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Progetto IDIFO - Fisica moderna per la scuola 311

I MATERIALI IDIFO DELLE ATTIVITÀ IN PRESENZA

Alessandra Mossenta, Alberto StefanelUnità di Ricerca in Didattica della Fisica, Università di Udine

1. IntroduzioneLe diverse attività dei tre workshop in presenza organizzati nel contesto di IDIFO (WS1 nel settem-bre 2006; WS2 nel marzo 2007; WS3 nel luglio 2007) hanno avuto come elemento caratterizzante e qualificante i materiali di lavoro, su cui è stato effettuato un particolare studio e lavoro di proget-tazione, valutazione, successiva rielaborazione e focalizzazione su obiettivi e destinatari differen-ziati. Questi materiali sono stati strettamente funzionali alle attività per le quali sono stati proposti e ne hanno molto spesso rispecchiato e anche determinato le caratteristiche.Nel primo workshop è stata dedicata particolare attenzione da un lato ai materiali che hanno permesso di realizzare un laboratorio didattico su quindici esperimenti di fisica moderna, unico nel panorama italiano, dall’altro il set di materiali (kit sperimentali, libretti, schede di lavoro) per la progettazione degli insegnanti sul percorso didattico di meccanica quantistica.Per il secondo work-shop è stato arricchito il set sperimentale, soprattutto grazie agli esperimenti di elettromagnetismo e superconduttività del progetto europeo Supercoment2, e sono stati studiati e validati i materiali relativi alle diverse tipologie di laboratori didattici messi a punto e in particolare CLOE, problem solving (Moschetta et al. 2002; Fedele at al. 2005).Le attività seminariali in entrambi i workshop sono state preparate e tutorate con documenti e pre-sentazioni di supporto.In occasione del terzo work-shop i mate-riali messi a punto per i primi due sono stati riprogettati, ricalibrati e ampiamente arric-chiti per essere proposti agli studenti della scuola estiva come strumenti di lavoro e forniti ai corsisti come materiali da utiliz-zare per sviluppare i personali progetti di percorsi didattici (fig. 1 e tab. 1) (Miche-lini, Santi, Stefanel 2008, 2010).

Fig. 1 - Le borse con i materiali di studio e tutorato pro-gettati per il WS3 e la Scuola Estiva di Fisica Moderna (libretto con le schede di presentazione delle attività sperimentali; schede operative e schede stimolo del tipo PEC/Inquiry; libretti e documenti di illustrazioni dei percorsi) e materiali di supporto ai partecipanti (invito alla Scuola Estiva, lettera di benvenuto, programma, informazioni turistiche sul territorio friulano), materiale illustrativo della Scuola Superiore dell’Università di Udine.

Tali materiali sono delle seguenti tipologie principali:A) materiali per i laboratori di esplorazione di percorsi didattici: A1) materiali introduttivi e di sup-

porto ai contenuti; A2) kit sperimentali per le attività hands-on/minds-on;B) Materiali di supporto per i percorsi di esplorazione sugli esperimenti di fisica avanzata: B1)

schede esperienze; B2) schede operative; B3) schede per presa dati.

312 Capitolo 7. La prima scuola estiva di Fisica Moderna per studenti

C) Materiali di presentazione delle attività seminariali;Le loro caratteristiche vengono discusse nei paragrafi successivi.

Materiali di supporto e preparazione ai laboratori didattici :Michelini M., Stefanel A., Avvicinarsi alla teoria della Fisica Quantistica. Una proposta per la didat-

tica, Università degli Studi di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004. Michelini M., Stefanel A., Esplorare con gli oggetti di ogni giorno i Fenomeni Elettromagnetici,

Università degli Studi di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, 2004.Michelini M., Stefanel A., La polarizzazione della luce. Catalogo di esperimenti, Università degli Studi

di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, Forum, 2006.Santi L., Schede Esperienze con relative schede di lavoro.Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sÞ da per avvi-

cinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica.

