. Essi costituiscono la base di riferimento per le scuole, i partner gli insegnanti coinvolti nell innovazione didattica sui temi dell elettromagnetismo e della superconduttività, che il progetto propone. La sperimentazione che si svolgerà nell anno scolastico è sostenuta da 4 tipologie di seminari, percorsi didattici, che seguono diverse impostazioni: quella delle proprietà elettriche, quella delle proprietà magnetiche, quella dell energia, in forme differenziate per biennio e triennio di scuola superiore. Diverse metodologie di insegnamento attivo sono suggerite al fine di facilitare motivazione e apprendimento attivo dei ragazzi. 2. I materiali del progetto 2.1 La guida per l insegnante Una ricca guida per gli Insegnanti è il risultato di un lavoro biennale di selezione e messa a punto di materiali prodotti a seguito delle sperimentazioni pilota nei progetti europei Supercomet 1 e 2. Essa è organizzata nei seguenti capitoli: 1) Una introduzione su come insegnare la superconduttività con SUPERCOMET2 e sull uso delle TIC nell insegnamento delle scienze; 2) Le TIC nell insegnamento delle scienze che suggerisce alcuni modi di utilizzare le TIC in classe; 3) La Fisica della superconduttività, che descrive teoria e modelli interpretativi; 4) Alcuni esempi di moduli, con prerequisiti, obiettivi e test sulle conoscenze; 5) Esempi di attività con i materiali del progetto e proposte di lezioni; 6) Carrellata degli esperimenti low-tech e high-tech messi a punto durante il progetto, descrizione delle tipologie di seminario di formazione per gli insegnanti; 7) Alcuni suggerimenti per la valutazione e alcuni commenti di insegnanti e studenti; 8) Ulteriori risorse: testi che trattano il tema, risorse in web, materiali on-line.. 1

2 2.2 Le applicazioni multimediali Le applicazioni multimediali (Fig. 2) si snodano in un percorso di nove moduli: Magnetismo, Conduzione elettrica, Induzione elettromagnetica, Introduzione alla superconduttività, Spiegazione della superconduttività, Materiali superconduttori, Attività coi superconduttori, Applicazioni, Storia della superconduttività. Il gruppo di applicazioni multimediali è fruibile all indirizzo Fig. 2.a. La schermata di accesso ai moduli Esso offre una serie di strumenti utili sia allo studente che naviga autonomamente tra i moduli che all insegnante che progetta e costruisce un percorso didattico utilizzando in maniera libera e flessibile tutti gli strumenti a sua disposizione, da quelli più tradizionali a quelli multimediali. Ogni schermata dell applicativo consiste di una animazione interattiva e di una parte di testo esplicativa che guida lo studente sia al pieno utilizzo delle potenzialità della animazione che ad una profonda e consapevole comprensione dei fenomeni e dei concetti coinvolti. Sono disponibili vari tasti per la navigazione diretta tra i moduli, la possibilità di segnare (Bookmarks) pagine per poi ritrovarle velocemente più tardi, e varie Risorse per l attività dei ragazzi: risposte alle Faq di studenti, un Glossario con la spiegazione dei concetti notevoli coinvolti, accesso a documenti di testo, video e audio supplementari, filmati di esperienze, Referenze con links utili, testi, articoli che trattano il tema. La traduzione dei materiali nelle lingue dei Paesi coinvolti nel progetto è ormai conclusa e permette di lavorare in lingua madre, se lo si desidera. 2

3 Fig. 2.b. Ogni schermata consiste di una animazione interattiva e di una parte di testo esplicativa Fig. 2.c. Gli strumenti e le funzioni offerti dall applicativo I tasti per la navigazione diretta tra i moduli Bookmarks, risposte alle Faq di studenti, un Glossario con la spiegazione dei concetti notevoli coinvolti 3

