Esperimenti semplici Hands-On Minds-On di elettromagnetismo Marisa Michelini e Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine 1. Introduzione Le ricerche sull apprendimento hanno evidenziato alcune difficoltà degli studenti, che spesso hanno una comprensione parziale dell induzione elettromagnetica, dovuta alla non completa conoscenza delle situazioni che determinano una corrente indotta o in relazione ad un uso non corretto della Legge di Lenz (Maloney D P, O Kuma T L, Hieggelke C J, Heuvelen A V, 2001; Thong W.M., Gunstone R., 2007). 2. La proposta Nell ambito di una ricerca mirata allo studio di un percorso di Insegnamento/Apprendimento in prospettiva verticale, secondo il modello dell MRE (Duit R., 2006), è stato condotto uno studio dedicato al nodo specifico dell induzione elettromagnetica per studenti di biennio di scuola secondaria superiore. In questo lavoro si presenta la sequenza e degli esperimenti in esso proposti ed utilizzati nell ambito di sperimentazioni didattiche. 3. Strategie e metodi Il percorso si articola con attività esplorativo- laboratoriali (Michelini, 2005) in cui si prospettano situazioni (Sx) hands-on usando schede studente con domande stimolo (Martongelli, 2001; Michelini, 2003) e una strategia basata su cicli SPPEA (Situazione Previsione Progettazione Esperimento Analisi). In questa sede la proposta viene illustrata attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) sono indicate le domande di ricerca (Ry). 4. La fenomenologia e i problemi di ricerca S1 Oggetti di R1- I ragionamenti sono in termini di proprietà dello spazio intorno ad un materiale magnete o ancora di interazione tra oggetti (sistemi) e magnete? ferromagnetico e R2- Viene identificata una proprietà dello spazio intorno al magnete? magneti: interazioni. R3- Viene individuato un esploratore? Esplorazione dello R4- La proposta operativa è sostenuta da ipotesi esplicite/implicite? spazio circostante a un magnete. 1
Michelini M, Viola R (2009) Esperimenti semplici Hands-on Minds-on di elettromagnetismo, LFNS, XLII, 3-sup, pp.151-157 S2 Una bussola lontano e vicino a un magnete: sua orientazione. Esplorazione con una bussola dello spazio intorno a un magnete. R5- Si tiene conto del contributo del campo magnetico terrestre nell orientazione delle bussole? R6- Il campo magnetico terrestre è evocato come responsabile dell orientazione di tutte le bussole? R7- Quale spiegazione viene data al cambio di orientazione quando ci si avvicina ad un magnete? R8- Emerge l idea della sovrapposizione tra campi? S3 Una piattaforma di R9- Viene riconosciuto il parallelismo degli aghi quando sono lontani dal bussole lontano e vicino magnete o vengono solo tracciate le linee? a un magnete: loro R10- Vengono descritte le linee e/o anche effettuato un confronto? orientazione R11- L illustrazione riguarda gli stati o il processo di cambio di direzione e, quando viene individuato il processo, viene riconosciuta la nuova configurazione come caratteristica prodotta dal magnete? R12- viene riconosciuto che si tratta di una sovrapposizione o scompare completamente il ruolo del campo magnetico terrestre? 2
S4 Cambia la posizione del R13- Le linee di orientazione sono dipendenti dalla sorgente del magnete sulla piattaforma di campo o piuttosto sono viste come una struttura dello spazio da essa bussole: come cambia la indipendente? configurazione delle linee di R14- Viene associata la configurazione delle linee di orientazione al campo. magnete? R15- Il magnete è riconosciuto come sorgente? S5 Cambia R16- È riconosciuta la tridimensionalità e la simmetria della struttura delle l inclinazione della linee di orientazione? piattaforma di R17- La proposta operativa è sostenuta da ipotesi esplicite/implicite? bussole rispetto al R18- L uso di un esploratore e delle linee di campo sono un angolo di attacco magnete: la efficace per il ragionamento in termini di campo? tridimensionalità R19- Quale l angolo di attacco più efficace per il ragionamento in termini di della struttura delle campo nella ricostruzione concettuale della fenomenologia? linee di campo. R20- Le linee di campo sono considerate come un ente autonomo o sono associate al magnete come sorgente? R21- Riemerge la direzione in assenza del magnete ed il problema della sovrapposizione? R22- La descrizione è localizzata intorno al magnete o si riconosce che ha 3