Materiali di tutorato e studio relativi ai seminariIl prevedibile e innovativo impatto tecnologico della Meccanica Quantistica, Giancarlo Ghirardi, Dipar-

timento di Fisica Teorica, Università di Trieste.A1) Philosophical aspects of quantum theory, A2) Experiments concerning quantum information, A3)

Teaching quantum physics: the goals, the core of a course and possible ways, Gesche Pospiech, Uni-versity of Dresden.

B1) Cimentarsi in una tecnica di analisi della ricerca nella Þ sica dei solidi; B2) Discussione del signi-Þ cato di: Sezione d’urto; sezione di stopping. B3) Dentro la ricerca con un problem solving: Analisi dati RBS, Federico Corni, Università di Modena e Reggio Emilia.

C1) The energy-mass equivalence for beginners (L‘equivalenza energia-massa per principianti); C2) A uniÞ ed approach to nuclear physics (Un approccio uniÞ cato alla Þ sica nucleare); C3) How does an atom look like? (Come appare un atomo?), Friedrich Herrmann, University of Karlsruhe.

Michelini M., Stefanel A., L’esplorazione dei fenomeni di polarizzazione della luce come sÞ da per avvi-

cinarsi alla teoria della Meccanica Quantistica.

Tabella 1 - Materiali di tutorato e studio del WS3 e della scuola estiva 2007

2. Materiali per i laboratori di esplorazione di percorsi didatticiVengono qui discusse le caratteristiche generali dei materiali progettati per i laboratori di esplora-zione di percorsi didattici, facendo riferimento per esemplificazioni, in particolare, con quelli che costituiscono parte integrante dei percorsi sperimentati nella scuola estiva su meccanica quantistica e RBS.

A1) Materiali introduttivi e di supporto ai contenuti dei laboratori didattici sull’esplorazione di percorsi e di riferimento per la progettazione di sperimentazione in classePer le sperimentazioni di percorsi in laboratorio didattico proposte nella scuola estiva e per fornire agli insegnanti materiali di riferimento per la loro progettazione e sperimentazione, sono stati pro-posti documenti che ne riepilogassero il filo, offrissero supporti per approfondimenti e riferimenti bibliografici. Tali documenti sono stati inoltre, in molti casi, esplicitati in attività preliminari ai veri e propri laboratori didattici in seminari introduttivi e lezioni partecipate.Come base e riferimento per il percorso sulla meccanica quantistica sono state proposte le due pub-blicazioni Avvicinarsi alla teoria della Fisica quantistica (Michelini, Stefanel 2004) e il catalogo di esperimenti su La Polarizzazione della luce (Michelini, Stefanel 2006a) (fig. 2).La prima costituisce la presentazione del percorso didattico, basato sulla ricerca, progettato dall’URDF sull’insegnamento/apprendimento della meccanica quantistica con approccio alla Dirac (Ghirardi et al. 1995,1997; Michelini et al. 2000, 2001), che ha costituito il riferimento per una laboratorio par-tecipato con gli insegnanti nel WS3 e dei due moduli sulla meccanica quantistica progettati da due corsisti IDIFO e sperimentati con gli studenti della scuola estiva. Si tratta di un agile libretto stu-diato appositamente per la formazione insegnanti, che è stato proposto agli studenti della scuola in


quanto presenta il filo del percorso didattico in forma accessibile, fornendo un quadro coerente dei concetti quantistici fondanti, mostrando come sia possibile: costruirli nella semplice fenomenologia della polarizzazione; generalizzarli facilmente a situazioni quali l’interferenza ottica; sintetizzarli e formalizzarli con una rappresentazione vettoriale degli stati e con operatori lineari delle osservabili fisiche. Illustrazioni delle diverse situazioni analizzate favoriscono la comprensione dei singoli pas-saggi in cui si articola il filo. Schemi di riepilogo aiutano a focalizzare sugli aspetti rilevanti e a favo-rire la costruzione del legame tra le diverse parti.È completato, per il suo utilizzo nella formazione insegnanti, da: una presentazione generale; rife-rimenti bibliografici; indicazioni su obiettivi, motivazioni delle scelte, impostazione concettuale, approccio, strategia, prerequisiti; una parte in cui si illustra il punte concettuale tra un approccio alla meccanica quantistica alla Dirac e uno basato sui cammini di Feynman; la base fenomenologica e sperimentale della polarizzazione su cui si fonda la proposta.

