Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fisica moderna e orientamento

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1 Università degli Studi di Udine Dipartimento di Fisica M.I.U.R. Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca PLS Progetto Lauree Scientifiche Progetto IDIFO Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fisica moderna e orientamento Contributi di una comunità di ricerca in didattica della fisica a un progetto di formazione a distanza: strategie e metodi a cura di Marisa Michelini LithoStampa

2 Università degli Studi di Udine Dipartimento di Fisica M.I.U.R. Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca PLS Progetto Lauree Scientifiche Progetto IDIFO Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fisica moderna e orientamento Contributi di una comunità di ricerca in didattica della fisica a un progetto di formazione a distanza: strategie e metodi Il Progetto IDIFO è stato proposto al Progetto Lauree Scienti che nel 2006 dall Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università degli Studi di Udine, con partner le Unità di Ricerca in Didattica della Fisica delle Università degli Studi di Bologna, Milano, Milano Bicocca, Napoli, Palermo, Pavia, Roma La Sapienza, Torino, che per anni avevano condotto insieme Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN). Si sono contestualmente impegnate per la collaborazione al Progetto IDIFO le Università degli Studi di Bari, Bolzano, Lecce, Modena e Reggio Emilia, Trento, Trieste cooperanti con le proponenti per le ricerche in didattica della sica. Il Progetto IDIFO ha realizzato dal 2006 al 2009 un Master biennale per insegnanti in rete telematica e tre Workshop in presenza di cui uno dedicato a studenti ed insegnanti del Friuli Venezia Giulia (WS2) e due a livello nazionale uno tutto dedicato agli insegnanti del Master (WS1) ed uno per gli insegnanti del Master e gli studenti selezionati per la Prima Scuola Estiva di Fisica Moderna tenutasi a Udine nel luglio 2007 (WS3). Questo volume contiene gli studi, le ri essioni e le analisi di ricerca più signi cative effettuate nell ambito della formazione in rete telematica del Master IDIFO. Curatore Marisa Michelini, Università degli Studi di Udine Comitato scienti co ed editoriale Bocchicchio Mario, DIDA, Università degli Studi del Salento Corni Federico, Università degli Studi di Bolzano e di Modena e Reggio Emilia De Ambrosis Anna, Università degli Studi di Pavia Fazio Claudio, Università degli Studi di Palermo Gagliardi Maria Paola Francesca, Università degli Studi di Bologna Giliberti Marco Alessandro, Università degli Studi di Milano Giordano Enrica, Università degli Studi di Milano Bicocca Guidoni Paolo, Università degli Studi di Napoli Federico II Levrini Olivia, Università degli Studi di Bologna Michelini Marisa, Università degli Studi di Udine Minichini Ciro, Università degli Studi di Napoli Federico II Oss Stefano, Università degli Studi di Trento Ottaviani Giampiero, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rinaudo Giuseppina, Università degli Studi di Torino Santi Lorenzo, Università degli Studi di Trieste Sperandeo Rosa Maria, Università degli Studi di Palermo Stella Rosa, Università degli Studi di Bari Tarsitani Carlo, Università degli Studi di Roma La Sapienza Segreteria redazionale Cristina Cassan Donatella Ceccolin Chiara Geretti Stampa Lithostampa - Pasian di Prato (Ud) Copyright Università degli Studi di Udine ISBN

3 Indice Presentazione pag. 5 Marisa Michelini Responsabile del Progetto IDIFO Impostazione alla Dirac. La proposta didattica di Udine per la fisica quantistica...» 13 Marisa Michelini, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine Il metodo di Feynman della somma sui molti cammini per l introduzione della Meccanica Quantistica » 29 Giuseppina Rinaudo Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino Teoria dei campi e proposte didattiche di fisica quantistica: la proposta di Milano» 37 Marco Giliberti Dipartimento di Fisica, Università di Milano Una proposta per l insegnamento della fisica quantistica » 49 Carlo Tarsitani Dipartimento di Fisica, Università di Roma La Sapienza Proposte didattiche di fisica quantistica: analisi e discussione in rete telematica nella prospettiva della ricerca didattica...» 