La costruzione di un quadro interpretativo coerente delle interazioni elettrostatiche in un contesto di formazione insegnanti Marisa Michelini Alessandra Mossenta Unità di Ricerca per la Didattica della Fisica Università degli Studi di Udine Pisa, 27 settembre 2007 SIF
Elettrostatica nella prospettiva della didattica: aspetti disciplinari e pedagogici Rilevanza dei contenuti disciplinari: i concetti di carica, campo, potenziale Legame con difficoltà di apprendimento in altri contesti: circuiti magnetismo Benseghir & Closset, 1996, Eylon & Ganiel, 1990 Borges & Gilbert, 1998 Piano didattico-disciplinare: è necessario affrontare gli argomenti da un punto di vista fenomenologico con i bambini, per costruire le basi interpretative dei fenomeni: dunque Rafforzare la competenza dei docenti Disciplinare: metodologica e di contenuto Integrata con quella pedagogica (PCK, Shulman, 1986)
Dalla prospettiva generale alle scelte specifiche Grande importanza nel campo dell educazione scientifica di base a fissare l attenzione sulla costruzione concettuale dei processi di base della fisica Scelta: realizzare uno studio di dettagli critici che andranno a costruire i percorsi di ragionamento e quindi i ragionamenti su cui si fondano i principali concetti di base. Tra essi, per l elettrostatica: carica, inteso come elemento costituente la materia, che si attiva ed è mobile. La prospettiva scelta, di una sua costruzione dal punto di vista macroscopico/fenomenologico, non è banale e richiede attenzione nei confronti delle situazioni stimolo per ragionamenti e all interpretazione delle situazioni come elementi fenomenologici che portino a costruire una definizione operativa degli enti e delle loro proprietà. Elaborazione a partire dai problemi di apprendimento e prima sperimentazione di una proposta di insegnamento/apprendimento per docenti in formazione Cornice teorica: MER (Duit, 2006)
Indagini sui problemi di apprendimento Processi di elettrizzazione e trasmissione dell interazione elettrica - induzione Modelli interpetativi usati Furió, Guisasola & Almudì, 2004 Difficoltà legate al linguaggio Harrington, R. 1999 Trasferimento di carica Comprensione del trasferimento di carica tra conduttori solo se carichi in modo opposto, fino alla neutralizzazione di uno di essi; utilizzo del concetto di forza tra cariche solo con parte di esse Guruswamy, Somers & Hussey, 1997 Causa del movimento: differenza tra il numero di elettroni, interscambiata con la differenza di potenziale Barbas e Psillos, 1997 Campo elettrico Modelli interpretativi usati (azione a distanza piuttosto che campo ) Furió & Guisasola 1998 Difficoltà legate alla rappresentazione vettoriale linee di campo come entità isolate nello spazio Euclideo anzichè come insieme di curve che rappresentano una proprietà vettoriale di quello spazio Törnkvist, Pettersson & Tranströmer 1993 Comprensione della sovrapposizione dei campi Campo solo se mobilità; causa nella formula Viennot & Rainson, 1999 Rassegna generale Rainson, Tranströmer & Viennot, 1994, Distribuzione di carica su conduttori e isolanti, applicazione delle leggi di Newton,rapporto carica campo potenziale Maloney, O Kuma, Hieggelke, Van Heuvelen, 2001; M. Planinic, 2006
Difficoltà di apprendimento Furió, Guisasola & Almudì, 2004 Rispetto ai fenomeni di elettrizzazione per strofinio e di induzione le idee degli studenti (secondari e universitari) si possono raggruppare in 4 categorie: Creazioniste (pochi studenti): Effetto alone (pochi studenti): i corpi carichi attraggono ogni altro corpo vicino. L elettricità è considerata essere cariche che creano una atmosfera elettrica. Fluido elettrico (la maggior parte degli studenti): l elettricità appare nei corpi quando sono strofinati. Le cariche appaiono quando i dielettrici (plastica) sono strofinati ma non quando lo sono i metalli. I fenomeni di induzione elettrica sono fraintesi. 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 andare attraverso i dielettrici. Le interazioni elettriche avvengono per contatto quando un fluido passa da un corpo ad un altro. Newtoniano (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 risultanti da forze esercitate dalla carica del corpo carico sulle cariche separate, positive e negative, del corpo neutro.