un estensione infinita? R23- La piattaforma di bussole è un referente concettuale per l idea di campo o dà forse l idea di uno spazio limitato? R24- Viene attribuito significato e ruolo alle linee di campo? S6 Si pone sulla R25- Viene riconosciuto il principio di sovrapposizione ed utilizzato piattaforma di bussole, per spiegare il cambiamento della configurazione delle linee? prima un solo magnete, poi R26- I singoli magneti sono identificati come sorgenti del campo due e poi se ne toglie uno descritto dalle linee? nuovamente: osservazione R27- La nuova configurazione di linee viene considerata come una di come cambia la composizione punto per punto o solo una nuova configurazione? Il configurazione di linee di cambiamento della configurazione delle linee di campo è considerato campo globalmente o localmente? in presenza di più magneti. 4
S7 Una corrente elettrica in R28- La proposta operativa di esplorazione è sostenuta da ipotesi un filo e una bussola: esplicite/implicite? esplorazione degli effetti magnetici di una corrente. R29- Viene utilizzata la bussola come esploratore delle proprietà magnetiche in una regione di spazio? S8 Esperimento di Oersted: linee di campo intorno a un R30- Gli elementi studiati precedentemente (orientazione, posizione, filo percorso da corrente. distanza dalla sorgente) sono riferimenti anche per questa esplorazione? S9 Bussole intorno a R31- La spiegazione della configurazione delle linee di campo utilizza la due fili percorsi da composizione locale dei contributi di ciascuna sorgente? corrente: linee di campo. R32- Viene applicato il principio di sovrapposizione? 5
S10 Ripetere R33- Quali sono i referenti concettuali per riconoscere il comportamento l esplorazione da un magnetico (linee di campo, bussole come esploratore, o solo interazione diverso punto di vista: magnete-oggetto)? interazioni tra un magnete e oggetti di R34- Quali le variabili considerate importanti nell interazione? materiali differenti. R35- Quanti e quali tipi di interazioni vengono identificati? S11 Un filo non R36- Quanti studenti riconoscono di essere in presenza di una situazione percorso, prima, e già esplorata? percorso da corrente, R37- Quali esperimenti richiamano? poi, tra le espansioni R38- Si riutilizzano i differenti aspetti della situazione (campo prodotto polari di un magnete: dal magnete, quello prodotto da una corrente che circola nel filo) per fare esplorazione della una previsione? Forza di Lorentz R39- La Forza di Lorentz viene descritta come una interazione tra le sorgenti (magneti o correnti) tenendo conto del legame con il cambiamento delle linee di campo? R40- Come viene strutturata la proposta operativa per cercare l origine della Forza di Lorentz? 6
S12 Un filo R41- Gli studenti riconoscono che la corrente è generata solo in occasione di una non collegato variazione di flusso del campo? ad un R42- Descrivono il processo usando le linee di campo? generatore in R43- Vengono riconosciute tutte le situazioni in cui si ha induzione un campo elettromagnetica? magnetico: esplorazione R44- Tali situazioni vengono solo descritte o sono inserite in un quadro interpretativo unitario? Quale? libera delle R45- Le linee di orientazione e la Legge di Lorentz vengono proposti come situazioni che strumento per comprendere ed interpretare il fenomeno dell induzione generano corrente indotta elettromagnetica? R46- In che modo vengono utilizzate le linee di campo per capire l induzione? R47- Viene riconosciuto il ruolo del flusso concatenato nel fenomeno dell induzione elettromagnetica? R48- Ripropongono una mappatura dello spazio o guardano solo la forma delle linee? S13 La Legge di Faraday-Neumann. Esplorazione guidata che genera induzione elettromagnetica: a) Variazione della superficie. b) Variazione dell angolo tra la normale alla superficie e le linee di campo c) Variazione dell intensità del campo magnetico d) Cambio della velocità di variazione del flusso R49- C è il riconoscimento fenomenologico/descrittivo dell azione (il cambiamento effettuato) che dà corrente indotta? R50- Qual è il modello interpretativo usato per spiegare la nascita della corrente indotta? R51- La velocità di variazione del flusso viene riconosciuta come condizione da cui dipende l intensità della corrente indotta? R52- Quale modello interpretativo viene utilizzato per spiegare il fenomeno in questo caso? 7
5. Considerazioni conclusive La proposta presentata è stata illustrata attraverso le domande di ricerca dettagliatamente poste nello studio dei processi di apprendimento: per ogni situazione (Sx) si sono indicate le domande di ricerca (Ry). L articolare in domande di ricerca ogni passo del percorso è molto utile anche ai fini dell insegnante interessato a conoscere i tipi di ragionamento e le articolazioni concettuali dei ragazzi. I risultati dell analisi dei dati, infatti, sono poi dati sulla base delle domande di ricerca, in modo da sottolineare lo sviluppo concettuale associato. Il percorso è stato già sperimentato in classi seconde di Liceo Scientifico e in classi terze di Scuola media. Per l analisi dei dati è stata fatta una classificazione delle risposte in classi definite a priori, analisi statistica delle risposte standard, studi di caso qualitativi per modelli interpretativi particolari, confronto tra dati qualitativi e quantitativi e controllo con interviste Rogersiane. I risultati dell analisi dei dati relativi ad alcune delle sperimentazioni effettuate sono stati già presentati (Michelini M, Viola R, A proposal for a curricular path about electromagnetic induction, Girep book 2008). Bibliografia Bagno, E. and Eylon, B. S., Am. J. Phys. 65 (8) 726-736 (1997). Bradamante, F., Michelini, M., Childrens ideas about gravitation: investigating a model of gravitationalfield, in Teaching and learningphysics in new contexs, Girep book of selected papers, Ostrava Czech Republic, 2004, p.l 80-182 [ISBN 80-7042-378-1] Bradamante, F., Fedele, B., Michelini, M., (2005), Children s spontaneous ideas of magnetic and gravitational fields, ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: 689-i 1-29-1] Borges, A. T. and Gilbert, J. K., Int. Journal of Sci. Ed. 20 (3) 361-378 (1998). Duit, R., ESERA Summer School, Braga, 2006, at http://www.naturfagsenteret.no/esera/summerschool2006.html Faraday, M., Experimental Researches in Electricity, London: Taylor and Francis (1955), Vol I, II, III. Fedele, B., Michelini, M., Stefanel, A. (2005) A. Five-ten years old pupils explore magnetic phenomena in Cognitive Laboratory (CLOE), ESERA, selected paper, Cresils, Barcellona [ISBN: 689-1 1-29-1] 8
Galili, I. and Kaplan, D., Am. J. Phys. 65 (7) 657-668 (1997). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Science Education, 8 (3) 443-464 (2004). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Students ideas about source of magnetic field, II int. Esera Conf., pp. 89-91(1999). Guisasola, J., Almudi, J. M. and Ceberio, M., Enseñanza de las Ciencias, 21 (2) 281-293(2003). 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). Michelini M, The Learning Challenge: A Bridge Between Everyday Experience And Scientfìc Knowledge, in Informai Learning And Public Understanding Of Physics, G Planinsic and A Mohoric eds., Girep book of selected contributions, Ljubijana (SLO), 2006, p. 18-39 [ISBN 961-6619-00-4] Peters, P. C., Am. J. Phys. 52(3) 208 211(1984). Rainson, S. and Viennot, L., Int. J. Sci. Educ. 14(4), 475-487(1992). Salverberg, E. R., De Jong, T., Ferguson-Hassler, M. G., Am. J. Phys. 39 (10) 928-951 (2002). Tornkwist, S., Pettersson, K. A. and Transtromer, G., Am. J. Phys. 61(4) 335-338(1993). Thong, W. M. and Gunstone, R., Res. Sci. Educ. 38, 31-44 (2008). Michelini M, Viola R, A proposal for a curricular path about electromagnetic induction, Girep book 2008 9