59 Marisa Michelini, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine Scelta, produzione, gestione e analisi di materiali di Relatività per la formazione degli insegnanti: vincoli e opportunità di una comunicazione in rete » 79 Anna De Ambrosis Dipartimento di Fisica A. Volta, Università di Pavia Olivia Levrini Dipartimento di Fisica, Università di Bologna Il modulo Meccanica Statistica e Struttura della Materia » 111 Rosa Maria Sperandeo Mineo, Ivan Guastella, Claudio Fazio Gruppo di Ricerca sull Insegnamento/Apprendimento della Fisica, Università di Palermo Tecniche di analisi di fisica della materia e proposte didattiche dai laboratori MASEM: formare gli insegnanti al raccordo tra fisica classica e moderna » 123 Federico Corni, Giampiero Ottaviani Dipartimento di Fisica, Università di Modena e Reggio Emilia Alessandra Mossenta Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine Formazione in rete telematica di insegnanti secondari all orientamento formativo in fisica: analisi di ricerca del processo e degli esiti » 137 Marisa Michelini, Alberto Stefanel Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine

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5 Presentazione Marisa Michelini Responsabile del Progetto IDIFO La comunità di ricerca in Didattica della Fisica che si è per anni coordinata nei Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) 1 si è candidata nell ambito del Progetto Lauree Scienti che (PLS) 2 con una proposta progettuale sull Innovazione Didattica in Fisica e l Orientamento (Progetto IDIFO), consistente in diverse attività tra cui due principali: un Master per la formazione degli insegnanti in sica moderna, come ricaduta delle ricerche didattiche condotte negli ultimi anni in tale campo, ed una scuola estiva per studenti ed insegnanti sempre sulla sica moderna. Ho avuto l onore di essere indicata da tale gruppo di esperti in didattica come coordinatrice del Progetto IDIFO, presentato dall Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine. Figura 1 (1) Si tratta della comunità che ha partecipato al PRIN Fis21, costituita dalle unità di ricerca in didattica della fisica delle Università degli Studi di Bologna, Milano, Milano-Bicocca, Napoli Federico II, Pavia, Udine, Palermo, Torino, Roma La Sapienza e tramite esse anche le Università di Bari, Bolzano, Lecce, Modena e Reggio Emilia, Trento e Trieste, cooperanti con le Unità di Ricerca Didattica in Fisica delle suddette. (2) Progetto nazionale interuniversitario lauree scientifiche (DM prot. n. 262 del 5 agosto 2004) Orientamento e formazione degli insegnanti fisica.

6 6 Presentazione Una delle principali attività del Progetto IDIFO è un Master per la formazione degli insegnanti. Il Master IDIFO, di durata biennale da marzo 2006 a giugno 2008 per complessive 600 ore di attività didattiche in presenza e a distanza è stato attivato presso l Università degli Studi di Udine 3 e gestito dal Dipartimento di Fisica. Per l attività a distanza è stata messa a punto una speci ca piattaforma, in collaborazione con l Unità di ricerca in intelligenza arti ciale della stessa Università di Udine. Gli obiettivi formativi del Master sono stati: a) formazione degli insegnanti sui temi della sica moderna ed in particolare sica quantistica e relativistica, sica statistica e della materia alla luce delle ricerche didattiche svolte in contesto internazionale dalle 9 Unità di Ricerca in Didattica della Fisica proponenti il presente progetto; b) approfondimento delle competenze degli insegnanti sugli aspetti operativi delle strategie didattiche proposte ed in particolare su: esperimenti didattici sui problemi interpretativi cruciali della sica del 900, tecniche di analisi della sica della materia, computer modelling, simulazione di fenomeni con moderni sistemi di calcolo per l interpretazione di processi; c) innovazione didattica nell insegnamento della sica a livello secondario con l introduzione di proposte didattiche sui temi della sica quantistica, relativistica, statistica e della materia; d) predisposizione e sperimentazione di materiali didattici per la formazione degli insegnanti ed attività didattiche