Roma 11 settembre 2013

Seminario MIUR

Aula Magna Rettorato Università Roma Tre

Il Laboratorio Virtuale

nella Didattica

Aldo Altamore

Dipartimento di Matematica e Fisica

altamore@fis.uniroma3.it

http://webusers.fis.uniroma3.it/cofis/

E’ meglio una testa ben fatta piuttosto che una testa ben piena Michel de Montaigne (1533-1592), Saggi XXIV, 1580

Un insegnamento efficace delle scienze sperimentali è basato sul

coinvolgimento personale dello studente nella soluzione di problemi

attraverso i metodi propri dell’indagine scientifica.

( Inquiry Based Science Education )

Si deve dare priorità alla comprensione di “come funziona la scienza”

Non all’accummulo di una gran quantità non ben definita di conoscenze.

Nell’azione didattica è fondamentale incoraggiare la progressiva acquisizione

delle abilità tipiche dell’investigazione scientifica, quali:

- la produzione di ipotesi;

- la loro verifica sperimentale;

- il controllo delle condizioni al contorno;

- la definizione di un modello che permetta di trarre conclusioni e fare previsioni.

Si tratta di adattare ripetutamente alla didattica, in contesti e con contenuti

differenti, le modalità che sono proprie del progresso della scienza moderna.

A scuola si dovrebbe impostare il lavoro da svolgere con le classi con l’obiettivo di

“fare scienza” piuttosto che “fare lezione”

Il laboratorio di scienze è il luogo fisico o virtuale nel quale tutto questo si attua.

M. Rocard et al. 2007, Science Education now: a renewed pedagogy for the future of Europe, European Commission

http://ec.europa.eu/research/science-society/document_library/pdf_06/report-rocard-on-science-education_en.pdf

Edgar Morin 2000, La testa ben fatta. Raffaello Cortina Editore

Franco Pirrami 2013, http://www.naturalmentescienza.it/sections/?s=141

2010, http://magazine.linxedizioni.it/files/2010/09/scienza_a_lezione.pdf

M.de Montaigne, 1580

Rapporto Rocard 2007

Le diverse modalità di laboratorio

• Laboratori dimostrativi in aula, presentazione e discussione di esperienze in aula, svolte nel contesto

della lezione, utilizzando attrezzature più o meno sofisticate, oppure di facile reperibilità.

• Laboratori attrezzati, per l’acquisizione di misure e la sperimentazione personale o in piccoli gruppi.

Non tutte le scuole ne sono dotate

• Laboratori semplici, realizzati attraverso materiali di facile reperibilità. Non necessitano di locali

appositamente attrezzati, possono essere svolti personalmente dagli studenti sia in aula che a casa.

• Laboratori sul campo, Realizzati in ambienti diversi: in CAMPAGNA o nel contesto URBANO.

Si prestano particolarmente all’approccio interdisciplinare

• Laboratori virtuali, laboratori che sfruttano le moderne tecnologie dell’informazione e della

comunicazione (TIC), offerte soprattutto dalla rete internet, ma non solo.

I laboratori virtuali sono una risorsa didattica molto importante, particolarmente stimolante per le

ultime generazioni di giovani (nativi digitali). I quali utilizzano spontaneamente le TIC fuori della

scuola attraverso i social-network e i vari strumenti di comunicazione istantanea a cui accedono

attraverso PC, consolle per video giochi, smartphone, etc.

I laboratori virtuali non possono comunque surrogare i laboratori tradizionali hands on e le attività

di problem solving ad essi connesse. Così come non sono surrogabili le interazioni in presenza tra

docenti e discenti, e tra studenti.