Fig. 2 - I libretti di esperimenti sulla Polarizzazione della Luce e sul percorso didattico di meccanica quantistica.

La seconda pubblicazione riguarda la collezione di oltre quaranta semplici esperimenti osservativi e misure, realizzate con sensori collegati in linea con il computer, sulla interazione di luce con pola-roid e cristalli birifrangenti. Le proposte didattiche sottese a tale collezione da un lato suggeriscono una esplorazione operativa della polarizzazione, efficace anche come proposta hand-on/minds-on (Michelini, Stefanel 2006b), dall’altro offrono gli spunti per una selezione dei contesti fenomenolo-gici di riferimento, la palestra concettuale in cui aprire la strada verso il mondo quantistico (Michelini 2008). Ciascun esperimento viene presentato con una foto, a volte affiancata da uno schema in modo da esemplificare la situazione considerata, una sintetica presentazione del nodo problematico affron-tato, una descrizione di ciò che l’esperimento evidenzia e di quali conclusioni permette di trarre.Il percorso didattico sulla Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) è stato proposto avendo come riferimento un documento appositamente redatto per gli studenti della scuola estiva, che costi-tuisce una rielaborazione degli articoli di ricerca in cui è stata presentata la proposta didattica (Corni 1996; Corni et al 1996). Tale documento propone le basi teoriche (classiche) della tecnica RBS e i principali concetti (sezione d’urto, fattore cinematico, stopping power) che vengono poi impiegati nell’analisi degli spettri RBS proposta con una approccio tipico del problem solving.Ulteriori documenti che sono stati forniti sono stati gli appunti sul percorso di relatività, predisposti dai corsisti del master IDIFO che hanno condotto le sperimentazioni con gli studenti e il documento


Fare scienza con il computer: il moto browniano, fornito a supporto del laboratorio di simulazione svolto presso l’Università di Trieste.

A2) Kit sperimentaliI docenti nel WS1 e gli studenti nella scuola estiva hanno potuto realizzare laboratori di esplorazione sperimentale hands-on/mins-on sui percorsi didattici proposti utilizzando kit di semplici esperimenti appositamente progettati, messi a punto e validati.Questi kit consentono un coinvolgimento diretto degli studenti nella esplorazione delle specifiche situazioni proposte per affrontare i nodi concettuali intorno a cui si sviluppano i percorsi. Sono stati progettati e messi a punto con un insieme di oggetti e apparati semplici, piccoli strumenti di misura, che possono essere variamente assemblati. Consentono quindi agli studenti di stabilire autonoma-mente quali aspetti variare, su quali soffermare maggiormente l’attenzione, quali ulteriori prove fare seguendo personali percorsi concettuali e di apprendimento, mettendo alla prova ipotesi e confron-tando fra loro diverse ipotesi interpretative della fenomenologia.Le attività esplorative, descritte nei due libretti sul percorsi di meccanica quantistica e polarizza-zione di fig. 2 sono state proposte operativamente agli insegnanti del WS1 con i trenta kit di sem-plici esperimenti sulla polarizzazione, appositamente studiati per esplorazioni mirate con approccio di tipo inquiry (McDermot et al. 1998, 2000; Abd-ElKhalick 2004; Lawson 2008) e PEC (Thornton, Sokoloff 1999; Martongelli et al 2001; Michelini et al 2002; Sokoloff et al. 2004; Theodorakis 2010) nella formazione insegnanti e nella sperimentazione con gli studenti.