innovative con ragazzi, con modalità blended e quindi in parte in classe ed in parte in rete telematica, anche per la personalizzazione e la conduzione dei percorsi di apprendimento; e) messa a punto di proposte sperimentate di orientamento formativo, basate sul problem solving per l orientamento (PSO), metodologia già validata a livello prototipale e da implementare nel contesto scolastico. Scopo del Master IDIFO è stato quello di formare un insegnante esperto in: a) didattica della sica moderna (soprattutto sica quantistica, relativistica, statistica e della materia, con elementi di sica nucleare, delle particelle elementari e cosmologia); b) formazione al pensiero teoretico in sica; c) attività sperimentale sugli esperimenti cruciali e fondamentali per la fondazione del modo di pensare quantistico; d) impostazione del pensiero relativistico moderno; e) spiegazione delle principali applicazioni moderne della sica quantistica e relativistica; f) formazione di altri insegnanti sull innovazione didattica in sica nella scuola secondaria; g) progettazione e realizzazione di materiali ed attività per l orientamento formativo in sica. Le attività del Master IDIFO sono state così organizzate: a) formazione in rete telematica con modalità di e-learning, utilizzando materiali predisposti e validati dal Consiglio Scienti co, con tutor in rete (30 cfu); b) attività sperimentali in laboratori di Fisica del Dipartimento di Fisica dell Università di Udine ed eventualmente in analoghi laboratori di ciascuna sede universitaria partecipante al Master (4 cfu); c) tre Workshop intensivi in presenza di circa 60 ore all università di Udine a settembre 2006, marzo e luglio 2007 (6-10 cfu); d) attività progettuali (7 cfu) e) attività di tirocinio e sperimentazione didattica (7-11 cfu). Il progetto è strutturato in 4 Aree Formative (generale, caratterizzante, progettuale e situata) articolate in 5 Moduli tematici (Fig. 2): A. sica quantistica (18 cfu); B. relatività ristretta e generale (12 cfu); C. sica statistica e della materia (15 cfu); D. sica nucleare, delle particelle e cosmologia (2 cfu); E. orientamento e problem solving come s da operativa orientante (6 fu). (3) L attivazione è avvenuta a seguito di lettera del MIUR Ufficio II prot del , che lo ha ammesso al cofinanziamento nell ambito del PLS.

7 Progetto IDIFO - Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fi sica moderna e orientamento 7 Figura 2 - Master IDIFO Schema organizzativo. Ogni insegnamento è stato a sua volta organizzato in Segmenti o Sezioni di attività, che scandiscono il periodo di attività corrispondente, secondo il seguente schema: - data 1 (D1): messaggio di presentazione dei materiali e consegne (compresa l indicazione della Sezione su cui inviare messaggi in forum di chiarimento e commento. - data 2 (D2) e ora (=D1+ (1 settimana circa)): discussione in rete (della sezione A dei materiali, compresi i messaggi nel frattempo pervenuti in forum) - date 3&4, 5&6,...: si itera la coppia D1&D2 per il numero di volte necessario a trattare tutte le Sezioni in cui sono frazionati i materiali. - data 5: inizio delle elaborazioni dei singoli ai ni della valutazione intermedia La programmazione di massima delle attività formative è stata pubblicata nel sito del progetto e nell area pubblica dell ambiente di e-learning, così come il calendario delle lezioni e il programma didattico del Master. L ambiente di e-learning è stato accessibile con password da parte dei corsisti. Ciascun iscritto al Master ha sempre a disposizione tutte le aree pubblicate dai singoli docenti e questi ultimi accedono a tutte le aree pubbliche ed alle informazioni relative al loro insegnamento. Per l iscrizione al Master è stato richiesto il possesso di uno dei seguenti titoli: a) Lauree Specialistiche in Fisica (20/S), Matematica (45/S) e Chimica (62/S), nonché tutte quelle che permettono l accesso alle classi di abilitazioni in sica (A038) e matematica e sica (A049) ai sensi del DM 22 del 9 febbraio 2005; b) Laurea vecchio ordinamento in Matematica, Fisica, Matematica e Fisica, Ingegneria; c) qualunque laurea vecchio ordinamento congiunta con l abilitazione all insegnamento nelle scuole secondarie in sica o in matematica e sica.

