Stefano Vercellati Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Università degli Studi di Udine

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1 Stefano Vercellati Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Università degli Studi di Udine

2 Diverse dimensioni di ricerca: ricerca curricolare per la messa a punto di un percorso in prospettiva verticale Natura di organicità e coerenza rispetto allo sviluppo del pensiero e alla padronanza dei concetti Continuità rispetto a una progressione di ragionamenti e ai quadri interpretativi nella Costruzione del pensiero formale a partire dall esplorazione sperimentale Ricerca sui processi di apprendimento Mediante la sperimentazione di microstep concettuali L individuazione della progressione di strutture formali e della modalità con cui vengono costruite L analisi delle idee spontanee, della loro evoluzione in termini di ragionamenti interpretativi Ricerca e sviluppo di Esperimenti strumenti didattici, di analisi degli apprendimenti

3 In questa comunicazione la proposta per la fondazione della conoscenza concettuale sull induzione elettromagnetica l analisi del processo di apprendimento durante la sua sperimentazione

4 Model of Educational Reconstruction (Duit et al, 2005) i modelli spontanei degli studenti: Nuclei concettuali e interpretazioni storiche Idee spontanee e nodi concettuali Monitoraggio di una teaching learning sequences Analisi dei ragionamenti messa a punto della proposta didattica Design research per la progettazione della proposta didattica in prospettiva verticale (primaria SSS) Ricerca empirica sui ragionamenti e la loro dinamica e i dettagli critici su cui si incardina l apprendimento individuale (Viennot, 2006) Cambiamento concettuale dal senso comune alla conoscenza scientifica (Ionnides & Vosniadou, 2001 Carey, 1985)

5 Il ruolo dell esperienza e dell operatività nel processo di costruzione della conoscenza(jonassen, 1991) Modalità di superamento dei nodi di apprendimento, delle concezioni di senso comune (McDermott & Redish, 1999) e delle barriere concettuali (Clement & Brown, 2008) Ruolo della rappresentazione nella costruzione di elementi interpretativi (dalle ipotesi ai modelli) Ruolo dell argomentazione nei processi di IBL

6 La rappresentazione in termini di linee di orientazione del campo magnetico è un referente concettuale sul piano interpretativo? In che misura e rispetto a quali concetti? Quali strumenti concettuali vengono messi in campo per interpretare l induzione? Quali nodi concettuali risultano superati dall impostazione che formalizza le linee di campo? Quale utilizzo dei concetti in contesti comuni: l interpretazione di artefatti in quali termini vien fatta? Quali prospettive di approfondimento?

7 Sperimentazione di ricerca in 3 classi di 5 superiore (18-19 anni; 13 grado) provenienti da differenti tipi di scuole 2 classi di tipo prototipale Una classe con ricerca-azione dell insegnante (coprogettazione) MIF: 16 ore Test in-out Monitoraggio con tutorial IBL audio registrazioni delle discussioni Interviste semistrutturate e rogersiane di 6 studenti / classe (3m+3f) (3 livelli di rendimento scolastico)

8 I magneti e le loro interazioni Come riconoscere un magnete Come interagisce un magnete con gli altri materiali Categorizzazione gli oggetti in base a come essi interagiscono con un magnete Interazione tra due magneti Identificazione della bussola

9 La bussola come esploratore delle proprietà magnetiche dello spazio La costruzione step by step delle linee di orientazione della bussola

10 La bussola come esploratore delle proprietà magnetiche dello spazio nelle vicinanze di un magnete Il disegno delle linee di orientazione della bussola

11 Osserva le linee che hai disegnato. Si intersecano tra di loro? Cosa significa ciò? Considerando due linee vicine, la distanza tra di esse rimane costante? Dove la distanza tra linee cambia di più? Man mano che ci allontaniamo dal magnete, come tendono ad essere le linee? Interpreta questo comportamento.

12 Ruota di 90 il magnete e ridisegna le linee di orientazione della bussola É cambiato il pattern nelle linee? Evidenzia similitudine e differenze con quello precedentemente disegnato. Ipotizza a cosa sia dovuto questo cambiamento. La rappresentazione formale utilizzata (delle linee di orientazione) è in grado di render conto del fenomeno osservato? Motiva

13 Pensi che l intensità del campo magnetico lungo una linea sia costante o no? Giustifica la tua risposta Misura l intensità del campo magnetico lungo una linea e confronta i risultati con la tua previsione.

14 Quali informazoni puoi ricavare riguardo al campo magnetico in ciascun punto a partire dalla rappresentazione delle linee di campo? Il pattern di linee dà informazioni sull intensità del campo magnetico?

15 Ricerchiamo una correlazione tra l intensità del campo magnetico e lo spessore delle strisce delimitate da due linee di orientazione successive. In relazione a questa figura, cosa rappresenta il disegno che hai costruito con la bussola sul foglio? Pensando alla struttura tridimensionale delle linee come ti figuri che siano le strisce in 3D?