Caratteristiche del percorso proposto Esplorazione di semplici fenomeni elettrici per riconoscere: Esplorazione di modalità di caricare per riconoscere che: Un cambio di stato dei sistemi a seguito di una preparazione: essi si caricano/si attivano La natura duale di tale proprietà: i sistemi interagiscono manifestando repulsione o attrazione a seconda della concordanza o discordanza tra tali proprietà Il processo di carica è un attivazione È dovuto a qualcosa che è già dentro al materiale Che si conserva ed è mobile Obiettivo: Costruzione del concetto di carica come esito di un percorso basato sulla fenomenologia macroscopica
Campione, modalità e strumenti di indagine 4 gruppi: Insegnanti di scuola elementare in formazione (ex L143, 2 gruppi di 23 e 11 componenti, G1 e G4) Studenti della SSIS o ex L 143 (33 studenti, G3) Studenti del Corso di Laurea FASF (30, G2) G2 ha seguito l attività per 3 ore in 2 sessioni; ha compilato un questionario (come G3) su temi di elettrostatica ed ha seguito un seminario specifico. Gli altri partecipanti hanno seguito l attività per 1 ora Attività esplorativa hands-on in 10 punti, in laboratori cognitivi CLOE, usando Schede stimolo esplorative Strategia di microstep concettuali basati su cicli SPEA (Situazione Previsione Esperimento Analisi)
La sequenza: step 1 Repulsione di due pezzi di nastro adesivo strappati dalla stessa superficie Obiettivi A) riconoscimento dell attivazione del nastro, nello stesso modo B) riconoscimento del legame tra repulsione e i due cambi di stato uguali Cosa è accaduto che ha fatto in modo che il nastro si comportasse così? G1, G2, G3: ragionamenti interpretativi espressi principalmente in termini di stati (45%): caricarsi, carica, elettrizzazione, polarizzazione Meno (20 34%) in termini di cambio di stato con Stessa tipologia di il trasferimento di qualcosa (modifica, carica: acqusizione, movimento, distribuzione, in genere G1, G2, G3: di carica) riconosciuta: 40 G4: attrito, strappo, strofinio per 36% unica 52 % G4: da nessuno risposta, sale al 55% inserendo quelle come causa secondaria
Dopo aver ripetuto l esperienza cambiando solo superficie 95% degli studenti (102/107) riconoscono un cambio di stato nel nastro dopo lo strappo rispetto a prima Sono cambiati nello stesso modo? Fino al 39% non lo riconosce Difficoltà a collegare il modo di operare con lo stato del nastro In sintesi: nel 50% degli studenti (53/107) si trova un espressione dello stesso tipo di modifica nei due pezzi di nastro 9 studenti affermano (senza ulteriori sviluppi) che la stessa azione su due oggetti uguali porta a un uguale cambiamento. La condizione di uguaglianza sembra poco significativa, meno che l azione o il cambiamento G1 % G2 % Si 61 67 No 26 27 NR 13 7 G3 % 76 G4 % 82 9 24 9
La sequenza: step 2 Attrazione di due pezzi di nastro adesivo strappati dopo essere stati sovrapposti Obiettivo: riconoscimento della attivazione diversa dei due pezzi di nastro e del legame con l attrazione I pezzi di nastro sono entrambi nella stessa condizione, come in ESP 1? G1 % G2 % G3 % G4 % Si 26 13 33 18 No 74 87 64 27 3 55 NR 23/107 studenti ritengono di sì
La sequenza: step 3 Interazioni reciproche tra gli elementi di due coppie di nastro sovrapposte e poi strappate Obiettivo: Riconoscimento dei ruoli di strappo e disposizione in relazione all attivazione e alla sua tipologia Domande: A) Lo strappo è importante per il fenomeno? B) Spiega tutto quel che hai visto? A Si No NR G2 % G3 % B G1 % G2 % 91 97 67 Si 30 30 4 3 21 No 52 70 24 NR 17 G3 % 97 G1 G2: G1 % Alta rilevanza dello strappo (91-97%) ma 30% ritiene spieghi tutto Concentrazione su un singolo aspetto del fenomeno: c è necessità di molti esperimenti G3: Articolazione chiara (97%) ma sottostima del ruolo dello strappo 3
La sequenza: step 4-5 4.1 E: Repulsione tra cannucce strofinate O: Riconoscimento dello strofinio come modalità di attivazione R: Generalizzato 4.2 E: Interazione di oggetti strofinati tra loro (cannuccia panno) O: Riconoscimento della diversa natura dell attivazione in due oggetti che interagiscono tra loro caricandosi R: Fin dalle previsioni l 80% 4.3 E: Interazione con oggetti strofinati di varia natura. O: Riconoscimento della natura solo duale dell attivazione, possibile su tutti gli oggetti R: La distinzione è a livello di interazione, (Attrazione e repulsione, 47%) non sufficiente per distinguere la natura duale dell attivazione (condizioni uguali /diverse determinano le interazioni) 5 E: Repulsione di cannucce a contatto dopo lo strofinio di una di esse O: Riconoscimento del contatto come modalità di attivazione dello stesso tipo D e R: Spiega cosa vedi 40%: nel contatto c è passaggio di carica: quella carica tocca quella scarica e le passa una carica 43%: non specificano 17%: Sono in condizioni differenti: non chiaro, perchè con differenti a volte si vuole indicare lo stato di carica di uno solo degli elementi della coppia