Tali kit sono stati riprodotti in ottanta copie per essere utilizzati anche con gli studenti della scuola estiva in occasione del WS3. Sono costituiti da: filtri polaroid; filtri rifrangenti; cristalli birifrangente; foglio da lucido con una lettera; foglio bianco con una lettera e pagina di un libro; puntatore laser; supporti per puntatore, cristalli, polaroid (fig.3). È piuttosto ampia la gamma delle esplorazioni che si possono effettuare, di cui qui se ne richiamano tre su nodi concettuali: l’analisi della trasmissione della luce da due polaroid, per introdurre operativamente la polarizzazione come proprietà della luce distinta dalla sua intensità, ma che pure si riconosce attraverso una sua variazione; l’analisi della tra-smissione della luce da tre polaroid (due incrociati e uno inserito in mezzo a 45°), per riconoscere il ruolo attivo del polaroid nell’interazione con la luce; l’analisi della interazione della luce con due cristalli birifrangenti allineati, uno diretto e uno inverso, per riconoscere la ricombinazione dei fasci e studiare la correlazione tra percorso di propagazione della luce e sua polarizzazione. Per l’esplo-razione delle analoghe situazioni a singolo fotone, è stata messa punto una strategia basata sull’uti-lizzando della simulazione JQM, che costituisce un ambiente di simulazione delle stesse situazioni sperimentali realizzabili con i kit sperimenta (Michelini et al. 2002).

Fig. 3 - I kit di Polarizzazione con cui ciascuno studente ha potuto esplorare gli specifici aspetti indagati della fenomenologia della polarizzazione della luce nel percorso di meccanica quantistica.


L’introduzione alla superconduttività è stata proposta in occasione di WS2 e WS3 supportandola con kit sperimentali realizzati come esito primario del progetto europeo LLL del programma Leonardo Da Vinci Supercomet 2 (AAVV 2007; Engstrom et al 2009a,b; Michelini, Viola 2009). Tali kit sono costituiti da materiali che possono essere diversamente assemblati per esplorare una vasta gamma di proposte sperimentali su: fenomeni magnetici (esplorazioni dell’interazioni tra magneti, interazioni tra magneti e oggetti di materiali diversi, esplorazione di campi magnetici con bussole, limatura di ferro, oggetti ferromagnetici), interazioni campi e correnti elettriche (esperimento di Oersted, inte-razioni magnete-bobine percorse da corrente, la forza di Lorentz con la bilancia Elettro-dinamica e la bilancia di Cotton), fenomeni di induzione elettromagnetica (L’anello che salta, in cui tre anelli di diverso materiale (rame alluminio e plastic) a temperature ambiente o pre-riscaldati/pre-raffreddati vengono sottoposti a un’improvvisa ed intensa variazione di flusso di campo magnetico. L’altezza del salto viene analizzata in termini dei diversi materiali e temperature; il magnete che cade in un tubo di rame); proprietà elettriche dei materiali (misura della resistività in funzione della temperatura per metalli, semiconduttori e superconduttori; proprietà magnetiche dei superconduttori (Effetto Meis-sner e Penning, comportamento dei superconduttori di I e II tipo).Il percorso sulla tecnica RBS, presentato ai docenti nel WS3 e sperimentato con gli studenti nella scuola estiva è stato proposto a partire da un laboratorio di problem solving sperimentale sugli urti con l’obiettivo di ottenere in un esperimento d’urto proiettile-sagoma la distribuzione angolare di retrodiffusione (Produrre un istogramma della probabilità di retrodiffusione in funzione dell’angolo di scattering). Allo scopo, oltre allo studio di urti centrali con carrelli su rotaia, sono stati utilizzati tre kit completi di sagome di forma diversa (disco, triangolo, ellisse) e sfere d’acciaio inviate sulle sagome con velocità e direzione d’impatto fissata facendole scendere lungo una guida a scivolo (Fig. 4).