8 8 Presentazione Il nanziamento ottenuto nell ambito del PLS è stato in gran parte devoluto alle 20 borse di 1200,00 per l iscrizione. La domanda di ammissione al Master, comprensiva dell eventuale domanda di borsa di studio, è stata presentata da 48 interessati. Ciascun interessato ha indicato nella domanda di ammissione la sede universitaria a cui desiderava essere associato ai ni di una prevista riserva di posti e di un tutorato locale. Gli organi di governo del Master sono presentati in tabella 1. Direttore Marisa Michelini, Università degli Studi di UDINE Comitato Scienti co (*) e Responsabili di Sede ( ) *Bochicchio Mario - Università degli Studi di LECCE - DIDA *Gagliardi Marta Paola Francesca e Levrini Olivia- Università degli Studi di BOLOGNA * Giliberti Marco Alessandro - Università degli Studi di MILANO *Guidoni Paolo e Minichini Ciro - Università degli Studi di NAPOLI Federico II : *Giordano Enrica - Università degli Studi di MILANO-BICOCCA * De Ambrosis Anna - Università degli Studi di PAVIA *Michelini Marisa e Santi Lorenzo - Università degli Studi di UDINE Santi Lorenzo - Università degli Studi di TRIESTE *Mineo Sperandeo Rosa Maria e Fazio Claudio - Università degli Studi di PALERMO * Rinaudo Giuseppina - Università degli Studi di TORINO * Tarsitani Carlo - Università degli Studi di ROMA La Sapienza *Ottaviani Giampiero e Corni Federico - Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA Stella Rosa - Università degli Studi di BARI Corni Federico - Università degli Studi di BOLZANO Oss Stefano - Università degli Studi di TRENTO Consiglio Marisa Michelini, direttore del Master Lorenzo Santi, in rappresentanza del Preside della Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali dell Università di Udine Giancarlo Fava, in rappresentanza del Direttore SSIS sede di Udine Gian Luigi Michelutti in rappresentanza del Direttore Dipartimento di Fisica dell Università di Udine Carlo Tarsitani in rappresentanza di Paolo Guidoni (Responsabile Fis21) Cristina Moschetta, in rappresentanza dei corsisti. Segreteria Dipartimento di Fisica - sica.uniud.it Segreteria iscritti Ripartizione Didattica - Sez. Servizi agli Studenti e ai Laureati Ripartizione Didattica Sez. Servizi agli Studenti e ai Laureati alla voce Didattica Post Laurea infostudenti@amm.uniud.it Tabella 1 - Organi di governo del Master Il Consiglio Scienti co del Master ha individuato la griglia dettagliata di valutazione dei titoli e i criteri di valutazione delle prove scritte ed orali. Un apposita Commissione nominata dal Consiglio Scienti co del Master ha valutato i titoli dei prescritti. La selezione per l ammissione al master è stata

9 Progetto IDIFO - Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fi sica moderna e orientamento 9 effettuata per titoli e per esami 4. Le prove di selezione sono state effettuate in un unica tornata nello stesso momento presso sedi universitarie decise dal Consiglio del Corso. La distribuzione di posti per ogni sede è stata stabilita dal Consiglio del Master in ragione della numerosità delle domande, riservando tre posti per ciascuna delle seguenti sedi universitarie proponenti: Bologna, Milano, Napoli Federico II, Palermo, Pavia, Roma - La Sapienza, Torino ed Udine ed un posto per ciascuna sede universitaria cooperante, tra le seguenti Bari, Bolzano, Lecce, Modena e Reggio Emilia, Trento, Trieste. I posti riservati