A. Caperna 2008, Introduzione alla Information Communication Technology (ICT), PISM/UniRomaTre,

http://www.pism.uniroma3.it/9-introduzione-alla-information-communication-technology-ict/

AA.VV., Rapporto AICA, Informatica nei Licei nel contesto della riforma della scuola

http://www5.indire.it:8080/set/informazione/didattica/accesso/documenti/aica.pdf

http://www.grin-informatica.it/opencms/export/sites/default/grin/files/rapporto_aica.pdf

IL TEMA DEI LABORATI ON LINE E’ DI GRANDE ATTUALITA’

M. Mitchell Waldrop 2013, Education online: The virtual lab, Nature 499, 268

http://www.nature.com/news/education-online-the-virtual-lab-1.13383#/ref-link-2

Hazel Sive & Sanjay Sarma 2013, Online Education on-ramps, Nature 499, 277

http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7458/full/499277a.html?WT.ec_id=NATURE-20130718

Diversi tipi di laboratorio virtuale

Possiamo distinguere almeno quattro diversi tipi di laboratorio virtuale

Tutti questi laboratori si differenziano a seconda della disciplina scientifica alla quale si

riferiscono, possono essere svolti, sia a scuola, che a casa nelle diverse modalità già

menzionate: modalità dimostrativa, sperimentale (personale o di gruppo).

Esperimenti simulati attraverso un software Classificazione, interpretazione di immagini

o analisi di set di dati già acquisiti

Laboratori a controllo remoto (RCL) Analisi di dati dai grandi programmi

scientifici internazionali

Esperimenti simulati attraverso un software

Un’ esperienza realizzata attraverso un software che simula la realtà.

Un esperimento effettuato senza il laboratorio materiale, che permette comunque

al discente di unire la teoria con la pratica.

"laboratory experiment without real laboratory with its walls and doors. It enables the learner to link between the

theoretical aspect and the practical one, without papers and pens. It is electronically programmed in computer in

order to simulate the real experiments inside the real laboratories.”

Keller H. E. & Keller 2005, Making Real Virtual Labs, Sci. Education Rev., 4 (1), 2

http://www.scienceeducationreview.com/open_access/keller-labs.pdf

Il laboratorio simulato è molto diffuso anche nell’ambito di discipline diverse dalle

scienze naturali.

Per esempio in economia (mercato virtuale), sociologia, scienze umane.

Bainbridge W. S. ‎2007, Science , 317 no. 5837, 472

www.sciencemag.org/content/317/5837/472.short

Horton J.J., Rand D.G., Zeckhauser R.J. 2011 , Experimental Economics, 14, 399.

www.people.fas.harvard.edu/~drand/horton_rand_zeckhauser_2011.pdf

Per l’insegnamento di queste discipline sono stati sviluppati laboratori nel

contesto dei videogiochi di realtà virtuale, in particolare Second Life. Bredl K. ,Bösche W. 2013 (editors), Serious Games and Virtual Worlds in Education

http://isrc.ulster.ac.uk/Virtual-Worlds-and-Serious-Games-Team/Home.html

Siti che offrono Esperimenti simulati

Web Lab (In Italiano)

http://ww2.unime.it/weblab/

PHET University of Colorado (Versione italiana)

http://phet.colorado.edu/en/simulations/translated/it Vedi: W.K. Adams 2010, in MPTL14 Workshop (a cura di M. Michelini et al.), Il Nuovo Cimento 33,

n. 3, p.21

The OpenScience Laboratory

https://learn5.open.ac.uk/course/view.php?id=2

nQuire

http://137.108.65.18/nQuire/home

Learn Genetics Utah University

http://learn.genetics.utah.edu/

Smart Science

http://www.smartscience.net/SmartScience/SmartScienceExperiments.html

On Line Labs

http://onlinelabs.in/

Laboratori a Controllo Remoto (RCL)

Server con interfaccia

verso CASSY e

con software CASSYLAB

Server Web

Dispositivo sperimentale

Server con interfaccia

verso CASSY e

con software CASSYLAB

Dispositivo sperimentale

Esperimento AEsperimento B

Utente XY collegato

all’esperimento‎A

Utente ZW collegato

all’esperimento‎B

Collegamento via ADSL

Collegamento via ADSL

Collegamento permanente con IP statico

Server con interfaccia

verso CASSY e

con software CASSYLAB

Dispositivo sperimentale

Colelgamento ADSL

temporaneo

Utente KW collegato

all’esperimento‎C

Collegamento via A

DSL

Esperimento C

Particolare importanza riveste il Laboratorio a Controllo Remoto, che consiste

in un vero esperimento (non simulato) al quale lo studente può accedere

attraverso la rete internet, agire sulla strumentazione e procedere

all’acquisizione dei dati in tempo reale. Le misure potranno essere elaborate

nello stesso contesto o in una fase successiva off line.

