COMUNICAZIONE E LINGUAGGI Un lavoro che intenda chiarire il rapporto uomo-macchina non può prescindere dall analisi delle modalità di comunicazione nei due sensi. I concetti di comunicazione e di linguaggio naturale dovrebbero essere già noti agli allievi e, a questo proposito, sarebbe auspicabile una collaborazione con gli insegnanti di lettere per concordare sia i tempi di esecuzione del presente modulo sia l elenco di parole chiave che dovranno fornire una struttura trasversale a tutte le materie coinvolte. Ciò permetterà di risparmiare tempo e contemporaneamente di rafforzare ed estendere il concetto di termini come sintassi e semantica che risultano fondamentali per l acquisizione e lo studio di qualunque linguaggio scientifico. La comunicazione ed le sue componenti Le ambiguità dei linguaggi naturali Prerequisiti Obiettivi formativi Analizzare l atto comunicativo Riflettere sulla differenza fra dato e informazione, fra rappresentazione e interpretazione Porsi il problema della trasmissione dell informazione Capire l importanza del rigore sintattico Obiettivi specifici Distinguere i concetti di linguaggio naturale, linguaggio formale e metalinguaggio Riconoscere un linguaggio formale Analizzare codici noti Scegliere un tipo di codifica adatto all informazione da trasmettere 1
Descrizione delle fasi di lavoro Contenuti Sapere Saper fare Metodologie Collegamenti Prima lezione Comunicazione e suoi componenti Saper individuare le componenti della comunicazione Attuare una comunicazione scegliendo il metodo più opportuno Conversazione clinica Analisi collegiale di situazioni comunicative Lettere, religione, disegno Seconda lezione La comunicazione asimmetrica nella storia Riflettere sul ruolo del rumore nella scelta del mezzo di trasmissione dei messaggi e sui vincoli indotti dai limiti tecnici Progettare metodi di comunicazione. Costruire diagrammi ad albero per calcolare il numero di messaggi possibili Intervista guidata e lezione frontale Storia Terza lezione I linguaggi e le loro caratteristiche Saper individuare le componenti di un linguaggio. Distinguere sintassi da semantica. Cogliere le ambiguità. Individuare le caratteristiche di linguaggi formali Inventare un linguaggio Intervista guidata e lezione frontale Lettere: ambiguità del linguaggio naturale. Disegno: ambiguità dei disegni e nella geometria intuitiva Quarta lezione Gli oggetti-bit ed il loro uso nel comunicare comandi alle macchine Acquisire il concetto di bit, di macchina con programma cablato e di macchina programmabile Usare e/o progettare semplici artefatti di tipo meccanico per una comunicazione uomo-macchina di tipo binario Intervista guidata. Lezione frontale in laboratorio. Dibattito Storia degli automi Quinta lezione La possibilità di codificare dati Saper valutare il metodo per introdurre una codifica Utilizzare diagrammi ad albero. Operare con i numeri binari Lezione frontale Lavoro di gruppo Numerazione multibase Materiali Per ogni singola lezione si possono trovare esempi di esercizi, schede esplicative per gli alunni, complementi per gli insegnanti. Gli oggetti usati nel corso delle lezioni sono invece presentati e illustrati nell appendice. 2
Prima lezione Gli elementi della comunicazione Conversazione clinica Attraverso una adeguata conversazione clinica verranno richiamati i seguenti concetti Emittente, ricevente, canale, messaggio, rumore, referente, contesto, segno, significante, significato, segnale. In precedenza l insegnante avrà costruito con esse la propria mappa concettuale ricordando di preparare esempi di comunicazione uomo-macchina e di dare maggiore enfasi alle analogie fra questa e quella da uomo ad uomo. Stimolando il racconto di esperienze personali e cercando di coinvolgere il maggior numero di studenti e si potrà redigere un breve elenco di situazioni nelle quali essi comunicano ad una macchina evidenziando in special modo canale, significante e significato. Ci sono anche macchine che comunicano a macchine? È inoltre necessario sottolineare il ruolo del rumore, che sarà importante per il nostro studio ma spesso ignorato nella presentazione della comunicazione in altre materie. Esercizi proposti Individua le componenti di una situazione comunicativa (è consigliabile iniziare il primo esercizio in classe). Note per l insegnante ƒchiedendo la collaborazione del collega di lettere, si può collegare questa fase del lavoro ad uno dei moduli di accoglienza che sottolinei quanto sia importante imparare non solo ad ascoltare ma anche ad analizzare e selezionare i messaggi in arrivo. Chi li manda? Come? Perché? Come li ascolto? Quando li ricordo? Richiamare le tecniche di ascolto efficace può costituire un momento utile a tutte le discipline per parlare di informazione. ƒriguardo all esperienza in classe è sintomatico del mondo attuale come alcuni alunni confondano i canali di comunicazione con quelli televisivi: è uno degli esempi di come il significato primario di una parola continui ad emergere anche in contesti diversi. 3