4 Accesso a documenti di testo, video e audio supplementari, filmati di esperienze, Referenze con links utili, testi, articoli che trattano il tema L applicativo è disponibile in tutte le lingue dei paesi partner del progetto 2.3 Il kit di esperimenti Hands-On Minds-On Circa 80 sono gli esperimenti predisposti per il progetto. Un gruppo selezionato è in corso di riproduzione per essere reso disponibile alle scuole. Vi sono esperimenti a bassa tecnologia di elettromagnetismo (Low-tech) ed esperimenti qualitativi e quantitativi sulla superconduttività (High-tech). Alcuni dei più significativi sono: caduta di un magnete in un tubo di rame: vengono confrontati i tempi di caduta di un magnete e di un pezzo di legno delle stesse dimensioni in un tubo di rame. anello che salta: tre anelli di diverso materiale (rame, alluminio e plastica) a temperatura ambiente, pre-riscaldati o pre-raffreddati - vengono sottoposti ad una brusca e intensa variazione di flusso magnetico; l altezza del salto che compiono viene analizzato in funzione del materiale e della temperatura. misura via USB della resistività in funzione della temperatura e del tempo di un campione di materiale superconduttore (YBCO) raffreddato con azoto liquido; i grafici che si ottengono vengono analizzati e discussi anche in correlazione all esperimento di levitazione magnetica. magneti sovrapposti: sospensione magnetica. Cinque magneti a forma di anello sono impilati ad un asta di plastica in modo che coppie di magneti successivi affaccino la stessa polarità; il loro comportamento è studiato in termini di distanze relative all equilibrio e di reazione a perturbazioni esterne. effetto Meissner: levitazione magnetica: vengono osservate e discusse le caratteristiche della levitazione di un magnete su un superconduttore.. Tra gli esperimenti high-tech è compresa la misura on-line della resistività in funzione della temperatura per semiconduttori, metalli e superconduttori, e del coefficiente di Hall a temperatura ambiente per metalli e semiconduttori. Fig. 3. Gli esperimenti di elettromagnetismo e superconduttività 4

5 Caduta di un magnete in un tubo di rame Anello che salta Misura via USB della resistività in funzione della temperatura e del tempo di un campione di materiale superconduttore (YBCO) Sospensione magnetica Effetto Meissner Sospensione magnetica: il diamagnetismo della grafite pirolitica 3. La metodologia e le strategie di insegnamento La metodologia ampiamente proposta è quella del lavoro a piccoli gruppi con i materiali sperimentali, multimediali e testuali del Progetto. Per un efficace coinvolgimento degli studenti e per favorire i processi di apprendimento sono proposte 13 diverse strategie didattiche (Engstrom et al, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol, 2008). 4. I percorsi didattici Gli Insegnanti possono usufruire di un ampia documentazione delle precedenti sperimentazioni che adottano impostazioni diverse: 5

6 P1. Proprietà magnetiche. La via di Faraday alle proprietà magnetiche del superconduttore si snoda dall analisi delle linee di campi nel caso del dipolo elettrico e di quello magnetico (mappatura e caratterizzazione in entrambi i casi); confronta le linee di campo magnetico associate alle situazioni di sospensione e levitazione, analizzando le situazioni di equilibrio stabile e non stabile: sono utilizzate le due esperienze dei magneti impilati a forma di anello e non forati (geomag impilati in un tubo di plexiglass); si esamina la caduta rallentata in un tubo di rame del magnete e del superconduttore per effetto delle correnti indotte e si propone l analogia con l Effetto Fontana; possibilità di avvolgere il superconduttore con delle linee di campo: esperienza della levitazione magnetica; introduzione dell ipotesi del diamagnetismo; possibilità di correzione della posizione di equilibrio instabile. Fig. 4 Espulsione del campo magnetico da parte del superconduttore P2. Proprietà elettriche. Le proprietà elettriche del superconduttore si analizza la dipendenza della resistività dalla temperatura con particolare attenzione all intervallo di temperature 80K<T <300K per un campione di YBCO (superconduttore ad alta temperatura). La misura, realizzabile a scuola con azoto liquido, evidenzia la caduta di resistività a zero e offre l occasione di discutere le proprietà di conduzione nei superconduttori a confronto con quelle nei semiconduttori e nei metalli. Ciò prepara all analisi di circuiti elettrici con elementi superconduttori virtuali. P3. Approccio energetico. Sperimentato in una classe seconda di un corso PNI, si colloca nel curricolo dopo lo studio delle trasformazioni di energia e del campo elettrico. La conservazione dell energia meccanica e la sua trasformazione in energia elettrica costituisce la base per lo studio del campo elettrico e della conduzione elettrica (modulo 4), nel cui contesto si analizza il comportamento magnetico delle correnti (Moduli 1 e 2 ), l induzione elettromagnetica (Modulo 3) e la superconduttività (Modulo 5). L attività didattica integra esperienze di laboratorio, materiali multimediali del progetto Supercomet ed applet interattive costruite ad hoc. Schede - stimolo per i ragazzi sono il riferimento per l attività sperimentale, peraltro prevalente e consolidata con discussioni di intergruppo per condividere i ragionamenti e le conclusioni. 5. La formazione per gli insegnanti La formazione per insegnanti è possibile di diversa durata e impegno, secondo 4 tipi di modalità (Engstrom et al, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol, 2008): 1- Workshop intensivo di mezza giornata con attività di laboratorio a gruppi su esperimenti inerenti la superconduttività (WS1); 2- Corso di Formazione (CF1) articolato in 4 mezze giornate sulle proposte didattiche, gli esperimenti e i materiali multimediali del progetto MOSEM 3- Corso di Formazione e ricerca-azione On-Line annuale sulla Superconduttività sulle proposte didattiche, gli esperimenti e i materiali multimediali del progetto MOSEM (CF2); 4 - Corso di Perfezionamento istituzionale (CP) on-line e in presenza, organizzato con una parte comune trasversale dedicata al Problem Solving per l Orientamento formativo disciplinare (PSO) su cui si innesta una parte disciplinare su uno dei temi: A. Meccanica Quantistica, B. Relatività, C. Superconduttività (e/o i temi di D. Tempo, E. Energia. F. Fisica ed Arte). Durata: gennaio - 6

