Relazione scientifica sulla

Scuola Estiva Nazionale per Studenti sulla Fisica Moderna

per studenti di Scuole Secondarie Superiori tenutasi presso

Università di Udine 24-29 giugno 2019 nell’ambito del progetto

“Innovazione Didattica in Fisica e Orientamento (IDIFO)”

del Piano nazionale Lauree Scientifiche, approvato e finanziato ai sensi

del DR. 191 del 06/10/08 della Direzione Generale per l’Università del MIUR

1. Introduzione.

La Scuola Estiva Nazionale per Studenti sulla fisica moderna (SENS-FM2019) è stata attuata dal 24 al 29

giugno 2019 e ha coinvolto a 34 studenti del quarto anno delle scuole secondarie superiori di tutta Italia.

La Scuola Estiva IDIFO (SENS-FM2019) è stata progettata e proposta in continuità con le precedenti del

luglio 2007, 2009, 2011, 2013, 2014, 2017, 2018.

La Scuola Estiva Nazionale per Studenti sulla Fisica Moderna (SENS-FM2019) è stata

organizzata come parte del progetto IDIFO nell’ambito del Piano Nazionale Lauree Scientifiche-

Fisica dall’Unità di Ricerca In Didattica della Fisica del Dipartimento di Scienze Matematiche,

Informatiche e Fisiche (DMIF) e del Centro Interdipartimentale di Ricerca Didattica (CIRD)

dell’Università di Udine, in collaborazione con il Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della

Ricerca (MIUR) e il Consorzio universitario GEO. Vi hanno collaborato inoltre le 18 Università

che collaborano al progetto IDIFO e in particolare l’Università di Trieste, che ha curato la giornata

a Trieste, e numerose realtà scientifiche internazionali come il GIREP e nazionali, come l’INFN,

l’AIF e la SIF a livello nazionale, Pro-ESOF a livello regionale, dell’Area Science Park di Trieste,

del Sincrotrone Elettra di Basovizza, del Consorzio per la Fisica di Trieste (CF), del Centro

Internazionale di Fisica Teorica (ICTP), dell’Università di Trieste, dell’Istituto Officina dei

Materiali del CNR (IOM), dell’Ufficio Scolastico Regionale del Friuli Venezia Giulia (USR-

FVG), dell’Ente Regionale per il Diritto allo Studio di Udine (ERDISU),

Essa è stata progettata e messa a punto dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica

dell’Università di Udine (URDF) come proposta formativa che traduce operativamente gli esiti di

ricerca sull’insegnamento/apprendimento della fisica moderna e ne impiega i materiali didattici

validati in sperimentazioni pilota di ricerca, essendo essa stessa sede di ricerca (Pospiech,

Michelini, et al., 2008; Corni, Michelini et al., 2009; Michelini 2010 a, b, c; Gervasio, Michelini

Et Al., 2010; Michelini, Viola, 2010; Michelini, Santi, Stefanel, 2010 a, b, c).

La Scuola SENS-FM2019 ha offerto agli interessati un ambiente stimolante di approfondimento

didattico sui temi di fisica moderna, basato sul personale coinvolgimento dei partecipanti in sfide

laboratoriali su temi di avanguardia: un ambiente in cui l’atmosfera, i metodi e gli strumenti della

ricerca didattica sono stati direttamente esplorati da ciascun partecipante.

2. L’istituzione della Scuola SENS-FM2019

Il manifesto della Scuola SENS-FM2019 è stato pubblicato in rete all’indirizzo

http://www.fisica.uniud.it/URDF/sens-fm2019/index.htm unitamente al modulo per la domanda di iscrizione

e diffuso a tutte le scuole d’Italia. Il bando era destinato precisamente a tutti gli iscritti nell’a.s.2018/2019 del

quarto anno delle Scuole Secondarie di II grado Italiane nel caso di corsi di studio quinquennali e agli studenti

del terzo anno delle Scuole Secondarie di II grado Italiane nel caso di corsi di studio quadriennali.

Le iscrizioni sono state effettuate tramite la pagina web: http://www.fisica.uniud.it/urdf/sens-fm2019 in cui

gli interessati dovevano compilare il FORM on line ed inoltre scaricare e compilare la DOMANDA DI

ISCRIZIONE ed inviarla al Dipartimento di Scienze Matematiche, Informatiche e Fisiche - dell’Università

degli Studi di Udine entro e non oltre le ore 12.00 del 7 maggio 2019.

Al momento dell’iscrizione alla Scuola è stata verificata la situazione in merito ai corsi di formazione sulla

sicurezza (Formazione Generale e Formazione Specifica, secondo l’Accordo Stato Regioni del 21.12.2011)

per poter prendere parte alle attività di laboratorio. Si richiedeva inoltre la dichiarazione liberatoria per riprese

audio e video firmata dallo studente se maggiorenne altrimenti firmata anche dal genitore se lo studente non

fosse maggiorenne. La liberatoria debitamente firmata doveva essere inviata per mail all’indirizzo

idifo@uniud.it e consegnata in originale al momento dell’arrivo alla Scuola.

Entro il 30 maggio 2019 i candidati alla scuola - non in regola con la formazione sicurezza – hanno potuto

effettuare la “Formazione generale lavoratori” della durata complessiva di 4 ore e in modalita e-learning

secondo le procedure previste dal competente ufficio dell’Università di Udine, con software di tracciamento

che ha compreso tutti i contenuti richiesti dall’art. 37, comma 1 lettera a) del decreto legislativo 81/2008, e

s.m.i. Il vademecum sulla sicurezza è stato inviato via mail a tutti i partecipanti ed inserito nello zaino della

Scuola. Coloro che hanno seguito il corso e sostenuto la prova finale hanno poi ricevuto un attestato per

certificare le proprie conoscenze.

Le modalità di partecipazione alla Scuola sono state definite nel manifesto della Scuola ed i partecipanti hanno dovuto versare una quota ridotta totale di 150,00€ per le spese di vitto e alloggio, per i materiali

didattici, i pranzi in mensa e le cene presso il collegio Bertoni, le spese per relatori e tutor, i laboratori e le tasse per l’assolvimento virtuale delle imposte di bollo per l’immatricolazione e l’attestato finale.

3. Partecipanti

In risposta al bando della scuola SENS-FM2019, sono pervenute 121 domande, di studenti di classi quarta

di scuole secondarie superiori di 13 diverse regioni, come illustrato in fig. 1. Tra tali domande, 119 sono

pervenute entro il termine della scadenza del bando (ore 12 del 7 maggio 2019) e 2 sono pervenute oltre detto

termine.

Fig. 1. Distribuzione regionali delle domande suddivise per regione e numero partecipanti alla scuola SENS-FM2019.

La graduatoria degli ammessi e l’elenco degli studenti in lista d’attesa è stata pubblicata sul sito

http://www.fisica.uniud.it/URDF/sens-fm2019/index.htm. Gli studenti ammessi dovevano comunicare il

loro interesse a partecipare oppure a rinunciare entro il 12 giugno 2019 per poter permettere in questo modo

la loro sostituzione con gli altri studenti in lista d’attesa. Fino ad un massimo di 4 posti sui 30 previsti da

bando (15%) è stata data priorità alle domande di residenti in Regione FVG.

La Scuola SENS-FM2019 ha avuto pertanto l’occasione di ospitare 34 studenti provenienti da tutta l’Italia. La composizione degli studenti che hanno presentato domanda è caratterizzata come di seguito:

- Composizione per sesso: 8 femmine e 26 maschi

- Composizione per età: 10 di 18 anni e i restanti 24 di 17 anni.

Tutti gli studenti provenivano da classi quarte di Licei Scientifici e Licei delle Scienze Applicate.

In un form online, appositamente creato, gli studenti dovevano confermare l’ora e la data di arrivo ed

indicare eventuali altre esigenze particolari.

Gli studenti hanno alloggiato presso il convitto Bertoni, Viale Cadore 59 Udine dalla domenica 23 fino al

29 giugno.