non utilizzati da ciascuna sede sono stati ridistribuiti con priorità de nite dal Consiglio del Master tra le sedi proponenti e cooperanti. È stata redatta un unica graduatoria dalla quale sono stati individuati i candidati per i posti riservati in ordine di graduatoria per sede. I rimanenti posti sono stati assegnati dal Consiglio del Master in base al numero di domande di ammissione per sede, no ad esaurimento della graduatoria. Sono stati iscritti 31 dei 48 richiedenti e sono state assegnate 20 borse in base al contributo all attività didattica offerto da ciascuna sede proponente e cooperante ed al numero di domande di ammissione presentate per ciascuna sede. La frequenza ad almeno il 70% delle ore previste per le attività didattiche del Master è stato adempimento obbligatorio, controllato con procedure tradizionali per le attività in presenza e con procedure informatiche per le attività a distanza. Il tutor on line all interno del percorso formativo si è proposto quale gura che fornisce una facilitazione nel percorso ai docenti, sostenendoli nella gestione dell ambiente di apprendimento e nella costruzione dei moduli, ai corsisti intervenendo all occorrenza per regolare esclusivamente le modalità comunicative da adottare in rete. Gli interventi nelle attività sono stati rivolti più ai docenti-tutor disciplinari che direttamente agli studenti. Le azioni sono state: 1. alfabetizzazione dei docenti per la creazione del modulo: a. 10 gg in un ambiente on line dove è presente il tutorial per la costruzione dei moduli e un forum per eventuali domande e chiarimenti. b. Supporto ai docenti nella costruzione dei moduli. 2. monitoraggio delle attività on line: a. controllo dello sviluppo del dibattito nei forum; b. supporto ai docenti nella ri-organizzazione delle attività del modulo; 3. tracciamento delle attività di ogni modulo: a. invio ai docenti a ne modulo delle tabelle che riportano i dati relativi alle principali attività dei corsisti (entrate, scritture, materiali scaricati, attività svolte); invio di feedback derivanti dal monitoraggio in itinere qualora si è percepita la necessità di una riorganizzazione delle attività. Grande spazio è stato riservato alla discussione di proposte didattiche, all analisi ed al confronto di scelte su questioni messe in luce dalla ricerca didattica sui vari temi affrontati: è stata favorita la ri essione individuale e di gruppo. La valutazione degli esiti formativi del Master IDIFO ha coinvolto i corsisti nella preparazione di 4 project work sui Moduli Didattici A, B, C&D ed E) e la tesi nale (6 CFU) che è consistita in un elaborato scritto sulla sperimentazione effettuata con ragazzi di scuola secondaria. Ciascuno dei 4 project work ha comportato un attività di sperimentazione didattica sui temi dei Moduli in presenza o a distanza con ragazzi di scuola secondaria o altri insegnanti in formazione. La tesi è stata un approfondimento di uno dei Project Work ed è stata discussa davanti ad una Commissione designata dal Consiglio del Master. (4) Come indicato all indirizzo ai titoli sono stati assegnati 30 punti e all esame i rimanenti 70 ripartiti in 30 per la prova scritta e 40 per la prova orale. Sono stati valutati per la selezione i seguenti titoli: lauree e relativo voto, corsi di perfezionamento, master, dottorato di ricerca, abilitazioni, pubblicazioni, purchè inerenti i contenuti del Master.