Il laboratorio RCL presenta numerosi vantaggi

Quelli in comune con i laboratori simulati:

•Abbattimento dei limiti temporali: l’esperienza, se completamente automatizzata può esser eseguita 24 ore su

24; (salvo alcuni casi particolari come il temporaneo uso didattico di apparecchiature per la ricerca scientifica).

•Abbattimento dei limiti geografici: l’esperimento può essere svolto da diversi luoghi, da scuola o da casa.

•Possibilità di inserire l’esperienza in moduli di insegnamento e-learning

Quelli specifici:

•Economia di scala, specialmente per le attrezzature più sofisticate, che vengono messe in comune;

•Grande ampliamento del numero di esperienze disponibili;

•Possibilità di collaborazione tra scuole, laboratori di ricerca, istituzioni universitarie, specialmente per

quanto riguarda le grandi attrezzature professionali (e.g. microscopio elettronico);

•Messa in comune di differenti competenze presenti in diverse istituzioni scolastiche o universitarie;

•Possibilità di eseguire esperienze potenzialmente pericolose: e.g. che usano sostanze radioattive o

tossiche;

•Eventuale possibilità di sfruttare l’interfaccia informatica per offrire l’esperienza a studenti portatori di

disabilità, che abbiano difficoltà di accesso all’esperimento tradizionale in presenza.

I Limiti

•non avere il contatto fisico con l’ambiente del laboratorio e poter manipolare la strumentazione;

•non avere la possibilità di un lavoro di gruppo hands on in presenza.

Laboratori a Controllo Remoto (RCL)

Siti che offrono Laboratori RCL

Remote Farm

http://remote.physik.tu-berlin.de/en/experiments/classic-physics/

LILA Library of Labs

http://www.lila-project.org/

http://www.lila-project.org/resources/Documents/files/SEFI-2011-RichterTetourBoehringer.pdf

University of Technology Kaiserslautern

http://rcl-munich.informatik.unibw-muenchen.de/

Microscopio a forza atomica http://labor.nano-world.org/

http://bugscope.beckman.uiuc.edu/

BIBLIOGRAFIA

Gröber S.,Vetter M., Eckert B. and Hans-Jörg Jodl H.J. 2007, Eur. J. Phys. 28, S127 http://rcl-munich.informatik.unibw-muenchen.de/docs/Experimenting_from_a_distance_EJP_Special_issue_28(2007).pdf

Gröber S.,Vetter M., Eckert B. and Hans-Jörg Jodl H.J. 2008, American J. Phys., 76, 4, p. 374 http://rcl-munich.informatik.unibw-muenchen.de/docs/Remotely_controlled_laboratories-

Aims_examples_and_experiences_AJP_special_issue_76(2008).pdf

Contact North – The Colorado Community College System – Remote Labs http://contactnorth.ca/sites/default/files/contactNorth/files/pdf/publications/CCCS.pdf

Stacey P. 2011, Teaching Science Online

http://edtechfrontier.com/2011/10/06/teaching-science-online/

Fin dall’anno 2000 il MIUR ha avviato un progetto denominato

"Insegnamento di concetti di base delle scienze mediante

azione e monitoraggio remoto di applicazioni reali nel settore

produttivo", per continuare nell'anno 2002 con un programma

simile ma rivolto ad alunni della scuola superiore "Sistema di

esperimenti remoti di fisica, chimica e biologia per

l'insegnamento nella scuola media superiore".