4. Struttura organizzativa

Responsabile del Progetto: Marisa Michelini, Università di Udine

Comitato Scientifico della Scuola SENS-FM2019

o Alberto Felice De Toni, Magnifico Rettore dell’Università di Udine;

o Gian Luca Foresti, Direttore DMIF, Università di Udine;

o Marisa Michelini, Responsabile, Università di Udine;

o Andrea Vacchi, Università di Udine

o Lorenzo Santi, Università di Udine

o Alberto Stefanel, Università di Udine;

o Giorgio Pastore e Maria Peressi, Università di Trieste

Responsabile dei laboratori della Scuola: Lorenzo Santi, Università di Udine

Responsabili della valutazione: Alberto Stefanel, Università di Udine

Docenti della Scuola SENS-FM2019

o Marisa Michelini, Università di Udine

o Alberto Stefanel, Università di Udine

o Lorenzo Santi, Università di Udine

o Daniele Buongiorno, Università di Udine

o Sergej Faletic, Università di Lubiana

o Alessandra Mossenta, Liceo Stellini e Università di Udine

o Mario Gervasio, Università di Udine

o Lorenzo Marcolini, sezione AIF di Udine

o Ermanno Arcicasa, sezione AIF di Udine

Supporto Tecnico:

o Giuseppe Cabras, Mauro Sabbadini, Giorgio Salemi, Alberto Sabatini, Università di Udine

Supporto Amministrativo ed Organizzativo

o Silvia Zuccaro, Francesca Bagica, Annalisa Cavedale, Federico Teghil, Mariangela Tutolo, Diana

Zanier, Donatella Ceccoli, Cristina Melilla, segreteria DMIF Università di Udine,

o Gino Capellari, Sezione Sicurezza dell’Università di Udine,

o Roxana Ghinoiu, Tirocinante presso URDF, Università di Udine.

5. Contenuti e metodi

La Scuola SENS-FM2019, come detto, è stata organizzata come parte del progetto IDIFO

(http://www.fisica.uniud.it/URDF/sens-fm2019/index.htm) nell’ambito del Piano Nazionale Lauree

Scientifiche-Fisica. Le attività della Scuola sono state progettate come ricaduta di anni di ricerca in

didattica della fisica e molti dei materiali in essa utilizzati sono stati studiati e validati in contesti di ricerca

internazionale.

Gli elementi caratterizzanti della progettazione della scuola e del suo programma attuativo sono stati: la

tipologia delle attività; gli ospiti stranieri che hanno offerto alla scuola laboratori didattici di alto livello in

lingua inglese; l’organicità dei percorsi didattici proposti e dell’intera scuola.

Le tipologie di attività sono state cinque:

Percorsi di esplorazione attiva per mettersi in gioco analizzando fenomeni e possibili interpretazioni sui

temi della spettroscopia ottica, della meccanica quantistica e della superconduttività;

Laboratorio sperimentale a gruppi su esperimenti di avanguardia e cruciali per la fondazione delle due

nuove teorie dell’ultimo secolo, come la meccanica quantistica e la relatività, con modalità in presenza e

diretta conduzione delle misure a gruppi nei Laboratori di Fisica dell’Università di Udine;

Laboratorio di calcolo numerico per cimentarsi nella fisica computazionale, in particolare presso

l’Università di Trieste;

Problem solving, test, sfide e gare sui concetti affrontati

Seminari su temi di avanguardia della fisica moderna.

L’avvio e attuazione della Scuola Estiva sono state seguite con interesse da autorità locali e nazionali. Oltre

all’ossatura degli organizzatori dell’Università di Udine, formata da Mario Gervasio, Marisa Michelini,

Alessandra Mossenta, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel, Daniele Buongiorno, Ermanno Arcicasa e Lorenzo

Marcolini i, i quali, oltre ad occuparsi degli aspetti organizzativi, hanno tenuto lezioni e conferenze durante

la settimana e hanno fornito il proprio contributo diversi docenti provenienti da altri atenei anche stranieri

di rilevante importanza come:

•Dean Zollman, professore della Kansas State University (USA), esperto nelle nuove tecnologie

dell'insegnamento della fisica moderna, in particolare autore del progetto Visual Quantum

Mechanics per l'insegnamento dei fondamenti meccanica quantistica;

•Vokos Stamatis, professore della California Polytechnic State University(USA), i suoi contributi di

ricerca sull'insegnamento della fisica hanno portato allo sviluppo e aggiornamento dei curricula

scolastici e universitari, in particolare riguardo a tematiche di punta come la relatività e la meccanica

quantistica;

•Andrea Vacchi, luminare in tema di antimateria e fisica applicata, responsabile delle più avanzate ricerche

internazionali sui rivelatori X e gamma.

•Sergej Faletic, dell’università di Lubiana (SLO) esperto di ricerca didattica sul laboratorio di fisica con

metodologia ISLE.

La dimensione di ricerca ha caratterizzato la formazione nella Scuola Estiva: sono stati utilizzati e validati

materiali di riferimento e tutorial di lavoro basati su approcci e strategie di tipo Inquiry Based Learning,

che favorivano l’attivazione dei percorsi di esplorazione concettuale degli studenti, consentendone di

monitorare i processi di apprendimento.

L’insieme delle tipologie di attività previste ha consentito di attuare una didattica laboratoriale in cui gli

studenti hanno avuto ruolo attivo nella costruzione del proprio percorso formativo e del processo di

orientamento in particolare agli studi futuri, avendo potuto avere esperienza delle metodologie e modalità

tipiche dell’analisi fisica dei fenomeni naturali e nella costruzione del pensiero formale.

Il peso percentuale delle diverse attività è stato ripartito nel modo seguente: 1) Laboratori didattici 42%; 2)

Laboratorio sperimentale 18%; 3-4) Laboratori di calcolo e matematica 9%; 5) Gare, preparazione,

svolgimento relazioni e prove finali 11%; 6) Seminari 4%; 7) Visite 16%.

Il programma dettagliato, allegato alla presente relazione è stato pubblicato all’indirizzo

http://www.fisica.uniud.it/URDF/sens-fm2019/index.htm, in cui si trova anche il materiale didattico

sviluppato dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine (URDF) utilizzato nella

Scuola, e accessibile in rete agli indirizzi:

http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/materiali/index.htm

http://www.fisica.uniud.it/URDF/secif/mec_q/mq.htm

http://www.fisica.uniud.it/mosem/indice.htm

e disponibili anche su supporti cartacei, forniti anche ai corsisti tra i materiali di lavoro per quello che

riguarda gli specifici aspetti trattati nella scuola:

http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/materiali/index.htm.

5.1 Il dettaglio delle attività

Sono state proposte le seguenti attività:

A. Percorsi e proposte didattiche

1. Meccanica Quantistica

Introduzione alla meccanica quantistica e Percorso GGM, Marisa Michelini, Alberto Stefanel,

URDF dell’Università di Udine

Simulazioni di processi di meccanica quantistica con JQM, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel URDF

dell’Università di Udine

Stati quantistici e buche di potenziale, Sergej Faletic, URDF dell’Università di Udine

Percorso GGM: Proprietà mutuamente esclusive e incompatibili.

Il principio di indeterminazione, la polarizzazione della luce come stato quantico

La misura in meccanica quantistica e la traiettoria. L’entanglement. Formalizzazione degli stati quantici.

Marisa Michelini, Alberto Stefanel, URDF dell’Università di Udine

2. Spettroscopia Ottica

Gli spettri ottici di diversi sorgenti, i colori della luce, una lettura energetica dei processi di

emissione, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

Introduzione agli esperimenti di spettroscopia, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF

dell’Università di Udine

L’interazione luce-materia e le sorgenti di luce, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF

dell’Università di Udine

L’interpretazione di spettri discreti su base storica, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF

dell’Università di Udine

Lezione interattiva (ILD), Esperimento sulla Spettroscopia Gamma, La radiazione gamma per

studiare l’universo. I rilevatori a scintillazione della radiazione gamma. Laboratorio dimostrativo

interattivo di spettroscopia gamma. Daniele Buongiorno, Sergej Faletic, Marisa Michelini, Lorenzo

Santi, URDF dell’Università di Udine

3. Massa ed energia

Percorso didattico su massa-energia.

Lorenzo Santi, Università di Udine

4. Relatività e le applicazioni della fisica quantistica

Energy Levels, VQP and solids VQM energy bands with and gap, fluorescence light and sw for a

model, white led and blue led, Dean Zollman, Kansas University, USA

Fluorescence explanation, white led and blue led, Dean Zollman, Kansas University, USA

Relativity, simultaneity, event diagrams and Lorentz transformations,

Lenght contractions, wave fronts and relativity Vokos Stamatis, California Polytechnic State

University, USA

Ciascun percorso è stato discusso con i partecipanti in seminari interattivi e laboratori didattici e di

simulazione che hanno previsto la partecipazione attiva dei studenti stessi.