ƒlo stesso discorso si può fare per il termine rumore : davanti alla richiesta Se stai cercando di leggere il prezzo di un videogioco in una vetrina, quale rumore potrebbe interferire? una risposta può essere (non così infrequente come si potrebbe sperare) Un camion che passa sferragliando. ƒin questi casi si rende ancor più necessario richiedere la costruzione di una adeguata mappa concettuale ma specialmente concordare un analogo uso di questi vocaboli in ogni disciplina che parli di informazione e di comunicazione per far si che la loro semantica venga consolidata. ƒper questa lezione è stato proposto un solo esercizio che si consiglia di iniziare in classe per testare il possesso dei principi elementari della comunicazione; esso vuole far osservare i vari tipi di macchine con le quali quotidianamente entriamo in contatto, il canale dell emittente e quello del ricevente e, nelle prossime lezioni, il linguaggio usato. 4
Seconda lezione La comunicazione asimmetrica Intervista guidata Comunicazione uomo-macchina: come parli con le macchine che hai a casa? Nell esecuzione dell esercizio assegnato per casa gli allievi avranno avuto modo di riflettere sul loro modo di comunicare con una macchina. Durante la conversazione usata per esaminare il risultato delle loro indagini si potrà far notare quale sia il nostro atteggiamento rispetto a queste macchine: nella continua ricerca di un Golem (vedi complementi) le umanizziamo e spesso ne parliamo come di esseri viventi a cui fornire informazioni e comandi e dalle quali attendere altre informazioni e/o azioni. Lezione frontale Si introduce qui il concetto di comunicazione asimmetrica ed a questo proposito si potrà fare un rapido excursus sulla storia della comunicazione a distanza (vedi complementi). Tre i sistemi da evidenziare: le aste di Enea il Tattico, le fiaccole di Polibio e il telegrafo di Chappe. Il sistema di Enea il Tattico offre un primo esempio di convenzione circa il significato di una icona e offre lo spunto per sottolineare il peso dei limiti tecnici nei sistemi di trasmissione (es. la lunghezza dell asta è necessariamente limitata). Il sistema di Polibio utilizza un interessante alfabeto binario dove le fiaccole sono il primo esempio di quello che nel seguito chiameremo oggetto-bit. Ci si può chiedere se, a quel tempo, il sistema a tabella fosse l unico praticabile. Si potrebbe ipotizzare una combinazione di fiaccole accese o spente semplicemente allineate, ma da lontano sarebbe praticamente impossibile distinguere l inizio della fila se questa inizia con fiaccole spente. Ma se in ogni torre ci fossero degli interruttori collegati ad altrettante lampadine nella torre seguente? Il sistema di Chappe offre invece un esempio di sovrabbondanza di segni, il cui numero è confrontabile con quello dell attuale codice ASCII (quinta lezione). Nel confronto fra i metodi si potrà evidenziare: ƒla necessità di avere il minimo rumore, ƒil ruolo del tempo nella trasmissione delle informazioni, ƒl economicità di un sistema rispetto all altro. Esercizi proposti Rifletti sul sistema di Polibio: può funzionare solo con fiaccole? Proponi altri oggetti in alternativa. Il sistema sarebbe più semplice se noi disponessimo di una luce che può diventare gialla, verde o rossa? con una fila di 5 di queste luci quanti messaggi potremmo inviare? 5
Cerca il canale più idoneo per una data comunicazione. Corretta comprensione dei messaggi: icone o parole sono sempre chiaramente interpretabili? Individua i vari significati di un simbolo, di una parola o di una frase in contesti diversi. Note per l insegnante ƒnella correzione dell esercizio n.1 Leggi il seguente brano che era stato iniziato in classe e dato da completare per casa, ci ha meravigliato constatare quanto poco gli allievi siano consapevoli della continua comunicazione che avviene tra noi e le macchine. Per esempio, là dove il protagonista non riesce a far sollevare la sbarra del parcheggio, l unica situazione comunicativa che i ragazzi hanno individuato è quella tra lui e il custode. È questo un cambiamento di sensibilità sul quale varrebbe la pena riflettere: sembra che i giovani siano talmente assuefatti alle macchine da non vederle. ƒriemerge il ruolo determinante del