7 dicembre 2009 (15 cfu). Il Corso prevede la sperimentazione con ragazzi di moduli didattici progettati nell ambito dell attività formativa. Attività di ricerca azione si integrano e sono valutate ai fini della prova finale, che dà luogo ad un titolo con valore legale di Perfezionamento. 6. Conclusioni Il progetto MOSEM del programma Leonardo da Vinci dell Unione Europea ha prodotto molti e diversi materiali. La differenziazione dei materiali permette di lavorare con impostazioni, strategie e metodi scelti dall insegnante in relazione al proprio stile e ai bisogni della classe. Le molte risorse disponibili, inoltre, consentono attività differenziate e di approfondimento per gruppi di studenti: per sostenere quelli in difficoltà e valorizzare le eccellenze. L innovazione proposta dal progetto è su molti piani: contenuti, metodi, strategie, impostazioni culturali e permette di portare in classe le punte dell attuale sviluppo scientifico e tecnologico inserendosi in continuità con strumenti e metodi del contesto scolastico in cui si opera. Bibliografia 1. Bagno, E. and Eylon, B. S., Am. J. Phys. 65 (8) (1997). 2. Faraday, M., Experimental Researches in Electricity, London: Taylor and Francis (1955), Vol I, II, III. 3. Galili, I. and Kaplan, D., Am. J. Phys. 65 (7) (1997). 4. Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Science Education, 8 (3) (2004). 5. Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Enseñanza de las Ciencias, 21 (2) (2003). 6. Maloney, D. P., O Kuma, T. L., Hieggelke, C.J. and Van Heuvelen, A., Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7), pp S12-S23(2001). 7. Maxwell, J. C., A Treatise on Electricity and Magnetism,Dover Publications, INC (1954) 8. Engstrom, V., Karwasz, G., Michelini, M., Peeters, W., Viola, R., Il Progetto Europeo MOSEM su elettromagnetismo e superconduttività: strategie per il coinvolgimento attivo dei ragazzi e risorse in rete telematica, La Fisica nella Scuola, questo stesso Vol (2008) 9. Viola R., Michelini M., Santi L., Corni F., The secondary school experimentation of supercomet materials, in Frontiers of Physics Education,. Jurdana-Sepic R, Zuvic-Butorac M Ed., Int Girep, book of Selected Contrib. of Girep Conference :Rijeka University, 2007, pp Michelini M, Santi L, Viola R, Corni F, Superconductivity in Italian Secondary Schools: the experimentation carried out by Udine University with Supercomet (SC2) materials, in Frontiers of Fundamental and Computational Physics, Am Inst of Phys, Vol. 1018, NY,2008, pag ,. 11. Michelini M, Viola R, Gli strumenti multimediali della sperimentazione Supercomet, in Informatica per la didattica, DIDAMATICA, I, Michelini M, Viola R, Engstrom V, Superconduttività: esperimenti e modelli. Il laboratorio reale e il laboratorio virtuale nel progetto Supercomet 2, in Informatica per la didattica, DIDAMATICA, I, Corni F, Michelini M, Santi L, Stefanel A, Viola R, Curricular paths in the Supercomet 2 experimentation in Italy, Girep book Michelini M, Viola R, Conceptual knots, learning questions and curricular paths in mosem project teacher seminars, contributo al WS Mosem, Girep book Marcolini L, Michelini M, Viola R. Il progjet european MOSEM pe inovazion didattiche sul teme de supercondutivitat. In Atti del Congresso Congres anual pal 2008 de Societat Sientifiche e Tecnologijche Furlane (accepted) 7

8 16. Traduzione e adattamento al curriculum italiano della Supercomet Teacher Guide, delle On-line Computer Application, dei materiali per i Teacher Seminars, del sito web Supercomet. 8