B. Laboratori sperimentali e di simulazione

Esperimenti avanzati di fisica moderna, effettuati direttamente a piccoli gruppi dai partecipanti, sono stati tra le attività più qualificanti e caratterizzanti la scuola. È stato possibile proporli agli studenti SENS-FM2019 grazie alla disponibilità di una raccolta, unica nel panorama italiano, di esperimenti su contesti particolarmente rilevanti per raccordare fisica classica e fisica moderna, ovvero per porre in evidenza i limiti interpretativi della fisica classica e porre le basi per la costruzione di nuovi modi di pensare in fisica (Michelini 2010c, cap. 3; Gervasio et al. 2010). Nel contesto di tali esperimenti sono stati utilizzati sistemi tradizionali, sistemi interfacciati con il computer e prototipi innovativi progettati e sviluppati dall’URDF dell’Università di Udine, e le attività sono state svolte nei laboratori didattici del DMIF dell’Università di Udine, oggi dotati di tutti i principali sistemi esistenti per la didattica di misure con sensori on-line e modellizzazione al computer. Il legame tra proprietà magnetiche e di conduzione elettrica dei superconduttori, attivata dal riconoscimento del ruolo dei processi di induzione elettromagnetica è stata studiata sperimentalmente nel Laboratorio Sperimentale a Gruppi, attraverso l’esplorazione sperimentale del breakdown della resistività nei superconduttori, integrandola con misure di coefficiente Hall. Altri contesti ed esperimenti cruciali che hanno portato al riconoscimento della natura atomica e quantizzata della materia esplorati dagli studenti nel laboratorio sperimentale sono stati l’Esperimento di Franck e Hertz e la misura del rapporto e/m. È stata inoltre approfondita l’analisi della fenomenologia dell’ottica fisica come contesto in cui costruire un ponte verso la meccanica quantistica, attraverso l’analisi sperimentale della distribuzione dell’intensità luminosa prodotta dalla diffrazione di un fascio di luce laser da singola fenditura. Il raccordo tra le due principali teorie della fisica del XX secolo, la teoria quantistica e la teoria relativistica,

è stato affrontato andando ad esplorare sperimentalmente la velocità della luce nel “Laboratorio Sperimentale

a Gruppi” e nella prospettiva della relazione tra massa e energia nel laboratorio didattico su Massa-Energia.

Il concetto di simultaneità in relatività ristretta è stata approfondita nel laboratorio interattivo condotto dal

prof. Vokos in cui gli studenti, a partire dalla costanza della velocità della luce nei diversi sistemi di

riferimento, hanno potuto esplorare le proprie ipotesi, metterle a confronto con gli esiti sperimentali e

giungere alla condivisione di una visione relativistica del concetto di simultaneità.

Nel Laboratorio di simulazione numerica, a cura dei professori Giorgio Pastore e Maria Peressi,

responsabili del PLS dell’Universtità di Trieste, gli studenti hanno potuto cimentarsi con modelli dinamici

per la simulazione degli orbitali atomici. Tale attività si è integrata con la giornata trascorsa a Trieste di

vista all’area del sincrotrone ELETTRA, al laboratorio IOM e al ICTP di Miramare.

B.1 Il laboratorio sperimentale a gruppi Le attività di laboratorio sono state svolte a gruppi per un totale di 7 ore, suddivise come di seguito specificato: 2.5 ore sulla spettroscopia ottica

Sono stati proposti i seguenti esperimenti: 1. Studio sperimentale della diffrazione ottica, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF

dell’Università di Udine 2. Analisi di spettri di emissione e di assorbimento con spettrometro digitale 3. Caratterizzazione dello spettro di un LED 4. Studio di spettri atomici con goniometro ottico

4.5 ore in tre sessioni con isole sperimentali a cui accedere a rotazione in gruppi di 5 persone. Le

turnazioni che permettono a tutti di fare gli esperimenti erano organizzate in una tabella disponibile nello zaino di ciascuno all’arrivo. Le postazioni di lavoro erano questa volta fissate: gli studenti hanno ruotato sulle diverse postazioni Sono stati proposti i seguenti esperimenti:

1. Resistività in funzione della temperatura in metalli, semiconduttori e superconduttori e coefficiente di Hall in metalli e semiconduttori, Mario Gervasio, Alberto Stefanel, URDF dell’Università di Udine

2. Misura di coefficiente di Hall in metalli e semiconduttori, Alberto Stefanel, Mario Gervasio, URDF dell’Università di Udine

3. Esperimento di Franck ed Hertz Daniele Buongiorno, Sergej Faletic, URDF dell’Università di Udine, Ermanno Arcicasa; insegnante di ruolo c/o Marinoni UD, Lorenzo Marcolini; insegnante fuori ruolo ex Malignani UD

4. Misura del rapporto carica-massa dell’elettrone, Alessandra Mossenta: URDF dell’Università di Udine, Lorenzo Santi, URDF dell’Università di Udine,

Per ciascuna isola sperimentale almeno un docente dell’URDF ha introdotto l’attività e seguito ciascun gruppo nel lavoro sperimentale. Tutte le attività di laboratorio sono state supportate con il “libretto dei materiali di supporto delle attività sperimentali” presente nello zaino della Scuola e spesso sono state anche utilizzate schede per la raccolta dati per facilitarne l’organica raccolta, in particolare per quanto riguarda l’attività di laboratorio a rotazione. La suddivisione è stata pensata per ragioni di spazio e di qualità, in modo da poter svolgere le attività nella miglior condizione possibile riuscendo così a soddisfare tutti i corsisti. Le turnazioni che hanno permesso a tutti di effettuare gli esperimenti desiderati e sono state organizzate in una tabella disponibile nello zaino di ciascuno. Come già accennato, una particolare cura e attenzione è stata posta alla sicurezza nel laboratorio, garantendo che tutti gli studenti fossero in possesso della certificazione a noma di legge e fossero informati sulle norme

e indicazioni di sicurezza anche grazie al vademecum sulla sicurezza inserito nello zaino della scuola. Tutti i materiali di lavoro sono stati corredati con le indicazioni sui principali rischi, le principali sorgenti di rischio,

i comportamenti da tenere per garantire la sicurezza. Ogni sessione che ha previsto attività laboratoriali è stata aperta con richiami a tali indicazioni, riportate anche sui banchi di lavoro.

C. Conferenze e seminari

I partecipanti hanno potuto prendere parte a diverse conferenze e seminari nell’ambito della Fisica Moderna:

o La nuova sfida della trasversalità nell’esame di maturità. Massimo Esposito, Direzione Generale

Ordinamenti MIUR

o La fisica moderna nella scuola. Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

o Ricerca in fisica e vita quotidiana, un forte sorprendente legame. Andrea Vacchi, URDF

dell’Università di Udine

o Sfide intellettuali e civili. Furio Honsell; matematico, Rettore dell'Università di Udine negli anni

2001-2008, Consigliere Regionale del FVG.

6. Materiali forniti I materiali forniti agli studenti come supporto all’attività svolta durante la scuola SENS-FM2019, completamento

alle attività svolte in presenza e occasione per riprendere in futuro temi e approcci seguiti, monitoraggio su diversi

piani dei percorsi formativi degli studenti sono stati in parte frutto di precedenti ricerche condotte sia a livello

internazionale sia italiano primo fra tutti quello delle precedenti edizioni del progetto IDIFO, in parte esito di uno

specifico lavoro di progettazione in vista della scuola estiva SENS-FM2019.

Nello zainetto della scuola erano presenti:

Materiale informativo

Lettera di Benvenuto a cura della prof.ssa Marisa Michelini

Tavola sinottica del programma

Programma dettagliato delle attività della Scuola

Opuscolo informativo sulla Sicurezza in laboratorio

Tabella delle attività di Laboratorio avanzato e della relativa organizzazione in gruppi

Dispensa: Esperimenti in laboratorio di Fisica Moderna, L. Santi, URDF

Volume: M. Michelini (a cura di) (2010) Proposte didattiche sulla fisica moderna, Strumenti per una

didattica laboratoriale, MIUR-PLS-UniUD, Udine [ISBN 978-88-97311-04-1]

Quaderno per appunti e penna

Materiale informativo dell’Università degli Studi di Udine

Vademecum aspetti logistici e organizzativi

Materiale Turistico dell’Azienda Turismo Friuli Venezia Giulia

Schede di Lavoro che sono state distribuite al momento dell’attività

Percorso didattico di spettroscopia ottica, D. Buongiorno e M. Michelini, URDF

Esercizi di spettroscopia

Relativity, simultaneity, event diagrams and Lorentz transformations, Lenght contractions, wave fronts

and relativity, V. Stamatis, CalPoly, USA

Dispense Spectra of gases, extending the energy level model to other processes, wave functions and

atoms, wave functions molecules and solids, D. Zollman, Kansas University, USA

Percorso Massa – Energia, Lorenzo Santi, URDF

Grazie all’utilizzo di tali strumenti gli studenti hanno potuto consolidare la comprensione di un consistente

spettro di concetti inerenti alla fisica moderna, è stato possibile certificare il raggiungimento delle

competenze effettivamente raggiunte dagli studenti, monitorare i processi di costruzione concettuale degli

studenti.