10 10 Presentazione L impegno richiesto ai corsisti è stato molto alto: molto superiore a quello standard per un master. I corsisti d altra parte si sono rivelati di alto livello culturale e professionale, profondamente interessati a diventare professionisti competenti nella tematica sfrontata. Alcuni non sono riusciti a sostenere il carico di lavoro richiesto in parallelo al lavoro scolastico e hanno abbandonato (3), altri hanno chiesto proroghe e recuperi (6). A parte l eccessivo carico di lavoro il Modello formativo messo in campo è risultato piuttosto ef - cace e corrispondente ai bisogni nella sua integrazione di aspetti culturali, disciplinari, didattici e professionali. Esso comprende fasi di formazione meta culturale, esperienziale e situata, offrendo a ciascuno l occasione di sviluppo progettuale commisurato ai bisogni ed alle motivazioni. Rispetto ad altre esperienze messe in campo in questi anni, sembra poter concludere che la modalità formativa del Master si è rivelata ef cace per la formazione degli insegnanti all innovazione didattica. Sembra però necessario prevedere la possibilità di concludere il percorso formativo a livelli diversi e con durate essibili. I Workshop intensivi in presenza (WS) hanno un valore formativo autonomo, che nello stesso tempo potenzia enormemente la formazione a distanza. La possibilità di eseguire esperimenti signi cativi e confrontarsi sui risultati e sul loro ruolo, la discussione intorno a seminari di rassegna o analisi comparata di approcci didattici ed il confronto, in tale sede, sia delle proposte formative e didattiche degli insegnamenti, sia dei prodotti dei corsisti, ne fa una palestra di formazione di comunità di professionisti ri essivi di tipo esemplare per la natura particolarmente fertile. La ricerca didattica è stata sorgente e modalità di realizzazione del Master. Come i corsisti, tutti i docenti hanno profuso un impegno straordinario producendo non solo la formazione dei corsisti, ma anche un ambiente di risorse utile a riprodurre nel tempo ed in altre sedi l attività svolta. La formazione degli insegnanti, però, non può essere effettuata soltanto fornendo conoscenze strutturate: speci ci laboratori didattici e attività di sperimentazione con ragazzi permettino la costruzione di quella professionalità che fornisce gli strumenti per saper agire negli interrogativi e nei dubbi dei ragazzi, formando la loro autonomia di pensiero insieme a quella in sica. Utilizzare materiali prodotti e sperimentati in ricerche didattiche validate a livello internazionale è stato il primo elemento condiviso nel progettare i singoli insegnamenti. Organizzare in rete telematica una formazione professionalizzante sull innovazione didattica è stata una s da che tutta la comunità ha accettato nella dimensione di ricerca. Ne è derivata una ricchezza che supera le stesse aspettative. Abbiamo perciò deciso di mettere a disposizione di tutti gli interessati questo lavoro in altrettante pubblicazioni. I materiali utilizzati per la formazione nel Master sono stati rielaborati e pubblicati nel sito del progetto alla pagina sica.uniud.it/urdf/laurea/idifo1/piano.htm In questo volume pubblichiamo l analisi di ricerca che è stata fatta per la formazione degli insegnanti ed i relativi risultati in alcuni principali ambiti tematici. È presentata e discussa la formazione all utilizzo in classe delle proposte didattiche sulla sica quantistica elaborate dalle sedi di Udine, Torino, Milano e Roma. Un analisi della discussione degli insegnanti sul confronto di queste proposte conclude questa parte, offrendo indicazioni e spunti per la formazione degli insegnanti in questo campo. La scelta, la produzione e la gestione di materiali formativi sulla relatività einsteiniana rappresenta la seconda area tematica analizzata. Il modulo di meccanica statistica e struttura della materia costituisce un esempio metodologico per affrontare questo tema nella scuola secondaria, utilizzando risorse didattiche differenziate, senza rinunciare al rigore. Le tecniche di analisi RBS di sica della materia costituiscono un esempio di come tecniche di ricerca si basino su concetti fondamentali di sica generale e come queste possono essere una sede motivante di approfondimento e saldatura tra l insegnamento scolastico ed il mondo della ricerca. Il Problem Solving per l Orientamento formativo in campo disciplinare è una metodologia validata a livello internazionale, che è stata messa in campo per sviluppare non solo quella cultura dell orienta-

11 Progetto IDIFO - Formazione a distanza degli insegnanti all innovazione didattica in fi sica moderna e orientamento 11 mento indispensabile oggi nella scuola, ma anche fornire competenze a progettare attività di natura laboratoriale che integrino la formazione e l orientamento. L impostazione di questi insegnamenti del Master IDIFO è stata oggetto di un simposio al Congresso Internazionale GIREP 2009 a Leicester e di una pubblicazione sul libro GIREP dei lavori giudicati signi cativi. Questo ci onora, ma ancor di più ci fa piacere ricevere commenti e contributi dai colleghi interessati ad impegnarsi nella formazione degli insegnanti.