rumore nella scelta del tipo di trasmittente. ƒimportante ora sottolineare il peso della rapidità con cui viene recepito il messaggio: tuttora il tempo di esecuzione e/o di trasmissione è determinante per la scelta di un algoritmo o di un congegno elettronico. ƒi sistemi di trasmissione hanno acceso la fantasia degli alunni. Uno di essi, attualmente in seconda, ha prodotto il simpatico fumetto posto al termine dei complimenti sulla storia della comunicazione. ƒla lezione risulterà più interessante e comprensibile se corredata da lucidi che illustrino gli oggetti e le tecniche presentate. Per ulteriori chiarimenti vedi Bibliografia. ƒper quanto riguarda gli esercizi assegnati per casa, essi rispondono a varie finalità. Il primo esercizio serve a far notare come alcune comunicazioni si possano risolvere attraverso segnali, icone o suoni ma che è praticamente impossibile utilizzare gli stessi mezzi per alcune comunicazioni, specialmente se riguardano concetti astratti. In tal caso l uso del linguaggio verbale, orale o scritto, è indispensabile. Analogamente nel lavoro con il computer troviamo molti programmi con molte icone e finestre pronte ma se si desidera ottenere qualcosa di speciale si deve ricorrere ai linguaggi di programmazione. Gli esercizi seguenti vogliono evidenziare le molte ambiguità del linguaggio naturale, ricco di sinonimi e omonimie e far risaltare per contrasto l indispensabile chiarezza di un linguaggio formale. La loro correzione servirà, nella prossima lezione, ad introdurre appunto il discorso sul linguaggio formale. 6
Terza lezione I linguaggi Intervista guidata La lezione precedente e gli esercizi per casa saranno serviti a portare il discorso sulle ambiguità e sulla opportunità, in determinati contesti, dell uso di un linguaggio formale. Sarà sufficiente eliminare sinonimi e omonimie? Una carrellata di esempi di linguaggi formali (semafori, segnaletica stradale, battaglia navale,...) porterà alla necessità di analizzare più da vicino la composizione di un linguaggio individuando: alfabeto, stringa, regole di sintassi, formula ben formata (FBF), semantica. Riprendendo il discorso sulla differenza fra linguaggio naturale e formale verrà evidenziata: ƒla pervasività del metalinguaggio nella comunicazione uomo-uomo in quanto nella vita pratica è impossibile mantenere una comunicazione (per es. una lezione) esclusivamente a livello formale senza usare inserti di linguaggio naturale ƒla necessaria rigidità delle regole di sintassi nella codifica di dati che siano utilizzabili anche da macchine ƒla presenza di numerosi microcodici (vedi complementi) nel vissuto quotidiano, nel nostro continuo rapporto di comunicazione con i vari elettrodomestici nei quali l alfabeto è spesso costituito da ideogrammi o abbreviazioni. (come comunichi con le tue macchine?) Esercizi proposti Individua nella tua abitazione macchine con cui comunichi e, per ciascuna di esse, il canale di comunicazione, l alfabeto e almeno alcune delle regole di sintassi. Cerca nelle vita comune alcuni esempi di codici, il loro alfabeto e almeno alcune delle regole di sintassi. Esercizi su sintassi e semantica I sistemi esaminati durante la lezione precedente sono stati progettati per la comunicazione uomo-uomo. Si potrebbero adattare per la comunicazione uomo-macchina? per comunicare dati o comandi? Note per l insegnante ƒnella realizzazione di queste prime lezioni è stato determinante il lavoro svolto parallelamente dai docenti di lettere e/o di religione. In classi nelle quali non sia stato possibile concordare un analoga collaborazione, è necessario prevedere almeno un altra ora di lezione. 7
ƒva osservato che una lezione analoga sul linguaggio visivo, le illusioni ottiche e i loro problemi di interpretazione può costituire un buon punto di partenza per l introduzione dello studio della geometria razionale. ƒparallelamente si può concordare con l insegnante di lettere un rafforzamento dell analisi del testo dei problemi specialmente di quelli che, essendo scritti in linguaggio naturale, sono di difficile interpretazione (vedi esercizi). ƒper quanto riguarda gli esercizi proposti per casa, un primo gruppo tende a far osservare come anche con un numero limitato di caratteri si possa ottenere un qualsiasi numero di stringhe. È interessante notare che generalmente gli allievi non prendono in considerazione le stringhe con caratteri ripetuti del tipo sss oppure iio pur avendo avuto come unica regola di sintassi la limitazione del numero di caratteri. È questo uno degli esempi del prevalere di regole del linguaggio naturale che portano per esempio a non considerare