Materiale in busta personalizzata

Badge identificativo

Blocchetto biglietti autobus

Eventuale attestato sulla sicurezza

7. Apertura della Scuola e riconoscimenti

Numerosi ospiti hanno onorato l’apertura della Scuola SENs-FM2019 ed in particolare:

Roberto Pinton - Professore ordinario di Chimica Agraria

Gian Luca Foresti – Direttore del Dipartimento di Scienze Matematiche, Informatiche e Fisiche (DMIF)

Bruno della Vedova – Vicepresidente FIT

Andrea Vacchi – Professore straordinario di fisica dell’Università degli Studi di Udine

Elena D'Orlando – Direttrice del Dipartimento di Scienze Giuridiche

Stefano Fabris - Direttore "Istituto Officina dei Materiali" CNR-IOM, Trieste

Mara Lucia Stecchini - Professore Associato di Ispezione degli Alimenti di Origine Animale (SSD

VET/04) presso l’Università degli Studi di Udine

Massimo Esposito - Dirigente Tecnico del MIUR

Le seguenti autorità hanno fatto giungere i propri saluti ed i propri auguri, pur non potendo presenziare

all’apertura:

Marco Busetti - Ministro del MIUR

Giuseppe Valditara - prof. Avv del Dipartimento per la formazione superiore e per la ricerca.

Carmela Palumbo – dott.ssa del Dipartimento per il sistema educativo di istruzione e formazione

Massimiliano Fedriga – Presidente regione Friuli Venezia Giulia

Fernando Ferroni – Presidente INFN

Massimo Inguscio - Presidente prof. CNR

Luisa Cifarelli - Prof.ssa SIF

Anna Rosa Cicala – Dirigente dell’Ufficio Supporto al sistema scolastico (DPIT),

Alberto Meroni – Presidente AIF nazionale

Maurizio Fermeglia - Rettore dell'Università degli Studi di Trieste

Alessia Rosolen - ass. Istruzione della Regione Friuli Venezia Giulia

Rinaldo Rui - Direttore INFN di Trieste

Roberto di Lenarda – Direttore del Dipartimento Universitario Ciinico di Scienze Mediche, Chirurgiche

e della Salute, Università degli Studi di Trieste

Maria Cristina Nicoli - Delegato per la ricerca

Mauro Pascolini - Delegato per il Territorio e progetto Cantiere Friuli-

Enrico Peterlunger – Direttore del CIR

Tiziana Gibelli - ass. cultura, sport e solidarietà

8. Ringraziamenti e sponsor Un ringraziamento speciale a chi ha contribuito alla realizzazione e alla preparazione dell’attività il MIUR

con il Piano PLS, i suoi responsabili nazionali prof. Nicola Vittorio e Josette Immè ed il Consiglio

Scientifico Nazionale PLS, l’INFN, la Fondazione Internazionale Trieste, l’Università di Udine ed in

particolare il DMIF ed il CIRD, l’Università di Trieste e in particolare il gruppo del PLS Fisica, i colleghi

dell’ICTP di Trieste, del Sincrotrone e dell’Istituto per l'Officina dei Materiali (IOM) del CNR, ‘INAF e

l’Osservatorio di Trieste, il team del Sincrotrone di Elettra, il Tavolo TESI di PRO-ESOF ed in particolare

il prof. Bruno Della Vedova, la Società Italiana di Fisica, l’Associazione per l’Insegnamento della Fisica,

l’ARDISS di Udine, i colleghi dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica, i tecnici Giuseppe Cabras e

Giorgio Salemi dell’Università di Udine. Siamo molto grati a Gino Capellari del servizio prevenzione e

sicurezza di Ateneo, che ci ha organizzato la formazione per gli studenti partecipanti. Ringrazio il

rappresentante del MIUR Massimo Esposito e la Direttrice Generale del FVG Patrizia Pavatti. Il Rettore

Alberto De Toni, il Direttore del DMIF Gian Luca Foresti, il rappresentante della fisica all’Università di

Udine Andrea Vacchi, i colleghi Sebastiano Sonego, coordinatore del Corso di Laurea in Matematica e

Paolo Giannozzi meritano un ringraziamento particolare. Ringrazio tutti coloro che ci hanno sostenuto,

oltre ai colleghi delle 18 università del Progetto IDIFO. Un ringraziamento ai colleghi Maria Peressi e

Giorgio Pastore dell’Università di Trieste, condividono l’impegno per questa Scuola, così come il

consigliere regionale Furio Honsell. Siamo grati alla Società Italiana di Fisica, all’Associazione per

l’Insegnamento della Fisica (AIF) e ai colleghi del nostro Gruppo di Ricerca (URDF): Daniele Buongiorno,

Lorenzo Santi, Alberto Stefanel. Un ringraziamento alla tirocinante Roxana Ghinoiu e Emanuele Altamura,

studente che si è offerto di aiutare durante tutta la Scuola. Ringraziamo l’anonimo Comitato di Valutazione

della Scuola. Ringrazio la Segreteria del DMIF e del CIRD ed in particolare Silvia Zuccaro, che ne è

responsabile.

Un ringraziamento caloroso alla Ditta Friul Service s.r.l. che ha offerto agli studenti le merende nelle

mattinate e pomeriggi della Scuola e durante la gita a Trieste giovedì 27 giugno ed anche alla Fondazione

Pietro Pittini che ci ha sponsorizzati con delle borse per gli studenti.

Foto durante le lezioni e la chiusura

9. Monitoraggio e valutazione Per la valutazione della Scuola SENS-FM2019 sono state svolte interviste ed effettuati i seguenti tre tipi di

indagine con

questionari su:

1. Specifici apprendimenti con le schede IBL, relative ai percorsi didattici e da consegnare al

termine di ogni attività, sulla base dei quali sono state effettuate le valutazioni delle

competenze acquisite dagli studenti e che daranno luogo a successive analisi di ricerca sui

processi di apprendimento degli studenti

2. Presentazioni a gruppi degli studenti il sabato mattina sui compiti assegnati, in base alla scelta

degli studenti stessi, su.

a. percorsi didattici: Spettroscopia (con esperimento LED); Superconduttività; Relatività

e massa energia; Gamma; Percorso sulla meccanica quantistica

b. attività sperimentale: Diffrazione e spettroscopia, Franck & Hertz, e/m, Resistività in

funzione della temperatura, Coefficiente di Hall

3. Valutazione da parte degli studenti sulle specifiche attività svolte, compilando una scheda

(Questionario in appendice), con valutazione giornaliera delle singole attività svolte e

indicazione, a conclusione della scuola, delle tre attività ritenute più significative per

contenuto, contributo alla formazione, interesse, degli aspetti di criticità della scuola, di

commenti ed osservazioni liberi, da consegnare sabato mattina 29 giugno, al momento di

ritirare gli attestati di partecipazione

9.1 Il processo di valutazione

Qui si documenta dettagliatamente il terzo livello di valutazione, riportando solo alcuni dati esemplificativi

di sintesi sulle competenze sviluppate dagli studenti in merito a due percorsi. Il questionario utilizzato per

la valutazione fornisce un dettaglio sulle singole attività svolte all’interno della scuola e sull’andamento

dell’intera scuola. Esso è suddiviso in sei parti:

Parte 0 – Dati generali sullo studente

Parte A – Domande riportate in tabella 1, a cui gli studenti dovevano rispondere in base a una scala a 4

livelli (1-Decisamente NO, 2-Più no che sì, 3-Più sì che no, 4-Decisamente SI) per ciascuna attività.

Tabella 1. Domande con risposte su una scala di valutazione da 1 a 4 in merito a ciascuna attività.

A1. Gli argomenti dell'attività svolta sono stati interessanti?

A2. L'attività è stata impegnativa?

A3. La tua preparazione scolastica era sufficiente per seguire l'attività?

A4. I docenti sono stati efficaci?

A5. Le attività svolte sono state utili per capire meglio cos'è la Fisica?

A6. Valeva la pena partecipare all'attività?

A7. L'attività è stata di stimolo per una riflessione/approfondimento?

Parte B - Si indichino i codici delle 3 attività a cui sono stati attribuiti i punteggi maggiori per interesse e

stimolo alla riflessione ed illustrane i motivi.

Parte C -Quali contenuti trattati nella Scuola Estiva ti interesserebbe approfondire? Spiega le motivazioni.

Parte D: Valutazione dell'intera scuola.

Esprimere in una scala da 1 a 4 (1-decisamente no; 2-più no che sì; 3-più sì che no; 4-decisamente sì), una

valutazione complessiva sulla scuola in merito alle voci di cui alla tabella 2.

Parte E. Commento libero o osservazione generale.

Nel seguito, dopo una prima sezione di dati generali sul campione degli studenti, viene ripotata l’analisi dei

dati raccolti con il questionario cartaceo, compilato nella giornata conclusiva della scuola estiva,

relativamente alle diverse parti in cui esso si compone. Tabella 2. Domande con risposte su una scala di valutazione da 1 a 4 in merito all’intera scuola

D1. Gli argomenti della scuola sono stati complessivamente interessanti?