4. Materiali di supporto per i percorsi di esperimenti di fisica avanzataUn’ampia proposta di quindici contesti sperimentali di fisica avanzata, rilevanti per le progettazioni di percorsi didattici richieste ai corsisti IDIFO (Michelini, Santi, Stefanel 2008, 2010), ha caratte-rizzato le attività di laboratorio esperienziale degli insegnanti nei WS1 e WS3 e degli studenti nella scuola estiva. I materiali didattici che fanno parte integrante della proposta di laboratorio esperien-ziale hanno consentito la realizzazione di micro percorsi sperimentali di problem solving focalizzati su aspetti interpretativi cruciali.Tale materiale è stato proposto sia per quello che riguarda gli esperimento condotti in piccolo gruppo, con presa diretta di dati da parte degli studenti, sia per quegli esperimenti proposti dalla cattedra all’intero gruppo di studenti.Ciascun esperimento è stato messo a punto in almeno due copie, eccetto in un paio di casi di esperimenti proposti a grande gruppo, per i quali è stati possibile mettere a punto un unico apparato prototipale.

Fig. 4 - Apparato per lo studio della sezione d’urto di diffusione di palline che incidono su una sagoma bersaglio.


Ogni isola sperimentale è stata proposta con:A) Scheda esperimento - In 1-2 pagine veniva presentato sinteticamente un esperimento, con indica-

zione delle fasi e dei principali risultati attesi. Ne è stata realizzata una per ciascuno degli esperi-menti che gli studenti hanno o realizzato direttamente o hanno potuto osservare nei seminari dimo-strativi. Avevano il principale obiettivo di fornire una base di riferimento, nelle fasi di lavoro di gruppo e di rimanere in copia agli studenti come documentazione. Comprende la presentazione del contesto problematico e dell’approccio didattico, descrizione dei materiali e discussione degli aspetti teorici, che riguardano il processo esplorato, documentazione con dati campioni e loro ela-borazioni le misure significative che l’esperimento proposto permette di effettuare e soprattutto le conclusioni che se ne potessero trarre; una scheda operativa che, con poche indicazioni, met-tesse in grado i corsisti di condurre autonomamente l’esperimento e stimolasse un atteggiamento di esplorazione sperimentale di ipotesi, piuttosto che di semplice presa dati e loro elaborazione predefinita; scheda per raccolta dati.

B) Schede raccolta dati – Sono state preparate solo per i quattro esperimenti offerti come laborato-rio realizzato a rotazione a gruppi e prevedevano indicazioni su quali misure effettuare, quali dati raccogliere, come effettuare le prime rielaborazioni, pur lasciando ampia libertà nella gestione della misura e nella possibilità di ampliare l’esplorazione.

L’attività nel laboratorio sperimentale è stata preparata con presentazioni effettuate dai ricercatori dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine (URDF) mettendo a disposi-zioni dei corsisti le relative slide di presentazione e filmati, che anno costituito ulteriore materiale a supporto.Un libretto ha raccolto questi materiali costituendo un compatto e prezioso strumento di lavoro per la realizzazione di un laboratorio di fisica avanzata sulla fisica moderna presumibilmente unico nei laboratori didattici in Italia (fig. 4).

5. Materiali di introduzione ai seminariI materiali di introduzione alle tematiche trattate nei seminari proposte nei tre WS e nella scuola estiva sono stati sviluppati specificamente. In particolare per i ragazzi della scuola estiva sono stati propo-sti materiali appositamente studiati, realizzati ex-novo o più spesso riprogettati a partire dai mate-riali sviluppati per la formazione insegnanti del master IDIFO. Sono stati forniti ai corsisti IDIFO e agli studenti della scuola estiva prima delle attività e sono restati a loro al termine della scuola. Sono serviti, pertanto, come materiale sia di preparazione, sia di tutoraggio durante la scuola, sia di docu-mentazione e consultazione successivamente alla scuola. La presentazione scritta di ciascun semi-nario ha fornito una traccia esauriente del tema affrontato, pur delineandolo in forma problematica e suggerendo più stimoli per le discussioni e gli approfondimenti che si sono svolti al termine di ogni seminario, che risultati conclusivi.