mai la possibilità di costruire stringhe infinite. ƒi primi esercizi per casa richiedono di trovare tutte le stringhe possibili. Solo alcuni allievi trovano da soli un metodo per individuarle tutte senza ripetizione. Alla richiesta Come puoi fare per trovare tutte le stringhe? nessuno ha pensato ad un diagramma ad albero ma alcuni hanno usato delle tabelle a doppia entrata. La regola per il calcolo del numero di stringhe che si possono ottenere con un dato numero di caratteri si può far dedurre durante la correzione degli esercizi determinando anche il numero di nodi e di foglie e la relativa regola matematica. ƒla seconda parte degli esercizi contiene esercizi di traduzione e trascodifica; in particolare il primo richiede una riflessione sulla frase e le sue componenti, il terzo una discussione sulle varie possibilità di disegno delle figure proposte. In tutti i casi è interessante richiedere una descrizione della procedura che è stato usata da ciascuno degli allievi per eseguire la consegna. Queste descrizioni, presentate in forma scritta, sono apparse, in alcuni casi, degli embrioni di linguaggio di progetto ma in generale hanno evidenziato come sia difficile descrivere processi mentali, che spesso rasentano l intuizione, e costringerli in una qualche veste descrittiva. È questo un tipo di esercizio che varrebbe la pena di istituzionalizzare all interno di tutto il curricolo di matematica in quanto costringe ad una riflessione sulle proprie strategie risolutive. ƒci si può riferire alla lezione precedente per introdurre il calcolo esatto di quante combinazioni di acceso-spento (e quindi di quanti segnali diversi) di possano ottenere con N fiaccole. 8
Quarta lezione Il bit Intervista guidata La lezione sarà condizionata dai risultati delle riflessioni casalinghe e le eventuali proposte riguardanti la comunicazione uomo-macchina. Si potrà far evidenziare il prevalere di una comunicazione di tipo binario (interruttore on o off, temperatura raggiunta o meno, tempo scaduto o no, ) Dopo aver ricavato la definizione di BIT e di oggetto-bit, si farà in modo da sottolineare la presenza di due tipi di messaggi: i comandi che richiedono una reazione immediata con una produzione di lavoro (linguaggio con potenzialità operative) i dati che si devono immagazzinare e/o elaborare (linguaggio con potenzialità espressive) Il discorso verrà indirizzato inizialmente sui comandi in quanto storicamente le prime macchine erano destinate ad automatizzare attività di lavoro. Laboratorio Fornendo alcune notizie sulla storia degli automi si potrà portare esempi di macchine meccaniche (partendo da ruote dentate con un solo dente, il maglio, il carillon, gli automi, ecc.) o di parti di macchine elettriche (il programma di lavatrici o lavastoviglie, ecc.). La presentazione sarà più efficace se si potranno presentare alcuni di questi manufatti per poi proporre agli allievi di costruirne di analoghi. Dopo aver ben osservato gli oggetti proposti si potrà rilevare come ogni riga di denti in un carillon sia in effetti una combinazione di bit che reca in sé la semantica di un comando (suonare una determinata nota o gruppo di note) e come l intero tamburo non sia altro che un programma cablato (suona sempre e solo un determinato motivo). Una volta esaminato il comportamento di una carillon musicale è facile pensare ai movimenti di automi controllati dai denti di un analogo tamburo. Intervista guidata E per ottenere comportamenti diversi, per es. una pianola? Partendo dalla presentazione di un carillon con i denti rimovibili (e quindi con la possibilità di cambiare il programma), si dovrà guidare il dibattito in classe in modo da far emergere la convenienza dell uso prima di un tamburo con i denti retrattili, poi di schede perforate che su tale tamburo facciano sporgere solo i denti che eseguono un certo accordo o una certa melodia per ottenere così una macchina programmabile.(vedi complementi) 9