D2. La scuola è stata impegnativa?

D3. La tua preparazione scolastica era sufficiente per seguire l'attività?

D4. Locali a disposizione erano adeguati?

D5. Le attrezzature di laboratorio erano adeguate?

D6. I tutorial di lavoro utilizzati e i questionari sono stati efficaci?

D7. I materiali scritti (dispense, libretti, presentazioni) a supporto e presentazione delle attività sono stati utili?

D8. I docenti sono stati efficaci?

D9. Le attività svolte sono state utili per capire meglio cos'è la Fisica?

D10. Valeva la pena partecipare alla Scuola Estiva?

9,2 Analisi dei dati emersi dalla valutazione dell’intera scuola (parte D)

Nel grafico di fig. 2 è riportata l’analisi della valutazione fatta dai 30 studenti in merito all’intera scuola

estiva secondo le voci di cui alla parte D del questionario.

Da tale dati emerge che:

Le voci D1, D4, D7-10 (D1- Interesse argomenti, D4- adeguatezza locali e D5. Attrezzature,

D7.utilità dei materiali scritti (dispense, libretti, presentazioni ppt) a supporto delle attività,

D8. Efficacia docenti, D9. Utilità per capire meglio cos'è la Fisica, D10. Se valeva la pena

partecipare alla Scuola) hanno ottenuto da tutti gli studenti valutazioni positive (in oltre 3/4

dei casi 4-“decisamente sì” e nel restante ¼ dei casi 3-“più sì che no”), con l’eccezione di 1-2

persone per D7-8-9. La mediana relativa a queste voci è pertanto 4, sistematicamente

superiore al punteggio medio, che si attesta su valori prossimi al massimo (3,9-3,8-3,5-3- 3,7-

3,8 rispettivamente). L’insieme degli alti punteggi attribuiti a queste voci danno un quadro

piuttosto chiaro del valore culturale e formativi attribuito dagli studenti alla scuola.

La valutazione dell’impegno richiesto (voce D2-“impegno richiesto”) ha pure una mediana

massimale (4 anche in questo caso) e una media di 3,6, che evidenzia quanto la scuola

costituisca una effettiva sfida a diversi livelli, primo fra tutti quello dell’impegno intellettuale

Risultano più articolate e di livello leggermente inferiori le valutazioni degli studenti relative

alle voci D4 – “adeguatezza locali” e D6“efficacia dei materiali”, che hanno ottenuto una

valutazione media pari a 3,0 e 3,3 entrambe superiori alla mediana (3 in entrambi i casi).

Purtroppo dai commenti liberi non emergono indicazioni specifiche in merito a queste voce e

pertanto sono di difficile interpretazione questi dati: particolarmente quello sui locali, sempre

valutati come adeguati nelle precedenti scuole; meno problematico quello riferito ai materiali

perché coerente con quanto emerse in passato, in cui è emerso come i ragazzi preferiscano

disporre di materiali cartacei fotocopiati, piuttosto che materiali raccolti in libri, come è stato

offerto loro.

In merito alla propria preparazione (D3), gli studenti hanno utilizzato in prevalenza i due

livelli intermedi di valutazione, giudicandola cioè mediamente adeguata o mediamente non

adeguata, e solo in pochi casi hanno dato valutazioni estreme. Emerge quanto ovviamente era

preventivato sul fatto che la scuola propone delle tematiche che gli studenti solitamente non

affrontano o non hanno affrontato prima di frequentare la scuola. Il nodo della preparazione

resta aperto.

Figura 1. Analisi dati relativi alla parte D del questionario di valutazione

9.3 Analisi dei dati emersi dal questionario in merito alle singole attività (parte B)

Nelle seguenti sezioni 4.1-9, si discutono le analisi dati relative ai 30 questionari compilati sulle singole

attività. Le sigle fanno riferimento alle diverse attività, come da tabella seguente, rimandando per ulteriori

dettagli al questionario completo riportato in appendice.

Tabella.4 Codice, titolo e referenti perle singole attività della scuola SENS-FM2018.

COD Ore ATTIVITA'

S1 1 La Fisica Moderna nella Scuola (M. Michelini)

S2 1 Ricerca in fisica e vita quotidiana (A. Vacchi)

S3 1 L’interazione luce-materia e le sorgenti di luce (D. Buongiorno)

SP1 1 Gli spettri ottici di diversi sorgenti, i colori della luce, una lettura energetica dei

processi di emissione (D. Buongiorno, M. Michelini)

LSG1 1 Laboratorio sperimentale a gruppi: studio sperimentale della diffrazione (D. Buongiorno,

S. Feletic, M. Michelini)

SP2 0,5 Introduzione agli esperimenti di spettroscopia (D. Buongiorno, M. Michelini)

LSG2 1,5 Laboratori sperimentali a gruppi a rotazione con turni da 30 minuti (D. Buongiorno, M.

Michelini)

SP3 2 Discussione dati laboratorio spettroscopia e diffrazione (D. Buongiorno, S. Feletic, M.

Michelini)

SP4 1 L’interpretazione di spettri discreti su base storica (D. Buongiorno, M. Michelini)

MQ1 2 Introduzione alla meccanica quantistica e Percorso GGM (M. Michelini; A. Stefanel)

MQ2 2 Simulazioni di processi di meccanica quantistica con JQM (M. Michelini, L. Santi, A.

Stefanel)

MQ3 1 Percorso GGM e il formalismo (M.Michelini, A Stefanel)

MQ4 1 Stati quantistici e buche di potenziale (S. Feletic)

SP5 2 Problem solving di spettroscopia: dai livelli energetici agli spettri. Esercizi con

discussione (D. Buongiorno, M. Michelini)

VQM1 2 Energy Levels, VQP and solids VQM energy bands with and gap, fluorescence

light and sw for a model, white led and blue led (D. Zollman)

VQM2 2 Fluorescence explanation, white led and blue led (D. Zollman)

LSG3 1,3 Laboratorio Sperimentale a Gruppi: misura resistività in funzione della temperatura di

metalli, superconduttori, semiconduttori (A. Stefanel, M. Gervasio)

LSG4 1,3 Laboratorio Sperimentale a Gruppi: misura coefficiente Hall (M. Gervasio, A. Stefanel)

LSG5 1,3 Laboratorio Sperimentale a Gruppi: Misura del rapporto carica-massa dell’elettrone (A.

Mossenta, L. Marcolini, E. Arcicasa; L: Santi)

LSG6 1,3 Laboratorio Sperimentale a Gruppi: esp. Fanck-Hetz (D. Buongiorno, S. Feletic,)

SC 2 Lavoro di gruppo: esplorazione della superconduttività (A. Stefanel)

VS1 2 Visita guidata al sincrotrone (Basovizza-TS)

LSN 3 Laboratorio "Fare scienza con il computer" (G. Pastore e coll.)

VS2 2 Visita ICTP

Rel 2 Relativity, simultaneity, event diagrams and Lorentz transformations, Lenght

contractions, wave fronts and relativity (V. Stamatis)

M-E 4 Percorso di esplorazione Massa Energia (L. Santi)

Gam 2 Lezione interattiva (ILD), Esperimento sulla Spettroscopia Gamma (D. Buongiorno, S.

Feletic, M. Michelini, L. Santi)

LG 2 Lavori di gruppo: preparazione relazioni

Pre 1 Presentazione dell’apprendimento nei percorsi e nel laboratorio

Nei grafici che seguono sono riportate le valutazioni medie per ciascuna attività con le relative deviazioni

standard. Le linee continue indicano le valutazione medie e mediane assegnate per l’insieme delle attività.

Nel grafico di figura 2 è riportato l’istogramma delle valutazioni assegnate dagli studenti all’interesse

suscitato dalle diverse attività proposte nella scuola SENS-FM2019. La valutazione media delle medie è

pari a 3,3, con uno scarto massimo di 0,6 e mediana è pari a 4, superiore alla media per 13 attività. Le

valutazioni maggiori (prossime al massimo) sono state assegnate nell’ordine alle seguenti attività:

Relatività, relazione S2, Massa e Energia, Meccanica Quantistica (con particolare preferenza per MQ1 e

MQ4), Superconduttività. Valutazioni superiori o di analogo livello alla media delle medie sono state anche

assegnate alle attività S3, SP sulla spettroscopia, LSG, VQM, VS (visite a centri di ricerca), LSN

(laboratorio analisi numerica), Gam.

Figura 2. Distribuzione delle valutazioni assegnate all’interesse degli argomenti trattati nelle diverse

attività.

Figura 3. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate all’impegno richiesto nelle attività.

Figura 4. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate alla “sufficienza” della propria preparazione

scolastica per seguire le attività.

Figura 5. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate alla efficacia dei docenti che hanno condotto le

diverse attività.