Fig. 5 - Frontespizio del fascicoletto che raccoglie le schede esperienze sugli esperimenti di fisica moderna.


Un primo gruppo di tali agili documenti ha proposto una problematizzazione dei fondamenti storico-filosofici della meccanica quantistica da un lato e della relatività speciale dall’altro, seguendo lo stile delle discussioni-stimolo e affiancando anche articoli e documenti storici.Nei contributi relativi ai seminari sulla meccanica quantistica (Seminari: Il prevedibile e innovativo impatto tecnologico della Meccanica Quantistica, Phylosophical aspects of quantum theory; Il pro-blema del corpo nero: entrare nel merito per capire; How does an atom look like?-Come appare un atomo?) sono stati delineati i problemi interpretativi alla base della teoria quantistica, gli elementi peculiari che la caratterizzano rispetto alla fisica classica come l’entanglement e la non località, sono stati discussi aspetti rilevanti basati sulla meccanica quantistica come la fisica atomica, la computa-zione quantistica, la teoria dell’informazione quantistica.Per quello che riguarda la teoria della relatività ne sono state discusse le basi concettuali anche in una prospettiva storica, delineando il quadro di rottura rispetto alla concezione del tempo assoluto della fisica classica e i nodi concettuali relativi alla teoria relativistica (Seminari: The energy-mass equivalence for beginners- L‘equivalenza energia-massa per principianti; I problemi della relati-vità visti dal punto di vista storico).Un secondo gruppo di documenti ha riguardato la fisica delle alte energia, con la presentazione delle ricerche di punta condotte in particolare presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Udine con i grandi acceleratori e realizzate in ambito astrofisico e cosmologico (L’acceleratore LHC e l’espe-rimento ATLAS al CERN: alle frontiere della fisica moderna; Gravità e meccanica quantistica al lavoro: l’espansione dell’Universo; Osservazioni ai confini dell’universo).La videoregistrazione di tutti i seminari proposti nella scuola e loro messa in rete costituisce un ulte-riore materiale messo a disposizione dei corsisti e di quanti vogliano valersene (http://agenda.fisica.uniud.it/difa/conferenceDisplay.py?confId=45).

7. ConclusioniI materiali messi a punto e validati nei workshop 1-2-3 del master IDIFO e utilizzati nella Scuola Estiva di Fisica Moderna sono stati progettati sulla base ai criteri che emergono dalla ricerca. Sono stati essi stessi oggetto di uno studio di ricerca e sviluppo. Fanno in particolar modo riferimento alle metodologie di tipo inquiry e sono di diverse tipologie. I materiali per gli esperimenti dei percorsi didattici sono stati studiati per attivare il coinvolgendo diretto degli studenti in attività esplorative su singoli step concettuali legati in percorso.Le attività di laboratorio avanzato, hanno potuto valersi di apparati appositamente messi a punto e sono state supportate con schede descrittive del contesto problematico a cui l’esperimento dà risposta, schede operative e schede per raccolta dati. La presa dati non è stata proposta come attività fine a se stessa, ma è sempre stata mirata a dare risposta a problemi interpretativi della fenomenologia fornendo parallela-mente rilevanti elementi che caratterizzano la metodologia di indagine della fisica moderna. In questo senso si è trattato non di semplici esperimenti, ma piuttosto di percorsi sperimentali. I seminari sono stati preparati con materiali di presentazione in grado di stimolare la discussione e l’approfondimento al termine di ciascun seminario e risultare al tempo stesso utile traccia del lavoro svolto.L’insieme degli apparati, dei kit e delle schede che li accompagnano costituiscono uno dei principali prodotti del progetto IDIFO, che costituiscono un patrimonio offerto alle scuole del territorio che vogliano sperimentare modalità e percorsi innovativi sulla fisica moderna.

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