Esercizi proposti Dato un cilindro cablato con la possibilità di inserire 6 denti sulla circonferenza progetta le posizioni per ottenere un ritmo dato. Dato un cilindro musicale con le posizioni di 8 note scrivere il rotolo necessario per suonare Fra Martino campanaro ad una voce, a due voci, a tre voci. Note per l insegnante ƒper una buona comprensione dei principi alla base delle macchine citate sarebbe indispensabile presentarne almeno una (per esempio un piccolo carillon che è facilmente reperibile) Anche la presentazione di alcuni lucidi comunque può aiutare a chiarirne il funzionamento. ƒla difficoltà di costruzione e progettazione di semplici macchine meccaniche può servire ad accennare alle difficoltà che il mondo della robotica deve superare, anche dal punto di vista della meccanica, e ridimensionare le aspettative di tipo fantascientifico. ƒper rinvenire esempi di macchine meccaniche si può fare riferimento all unità Numeri e Macchine in Classe. ƒcommenti e descrizioni di quelli usati nella nostra scuola sono presenti nei complementi. ƒsi può cogliere l occasione offerta da questa lezione per invitare gli allievi a riflettere sui concetti di hardware e di software. In particolare, mentre è abbastanza chiaro di cosa si possa intendere come hardware, è più interessante far capire che il software è l idea che sta a monte del programma quindi qualcosa di immateriale. Tanto è vero che si sente parlare di brevetti di hardware ma di copyright del software. 10
Quinta lezione Codifiche binarie I seguenti argomenti richiederanno almeno due ore di lezione. La distribuzione dei contenuti prevede che siano già stati presentati i sistemi di numerazione posizionale. Lezione frontale Si riprendono le motivazione della scelta di un alfabeto binario e la regola che lega il numero dei bit con il numero di possibili stringhe e si riflette sull uso (comandi) che se ne è fatto nell ora precedente. Si potranno codificare non un comando ma un oggetto, una parola, un indirizzo, una posizione, un numero, una lettera? Si possono portare alcuni esempi e invitare gli alunni ad inventarne degli altri. Esercizi proposti codificare e decodificare. Lavoro di gruppo Dopo aver giocato con le codifiche si cerca un metodo per codificare un numero che non sia di fantasia ma che permetta anche di eseguire operazioni. Viene quindi introdotta o richiamata la numerazione binaria. L uso della numerazione binaria si collega alla finalità primaria della presente unità in quanto per analizzare il comportamento di una odierna macchina da calcolo si deve conoscere sotto quale forma vi si introducano i dati. La trasmissione di dati numerici qualsiasi richiederebbe un numero potenzialmente illimitato di oggetti- bit. Per questo motivo conviene trasmettere una sequenza temporale di pacchetti, ciascuno composto da un numero prefissato e piccolo di bit, per esempio quelli necessari a discriminare le cifre decimali. È necessario procedere in questo modo, in particolare, quando si intende utilizzare una macchina per effettuare una comunicazione, macchina che nelle sue componenti elementari è sempre cablata e quindi non modificabile. Per limitare la quantità di bit e contemporaneamente riuscire a comunicare un qualsiasi numero, si potrà usare una codifica BCD. A questo proposito si potrà notare come per ottenere la codifica di tutte e dieci le cifre, siano necessari 4 bit ma non tutte le combinazioni. Si potrà a questo punto inventare un tabella di classe nella quale porre in corrispondenza arbitraria le combinazione eccedenti con i segni di operazione e con l uguale. Esercizi di codifica non solo di numeri ma anche di piccole espressioni possono costituire un buon mediatore per l introduzione di altri codici (come il codice ASCII) e per sottolineare l arbitrarietà della codifica. 11
Esercizi proposti Numerare, calcolare, cambiare base e codificare.. Note per l insegnante ƒquesta lezione potrà essere svolta parallelamente alla presentazione degli insiemi numerici o al lavoro in multibase. ƒnel lavoro di gruppo si può proporre che ogni gruppo inventi una codifica per trasmettere numeri e discutere sull efficienza delle varie proposte. Prima di introdurre il BCD, se gli allievi conoscono già il sistema binario si può chiedere di trovare il modo per trasmettere qualsiasi numero usando però pochi bit. Qualcuno arriva da solo a proporre il sistema giusto ma la classe resta perplessa. ƒdopo l introduzione del codice BCD, essendo una lezione piuttosto noiosa si può proporre un altro lavoro durante il quale ogni gruppo si prepara un tabella dei segni, trasmette piccole uguaglianze agli altri cercando di scoprire la loro tabella. È in pratica un giochetto enigmistico in cui si deve dedurre la codifica dei segni di operazione e uguaglianza in modo che l uguaglianza sia effettivamente verificata, Es. da 0001 1000 1100 0011 1111 0110 deduco che 1100 è y e che 1111 è = oppure che 1100 è = e che 1111 è u ƒriguardo al codice ASCII, visto che ormai tutti i ragazzi conoscono almeno l essenziale circa l uso di un elaboratore di testi, è per loro interessate capire il perché di quella combinazione Alt+ numero che usano per inserire simboli da tastiera. La tabella allegata ai complementi è stata volutamente lasciata incompleta in modo da farla completare dagli alunni stessi. 12