Nel 2005 il MIUR ha messo a punto un catalogo

di esperimenti RCL, rivolti alle scuole

secondarie di secondo grado. Gli esperimenti

erano fruibili gratuitamente attraverso una

piattaforma dedicata.

Il progetto è stato portato avanti fino al 2007.

UN’ESPERIENZA ITALIANA DA NON DISPERDERE

Documentazione:

Giuseppe Marucci 2006 (a cura) , MIUR Remote Lab

http://archiviotplx.pubblica.istruzione.it/innovazione/progetti/remotelab.shtml

Sedie istituzioni coinvolte negli anni scolastici 2005-06 e 2006-07:

•Università Roma La Sapienza, Telescopio a Controllo Remoto Tacor

•Università Roma Tre, Esperienza Diffrazione Ultrasuoni, ( +Tacor)

•Università di Torino, Forza Centrifuga

•Lifelearning Center di Bologna, Univ. Bologna, Microscopio Digitale a Controllo Remoto

•MIUR/Leybold, Titolazione Acido-Base, Radiazione di Corpo Nero e altre….

La piattaforma di

e la distribuzione territoriale degli esperimenti

Roma 1 (Roma 3)

Roma 3 Bologna

Torino

MIUR/Leybold

MIUR/Leybold

MIUR/Leybold MIUR/Leybold

MIUR/Leybold

La piattaforma di

La piattaforma di

N.B. MANCA UN SISTEMA DI VALUTAZIONE E/O AUTOVALUTAZIONE DELL’ APPRENDIMENTO

Analisi di dati dai grandi progetti di ricerca

L’Osservatorio Virtuale Europeo

Progetto internazionale che mette a disposizione degli astrofisici professionisti gli archivi

di dati acquisiti dai grandi telescopi a terra e nello spazio, include una sezione didattica

che dispone di strumenti dedicati alla scuola che sono un adattamento di quelli

professionali e che permettono l’accesso facilitato agli archivi e l’analisi dei dati.

http://wwwas.oats.inaf.it/aidawp5/

Earthquake Data Portal «Exploring seismological data and products

Portale che permette alla comunità scientifica e a quella educativa di accedere ai dati

sui terremoti acquisiti da diverse istituzioni europee e nel mondo.

http://www.seismicportal.eu/jetspeed/portal/default-page.psml

Human Genome Project

Siti che guidano all’accesso alle risorse didattiche offerte dal progetto Genoma.

http://web.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/education/index.shtml

https://gsoutreach.gs.washington.edu/instructional-materials/exploring-databases/

CERN LHC

http://ippog.web.cern.ch/resources/2012/tutorial-cms-masterclasses

CONCLUSIONI

I laboratori on line non possono mancare nei moderni curricula scolastici, in particolare in

quelli relativi ai Licei Scientifici- Opzione Scienze Applicate.

Infatti l’acquisizione remota di dati e il controllo remoto delle apparecchiature e dei

processi industriali è ormai prevalente nell’ambito della ricerca scientifica e delle sue

applicazioni.

È quindi urgente recuperare il grande ritardo accumulato dal nostro paese in quest’ambito

al fine di colmare il divario con i sistemi educativi degli altri paesi europei e del nord

America.

Osservazioni astronomiche ai telescopi dell’ESO

1950 2000

Grazie per l’attenzione

CONCLUSIONI

Per concludere alcune proposte:

•Avvio di gruppi di lavoro LSA regionali/interregionali sui vari aspetti dei laboratori virtuali e

a controllo remoto, che:

a) Prevedano la sperimentazione e lo studio di queste modalità;

b) Affrontino anche le problematiche relative alla definizione di efficienti sistemi di

valutazione ed autovalutazione dell’apprendimento, che sembrano in genere

mancati.

•Sperimentazione già da questo anno scolastico delle risorse disponibili in rete .

Sia i laboratori simulati, che quelli RCL.

•Individuazione di materiale di laboratorio già disponibile presso gli istituti che possa

essere utilizzato per l’eventuale realizzazione di una rete nazionale di laboratori RCL,

nell’ambito del progetto LSA.