Figura 6. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate alla utilità delle attività per capire cos’è la fisica.

Figura 7. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate al fatto se valesse la pena partecipare alle attività

Figura 8. Distribuzione delle valutazioni medie assegnate al fatto se le diverse attività hanno stimolato una

riflessione e/o un approfondimento.

Riguardo all’impegno richiesto si può osservare che la valutazione media delle medie è pari a 2,6, con

differenziazioni significative a seconda delle specifiche attività considerate (o anche di parti di esse):

maggiore per le attività che hanno richiesto maggiore coinvolgimento nell’elaborazione personale.

La valutazione della propria preparazione ha ricevuto le valutazioni più basse, come c’era da aspettarsi, per

una scuola che affrontava argomenti poco o per nulla frequentati a scuola.

La valutazione dell’efficacia dei docenti è stata complessivamente elevata (media 3,4), con oscillazioni che

sembrano più rimarcare l’impegno concettuale richiesto, piuttosto che valutare l’azione in sé del docente.

Le attività sono state giudicate complessivamente utili per capire cosa è la fisica (media pari a 3,4) ed

efficaci nello stimolare riflessione e approfondimento (media 3,2) e particolarmente efficaci sono state

considerate quelle che hanno riguardato la relatività e anche i laboratorio didattici MQ4 e SC e la visita al

sincrotrone.

9.4 Correlazioni tra risposte

In tabella 5 è riportata la matrice dei coefficienti di correlazione relativa alle valutazioni date a ciascuna

delle 7 voci considerate per ciascuna attività.

Tabella 5. Matrice dei coefficienti di correlazione delle risposte che gli studenti hanno dato alle domande

A1-B9. Le caselle evidenziate in colere verde indicano le correlazioni fortemente significative sul piano

statistico (F>3, p<0,0001), in beige quelle negative

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

A1 1,00 0,00 -0,30 0,69 0,85 0,85 0,92

A2 1,00 -0,48 -0,43 -0,11 -0,19 -0,31

A3 1,00 0,02 -0,29 -0,29 -0,25

A4 1,00 0,84 0,83 0,73

A5 1,00 0,09 0,91

A6 1,00 0,90

A7 1,00

Le valutazioni degli studenti in merito all’interesse delle attività (voce A1) sono fortemente correlate

positivamente alle valutazioni relative alle voci A4-A7 (efficacia dei docenti i, migliore comprensione di

cosa si la fisica, valeva la pena partecipare e stimolo alla riflessione). In particolare interesse e

riflessione/approfondimento sono voci quasi totalmente correlate. Le voci A1 e A4-A7 individuano un

comune fattore alla base delle risposte date dagli studenti e che coinvolgono sia la significatività del tema

trattato, sia l’approccio e la metodologia utilizzati. Sono questi elementi che si valorizzano e supportano

l’un l’altro e che costituiscono il punto di forza della scuola e l’insieme dei fattori che danno risposta alla

richiesta di alta qualità nella formazione da parte di studenti di eccellenza quali sono quelli che hanno

frequentato la scuola SENS-FM2019.

9.5 Attività a cui sono state assegnate le valutazioni maggiori per interesse, contributo alla

comprensione di cosa è la fisica e stimolo alla riflessione e relative motivazioni

In fig. 9 viene riepilogata la distribuzione delle frequenze con cui sono state indicate dagli studenti le

attività a cui hanno assegnato i maggiori punteggi per interesse e stimolo alla riflessione. Le stesse citazioni

sono raggruppate in base ai temi affrontati. Nei grafici a colonna sono anche distinte le citazioni in base

all’ordine con cui gli studenti le hanno indicate, in modo da dare anche un’idea della rilevanza relativa

delle attività e/o dei temi citati.

Fig. 9. Attività segnalate per i maggiori punteggi assegnati per interesse e stimolo alla riflessione (in alto) e

citazioni raggruppate per argomento tematico (in basso).

A conferma di quanto già rilevato, le attività che comunque hanno interessato maggiormente gli studenti

sono quelle che hanno trattato temi di relatività (Rel – sul concetto di simultaneità -(“Il prof Stamatis ha

tenuto uno dei corsi più coinvolgenti che io abbia mai frequentato. Il prof è partito dai nostri ragionamenti

per trarne delle conclusioni”) e ME sulla relazione tra massa e energia (“E' stata una lezione molto

stimolante e facile da seguire e comprendere”) (32 citazioni in totale distribuite sui tre livelli di indicazione.

La tematica successiva (con 15 citazioni in totale) è stata quella della meccanica quantistica ((“Attività che

riguardano ambiti della fisica che non conoscevo e che mi hanno incuriosito tanto da volerli

approfondire”), tra le cui attività spicca il laboratorio MQ4 sull’analisi di una particella quantistica in un

adoppia buca di potenziale (“Il professore è riuscito a farmi capire un argomento estremamente complesso

attraverso varie simulazioni”). Seguono poi con 9 e 8 citazioni il seminario sulla fisica delle particelle

elementari S2 (“Riflessioni davvero profonde e interessanti. Molto buono come inizio di una scuola di questo tipo”),

le visite ai centri di ricerca del sincrotrone e dell’ICTP (“Visitare un luogo dove si può vedere e toccare la fisica

entusiasma e spinge a capire il funzionamento del mondo”) e l’esplorazione sperimentale della superconduttività

SC (“esposizione interessante e divertente, spiegazione teorica molto chiara e opportuna”)

9.6 Analisi parte D del questionario: Argomenti che si vorrebbe approfondire

In figura 12 è riportato il diagramma degli argomenti ritenuti interessanti da approfondire. Emergono

ancora, come per le precedenti voci, la relatività (che si può collegare anche al percorso Massa e energia) e

la meccanica quantistica come temi di gran lunga più richiesti. Per lo più le motivazioni sono legate

all’interesse e al desiderio generico di approfondirle, spesso legato alla sensazione di aver solo toccato

(frettolosamente) alcuni punti. In alcuni casi però vi sono indicazioni su specifici aspetti da approfondire

(es in merito al formalismo, oppure ad aspetti affrontati in specifiche parti, come ad es. MQ4). La

superconduttività viene inoltre citata per l’interesse concettuale e per le applicazioni. Si segnalano anche le

diverse voci relative alla fisica delle alte energie.

Fig. 10. Contenuti interessanti da approfondire (argomenti citato per: I- primo; II-secondo; III-terzo).

9.7 Risposte alla Parte E - Commenti liberi degli studenti

Solo 12 studenti hanno inserito commenti liberi sulla scuola (in qualche caso anche a margine delle

valutazioni assegnate in singoli punti del questionario). Si tratta di commenti relativi a quattro ambiti:

Osservazioni sulla propria preparazione iniziale (“Si sono affrontati argomenti che purtroppo a

scuola non vengono trattati”)

Osservazioni sugli approcci utilizzati (“Questa scuola mi ha dato molte risposte, ma soprattutto

molte domande. E' stata una bellissima esperienza. Mi ha stupito l'approccio del prof. Stamatis

che ci ha permesso di ragionare attraverso esempi riuscendo a tenere alta l'attenzione fino alla

fine, quando ha dato la risposta a tutte le domande da lui poste durante la lezione”)

Intensità del programma (“Il programma è stato molto intenso e impegnativo. Il tempo a

disposizione per elaborare le presentazioni era poco. Sicuramente vale la pena partecipare alla

scuola estiva”)

Suggerimenti su come modificare la fase di preparazione delle presentazioni (“Credo che servano

più ore di preparazione per la presentazione finale, possibilmente, più attività di verifica per

accertare che tutti abbiano capito”.

9.8 Valutazione delle competenze raggiunte dagli studenti

Come si è detto, la valutazione delle competenze raggiunte dagli studenti sono state effettuate con diversi

strumenti: Tutorial utilizzati durante l’attività; questionari, problem solving e gare; osservazioni dei

ricercatori che hanno coordinato e condotto le diverse attività; presentazioni finali degli studenti.

L’analisi di ciò che è emerso da tali strumenti è stata effettuata a due diversi livelli: individuazione delle

competenze sviluppate dagli studenti per la loro certificazione; analisi con criteri di ricerca dei percorsi di

apprendimento degli studenti. Qui a livello esemplificativo, si riepilogano i criteri utilizzati per la

valutazione del percorso didattico sulla superconduttività e la meccanica quantistica, rimandando a futuri

lavori di ricerca la discussione degli strumenti utilizzati e gli esiti del secondo livello di analisi.

Il percorso di superconduttività è stato monitorato raccogliendo un breve report informato libero di su cosa

gli studenti avessero appreso sulla superconduttività e sulla base della relazione finale presentata. In

particolare si sono valutati i seguenti elementi: A) descrizione della fenomenologia della superconduttività;

B) proprietà magnetiche e di conduzione elettrica dei superconduttori; C) connessione di tali proprietà; D)

inquadramento teorico nel contesto dell’elettromagnetismo classico; E) elementi base della teoria BCS.