La sequenza: step 6.1 6.2 Repulsione di fili di alluminio dal fondo di una lattina cui è avvicinato un oggetto carico Obiettivi: D1. Come spieghi il movimento dei fili senza toccare la lattina con un oggetto carico? 90%: C è qualcosa dentro la lattina 6.1 Riconoscimento della presenza di qualcosa nella lattina anche quando l interazione non è visibile 6.2 Riconoscimento dell effetto di allontanamento dei fili come indicazione di azione tra componenti interni 13%: che si muove 20%:azione a distanza con l oggetto avvicinato: ha qualcosa di attivato dentro (2 soltanto indicano la carica) D2. L influenza dell oggetto carico è sulla lattina o sulla componente interna? 93%:L influenza dell oggetto strofinato è sulla componente interna e non sulla lattina Gli studenti non usano più il termine carica, ma qualcosa o un effetto,
Conclusioni Gli studenti hanno usato una terminologia evocativa, all inizio solo un referente linguistico Procedendo utilizzano gli enti Per descrivere processi In connessione tra variabili sperimentali e comportamenti osservati Nell elaborazione di modelli usati nelle previsioni Ma hanno difficoltà ad individuare le condizioni sperimentali e ad utilizzarle nell analisi di esperienze analoghe Alla fine cambiano la terminologia e la usano per spiegare la situazione a partire dall osservazione. Vi sono difficoltà nell analisi delle variabili rilevanti, ridotte guardando a più fenomeni Sembra che le relazioni di uguaglianza/differenza siano le più difficili da riconoscere rispetto ai cambiamenti.
Bibliografia Benseghir A. & Closet J.L., 1996, The electrostatics electrokinetics transition. Historical and educational difficulties, International Journal of Science Education, 18 (2) 179-191 Eylon B. & Ganiel U., 1990, Macro micro relationship: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students reasoning, International Journal of Science Education, 12 (1) 79-94 Borghes A. T. & Gilbert J.K., 1998, Models of magnetism, International Journal of Science Education, 20 (3) 361-378 Barbas A. & Psillos D., 1997, Causal reasoning as a base for advancing a systemic approach to simple electrical circuits, Research in Science Education, 27 (3) 445 459 Furió C., Guisasola J. & Almudì J. M., 2004, Elementary electrostatic phenomena: historical hindrances and students difficulties, Canadian Journal of Science, Mathematics and Technology Education, 4 (3) 291-313 Harrington R., 1999, Discovering the reasoning behind the words: an example from electrostatics, Phys. Educ. Res., Am.J. Phys. Suppl. 67 (7) S58 S59 Guruswamy C., Somers M. D. & Hussey R. G., 1997, Students understanding of the transfer of charge between conductors, Physics Education, 32 (2) 91 96 Furió C. & Guisasola J., 1998, Difficulties in learning the concept of electric field, Science Education, 82 (4) 417-526 Viennot L. & Rainson S., 1999, Design and evaluation of a research - based teaching sequence: the superposition of electric field, International Journal of Science Education, 21 (1) 1-16 Rainson S., Tranströmer G. & Viennot L., 1994, Students understanding of superposition of electric fields, Am. J. Phys. 62 (11) 1026 1032 Törnkvist S., Pettersson K. A. & Tranströmer G., 1993, Confusion by representation: on student s comprehension of the electric field concept, Am. J. Phys. 61 (4) 335-338 Shulman L. S., 1986, Those who understand: knowledge growth in teaching, Educational Researcher, 15 (2) 4 14 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, 1-9. London: Taylor & Francis Duit R., Science Education Research An indispensable prerequisite for Improving Instructional Practice, ESERA Summer School, Braga, July 2006, at http://www.naturfagsenteret.no/esera/summerschool2006.html M. Planinic, 2006, Assessment of difficulties of some conceptual areas from electricity and magnetism using the Conceptual Survey of Electricity and Magnetism Am. J. Phys. 74 (12) 1143-1148 Maloney D.P., O Kuma, T. L., Hieggelke, C. J. & Van Heuvelen, A., 2001, Surveying students conceptual knowledge of electricity and magnetism, Phys. Educ. Res., Am. J. Phys. Suppl. 69 (7) S12 S23