16 Misura l intensità del campo magnetico in vari punti all interno di un tubo e l area della sezione corrispondente. Analizza la relazione presente tra queste 2 quantità.

17 B r 2 d 0 0,05 0,1 0,15 0,2 d

18 Ripeti la misura in altri tubi. Cosa noti? Questa osservazione può essere utile per ricavare informazioni riguardanti l intensità del campo magnetico in ogni punto del foglio a partire dall osservazione delle linee di orientazione?

19 Cosa bisogna fare per essere in grado di rappresentare con le linee del campo l'intensità del vettore magnetico in ogni punto dello spazio? La rinormlizzazione delle linee

20 Alla ricerca di nuove sorgenti di campo magnetico: la corrente elettrica In un filo In una spira In un solenoide continuo ad usare la bussola nell identificazione delle sorgenti di campo magnetico Le simulazioni di Physlet aiutano a vedere le proprietà del campo con le linee di orientazione

21 Analogia del magnete con la bobina di rame percorsa da corrente Interazione tra differenti sorgenti di campo magnetico Interazione spira-magnete Interazione tra fili percorsi da corrente Forza di Lorentz

22 Esplorazione sperimentale dell induzione EM a partire da materiali dati: Caduta di un magnete in un tubo di rame Interpretazione di artefatti

23 La rappresentazione in termini di linee di orientazione del campo magnetico è un referente concettuale sul piano interpretativo? In che misura e rispetto a quali concetti? Distinzione tra line di forza e linea di campo 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 80% 60% 40% 20% 0% 0% distingue controllo 60% 50% Integrazione tra elementi rappresentativi controllo 40% (linee) ed enti matematici (vettori) campione 30% 100% 20% 90% 80% 10% 70% non distingue 60% 50% Riconoscimento della 40% costanza del flusso 30% 20% 10% 0% campione controllo riconosce non riconosce campione 80% 70% 0% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Caratterizzazione del campo magnetico come proprietà dello spazio c'è correlazione controllo quantitativa non c'è correlazione quantitativa controllo campione Principio di sovrapposizione campione zona limitata intorno al magnete tutto lo spazio applica non applica

24 Quali strumenti concettuali vengono messi in campo per interpretare l induzione? 60% 50% 40% 30% 20% controllo campione 10% 0% poli linee tagliate flusso moto relativo tra sorgenti

25 La ricerca in didattica dell elettromagnetismo ha evidenziato importanti nodi concettuali sia in casi statici: Il concetto di campo come sovrapposizione (Rainson& Viennot, 1992), La rappresentazione del campo (Guisasola et all, 1999) La relazione tra linee di campo e traiettorie seguite dagli oggetti posti all interno del campo magnetico (Tornkwist et all, 1993).

26 La ricerca in didattica dell elettromagnetismo ha evidenziato importanti nodi concettuali sia in casi dinamici: La relazione tra campo magnetico e correnti elettriche, la natura del campo stesso (Thong & Gunstone, 2008) le sorgenti del campo ed il ruolo del moto relativo (Maloney et all, 2001) La natura della forza di Lorenz e l identificazione di effetti magnetici ed elettrici legati al movimento di cariche (Maloney et all, 2001) La legge di Lentz ed il verso del campo indotto (Bagno Eylon, 1997)

27 I dati raccolti dutrante quest sperimentazione mostrano come, proponendo agli studenti questo percorso didattico, la percentuale di studenti che che usano (in modo corretto) come ente concettuale di riferimento la rappresentazione basata sulle linee di campo aumenti significativamente e permetta loro di superare importanti nodi concettuali Sviluppi futuri

28 Bagno, E. and Eylon, B. S., Am. J. Phys. 65 (8) (1997). Carey, S. (1985). Conceptual change in childhood. Cambridge, MA:MIT Press. Duit, R., Gropengießer, H., & Kattmann, U. (2005). Towards science education research that is relevant for improving practice: The model of educational reconstruction. In H.E. Fischer, Ed., Developing standards in research on science education (pp. 1-9). London: Taylor & Francis. Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Students ideas about source of magnetic field, II int. Esera Conf., pp (1999). Ioannides, C., & Vosniadou, S. (2001). The changing meanings of force, Cognitive Science Quarterly, 2, Jonassen, David H. (1991). Evaluating constructivistic learning. Educational Technology, 31, 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). McDermott, L. and Redish, E.F. (1999) Resource Letter, PER-1: Physics Education Research, American Journal of Physics, 67 (9): Pfundt D, Duit R, Students' Alternative Frameworks and Science Education, IPN Kiel, Germany Thong, W. M. and Gunstone, R., Res. Sci. Educ. 38, (2008). Tornkwist, S., Pettersson, K. A. and Transtromer, G., Am. J. Phys. 61(4) (1993).

29 Stefano Vercellati Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Università degli Studi di Udine