I punti A, B sono stati acquisiti in modo generalizzato da tutti gli studenti. I punti C e D si sono riscontrati

come patrimonio concettuale acquisito dal 70% degli studenti. L punto E è stato acquisito da dal 50% degli

studenti.

Il percorso di meccanica quantistica è stato valutato oltre che sulla base della presentazione finale, anche

sulla base dei tutorial compilati durante i laboratori didattici e il questionario compilato in forma di gara

nell’esplorazione dei fenomeni ideali nel laboratorio virtuale di JQM e il miglior esperimento proposto e

condotto in tale laboratorio didattico. Più in dettaglio sono stati valutati:

A) Rappresentazione della polarizzazione della luce (coerenza e completezza della

rappresentazione)

B) La distinzione tra proprietà mutuamente esclusive e incompatibili

C) Il concetti di stato

D) L’impossibilità di attribuire una traiettoria alle particelle quantistiche

E) Il progetto di esperimento in JWQM e la sua realizzazione effettiva

Tutti gli elementi sono stati riscontrati ad un livello almeno discreto. Livello buoni o ottimi si sono

riscontrati per: 1/5 degli studenti in merito all’elemento A); l’82 % in merito agli elementi B) e C); il 45%

per l’elemento D); il 61 % per l’elemento E.

9.9 Conclusioni

La valutazione complessiva della scuola SENS-FM19 che emerge dall’analisi del questionario è

decisamente positiva quanto a interesse degli argomenti trattati, utilità per comprendere meglio cosa sia la

fisica, validità di averne preso parte, stimolo alla riflessione. Una valutazione complessivamente positiva è

anche quella che emerge in merito a chiarezza ed efficacia dei materiali, efficacia dei docenti, pur con

alcune riserve su alcune singole attività.

I laboratori didattici di esplorazione dei concetti di relatività ristretta sono stati i più apprezzati per l’ottimo

approccio, la chiarezza di presentazione nonostante la complessità degli argomenti trattati. La relatività è

stata anche l’argomento più segnalato per possibili approfondimenti, non ultimo per il fatto di essere un

contenuto più accessibile a studenti di quarta di quanto non sia la meccanica quantistica. Anche il

laboratorio sulla meccanica quantistica e la superconduttività sono stati valutati molto positivamente, ma in

particolare è risultato complesso (per quanto apprezzato) l’approccio alla meccanica quantistica nel

contesto della polarizzazione e l’introduzione del formalismo (MQ1-3). Per contro gli studenti hanno

apprezzato l’attività di simulazione con la buca di potenziale e la funzione d’onda (MQ4), che

evidentemente ha potuto avvalersi di quanto costruito nella prima parte nell’esplorazione della

polarizzazione. La continuità tra le due attività non sembra essere stata colta invece dagli studenti.

Il laboratorio sulla superconduttività è stato apprezzato per la forte integrazione tra esplorazione

sperimentale e la costruzione concettuale.

In generale le attività più apprezzate sono state quelle di problem solving in cui agli studenti è stato lasciato

il tempo di rispondere con calma e non sono stati incalzati sul ritmo, aspetto evidentemente poco gradito,

come non hanno mancato di rilevare alcuni studenti nelle valutazioni libere.

Significative valutazioni sono state anche assegnate ai seminari e attività sulla fisica delle alte energie, in

merito alla quale non sono mancate le segnalazioni per approfondire le tematiche in diverse direzioni. Le

visite ai centri di ricerca sono state apprezzate per il ruolo orientante, anche se con minore frequenza di

anni precedenti. Le valutazioni a queste attività sono correlate positivamente alle attività di laboratorio, che

pur non spiccando nelle segnalazioni degli studenti costituiscono sempre un valore aggiunto della scuola.

Le diverse attività proposte nella scuola sembrano aver risposto alle differenziate aspettative degli studenti

e ai diversi stili si apprendimento e/o propensione verso un approccio più operativo/pratico, piuttosto che

verso l’esplorazione fenomenologica, la costruzione concettuale e formale, come sembra essere stata più

propensa la maggioranza degli studenti selezionati per frequentare la scuola SENS-FM18.

La diversa preparazione degli studenti ha influito in modo significativo sulla valutazione delle attività con

richieste parzialmente contrastanti di approfondimento sulla formalizzazione, ma anche di ritmi più blandi

per consentire a tutti di seguire meglio.

Appendice – Questionario cartaceo per la valutazione delle singole attività della scuola

Allegato nr. 1

PROGRAMMA DELLA SCUOLA

Scuola Estiva Nazionale per Studenti sulla Fisica Moderna SENS-FM2019

Campus Universitario RIZZI - Via delle Scienze 206 - 33100 Udine

24 - 29 giugno 2019

Programma Dettagliato

Lunedì 24 giugno 2019

Ore 8.30-9.00 (Aula 2)

Accoglienza

Registrazione e verifica degli adempimenti assicurativi, di sicurezza e privacy e consegna degli zaini di lavoro.

Ore 9.00-10.00 (Aula 12)

Apertura della Scuola e saluto delle autorità.

Presentazione delle attività della Scuola SENS-FM2019, Marisa Michelini, Lorenzo Santi, URDF dell’Università di

Udine

Ore 10.00-10.30 (Aula 12)

La nuova sfida della trasversalità nell’esame di maturità, Massimo Esposito, Direzione Generale Ordinamenti MIUR

Ore 10.30-10.45 (Aula 19): Rinfresco

Ore 10.45-11.15 (Aula 12)

La fisica moderna nella scuola, Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

Ore 11.15-12.15 (Aula 12)

Ricerca in fisica e vita quotidiana, un forte sorprendente legame, Andrea Vacchi, URDF dell’Università di Udine

Ore 12.15-13.00 (Aula 12)

L’interazione luce-materia e le sorgenti di luce, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF dell’Università di

Udine

Ore 13.00 -14.00: Pranzo

Ore 14.00-15.15 (Aula 27)

Gli spettri ottici di diversi sorgenti, i colori della luce, una lettura energetica dei processi di emissione, Daniele

Buongiorno, Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

Ore 15.15-16.15 (Laboratorio Fisica I)

Laboratorio sperimentale a gruppi: studio sperimentale della diffrazione, Daniele Buongiorno, Segej Faletic,

Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

Ore 16.15 -16.30 (Aula 19): Pausa – Ristoro

Ore 16.30 - 17.00 (Aula 27)

Introduzione agli esperimenti di spettroscopia, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF dell’Università di

Udine

Ore 17.00 - 18.30

Laboratori sperimentali a gruppi a rotazione con turni da 30 minuti, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF

dell’Università di Udine

Laboratorio Fisica I Laboratorio Fisica II

Analisi di spettri di emissione e di assorbimento con

spettrometro digitale, caratterizzazione dello spettro di

LED

Studio di spettri atomici con goniometro ottico

Ore 18.30 - 19.00

Spostamento con autobus di linea 10 dal Campus Universitario dei Rizzi al Collegio

Bertoni – Viale Cadore 59, Udine

Ore 19.00 - 20.30

Cena presso il Collegio Bertoni

Ore 21.00 - 23. 00

Discussione dati laboratorio spettroscopia e diffrazione, Daniele

Buongiorno, Segej Faletic, Marisa Michelini, URDF dell’Università di Udine

Martedì 25 giugno 2019

Ore 8.05 Spostamento con autobus di linea 10 dal Collegio Bertoni al Campus Universitario dei Rizzi (partenza dalla fermata di

Via della Faula)

Ore 8.30-9.30 (Aula 27)

L’interpretazione di spettri discreti su base storica, Daniele Buongiorno, Marisa Michelini, URDF dell’Università di

Udine

Ore 9.30-10.45 (Aula 27)

Introduzione alla meccanica quantistica e Percorso GGM, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, URDF dell’Università

di Udine

Ore 10.45-11.00 (Aula 19): Pausa - Ristoro

Ore 11.00 - 13.00 (Aula 27)

Percorso GGM: Proprietà mutuamente esclusive e incompatibili.

Il principio di indeterminazione, la polarizzazione della luce come stato quantico

La misura in meccanica quantistica e la traiettoria. L’entanglement. Formalizzazione degli stati quantici. Marisa

Michelini, Alberto Stefanel, URDF dell’Università di Udine

Ore 13.00-14.00: Pranzo

Ore 14.00-16.15 (Laboratorio di Informatica)

Simulazioni di processi di meccanica quantistica con JQM, Lorenzo Santi, Alberto Stefanel URDF dell’Università di

Udine

Ore 16.15 -16.30 (Aula 19): Pausa – Ristoro

Ore 16.30-18.30 (Aula 27)

Stati quantistici e buche di potenziale, Sergej Faletic, URDF dell’Università di Udine

Ore 18.30 - 19.00

Spostamento con autobus di linea 10 dal Campus Universitario dei Rizzi al Collegio Bertoni – Viale Cadore 59, Udine

Ore 19.00 - 20.30 Cena presso il Collegio Bertoni

Ore 21.00 - 23.00

Problem solving di spettroscopia: dai livelli energetici agli spettri. Esercizi con discussione; Daniele Buongiorno,

Marisa Michelini URDF dell’Università di Udine

Mercoledì 26 giugno 2019

Ore 8.05 Spostamento con autobus di linea 10 dal Collegio Bertoni al Campus Universitario dei Rizzi (partenza dalla fermata di

Via della Faula)

Ore 8.30 - 10.30 (Aula 12 e 27)

Energy Levels, VQP and solids VQM energy bands with and gap, fluorescence light and sw for a model, white led

and blue led, Dean Zollman, Kansas University, USA

Ore 10.30 – 10.45 (Aula 19): Pausa - Ristoro

Ore 10.45 - 13.00 (Aula 27)

Fluorescence explanation, white led and blue led, Dean Zollman, Kansas University, USA

Ore 13.00 - 14.00: Pranzo

Ore 14.00-18.30

Laboratorio Fisica I Laboratorio Fisica II

Resistività in funzione della temperatura in metalli,

semiconduttori e superconduttori e coefficiente di

Hall in metalli e semiconduttori, Mario Gervasio,

Alberto Stefanel, URDF dell’Università di Udine

Esperimento di Franck ed Hertz Daniele

Buongiorno, Sergej Faletic, URDF dell’Università di

Udine

Misura del rapporto carica-massa dell’elettrone Ermanno Arcicasa; insegnante di ruolo c/o Marinoni

UD, Lorenzo Marcolini; insegnante fuori ruolo ex

Malignani UD, Alessandra Mossenta; insegnante di

ruolo c/o liceo Stellini UD,Lorenzo Santi, URDF

dell’Università di Udine,

Ore 16.15-16.30 (Aula 19): Pausa-Ristoro

Ore 18.30 - 19.00

Spostamento con autobus di linea 10 dal Campus Universitario dei Rizzi al Collegio

Bertoni – Viale Cadore 59, Udine

Ore 19.00 - 20.30 Cena presso il Collegio Bertoni

Ore 21.00 -23.00

Lavoro di gruppo: esplorazione della superconduttività, Alberto Stefanel, URDF dell’Università di Udine

Giovedì 27 giugno 2019

(Trasferta a Trieste - autobus riservato)

Ore 7.45

Partenza dal convitto Bertoni di Udine (Viale Cadore) per il Sincrotrone di Basovizza

con pullman riservato (a carico di DF di UniTS), accompagnatore Lorenzo Marcolini; insegnante fuori ruolo ex

Malignani UD

Ore 9.00 – 10.15

Visita guidata al Sincrotrone ELETTRA da parte dei prof. Michele Bertolo di ELLETTRA e Giovanni Comelli

dell’Università di Trieste

Ore 10.15

Trasferimento in Pullman da ELETTRA all’Osservatorio Astronomico – stazione Osservativa di Basovizza

Ore 10.30 – 11.30

Visita guidata all’Osservatorio Astronomico – Stazione Osservativa di Bosavizza da parte dei prof. Pierluigi Monaco

dell’Università di Trieste e Massimo Ramella (dell’INAIF)

Ore 11.45

Ripartenza da Basovizza e Trasferimento all’Università di Trieste, Edificio F, via Valerio 2 – Aula A

Ore 12.00-12.30

Accoglienza e saluti istituzionali presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste – Introduzione al Laboratorio

Informatico e assegnazione accounts

Ore 12.30 – 13.30

Pranzo presso la Mensa dell’Università di Trieste (a carico di DF dell’Università di Trieste)

Ore 13.45-16.45

Laboratorio di simulazione numerica: "FARE SCIENZA CON IL COMPUTER” – in laboratorio informatico

Poropat, secondo piano, prof. Giorgio Pastore e collaboratori DF-dell’Università di Trieste

Ore 16.45

Pick up dei partecipanti da Via Valerio e trasferimento a San Giusto per visita al

centro storico di Trieste

Ore 18.00

Pick-up dei partecipanti nei pressi di Piazza Unità e trasferimento all’Abdus Salam

International Centre for Theoretical Physics (ICTP)

Ore 18.30 – 18.45

Accoglienza all’ICTP da parte del direttore prof. Fernando Quevedo e/o del prof Sandro Scandolo (dell’ICTP)

Ore 19.00 - 20.15

Visita a SciFabLab (Fermi Bld) con il responsabile Carlo Fonda dell’ICTP

Ore 20.30-21.15

Cena presso l’ICTP con studenti e giovani ricercatori di fisica – (a carico di DF-UniTS)

Ore 21.30-22.30

Rientro a Udine con pullman riservato.

Venerdì 28 giugno 2019

Ore 8.05 Spostamento con autobus di linea 10 dal Collegio Bertoni al Campus Universitario dei Rizzi (partenza dalla fermata

di Via della Faula)

Ore 8.30 - 10.30 (Aula 12)

Relativity, simultaneity, event diagrams and Lorentz transformations,

Lenght contractions, wave fronts and relativity Vokos Stamatis, California Polytechnic State University, USA

Ore 10.45 - 11.00 (Aula 19) Pausa - Ristoro

Ore 11.00 -13.00 e 14.00 -16.10 (Aula 27)

Percorso di esplorazione Massa Energia

Il concetto di massa. I decadimenti beta. La quantità di moto e l’energia cinetica. Relativistiche, l’orologio a luce. E=mc2.

Lorenzo Santi, URDF dell’Università di Udine

Ore 13.00 -14.00: Pranzo

Ore 16.15 - 16.30 (Aula 19) Pausa - Ristoro

Ore 16.30 -18.30 (Aula F)

Lezione interattiva (ILD), Esperimento sulla Spettroscopia Gamma

La radiazione gamma per studiare l’universo. I rilevatori a scintillazione della radiazione gamma. Laboratorio

dimostrativo interattivo di spettroscopia gamma.

Daniele Buongiorno, Sergej Faletic, Marisa Michelini, Lorenzo Santi, URDF dell’Università di Udine

Ore 18.30 - 19.00

Spostamento con autobus di linea 10 dal Campus Universitario dei Rizzi al Collegio Bertoni – Viale Cadore 59, Udine

Ore 19.00 - 20.30 Cena presso il Collegio Bertoni

Ore 21:00 -23:00

Lavoro di gruppo: preparazione delle relazioni per le presentazioni del sabato 29 giugno

Sabato 29 giugno 2019

Ore 8.05 Spostamento con autobus di linea 5 dal Collegio Bertoni al Palazzo Antonini - Via Petracco, 8

Ore 9.00 - 10.00 (Aula T5 - Toppo Wassermann)

Lavori di gruppo - conclusione delle relazioni degli studenti da presentare

Ore 10.00 - 10.30 (Aula T4 - Toppo Wassermann)

Sfide intellettuali e civili. Furio Honsell; matematico, Rettore dell'Università di Udine negli anni 2001-2008,

Consigliere Regionale del FVG.

Ore 10.30 - 10.45 Pausa Ristoro

Ore 10.45 -11.45

Presentazione dell’apprendimento nei percorsi (Aula T4 - Toppo Wassermann)

Spettroscopia (con esperimento LED)

Superconduttività

Relatività

Gamma

Percorso GGM, stati quantistici e buche di potenziale

Meccanica quantistica con VQM

Ore 11.45 – 12.30

Presentazione dell’apprendimento nelle attività di laboratorio

Diffrazione e spettroscopia

Franck & Hertz

e/m

Resistività in funzione della temperatura

Coefficiente di Hall

Dalle ore 12.30-13.00 (Toppo Wassermann)

Foto e consegna diplomi.

Visita alla città di Udine in autonomia e partenze

Comitato Scientifico della Scuola SENS-FM2019

Alberto Felice De Toni, Magnifico Rettore dell’Università di Udine

Gian Luca Foresti, Direttore DMIF, UniUD

Marisa Michelini, Responsabile IDIFO9, UniUD

Lorenzo Santi, UniUD

Alberto Stefanel, UniUD

Giorgio Pastore, Maria Peressi, UniTS

Direzione Scientifica della Scuola SENS-FM2019

Marisa Michelini

Responsabile dei Laboratori e della valutazione SENS-FM2019

Lorenzo Santi, Alberto Stefanel

Responsabile servizi amministrativi DMIF

Silvia Zuccaro

Segreteria Organizzativa

Roxana Ghinoiu